一种基于数字孪生的壁板铆接变形控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数字孪生的壁板铆接变形控制方法，在物理车间进行三维模型简化、数据采集；数字孪生车间对采集的数据传输及存储；铆接变形控制系统进行数据分析，优化铆接顺序及铆接路径规划，结合数字孪生技术，对铆接质量实施有效管控，进行虚实数据融合与交互，进而实现虚拟产线与物理产线的实时映射与远程控制，有针对性的对CATIA软件进行二次开发，实现壁板钻铆时工艺参数的自动提取以及实现壁板模型的批量制孔方法，当铆接变形厚度方向位移超出标准范围，及时向物理车间的工人发出预警提示信息并记录，追溯缺陷产生的原因，给出预防方法。解决了铆接质量监控滞后的问题，提高了铆接质量、效率，实现了铆接质量追溯。溯。溯。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字孪生的壁板铆接变形控制方法


[0001]本专利技术涉及智能制造
，具体为一种基于数字孪生的壁板铆接变形控制方法。

技术介绍

[0002]对于飞机壁板类弱刚性薄壁件，成千上万个铆钉钻铆过程导致的壁板局部变形及整体变形不容忽视，变形问题产生原因复杂并直接影响后续装配环节。在飞机制造过程中，铆接质量直接影响飞机结构连接质量的一致性、稳定性、抗疲劳性能与可靠性。然而，飞机装配过程中制孔及铆接质量检测方法和装配管理上大部分仍然采用传统的手工铆接、人工检测和控制，检测效率低、质量信息难以追溯，对飞机装配过程中制孔精度及铆接质量特征要素的测量，仍采用传统测量工具。机身壁板和机翼壁板是飞机装配过程中典型薄壁件，具有壁薄、弱刚性、曲率变化大等特点，在部装和总装阶段暴露出不同程度的铆接变形问题，且目前无法准确预测或消除。
[0003]从现阶段的专利公开以及文献资料显示，已有学者设计出可用于飞机气动铆接质量在线检测的检测装置，可通过调整丝杆螺栓实现仿真板夹紧和放松，利用传感器实时采集铆接信号，数据文件传输到上位机进行结果分析和评价，在显示平台上显示出铆接的基本过程、铆接质量评价结果和针对性指导反馈；还有一些学者采用有限元软件ABAQUS作为工具进行仿真计算，建立飞机多钉壁板等效仿真模型，将模型中铆接区域划分成多个单钉局部铆接实体，对壁板进行成百上千个铆钉安装时，壁板铆接变形的预测可从依次仿真每一个铆钉的铆接过程转变为不考虑铆钉的铆接过程，只需将此规格铆钉在单钉铆接过程中产生的弯矩作为加载条件，依次加载到壁板上各个装配耦合面对应节点上即可。现有的专利技术对铆接变形的研究停留在只有仿真或对铆接质量检测采用检测装置上，无法体现出集成为统一的系统进行实时调度、实时控制、实时数据传输、数据检测与对比，没有与数字孪生技术结合，同步将物理车间与数字孪生车间进行同步协作进行数据传输等。本专利技术将铆接变形质量分析与数字孪生技术相结合，对铆接质量实施有效管控，进行虚实数据融合与交互，进而实现虚拟产线与物理产线的实时映射与远程控制，构建集成系统。有针对性的对CATIA软件进行二次开发，并将其系统化和模块化、形成独立的接口，建立铆接质量追溯数据库，提高铆接质量及铆接效率。
[0004]数字孪生技术是指用数字技术描述和建模一个与物理实体的特性、行为和性能一致的过程或方法，它是实现物理空间与信息空间交互与融合的有效途径。相对于传统的装配，数字孪生驱动的产品装配呈现出新的转变，即工艺过程由虚拟信息装配工艺过程向虚实结合的装配工艺过程转变。而目前实际生产作业中，铆接工艺参数的确定通过试铆方式来确定，而铆接顺序则由工艺人员依据经验来人为确定。试铆受限于成本，难以大量进行，且缺少理论依据；工艺人员宝贵经验来自于实际生产，但难以继承和推广，对于最终的铆接最大变形是否最小，存在不确定因素，没有系统的方法支撑。因此，铆接工艺参数及铆接顺序引起的装配过程中的壁板变形和控制成为亟待解决的工程问题。数字孪生技术与车间铆
接技术相结合，在工人铆接工艺出现偏差极有可能产生铆接质量问题时，及时检测识别到作出预警指示。因此本专利技术针对铆接顺序对壁板的铆接质量及整体变形进行研究，为控制飞机装配变形，提高铆接质量提供工程应用价值。

技术实现思路

[0005]针对飞机壁板类弱刚性薄壁件，成千上万个铆钉铆接过程导致的壁板整体变形不容忽视，变形问题产生原因复杂并直接影响后续装配环节。铆接工艺及薄壁结构的特点决定了铆接变形是不可避免的，新型号飞机的设计要求对铆接装配变形的控制提出了更加严格的要求，因此，铆接引起的薄壁件变形问题仍然是目前飞机装配领域研究的重点。本专利技术以机身铆接壁板为研究对象，基于铆接变形的形成机理，从铆接工艺和有限元模型两个方面，建立面向飞机薄壁件铆接过程的有限元仿真简化模型，研究铆接顺序对薄壁件厚度方向变形的影响规律，提高铆接质量和效率。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]本专利技术一种基于数字孪生的壁板铆接变形控制方法，包括以下部分：
[0008]1)针对数字系统构建物理车间、数字孪生车间、壁板铆接变形控制系统；
[0009]2)基于MBD(Model Based Definition)的批量铆接变形仿真模型的自动生成技术，通过利用脚本语言Python对CATIA进行二次开发，实现了壁板钻铆时工艺参数(坐标与法矢)的自动提取、法矢方向的正确性检验以及实现壁板模型的批量制孔，有效降低了手动提取信息与制孔时的劳动强度，大大提高了效率，为后续铆接变形仿真模型分析奠定了基础；
[0010]3)在多钉铆接接力计算程序的辅助下，对单排多钉、双排多钉及多排多钉结构下，铆接顺序对薄壁件变形的影响进行研究；
[0011]4)铆接顺序分为单排多钉、双排多钉及多排多钉结构三种情况，单排多钉顺序包括顺序法、中心法、边缘法三种铆接顺序，双排多钉铆接顺序包括顺序铆、单向铆、交叉、环向铆四种铆接顺序，多排多钉结构包括边缘法铆接顺序、中心法铆接顺序等；
[0012]5)本专利技术采用A*算法，它结合了Dijkstra和启发式算法的优点，以从起点到该点的距离加上该点到终点的估计距离之和，其中，Dijkstra算法是一种典型的最短路径优化算法，主要用来计算从一个起始点开始经过其它所有离散点的最短路径优化方法，其具体过程是以起点为中心向外逐层扩散，直到延伸到终点，依此得出最短路径的最优解，一方面我们需要算法有方向地进行扩散(启发式)，另一方面我们需要得到尽可能最短的路径；
[0013]6)数字孪生车间采用数据采集系统进行铆枪拉铆力的数据采集，对铆接顺序进行记录以及对铆接变形位移检测记录，物理车间将铆接过程中工人的铆接顺序、铆枪拉铆力、薄壁厚度方向变形位移数据记录下来储存到数据库通过数字孪生系统传输给数字孪生车间；
[0014]7)从铆接工艺和有限元模型两个方面，建立面向飞机薄壁件铆接过程的有限元仿真简化模型进行接力计算过程；
[0015]8)开发壁板铆接变形控制系统对采集到的数据进行分析统计，分析铆接顺序对壁板批量铆接质量的影响最小方案，优化铆接顺序及铆接路径规划，避免薄壁件变形的局部变形超差，在一定的铆接排列方式下通过调整铆接顺序，使薄壁件的最大变形最小化，同
时，在工人铆接工艺出现偏差极有可能产生铆接质量问题时，及时检测识别到作出预警指示。
[0016]步骤1)中，物理车间主要由包括人员、设备、物料和环境；人员由现场作业的工人、车间管理人员等组成；设备由铆枪、风钻、无线射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)标签、超宽带(UltraWide Band，UWB)等组成；物料由飞机壁板、蒙皮、肋等组成；数字孪生车间主要是进行铆枪拉铆力的数据采集，对铆接顺序进行记录以及对铆接变形位移检测记录；壁板铆接变形控制系统对采集到的数据进行分析统计，分析铆接顺序对壁板批量铆接质量的影响最小方案，优化铆接顺序及铆接路径规划，避免薄壁件变形的局部变形超差，在一定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的壁板铆接变形控制方法，其特征在于包括以下部分：1)针对数字系统构建物理车间、数字孪生车间、壁板铆接变形控制系统；2)物理车间主要包括人员、设备、物料和环境，人员由现场作业的工人、车间管理人员组成，设备由铆枪、风钻、无线射频识别标签、超宽带组成，物料由飞机壁板、蒙皮、肋组成；3)数字孪生车间主要是进行铆枪拉铆力的数据采集，对铆接顺序进行记录以及对铆接变形位移检测记录；4)基于MBD的批量铆接变形仿真模型的自动生成技术，通过利用脚本语言Python对CATIA进行二次开发，实现壁板钻铆时工艺参数(坐标与法矢)的自动提取、法矢方向的正确性检验以及实现壁板模型的批量制孔；5)从铆接工艺和有限元模型两个方面，建立面向飞机薄壁件铆接过程的有限元仿真简化模型进行接力计算；6)壁板铆接变形控制系统对采集到的数据进行统计分析，得出铆接顺序对壁板批量铆接质量影响最小的方案，优化铆接顺序及铆接路径规划，避免薄壁件的局部变形超差，在一定的铆接排列方式下通过调整铆接顺序来降低薄壁件的最大变形量。2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的壁板铆接变形控制方法，其特征在于：步骤3)中薄壁零件的变形数据包括采用激光干涉仪采集的薄壁零件铆接处的局部变形数据、采用高精度2D激光位移传感器采集的整个薄壁零件的翘曲变形数据；薄壁零件的铆接质量数据包括采用过程监控铆枪采集到的铆接过程中的拉铆力和位移数据。3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的壁板铆接变形控制方法，其特征在于：步骤3)还包括数据的预处理过程，对采集到的局部变形数据、翘曲变形数据、铆接质量数据进行异常值去除处理，为虚拟车间提供准确、可靠的信息数据。4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的壁板铆接变形控制方法，其特征在于：步骤4)中对自动生成的批量制孔简化模型，用于确定最优铆接顺序，为了保证仿真结果与试验结果误差最小，需要做到材质、制孔位置、尺寸，铆钉直径、铆钉长度、铆接孔直径、壁板厚度、铆钉间距相一致。5.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的壁板铆接变形控制方法，其特征在于：步骤4)中，在自动钻铆过程中，钻铆点工艺参数信息的获取是实现后续铆接变形研究的基础，以MBD规范定义...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝博，王蝉娟，王明阳，闫俊伟，郭嵩，王杰，尹兴超，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：