本書以陣列天線等復雜產品離散裝配車間為主要研究對象，針對質量控制和效率提升難題，探討提出基于數字孿生的智能裝配車間質量預測、控制理論與方法，構建復雜產品數字孿生裝配車間質量預測與控制體系框架，詳細闡述多維度多尺度智能車間數字孿生高保真模型構建、實時數據驅動的數字孿生車間運行狀態同步建模、陣列天線裝配高置信仿真、陣列天線裝配性能高精準預測、陣列天線裝配過程的精準控制與執行等各項關鍵技術。通過構建陣列天線智能裝配車間數字孿生平臺，達到大幅提升復雜產品裝配質量和效率的目的，從而為復雜產品智能裝配車間的質量預測與控制提供一個可行的解決方案，而且有望實現從傳統事后的車間運行分析與決策模式向事前事中的智能車間“同步映射+在線預測+精準調控”運行分析和決策模式的轉變。
莊存波，2018-10至2020-12，北京理工大學機械與車輛學院 博士后，現任北京理工大學機械與車輛學院副研究員，主要研究方向為制造系統與智能化。
目 錄
第1章 數字孿生概述 1
1.1 數字孿生的概念 6
1.2 數字孿生體的發展歷程 6
1.3 數字孿生體的關鍵特征 12
1.4 數字孿生體與信息物理系統 13
1.5 數字孿生體的應用流程 14
1.6 基于數字孿生的復雜產品智能裝配車間質量管控體系 14
參考文獻 16
第2章 多維度多尺度智能裝配車間數字孿生高保真模型構建 18
2.1 基于數據關聯模型的多空間尺度建模 19
2.2 基于數字孿生虛體的多維度建模 20
2.3 具體實現技術 22
2.3.1 面向要素尺度的車間生產要素建模 22
2.3.2 面向單元尺度的工藝過程數字孿生建模 25
2.3.3 面向車間尺度的數字孿生建模 28
第3章 實時數據驅動的數字孿生智能裝配車間運行狀態同步建模 35
3.1 數字孿生裝配車間多源數據感知與融合方法 35
3.1.1 多源傳感數據的采集 36
3.1.2 多源傳感數據的傳輸 37
3.1.3 多源傳感數據的融合 39
3.1.4 以數據為中心的多源傳感數據融合方法 42
3.2 數字孿生車間多源異構裝配過程數據管理 46
3.2.1 基于工作流的裝配過程數據組織 46
3.2.2 逆向流程下的復雜產品裝配數據版本管理 48
3.2.3 基于數字孿生的產品裝配數據層次化管理與追溯 50
3.3 基于數字孿生的智能裝配車間動態實時可視化監控 51
第4章 陣列天線裝配高置信仿真 55
4.1 基于陣列天線工藝流程的裝配過程有限元仿真 55
4.1.1 陣列天線裝配工藝流程復雜性 55
4.1.2 陣列天線裝配工藝流程分析 56
4.1.3 中層板完成裝配后應力及形變情況仿真 57
4.1.4 中層板與底層板完成連接后應力及形變情況仿真 58
4.1.5 頂層板完成裝配后應力及形變情況仿真 59
4.1.6 整體裝配完成后應力及形變情況仿真 59
4.2 基于有限元模型的降階預測技術方案 60
4.2.1 模型降階總體結構 60
4.2.2 有限元全階模型分析及POD-Galerkin降階模型 61
4.3 陣列天線裝聯工藝可靠性及建模研究 65
4.3.1 陣列天線產品調研及風險識別 66
4.3.2 陣列天線高密度集成互聯工藝的可靠性試驗評價技術及平臺搭建 69
4.3.3 基于失效物理的陣列天線跨尺度建模 81
4.3.4 溫度循環載荷對陣列天線焊點可靠性的影響 82
4.4 陣列天線裝配過程機電磁智能仿真技術 85
4.4.1 電磁輻射智能仿真技術研究 85
4.4.2 電磁傳輸智能仿真技術路線 100
本章小結 109
參考文獻 110
第5章 陣列天線裝配性能高精準預測 114
5.1 陣列天線裝配機械性能高精準預測 114
5.1.1 基于數字孿生-云-邊融合的陣列天線裝配機械性能在線預測方法 114
5.1.2 陣列天線裝配機械性能預測的可視化方法 123
5.2 陣列天線裝配電磁性能高精準預測 138
5.2.1 基于高斯過程回歸的陣列天線裝配電磁性能預測方法 138
5.2.2 陣列天線裝配電磁性能預測的可視化方法 142
5.3 陣列天線裝配綜合性能高精準預測 146
5.3.1 基于隨機森林的特征指標選擇 146
5.3.2 基于高斯混合模型的裝配質量品級決策 151
5.3.3 實例分析 156
本章小結 166
參考文獻 167
第6章 陣列天線裝配過程的精準控制與執行 169
6.1 裝配過程路徑規劃技術 169
6.1.1 零件上料路徑規劃 169
6.1.2 三軸滑臺運動軌跡控制 174
6.1.3 螺釘擰緊順序規劃 178
6.2 裝配過程精準控制理論及方法 180
6.2.1 基于數字孿生模型的在線精準控制 180
6.2.2 復雜產品裝配領域的精準控制方法 184
6.3 裝配過程自適應控制系統 184
6.3.1 自適應裝配控制技術方案制定 186
6.3.2 自適應裝配系統集成設計 190
6.3.3 自適應裝配系統集成控制 195
6.3.4 自適應裝配系統制造及調試 196
參考文獻 196
第7章 應用案例 198
7.1 陣列天線智能裝配工藝流程 198
7.2 陣列天線智能裝配車間數字孿生系統軟件集成架構 201
7.2.1 陣列天線智能裝配車間數字孿生系統微服務劃分技術 202
7.2.2 基于Spring Cloud的陣列天線智能裝配車間數字孿生系統集成 204
7.2.3 基于私有云與Docker技術的陣列天線智能裝配車間數字孿生系統微服務
部署方法 205
7.3 數字孿生平臺及陣列天線智裝配車間全局可視化監控模塊 208
7.3.1 下發控制指令 208
7.3.2 環境數據監控 209
7.3.3 運行狀況及庫存監控 209
7.3.4 裝配過程性能預測參數可視化監控 210
7.4 陣列天線智能裝配車間運行預測與決策模塊 210
7.4.1 裝配性能預測 210
7.4.2 電磁性能預測 216
7.4.3 焊點可靠性預測 222
7.4.4 綜合性能預測 228
7.4.5 預測輔助 245
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