張 萌

（遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學院,遼寧 沈陽)

1 研究背景

嵌入式過定位對接裝配方法是易形變高精度部件裝配的典型裝配工藝，這種裝配方法可改變裝配體接口的受力情況，保證裝配質(zhì)量。但由于易形變高精度裝配體在經(jīng)過加工、熱處理等工序，其接口容易產(chǎn)生不規(guī)則變形，導致在對接過程不可觀測，給易形變高精度部件裝配過程帶來了極大的困難。

協(xié)調(diào)對接過程的前提是數(shù)字孿生體的構(gòu)建。在對接過程數(shù)字孿生體構(gòu)建領(lǐng)域浙江大學的周石恩[1-3]等人針對復雜產(chǎn)品研究了基于數(shù)字孿生的建模裝配和精度分析的方法，構(gòu)造了與復雜產(chǎn)品虛實映射的數(shù)字孿生裝配模型。鄭守國[4]等人通過CATLA 軟件建立了飛機總裝生產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)了物理實體的三維可視化；但是上述方法形成的數(shù)字孿生體其精度不能完全滿足航天器實際生產(chǎn)要求。在此背景下本文提出了一種基于NX 機電概念設(shè)計模塊構(gòu)建易變形高精度部件對接裝配系統(tǒng)數(shù)字孿生體的方法。本方法中高精度對接系統(tǒng)的數(shù)字孿生體模型構(gòu)建是根據(jù)物理空間中對接系統(tǒng)的三維虛擬場景及定義對接系統(tǒng)的機構(gòu)運動，并對運動機構(gòu)進行運動學求解，將后續(xù)算法提供的裝配體姿態(tài)運動軌跡解耦成運動機構(gòu)的簡單運動，再通過物理空間與數(shù)字空間一致性標定，最終實現(xiàn)對接系統(tǒng)的高精度數(shù)字孿生體的構(gòu)建。

2 對接系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型構(gòu)建

主要通過NX 軟件的機電概念設(shè)計模塊（MCD）進行對接系統(tǒng)的數(shù)字空間孿生體建模，將設(shè)計完成的對接系統(tǒng)模型導入NX 建模環(huán)境，利用MCD 平臺所提供的功能解決方案，賦予對接系統(tǒng)設(shè)計模型機械、電氣和自動化屬性，形成數(shù)字空間與物理空間協(xié)同的數(shù)字孿生體模型。

2.1 三維虛擬場景構(gòu)建及機構(gòu)運動定義

為了建立一個可以模擬真實場景的數(shù)字孿生體模型，設(shè)計模型各模塊單元需要定義其物理屬性，主要包括剛體、材料、質(zhì)量、慣性矩、碰撞體、摩擦因子以及密度等。現(xiàn)以某航天器的噴管、主體燃燒室艙段作為對接主體配合高精度并聯(lián)調(diào)姿平臺運動，規(guī)定剛體屬性，并指定其質(zhì)心、對象坐標系以及艙段接口處多層止口處設(shè)定碰撞體與碰撞面（見圖1）。

圖1 對接系統(tǒng)孿生體構(gòu)建

裝配過程在數(shù)字空間運行時，高精度并聯(lián)調(diào)姿平臺需要定義機構(gòu)及設(shè)備內(nèi)部各組件的運動屬性，方法如圖2a 所示，系統(tǒng)提供機構(gòu)運動學定義的功能，包括固定副、鉸鏈副、柱面副、滑動副及球副等路徑約束運動副，設(shè)定構(gòu)件的連接件和基本件，根據(jù)不同運動副的不同運動方式設(shè)定其軸矢量、指定錨點，并通過界面限定運動副的行程、起始角和初始偏置等。可通過設(shè)置速度控制、位置控制以及力或力矩控制調(diào)整個運動副的狀態(tài)，通過選擇控制對象、軸類型位置、速度、加速度等參數(shù)，形成機構(gòu)及設(shè)備的不同姿態(tài)，便于在定義設(shè)備操作過程中調(diào)用,方法如圖2b 所示。

圖2 六自由度并聯(lián)調(diào)姿平臺運動屬性定義

在數(shù)字空間對接過程中，必然伴隨機構(gòu)及艙段位置姿態(tài)調(diào)整，系統(tǒng)運動數(shù)據(jù)由上層算法多次迭代物理空間視覺傳感測量數(shù)據(jù)和數(shù)字空間虛擬傳感測量數(shù)據(jù)，解算出最優(yōu)對接路徑軌跡，分解為設(shè)備機構(gòu)的一系列基本操作，由基本操作組成復雜的運動過程。

2.2 動作規(guī)劃及運動學求解

為了能夠?qū)⑽锢砜臻g和數(shù)字空間動作協(xié)同同步，需要將艙段最優(yōu)對接路徑軌跡分解為六自由度調(diào)姿平臺的運動，求解出各個電動缸的運動特點，得到動平臺輸出與電動缸運動的位移、速度、加速度關(guān)系。如圖3 所示，六自由度并聯(lián)平臺包括一個動平臺、一個靜平臺和6 個電動缸，每一個電動缸（i）是一個圓柱副分為缸體和活塞桿?；钊麠U上方通過上虎克鉸（Ai）與動平臺相連，缸體下方通過下虎克鉸（Bi）與靜平臺相連，動平臺和靜平臺上鉸點的連線呈現(xiàn)出均勻分布的六邊形。

圖3 并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

六自由度并聯(lián)平臺通過控制六個電動缸實現(xiàn)動平臺的空間位姿，用如下向量表示。

q=[q1q2q3φ θ ψ]T表示，其中q1、q2、q3表示平移分量，用位置矢量t=[q1q2q3]T表示，φ 、θ、ψ三個轉(zhuǎn)動分量表示體坐標系相對于慣性坐標系{Ob}的歐拉角[5]。

通過求解歐拉角可以確定慣性坐標系和體坐標系的姿態(tài)。這里我們采用ZYX 歐拉角描述旋轉(zhuǎn)運動來確定動平臺的空間位姿。經(jīng)過變換得到最終的旋轉(zhuǎn)變換矩陣形式T：

動平臺的空間位姿用向量為：

q=[q1q2q3φ θ ψ］T表示，則廣義速度表示為：

a——體坐標系相對慣性坐標系的角加速度量；根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣的定義。可得：

進一步對時間求導，可得：

2.3 虛擬測量傳感器定義

針對多層直口艙段的多級臺階配合特征，主要建立碰撞傳感器和距離傳感器兩種類型的虛擬傳感器。碰撞傳感器通過劃分網(wǎng)格面設(shè)定碰撞面，用于檢測所設(shè)置的碰撞面是否發(fā)生碰撞，發(fā)生碰撞時碰撞面高亮顯示紅色并輸出布爾量信號，碰撞面主要設(shè)置在多層止口處三級臺階上相互配合的面上。距離傳感器通過指定點的位置和指定方向矢量，定義一條傳感器檢測的綠色光束，光束可以通過開口角度、檢測范圍進行調(diào)節(jié)，當檢測對象進入光束范圍穿過傳感器定義的光束，距離傳感器持續(xù)測量與監(jiān)測對象的直線距離，并輸出雙精度浮點信號。

結(jié)合艙段多層止口的多級臺階配合處容易發(fā)生不規(guī)則變形的特征，將多個傳感器分象限分區(qū)域布置。噴管的三層止口處每級臺階沿軸向的配合面平均分為8 個碰撞面，碰撞面形狀為網(wǎng)格面，以1.00 為整個碰撞體的凸面體系數(shù)，每45°形成一個區(qū)域，每個區(qū)域形成1 個獨立的碰撞傳感器，8 個碰撞傳感器互不干涉，檢測各自獨立區(qū)域內(nèi)是否發(fā)生碰撞，輸出獨立的布爾量信號。噴管段的三層止口處每級臺階沿軸向的配合面平均分為8 個區(qū)域與碰撞傳感器相對應，每個45°區(qū)域均勻布置3 個距離傳感器，每級臺階沿圓周共布置24 個距離傳感器光束，24 個距離傳感器各自獨立互不干涉，每3 個傳感器檢測同一區(qū)域的不同位置，每個傳感器測量光束范圍內(nèi)檢測對象沿指定方向矢量到指定點的距離，輸出獨立的雙精度浮點信號。

2.4 數(shù)字空間與物理空間一致性標定

數(shù)字空間中的艙段姿態(tài)主要由物理空間視覺系統(tǒng)實時拍攝靶標姿態(tài)反饋所得，靶標的安裝應位于固定區(qū)域，這樣使用視覺系統(tǒng)識別到靶標位姿后，對接面的位姿參數(shù)也就隨著確定，這樣就可以通過靶標識別到噴管與主體燃燒室艙段的姿態(tài)信息，反饋回數(shù)字空間，通過算法反算運動學進而控制六自由度調(diào)姿并聯(lián)平臺電動缸與物理空間同步運動，保證數(shù)字空間與物理空間中艙段姿態(tài)的一致性。

通過求解歐拉角可以確定慣性坐標系和各個體坐標系的姿態(tài)，同樣通過歐拉角描述旋轉(zhuǎn)運動來確定動平臺、主體燃燒室艙段以及靶標的空間位姿。利用高精度三坐標測量系統(tǒng)測量直接得到物理空間的相關(guān)參數(shù)，對數(shù)字空間中各個目標一一標定，進而與物理空間中的關(guān)節(jié)運動一一映射，完成數(shù)字空間和物理空間的一致性標定，保證數(shù)字空間孿生體模型與物理空間真實對接系統(tǒng)的高保真鏡像。

3 結(jié)論

文章通過NX 軟件的機電概念設(shè)計模塊進行裝配對接系統(tǒng)的數(shù)字空間孿生體構(gòu)建，利用歐拉角旋轉(zhuǎn)變換和坐標平移反解出空間位姿并求解并聯(lián)機構(gòu)運動學，完成動作規(guī)劃得到各個電動缸的運動特點。在數(shù)字空間構(gòu)建軟測量系統(tǒng)，解決高精度對接過程及裝配后的狀態(tài)在物理空間不可見、不可測問題。在數(shù)字空間創(chuàng)建多個體坐標系，通過反算出歐拉角旋轉(zhuǎn)變換矩陣T，進行了物理空間與數(shù)字空間一致性標定。保證數(shù)字空間孿生體模型與物理空間真實對接系統(tǒng)的高保真鏡像。經(jīng)過以某航天器裝配為例對數(shù)字孿生模型進行測試，該方法建立的數(shù)字孿生體有效且具有較高精度。