郭具濤 戴 錚 鐘珂珂 洪海波

兩化融合

基于數(shù)字孿生的航天產(chǎn)品自適應(yīng)裝調(diào)方法研究

郭具濤 戴 錚 鐘珂珂 洪海波

（上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600）

針對(duì)航天精密復(fù)雜產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)多變帶來(lái)的裝配調(diào)試效率和一次裝配合格率偏低等問題，提出基于數(shù)字孿生的航天產(chǎn)品自適應(yīng)裝調(diào)方法。通過(guò)裝配體關(guān)鍵特性分析、識(shí)別與測(cè)量快速構(gòu)建裝配體孿生模型，采用多傳感器對(duì)產(chǎn)品裝配狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和虛實(shí)同步，由孿生模型驅(qū)動(dòng)進(jìn)行可裝配性仿真分析、裝配路徑動(dòng)態(tài)規(guī)劃與精準(zhǔn)控制，在此基礎(chǔ)上，搭建航天產(chǎn)品自適應(yīng)裝調(diào)原型系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果證明本方法在復(fù)雜產(chǎn)品裝配過(guò)程閉環(huán)控制和高質(zhì)高效裝配中具有較強(qiáng)的可行性和推廣價(jià)值。

數(shù)字孿生；自適應(yīng)裝調(diào)；關(guān)鍵特性；精準(zhǔn)控制

1 引言

航天產(chǎn)品總裝是根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)條件、裝配工藝文件等的規(guī)定和要求，將合格的分系統(tǒng)、部件等通過(guò)總裝配、對(duì)接調(diào)整、檢測(cè)、試驗(yàn)，最終成為一個(gè)完整的、性能可靠的產(chǎn)品的全過(guò)程[1]。艙段對(duì)接作為航天精密復(fù)雜產(chǎn)品裝配過(guò)程的最重要環(huán)節(jié)，其過(guò)程直接決定了整體裝配效率和質(zhì)量。目前，航天精密復(fù)雜產(chǎn)品裝配過(guò)程雖然開展了艙段自動(dòng)對(duì)接技術(shù)研究，但裝配過(guò)程中仍由多人協(xié)作，并采用“一序一檢、一步一測(cè)”的方式進(jìn)行裝配過(guò)程質(zhì)量控制，產(chǎn)品最終的質(zhì)量靠裝配完成后的檢驗(yàn)保證。在這種模式下航天精密復(fù)雜產(chǎn)品裝配過(guò)程存在研制預(yù)研型號(hào)裝配調(diào)試周期長(zhǎng)、效率偏低和裝配質(zhì)量問題時(shí)發(fā)，一次裝配合格率偏低等問題。

數(shù)字孿生的概念起源于美國(guó)，在2003年由Grieves教授提出[2]，近年來(lái)受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者和企業(yè)的高度關(guān)注。Grieves等[3]提出采用數(shù)字孿生技術(shù)預(yù)測(cè)系統(tǒng)中的不確定性，并開展了基于數(shù)字孿生的航天空間飛行器飛行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)技術(shù)應(yīng)用探索；Schleich等[4]提出了一種利用產(chǎn)品數(shù)字孿生體模型評(píng)估現(xiàn)代制造公司中產(chǎn)品、流程以及維修決策的能力；美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)科學(xué)中心開展了基于數(shù)字孿生的飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)方法研究[5]。陶飛等[6]提出了數(shù)字孿生五維結(jié)構(gòu)模型，給出了14類數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用方向；莊存波等[7]開展了產(chǎn)品數(shù)字孿生研究，分析了產(chǎn)品數(shù)字孿生體的內(nèi)涵以及體系結(jié)構(gòu)；武穎等[8]開展了面向復(fù)雜產(chǎn)品裝配過(guò)程質(zhì)量管控的數(shù)字孿生應(yīng)用探索。從國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展和工程應(yīng)用實(shí)踐來(lái)看，數(shù)字孿生技術(shù)以其實(shí)時(shí)同步、虛實(shí)映射、高保真度的特征，通過(guò)基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的虛實(shí)映射與信息交互，為航天精密復(fù)雜產(chǎn)品艙段自適應(yīng)裝調(diào)提供了可行的技術(shù)途徑。

針對(duì)航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜、技術(shù)狀態(tài)多變帶來(lái)的裝配效率和裝配合格率偏低，難以滿足產(chǎn)品短周期快速制造需求，開展基于數(shù)字孿生的航天產(chǎn)品自適應(yīng)裝調(diào)方法研究。實(shí)現(xiàn)裝配過(guò)程質(zhì)量從事后檢驗(yàn)向事前預(yù)測(cè)和事中控制轉(zhuǎn)變，并基于虛擬監(jiān)控和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的裝配過(guò)程智能閉環(huán)控制方法提高裝配調(diào)試效率。

2 基于數(shù)字孿生的自適應(yīng)裝調(diào)流程

數(shù)字孿生是利用數(shù)字化技術(shù)對(duì)物理實(shí)體建模，基于對(duì)物理實(shí)體狀態(tài)全面感知、信息交互反饋和數(shù)據(jù)融合分析，實(shí)現(xiàn)在虛擬世界中模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力[6，7，9]。參照數(shù)字孿生車間[10]架構(gòu)，基于數(shù)字孿生的自適應(yīng)裝調(diào)系統(tǒng)首先要建立裝配體孿生模型和孿生體運(yùn)行的各類模型、規(guī)則和知識(shí)，并基于孿生體系統(tǒng)提供可裝配性分析和精準(zhǔn)控制服務(wù)。

圖1 基于數(shù)字孿生的自適應(yīng)裝調(diào)流程

如圖1所示，基于數(shù)字孿生的航天精密復(fù)雜產(chǎn)品自適應(yīng)裝調(diào)過(guò)程主要包括三大主要環(huán)節(jié)：一是通過(guò)分析識(shí)別航天精密復(fù)雜產(chǎn)品裝配過(guò)程中的關(guān)鍵特征，并利用視覺傳感器對(duì)裝配現(xiàn)場(chǎng)裝配體的關(guān)鍵特征尺寸實(shí)時(shí)測(cè)量，為裝配過(guò)程虛實(shí)映射與孿生體快速建模提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；二是結(jié)合實(shí)時(shí)測(cè)量信息，在理論設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)模型快速重構(gòu)與修正，并建立虛實(shí)精確映射關(guān)系和交互機(jī)制，構(gòu)建實(shí)物模型所對(duì)應(yīng)的數(shù)字模型，支撐可裝配性分析與自適應(yīng)控制；三是通過(guò)分析航天精密復(fù)雜產(chǎn)品裝配過(guò)程中的關(guān)鍵特征對(duì)產(chǎn)品可裝配性的影響及其之間的關(guān)系，在數(shù)字空間中通過(guò)預(yù)仿真，在實(shí)物裝配前驗(yàn)證裝配體的可裝配性，并借助建立的孿生模型進(jìn)行虛擬監(jiān)控，通過(guò)“測(cè)量-調(diào)整-監(jiān)控”全流程的閉環(huán)控制，基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的虛實(shí)映射與信息交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)航天精密復(fù)雜產(chǎn)品零部件、裝備和裝配過(guò)程狀態(tài)與行為的精準(zhǔn)模擬、預(yù)測(cè)和控制，最終實(shí)現(xiàn)裝配體高質(zhì)高效裝配。

3 裝配體關(guān)鍵特性識(shí)別與測(cè)量

3.1 裝配體關(guān)鍵特性分析與識(shí)別

關(guān)鍵特性是指對(duì)產(chǎn)品性能、功能、配合及外形有顯著影響的產(chǎn)品特征、制造工序和關(guān)鍵特征，貫穿于產(chǎn)品研制的全流程，影響產(chǎn)品裝配精度和質(zhì)量的關(guān)鍵特性稱為裝配過(guò)程關(guān)鍵特性[11]。關(guān)鍵特性的確定是一個(gè)自頂向下的過(guò)程，將產(chǎn)品裝配的性能要求轉(zhuǎn)化為可量化的部組件和零件的制造準(zhǔn)確度的要求，本質(zhì)上就是將裝配要求分解到制造精度，再進(jìn)一步分解到關(guān)鍵特性的過(guò)程[12]。產(chǎn)品裝配過(guò)程中關(guān)鍵特性點(diǎn)逐步成為制造、測(cè)量、協(xié)調(diào)和控制的主要對(duì)象，如圖2所示，結(jié)合航天艙體類零件精密復(fù)雜產(chǎn)品的特點(diǎn)，將影響產(chǎn)品可裝配性的關(guān)鍵特性分為位置精確度、配合精確度和外形準(zhǔn)確度，其中，位置精確度向下分解為個(gè)水平測(cè)點(diǎn)，配合精確度向下分解為個(gè)定位孔和個(gè)對(duì)接孔，外形準(zhǔn)確度向下分解為兩段艙體的階差和貼合度。以某型號(hào)艙段為示例，實(shí)際對(duì)接面上設(shè)有12個(gè)螺紋孔和2個(gè)精定位銷孔，艙段對(duì)接時(shí)不僅需要考慮同軸度、圓跳動(dòng)要求，而且需要考慮定位孔、定位面的約束，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵特性的分析識(shí)別，建立和分析裝配體關(guān)鍵特性關(guān)聯(lián)關(guān)系，為關(guān)鍵特性點(diǎn)的測(cè)量奠定基礎(chǔ)。

圖2 艙體類零件關(guān)鍵特性分解

3.2 裝配體關(guān)鍵特性快速測(cè)量

圖3 數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)組成

航天精密復(fù)雜結(jié)構(gòu)件艙段對(duì)接是利用機(jī)器視覺和圖像處理技術(shù)，通過(guò)對(duì)艙段圓柱面、銷釘銷孔圓柱面、對(duì)接面間隙等特征的在線高精度測(cè)量，完成測(cè)量數(shù)據(jù)的采集、關(guān)鍵特征自動(dòng)擬合和偏差值的動(dòng)態(tài)計(jì)算，并計(jì)算出各個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)部件最優(yōu)化的調(diào)整量，將調(diào)整姿態(tài)的命令下達(dá)給調(diào)姿系統(tǒng)。如圖3所示，航天艙體類精密復(fù)雜構(gòu)件測(cè)量系統(tǒng)采用CCD攝像機(jī)和線激光傳感器測(cè)量輪廓尺寸，輪廓特征數(shù)字化測(cè)量與計(jì)算系統(tǒng)包括主控計(jì)算機(jī)、光源、CCD攝像機(jī)2個(gè)和線激光傳感器1個(gè)，以及圖像識(shí)別分析軟件等。該測(cè)量系統(tǒng)的工作過(guò)程是將光源從零件的背面向上照射，線激光傳感器對(duì)靶標(biāo)點(diǎn)和外形掃描，CCD攝像頭對(duì)定位孔、定位銷拍攝，數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算機(jī)接收到采集的圖像信號(hào)后，利用圖像處理算法和程序處理數(shù)字圖像，得到目標(biāo)測(cè)量點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)位置。在對(duì)艙體輪廓尺寸測(cè)量時(shí)，線激光傳感器沿裝配體軸向移動(dòng)，進(jìn)而測(cè)得激光掃描覆蓋區(qū)域內(nèi)若干離散點(diǎn)相對(duì)于傳感器的位置坐標(biāo)，利用最小二乘法對(duì)測(cè)得的點(diǎn)位數(shù)據(jù)擬合，得到待裝配艙段的空間坐標(biāo)位置和幾何特征等信息。

4 裝配孿生體建模與虛實(shí)同步

4.1 基于視覺傳感的孿生體模型快速建模

基于視覺傳感的孿生體模型快速重構(gòu)采用基于視覺傳感的三維反向建模方法，利用線狀結(jié)構(gòu)光與立體視覺原理，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品裝配現(xiàn)場(chǎng)的零部件表面幾何結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，得到該三維物體的實(shí)際采樣數(shù)據(jù)集。利用基于圖像的建模技術(shù)，采用點(diǎn)云精簡(jiǎn)算法、立體匹配算法處理采樣數(shù)據(jù)集和圖像，再結(jié)合自動(dòng)曲面重構(gòu)算法快速重構(gòu)物體的三維幾何模型，縮短物理產(chǎn)品逆向建模時(shí)間，靈活、高效地以數(shù)字化方式為物理對(duì)象創(chuàng)建虛擬的模型，搭建虛實(shí)融合的環(huán)境。其具體過(guò)程包括：點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，利用線激光采用多次掃描的方式將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成點(diǎn)云數(shù)據(jù)；面片數(shù)據(jù)拼接，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)中所包含的特征求解多視點(diǎn)云數(shù)據(jù)的變換信息，借助標(biāo)記點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的拼接；數(shù)據(jù)輕量化，通過(guò)對(duì)完整的點(diǎn)云降采樣、去噪、光順等操作，生成完整且輕量化的點(diǎn)云；模型重構(gòu)，獲取關(guān)鍵特征點(diǎn)表面的完整的點(diǎn)云輪廓后，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)模與CAD數(shù)模的匹配，對(duì)CAD模型關(guān)鍵特征點(diǎn)進(jìn)行修正完整模型快速建模。

4.2 裝配過(guò)程虛實(shí)同步方法

圖4 虛實(shí)映射與信息交互機(jī)制

為解決物理實(shí)體與數(shù)字孿生體之間的信息交互與融合問題，建立基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的虛實(shí)映射與信息交互機(jī)制，構(gòu)建較逼真的虛實(shí)映射數(shù)字孿生體。如圖4所示，模型驅(qū)動(dòng)的物理實(shí)體與數(shù)字孿生體交互通信機(jī)制的本質(zhì)是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)物理實(shí)體及環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、融合處理，并最終形成控制指令以控制到物理實(shí)體，實(shí)現(xiàn)物理空間和虛擬空間的融合交互[13]。艙體類零件裝配過(guò)程由數(shù)字孿生體進(jìn)行模型驅(qū)動(dòng)，涉及多個(gè)裝配件的協(xié)同裝配過(guò)程。物理實(shí)體與數(shù)字孿生體的交互模型中，物理實(shí)體通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、無(wú)線傳感、網(wǎng)關(guān)傳輸為數(shù)字孿生體提供數(shù)據(jù)支撐。數(shù)字孿生體則通過(guò)模型驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的協(xié)同控制，數(shù)字孿生體模型驅(qū)動(dòng)的協(xié)同控制系統(tǒng)由目標(biāo)優(yōu)化層、設(shè)備選擇層、協(xié)同控制層構(gòu)成：目標(biāo)優(yōu)化層識(shí)別關(guān)鍵工序參數(shù)，建立裝配件的關(guān)系模型；設(shè)備選擇層選擇相對(duì)應(yīng)的設(shè)備來(lái)完成當(dāng)前工序的裝配任務(wù)；協(xié)同控制層通過(guò)控制算法，協(xié)同控制多個(gè)裝配件，通過(guò)模型驅(qū)動(dòng)進(jìn)行數(shù)字孿生體到物理實(shí)體的控制，最終實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體和數(shù)字孿生體之間的虛實(shí)映射和信息交互，支撐艙體類零件一體化裝調(diào)。

5 孿生模型驅(qū)動(dòng)的可裝配性分析與控制

5.1 基于孿生數(shù)據(jù)仿真的可裝配性預(yù)測(cè)

目前，虛擬裝配仿真由于未考慮復(fù)雜產(chǎn)品裝配累計(jì)誤差、零件制造誤差對(duì)裝配工藝方案造成的影響，而使虛擬仿真技術(shù)難以投入實(shí)際裝配過(guò)程工程應(yīng)用的問題，通過(guò)基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，開展面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的裝配工藝過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真、規(guī)劃與優(yōu)化。在孿生體裝配模擬過(guò)程中，基于實(shí)時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)裝配體關(guān)鍵特征點(diǎn)進(jìn)行更新，通過(guò)構(gòu)建包含測(cè)量調(diào)整誤差傳遞狀態(tài)空間模型，提高模型的適用范圍和計(jì)算可靠性，在更新后的三維模型基礎(chǔ)上進(jìn)行裝配順序和裝配路徑的仿真計(jì)算。同時(shí)，采用蒙特卡羅仿真法求解裝配精度可靠性，將隨機(jī)變量設(shè)置為影響裝配精度的各種誤差，通過(guò)蒙特卡羅仿真分析裝配精度可靠性，一方面可為裝配精度評(píng)估提供理論依據(jù)，另一方面也為裝配精度的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)裝配誤差的傳遞分析和對(duì)裝配精度可靠度的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品可裝配性分析和預(yù)測(cè)，通過(guò)基于孿生體虛擬裝配信息與物理裝配過(guò)程之間的深度融合，縮短復(fù)雜產(chǎn)品裝配調(diào)試周期。

5.2 基于數(shù)字孿生體驅(qū)動(dòng)的精準(zhǔn)控制方法

圖5 基于數(shù)字孿生體驅(qū)動(dòng)的精準(zhǔn)控制

基于數(shù)字孿生體驅(qū)動(dòng)的精準(zhǔn)控制從功能上要求整合對(duì)接測(cè)量、數(shù)據(jù)傳遞、伺服控制、模型驅(qū)動(dòng)和位姿調(diào)整等模塊，既要準(zhǔn)確無(wú)誤地保證對(duì)接過(guò)程的精準(zhǔn)度，又要實(shí)現(xiàn)少人化操作狀態(tài)下的自主閉環(huán)執(zhí)行，根據(jù)其系統(tǒng)控制邏輯，如圖5所示，整個(gè)架構(gòu)由傳感、數(shù)據(jù)、建模、驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行五個(gè)模塊形成物理實(shí)體與數(shù)字孿生體之間的閉環(huán)控制邏輯。由傳感、數(shù)據(jù)、建模三個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體的對(duì)接測(cè)量、數(shù)據(jù)傳遞，由驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)、執(zhí)行三個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)模型驅(qū)動(dòng)、伺服控制。

a. 傳感模塊通過(guò)各類傳感器實(shí)時(shí)收集各類零件、設(shè)備開關(guān)、指示燈等信息。并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與伺服驅(qū)動(dòng)器連接傳輸至數(shù)據(jù)模塊。

b. 建模模塊通過(guò)數(shù)字化建模、布局與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等技術(shù)手段，建立物理實(shí)體的仿真數(shù)字孿生體，通過(guò)數(shù)學(xué)建模與算法仿真優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與數(shù)字孿生體的對(duì)接。

c. 驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)模型仿真計(jì)算，生成驅(qū)動(dòng)位姿調(diào)整的指令，并發(fā)送至數(shù)據(jù)模塊，通過(guò)傳感模塊和驅(qū)動(dòng)模塊的配合，實(shí)現(xiàn)測(cè)量、反饋的閉環(huán)控制。

d. 執(zhí)行模塊利用標(biāo)準(zhǔn)的交流同步伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)艙段柔性對(duì)接平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)執(zhí)行位姿調(diào)整參數(shù)，精確控制對(duì)接平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)RS485總線提供對(duì)外數(shù)據(jù)接口。

e. 數(shù)據(jù)模塊是信息采集和指令下達(dá)的匯集處，信息采集部分負(fù)責(zé)將傳感模塊采集到的數(shù)據(jù)匯總，傳輸至建模模塊，進(jìn)行數(shù)字孿生體建模，將計(jì)算的誤差補(bǔ)償值傳輸至執(zhí)行模塊中，修正裝配系統(tǒng)操作參數(shù)，達(dá)到精準(zhǔn)的裝配過(guò)程中誤差補(bǔ)償與精準(zhǔn)控制。

6 航天產(chǎn)品自適應(yīng)裝調(diào)應(yīng)用驗(yàn)證

基于數(shù)字孿生的航天產(chǎn)品自適應(yīng)裝調(diào)系統(tǒng)的架構(gòu)如圖6所示，通過(guò)與車間制造執(zhí)行系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)互通，基于智能裝配仿真模擬應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行自適應(yīng)裝調(diào)，原型系統(tǒng)由物理層、模型層、數(shù)據(jù)層、功能層和應(yīng)用層五個(gè)層次組成。

圖6 航天產(chǎn)品自適應(yīng)裝調(diào)原型系統(tǒng)架構(gòu)

圖7 航天產(chǎn)品自適應(yīng)裝調(diào)原型系統(tǒng)

其中，物理層主要是在自動(dòng)化設(shè)備上集成線激光傳感器和高精度視覺傳感器等對(duì)設(shè)備姿態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)和關(guān)鍵特性點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行系統(tǒng)的仿真和優(yōu)化結(jié)果實(shí)現(xiàn)人-機(jī)-物-環(huán)境互聯(lián)與融合；模型層主要是在理論設(shè)計(jì)模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行虛實(shí)信息的交互映射，建立虛擬仿真模擬環(huán)境，支撐多維虛擬模型集成與融合；數(shù)據(jù)層是通過(guò)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)架構(gòu)，利用數(shù)據(jù)總線和數(shù)據(jù)接口，對(duì)物理層和模型層信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、全面采集和關(guān)聯(lián)；功能層是智能裝配仿真優(yōu)化原型系統(tǒng)核心，主要開發(fā)基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的裝配體建模、裝配尺寸動(dòng)態(tài)計(jì)算、裝配工藝仿真、裝配精度分析等功能模塊，為自適應(yīng)裝調(diào)提供服務(wù)支撐；應(yīng)用層是面向具體裝配業(yè)務(wù)需求。航天產(chǎn)品自適應(yīng)裝調(diào)原型系統(tǒng)如圖7所示，可實(shí)現(xiàn)裝配體可裝配性預(yù)測(cè)、裝配工藝優(yōu)化、自適應(yīng)裝配和三維虛擬監(jiān)控功能。

7 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜、技術(shù)狀態(tài)多變帶來(lái)的裝配效率低、質(zhì)量控制難等問題，以航天艙體對(duì)接為對(duì)象，開展基于數(shù)字孿生的航天產(chǎn)品自適應(yīng)裝調(diào)方法研究，設(shè)計(jì)了“建模-預(yù)測(cè)-控制”全流程的孿生模型驅(qū)動(dòng)的自適應(yīng)裝調(diào)流程，提出了基于關(guān)鍵特性分析、識(shí)別與測(cè)量的裝配體孿生模型快速構(gòu)建與虛實(shí)同步方法，利用實(shí)裝配體孿生模型開展可裝配性分析、裝配路徑規(guī)劃和自適應(yīng)裝調(diào)控制方法，并搭建了航天產(chǎn)品自適應(yīng)裝調(diào)原型系統(tǒng)，驗(yàn)證了基于數(shù)字孿生的航天產(chǎn)品自適應(yīng)裝調(diào)方法的可行性。本文提出的航天精密復(fù)雜產(chǎn)品自適應(yīng)裝調(diào)方法雖然可以通過(guò)孿生模型虛擬監(jiān)控和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)裝配過(guò)程自適應(yīng)閉環(huán)控制，但在孿生體模型高精度和快速重構(gòu)之間的平衡點(diǎn)分析，以及基于孿生數(shù)據(jù)的可裝配性定量評(píng)估方面仍有待研究，后續(xù)將有針對(duì)性地開展深入研究，進(jìn)一步提高裝調(diào)效率和質(zhì)量。

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Research on Adaptive Assembly and Adjustment Method of Aerospace Products Based on Digital Twin

Guo Jutao Dai Zheng Zhong Keke Hong Haibo

(Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600)

Aiming at the problems of assembly and adjustment efficiency as well as low pass rate of one-time assembly caused by the changing technical status of aerospace precision and complex products, a digital twin-based adaptive assembly and adjustment method for aerospace products is proposed. Through the analysis, identification and measurement of the key characteristics of the assembly, the twin model of the assembly is quickly constructed. Besides, the assembly status of the product is measured in real time using multiple sensors and the real and virtual status is synchronized. Moreover, the twin model is driven to perform assembly simulation analysis, assembly path dynamic planning and precise control. On this basis, a self-adaptive assembly and adjustment prototype system for aerospace products was built. The test results proved that this method has strong feasibility and promotion value in closed-loop control of complex product assembly process and high-quality and efficient assembly.

digital twin；adaptive assembly and adjustment；key characteristics；precise control

TP301.6；TP391.9

A

中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司錢學(xué)森基金項(xiàng)目（20183133）、國(guó)防基礎(chǔ)科研資助項(xiàng)目（JCKY2018605C003）、上海市工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專項(xiàng)項(xiàng)目（XX-GYHL-02-20-1134）。

郭具濤（1988），在讀博士，航空宇航制造工程專業(yè)；研究方向：數(shù)字化集成制造和先進(jìn)制造。

2021-11-17