本文是一篇工程论文，本文详细分析了国内外航空制造质量控制发展情况以及数字孪生技术在加工制造质量领域的应用情况，构建了适用于数字孪生过程质量管控平台的基于特征的数字化测量系统、建立了在线的动态过程质量控制模型、设计了基于数字孪生的过程质量管控平台，并选择了典型零部件进行应用。
1绪论
1.1 课题背景及意义
当前，我国制造业已进入高质量发展的新阶段，各类企业对质量的关注程度变得日益增强。产品质量将决定企业的未来，企业要想发展，除了不断创新出新的产品，还要提高产品质量，提升可靠度，才能保证生存发展的核心竞争优势。在这一要求下，提升质量管理水平，深化先进质量管理工具方法的推广应用，成为了每一个追求卓越企业的重要工作内容之一。在现阶段我国航空工业内，产品技术含量不断提高，功能更加丰富、结构也更为复杂，在国际竞争愈加激烈的环境下，用户对产品的质量也提出更高的要求。为了保证航空装备发挥出预期效果，发挥大国重器的作用，我们需紧跟先进技术发展风向，优化质量管理手段，使产品质量控制水平与产品质量需求、用户需求相匹配，这是当前航空装备领域亟待解决的重要课题之一。
自工业数字化发展以来，目前正处于第三次和第四次工业革命的更迭阶段，全球工业领域孕育着新的机遇和挑战。当前，虽然我们的工业发展程度已达到较高水平，但不容忽视的是，在很多领域，我们与第一梯队还存在一定差距。特别是在质量控制领域，以下几个方面的问题存在较大的提升空间，一是质量控制技术方法往往落后于工艺手段发展速度，老方法解决新问题略显乏力；二是生产现场广泛应用的质量控制方法或是控制手段单一（如产品检验），或是操作复杂，且数据分析存在滞后性（如工序能力分析）；三是大量新兴控制方法更多注重理论创新，但很难付之于实际应用。在第四次工业革命肇始之际，把握好产业数字化转型，将使得我们有机会突破界限，引领未来[1]。
1.2 质量控制研究现状
1.2.1 质量控制的发展历程
（1）质量检验阶段[3]：自有手工业以来，产品的质量一直靠从业者的技艺和经验来保证，质量标准也或是不成文的行业规则，或是每位从业者自身的职业操守，并无统一的体系架构。在19和20世纪之交，以泰勒（F.W.Taylor）[2]为代表的科学管理理论面世。泰勒将工厂内的工人按职能进行分工，并将产品质量检查作为单独专业从生产过程中分离出来，建立了专业管理部门和制度，对产品进行检查，做出符合性判断，并将不合格品隔离出来。但这种方法也有很大弊端，工人只负责生产，不去理会产品的缺陷，企业只好另雇用大量的检验人员去检查，造成的巨大的质量损失。
（2）统计质量控制阶段[4]：鉴于检验质量控制的滞后性，“预防”的思想开始出现。隶属于贝尔实验室的两个课题小组—道奇（H.F.Dodge）和罗明（H.G.Romig）的小组，以及休华特（W.A.Shewhart）的小组在20世纪30年代分别提出抽样检测和统计过程控制理论，为统计质量控制的理论奠定了基础。在第二次世界大战期间，统计质量控制在美国得到了较为广泛的应用，并在战后对日本企业产生了深远的影响。此后在戴明（W.E.Deming）的“戴明十四法”，朱兰（J.M.Juran）的“朱兰三部曲”等理论发展下，统计质量理论得到的不断丰富。统计质量控制阶段将质量控制从关注结果，发展到制造过程控制，并将两者相结合进行使用，体现了预防性控制。
2 基于MBD的飞机零部件质量数据采集
2.1 数据采集系统总体框架
MBD(Model Based Definition)使用融合的三维模型来描述产品，不仅可以表达产品几何形状信息，还包含了产品公差、材料、表面粗糙度等信息[66,67]。基于MBD的产品设计制造技术以MBD模型为依据，可帮助技术人员快速有效地开展产品制造[68,69]，在当前我国航空企业中，该技术正发挥着越来越重要的作用[70,71]。鉴于此，构建基于MBD的数据采集技术辅助构建产品数字孪生模型，有较好的现实基础。本章节针对构成飞机框架所涉及的零件、装配部件等加工过程的在线测量展开研究，重点论述MBD与数字孪生相结合的路径方法，如何以基于特征的数字化测量技术为核心，构建数字孪生体，并能动态反馈物理世界的情况，进而通过数字孪生体来观察物理世界、研究物理世界，实现物理世界和虚拟世界的交互。数据采集系统如图2.1所示。
2.2制定数据采集作业计划
2.2.1确定零部件质量数据采集点
识别物体的测量信息，一般通过识别零件的特征来实现，这些特征包括外形和功用两种属性信息，主要有外形、关联关系、功能性能、工艺技术和公差范围等，可以在CATIA中提取产品模型的三维标注来获得。
飞机结构件是构成飞机结构框架和外形的重要元素，主要包括梁、框、桁、肋等多种构型。在这些构型中，包含了筋条、缘条、腹板、工艺孔等结构特征[73]。如图2.5所示。如常见的平筋结构是由侧向两个面、一个上面和一个下面构成的，侧向两个面间的距离既是筋结构的宽度，上顶平面和下面间间距离则为高度。
结构特征是利用相邻结构的约束关系来表达工件构型，如图2.6所示。特征图的圆代表表面, 如F1代表平筋结构中的顶平面，F2和F3分别代表F1两侧的垂直平面；连线代表相邻面之间共同的边，如E12代表F1和F2的共边、E13代表F1和F3之间的共边。表2.1对特征图面边属性进行详细说明。结合图2.6的表达方法和表2.1的定义，图2.7分别给出了识别平筋、孔、缘条等结构特征的决策依据，如图所示，每个元素除了有属性值以外，还包括相互间的几何关系，可准确识别结构特征，具备唯一性。
3 过程质量控制模型构建......................... 26
3.1 实施过程质量控制的路线...................... 26
3.2 建立各个步骤所需的算式................... 28
4 基于数字孪生的过程质量管控平台设计.............................. 42
4.1基于数字孪生的过程质量管控平台设计思路 ....................... 42
4.2基于数字孪生的过程质量管控平台技术架构 ....................... 43
5.基于数字孪生的在线过程质量控制方法应用........................... 56
5.1实践应用的总体路线 ............................. 56
5.2启动基于MBD的数据采集系统实施测量 ........................... 57
5.基于数字孪生的在线过程质量控制方法应用
5.1实践应用的总体路线
在当前飞机制造过程中，零件生产环节的机加和部总装环节的铆接装配占机体结构制造的大部分工时，两种工艺过程所形成的产品也是影响机体机构质量的关键因素。本章节分别选取了某飞机万向轴零件和副翼组件产品，以及两产品其所涉及的生产单元作为应用对象，并对两产品的典型工序实施了在线质量管理，以验证基于数字孪生的过程质量管控平台的实际作用。
生产万向轴零件的生产单元为6车间，该车间负责万向轴从材料毛坯到成品的全过程加工。万向轴零件涉及两项关键特性，外圆和内孔，其中外圆规格为Φ30f7，其规格上限USL=29.980mm，规格下限LSL=29.959mm；内孔规格为Φ24H7，规格上限USL=24.021mm，规格下限LSL=24mm。两项关键特性均由数控车床加工，并使用磨床加工达到最终尺寸。
负责副翼组件装配的生产单元为9车间，该车间负责副翼组件的骨架定位和蒙皮铆接工序。副翼由于是机翼的重要部件之一，对气动外形要求较高，重点关注项为铆接质量和铆接后副翼蒙皮外形的翘曲变形量。该副翼外表面共有164颗铆钉，其中92颗为沉头抽芯铆钉，其余为普通沉头铆钉。沉头抽芯铆钉对副翼外形起到关键作用，其关键特性为：铆钉头的凸起不得超过0.1mm，每排铆钉允许不超过铆钉总数的10%的凸起超过此值，但不得大于0.15mm，铆钉头不允许凹陷。副翼的另一关键特性为蒙皮翘曲变形允许的偏差为±1mm，工艺方法为人工装配，主要工具为拉铆枪。
6 总结与展望
6.1 总结
针对典型航空零部件的在线质量管控问题，本文详细分析了国内外航空制造质量控制发展情况以及数字孪生技术在加工制造质量领域的应用情况，构建了适用于数字孪生过程质量管控平台的基于特征的数字化测量系统、建立了在线的动态过程质量控制模型、设计了基于数字孪生的过程质量管控平台，并选择了典型零部件进行应用。
论文的主要研究内容及其成果包括：
●构建了适用于数字孪生过程质量管控平台的基于特征的数字化测量系统
鉴于当前航空制造企业很多关键生产加工环节已实现数字化管理和数字化测量，为了满足数字孪生过程质量管控平台对物理世界产品数据的需求，本文在MBD技术基础上，构建了基于特征的零部件数字化测量系统，为基于数字孪生的在线过程质量控制提供了及时、大量的产品质量数据。
●建立了在线的动态过程质量控制模型
在国内外相关研究基础上，采用系列算式和判断参数，实现对现场采集所获数据的稳态判断、正态性检验以及较为精准的过程能力指数计算；构建了基于多分类支持向量机的异常模式自动识别系统，结合所建立的基于经验知识的异常模式知识库，实现异常模式的自动识别，并能根据异常模式类型，自主给出质量改进建议。
●研究开发了基于数字孪生的过程质量管控平台
参考ISO 23247标准，结合航空产品的生产制造的特点，侧重在过程质量稳定性控制方面,研究开发了基于数字孪生的质量管控平台；选取某型飞机万向轴零件和副翼组件，全流程验证了本文所构建的数字孪生过程质量管控平台的可行性。
参考文献（略）
