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

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

（上海航天精密機械研究所，上海 201600）

針對航天精密復(fù)雜產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)多變帶來的裝配調(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。通過裝配體關(guān)鍵特性分析、識別與測量快速構(gòu)建裝配體孿生模型，采用多傳感器對產(chǎn)品裝配狀態(tài)進行實時測量和虛實同步，由孿生模型驅(qū)動進行可裝配性仿真分析、裝配路徑動態(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)，試驗結(jié)果證明本方法在復(fù)雜產(chǎn)品裝配過程閉環(huán)控制和高質(zhì)高效裝配中具有較強的可行性和推廣價值。

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)、部件等通過總裝配、對接調(diào)整、檢測、試驗，最終成為一個完整的、性能可靠的產(chǎn)品的全過程[1]。艙段對接作為航天精密復(fù)雜產(chǎn)品裝配過程的最重要環(huán)節(jié)，其過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)品裝配過程雖然開展了艙段自動對接技術(shù)研究，但裝配過程中仍由多人協(xié)作，并采用“一序一檢、一步一測”的方式進行裝配過程質(zhì)量控制，產(chǎn)品最終的質(zhì)量靠裝配完成后的檢驗保證。在這種模式下航天精密復(fù)雜產(chǎn)品裝配過程存在研制預(yù)研型號裝配調(diào)試周期長、效率偏低和裝配質(zhì)量問題時發(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，在2003年由Grieves教授提出[2]，近年來受到了國內(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)測和預(yù)測技術(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；美國空軍研究實驗室結(jié)構(gòu)科學(xué)中心開展了基于數(shù)字孿生的飛機結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測方法研究[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)品裝配過程質(zhì)量管控的數(shù)字孿生應(yīng)用探索。從國內(nèi)外研究進展和工程應(yīng)用實踐來看，數(shù)字孿生技術(shù)以其實時同步、虛實映射、高保真度的特征，通過基于實時數(shù)據(jù)的虛實映射與信息交互，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。

針對航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜、技術(shù)狀態(tài)多變帶來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。實現(xiàn)裝配過程質(zhì)量從事后檢驗向事前預(yù)測和事中控制轉(zhuǎn)變，并基于虛擬監(jiān)控和實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的裝配過程智能閉環(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)對物理實體建模，基于對物理實體狀態(tài)全面感知、信息交互反饋和數(shù)據(jù)融合分析，實現(xiàn)在虛擬世界中模擬物理實體在現(xiàn)實環(huán)境中的行為，為物理實體增加或擴展新的能力[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行的各類模型、規(guī)則和知識，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)過程主要包括三大主要環(huán)節(jié)：一是通過分析識別航天精密復(fù)雜產(chǎn)品裝配過程中的關(guān)鍵特征，并利用視覺傳感器對裝配現(xiàn)場裝配體的關(guān)鍵特征尺寸實時測量，為裝配過程虛實映射與孿生體快速建模提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；二是結(jié)合實時測量信息，在理論設(shè)計模型的基礎(chǔ)上，對模型快速重構(gòu)與修正，并建立虛實精確映射關(guān)系和交互機制，構(gòu)建實物模型所對應(yīng)的數(shù)字模型，支撐可裝配性分析與自適應(yīng)控制；三是通過分析航天精密復(fù)雜產(chǎn)品裝配過程中的關(guān)鍵特征對產(chǎn)品可裝配性的影響及其之間的關(guān)系，在數(shù)字空間中通過預(yù)仿真，在實物裝配前驗證裝配體的可裝配性，并借助建立的孿生模型進行虛擬監(jiān)控，通過“測量-調(diào)整-監(jiān)控”全流程的閉環(huán)控制，基于實時數(shù)據(jù)的虛實映射與信息交互，實現(xiàn)對航天精密復(fù)雜產(chǎn)品零部件、裝備和裝配過程狀態(tài)與行為的精準(zhǔn)模擬、預(yù)測和控制，最終實現(xiàn)裝配體高質(zhì)高效裝配。

3 裝配體關(guān)鍵特性識別與測量

3.1 裝配體關(guān)鍵特性分析與識別

關(guān)鍵特性是指對產(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)鍵特性稱為裝配過程關(guān)鍵特性[11]。關(guān)鍵特性的確定是一個自頂向下的過程，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，再進一步分解到關(guān)鍵特性的過程[12]。產(chǎn)品裝配過程中關(guān)鍵特性點逐步成為制造、測量、協(xié)調(diào)和控制的主要對象，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，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水平測點，配合精確度向下分解為個定位孔和個對接孔，外形準(zhǔn)確度向下分解為兩段艙體的階差和貼合度。以某型號艙段為示例，實際對接面上設(shè)有12個螺紋孔和2個精定位銷孔，艙段對接時不僅需要考慮同軸度、圓跳動要求，而且需要考慮定位孔、定位面的約束，通過對關(guān)鍵特性的分析識別，建立和分析裝配體關(guān)鍵特性關(guān)聯(lián)關(guān)系，為關(guān)鍵特性點的測量奠定基礎(chǔ)。

圖2 艙體類零件關(guān)鍵特性分解

3.2 裝配體關(guān)鍵特性快速測量

圖3 數(shù)字化測量系統(tǒng)組成

航天精密復(fù)雜結(jié)構(gòu)件艙段對接是利用機器視覺和圖像處理技術(shù)，通過對艙段圓柱面、銷釘銷孔圓柱面、對接面間隙等特征的在線高精度測量，完成測量數(shù)據(jù)的采集、關(guān)鍵特征自動擬合和偏差值的動態(tài)計算，并計算出各個伺服驅(qū)動部件最優(yōu)化的調(diào)整量，將調(diào)整姿態(tài)的命令下達給調(diào)姿系統(tǒng)。如圖3所示，航天艙體類精密復(fù)雜構(gòu)件測量系統(tǒng)采用CCD攝像機和線激光傳感器測量輪廓尺寸，輪廓特征數(shù)字化測量與計算系統(tǒng)包括主控計算機、光源、CCD攝像機2個和線激光傳感器1個，以及圖像識別分析軟件等。該測量系統(tǒng)的工作過程是將光源從零件的背面向上照射，線激光傳感器對靶標(biāo)點和外形掃描，CCD攝像頭對定位孔、定位銷拍攝，數(shù)字化測量系統(tǒng)計算機接收到采集的圖像信號后，利用圖像處理算法和程序處理數(shù)字圖像，得到目標(biāo)測量點的相對坐標(biāo)位置。在對艙體輪廓尺寸測量時，線激光傳感器沿裝配體軸向移動，進而測得激光掃描覆蓋區(qū)域內(nèi)若干離散點相對于傳感器的位置坐標(biāo)，利用最小二乘法對測得的點位數(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，通過對產(chǎn)品裝配現(xiàn)場的零部件表面幾何結(jié)構(gòu)信息進行實時測量，得到該三維物體的實際采樣數(shù)據(jù)集。利用基于圖像的建模技術(shù)，采用點云精簡算法、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)品逆向建模時間，靈活、高效地以數(shù)字化方式為物理對象創(chuàng)建虛擬的模型，搭建虛實融合的環(huán)境。其具體過程包括：點云數(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)換成點云數(shù)據(jù)；面片數(shù)據(jù)拼接，利用點云數(shù)據(jù)中所包含的特征求解多視點云數(shù)據(jù)的變換信息，借助標(biāo)記點完成數(shù)據(jù)的拼接；數(shù)據(jù)輕量化，通過對完整的點云降采樣、去噪、光順等操作，生成完整且輕量化的點云；模型重構(gòu)，獲取關(guān)鍵特征點表面的完整的點云輪廓后，通過點云數(shù)模與CAD數(shù)模的匹配，對CAD模型關(guān)鍵特征點進行修正完整模型快速建模。

4.2 裝配過程虛實同步方法

圖4 虛實映射與信息交互機制

為解決物理實體與數(shù)字孿生體之間的信息交互與融合問題，建立基于實時數(shù)據(jù)的虛實映射與信息交互機制，構(gòu)建較逼真的虛實映射數(shù)字孿生體。如圖4所示，模型驅(qū)動的物理實體與數(shù)字孿生體交互通信機制的本質(zhì)是通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對物理實體及環(huán)境進行數(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體，實現(xiàn)物理空間和虛擬空間的融合交互[13]。艙體類零件裝配過程由數(shù)字孿生體進行模型驅(qū)動，涉及多個裝配件的協(xié)同裝配過程。物理實體與數(shù)字孿生體的交互模型中，物理實體通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集、無線傳感、網(wǎng)關(guān)傳輸為數(shù)字孿生體提供數(shù)據(jù)支撐。數(shù)字孿生體則通過模型驅(qū)動的方式實現(xiàn)對物理實體的協(xié)同控制，數(shù)字孿生體模型驅(qū)動的協(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)備選擇層選擇相對應(yīng)的設(shè)備來完成當(dāng)前工序的裝配任務(wù)；協(xié)同控制層通過控制算法，協(xié)同控制多個裝配件，通過模型驅(qū)動進行數(shù)字孿生體到物理實體的控制，最終實現(xiàn)物理實體和數(shù)字孿生體之間的虛實映射和信息交互，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

目前，虛擬裝配仿真由于未考慮復(fù)雜產(chǎn)品裝配累計誤差、零件制造誤差對裝配工藝方案造成的影響，而使虛擬仿真技術(shù)難以投入實際裝配過程工程應(yīng)用的問題，通過基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，開展面向生產(chǎn)現(xiàn)場的裝配工藝過程的動態(tài)仿真、規(guī)劃與優(yōu)化。在孿生體裝配模擬過程中，基于實時測量的數(shù)據(jù)對裝配體關(guān)鍵特征點進行更新，通過構(gòu)建包含測量調(diào)整誤差傳遞狀態(tài)空間模型，提高模型的適用范圍和計算可靠性，在更新后的三維模型基礎(chǔ)上進行裝配順序和裝配路徑的仿真計算。同時，采用蒙特卡羅仿真法求解裝配精度可靠性，將隨機變量設(shè)置為影響裝配精度的各種誤差，通過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)。通過對裝配誤差的傳遞分析和對裝配精度可靠度的計算，實現(xiàn)了對復(fù)雜產(chǎn)品可裝配性分析和預(yù)測，通過基于孿生體虛擬裝配信息與物理裝配過程之間的深度融合，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)動的精準(zhǔn)控制方法

圖5 基于數(shù)字孿生體驅(qū)動的精準(zhǔn)控制

基于數(shù)字孿生體驅(qū)動的精準(zhǔn)控制從功能上要求整合對接測量、數(shù)據(jù)傳遞、伺服控制、模型驅(qū)動和位姿調(diào)整等模塊，既要準(zhǔn)確無誤地保證對接過程的精準(zhǔn)度，又要實現(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，整個架構(gòu)由傳感、數(shù)據(jù)、建模、驅(qū)動、執(zhí)行五個模塊形成物理實體與數(shù)字孿生體之間的閉環(huán)控制邏輯。由傳感、數(shù)據(jù)、建模三個模塊實現(xiàn)物理實體的對接測量、數(shù)據(jù)傳遞，由驅(qū)動、數(shù)據(jù)、執(zhí)行三個模塊實現(xiàn)模型驅(qū)動、伺服控制。

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

b. 建模模塊通過數(shù)字化建模、布局與運動規(guī)劃等技術(shù)手段，建立物理實體的仿真數(shù)字孿生體，通過數(shù)學(xué)建模與算法仿真優(yōu)化，實現(xiàn)物理實體與數(shù)字孿生體的對接。

c. 驅(qū)動模塊通過模型仿真計算，生成驅(qū)動位姿調(diào)整的指令，并發(fā)送至數(shù)據(jù)模塊，通過傳感模塊和驅(qū)動模塊的配合，實現(xiàn)測量、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，驅(qū)動艙段柔性對接平臺的機械結(jié)構(gòu)運動，通過執(zhí)行位姿調(diào)整參數(shù)，精確控制對接平臺的運動，并通過RS485總線提供對外數(shù)據(jù)接口。

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

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

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，通過與車間制造執(zhí)行系統(tǒng)集成，實現(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化設(shè)備上集成線激光傳感器和高精度視覺傳感器等對設(shè)備姿態(tài)、運行狀態(tài)和關(guān)鍵特性點進行數(shù)據(jù)采集，同時，通過執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行系統(tǒng)的仿真和優(yōu)化結(jié)果實現(xiàn)人-機-物-環(huán)境互聯(lián)與融合；模型層主要是在理論設(shè)計模型基礎(chǔ)上，進行虛實信息的交互映射，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)層是通過設(shè)計數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)，利用數(shù)據(jù)總線和數(shù)據(jù)接口，對物理層和模型層信息進行實時、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)基于實時數(shù)據(jù)的裝配體建模、裝配尺寸動態(tài)計算、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，可實現(xiàn)裝配體可裝配性預(yù)測、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

針對航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜、技術(shù)狀態(tài)多變帶來的裝配效率低、質(zhì)量控制難等問題，以航天艙體對接為對象，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)計了“建模-預(yù)測-控制”全流程的孿生模型驅(qū)動的自適應(yīng)裝調(diào)流程，提出了基于關(guān)鍵特性分析、識別與測量的裝配體孿生模型快速構(gòu)建與虛實同步方法，利用實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)方法雖然可以通過孿生模型虛擬監(jiān)控和實時數(shù)據(jù)驅(qū)動裝配過程自適應(yīng)閉環(huán)控制，但在孿生體模型高精度和快速重構(gòu)之間的平衡點分析，以及基于孿生數(shù)據(jù)的可裝配性定量評估方面仍有待研究，后續(xù)將有針對性地開展深入研究，進一步提高裝調(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

中國航天科技集團有限公司錢學(xué)森基金項目（20183133）、國防基礎(chǔ)科研資助項目（JCKY2018605C003）、上海市工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專項項目（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制造。

2021-11-17