基于數(shù)字孿生的發(fā)動機(jī)艙段對接*

石源鵬，王軍義，徐志剛，李 峰，楊 嘯，范林林，李 瑋

(1.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110016；2.中國科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院，沈陽 110169；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.西北工業(yè)集團(tuán)有限公司，西安 710043)

0 引言

固體發(fā)動機(jī)尺寸重量大且為薄壁殼體，對接裝配時多臺階薄壁定位接口發(fā)生無規(guī)則變形；裝配精度要求苛刻，對接過程在物理空間中不可見、不可測，給過定位的內(nèi)嵌式接口自動對接裝配提出了極高難度。

針對上述問題，迫切需要發(fā)展自動對接技術(shù)來使重要裝備體的裝配變得簡單高效，各國分別提出構(gòu)建物理信息系統(tǒng)，將數(shù)字孿生技術(shù)核心思想與制造業(yè)相結(jié)合借助“虛實(shí)融合”的手段，實(shí)現(xiàn)物理工廠與信息化的虛擬工廠的融合和交互的制造業(yè)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略[1-3]。目前國外在自動對接技術(shù)方面研究較為領(lǐng)先，并且已有許多成功應(yīng)用的案例。波因公司采用計(jì)算機(jī)控制的自動化千斤頂、激光跟蹤定位系統(tǒng)、激光準(zhǔn)直定位系統(tǒng)等組成的柔性對接平臺實(shí)現(xiàn)機(jī)體裝配的自動化[4]；雷錫恩公司同樣也已將艙段自動對接技術(shù)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)以及導(dǎo)彈裝配生產(chǎn)中[5]；空客公司在A380的部件裝配對接中，可建模并實(shí)施檢測數(shù)萬平米空間和數(shù)千個對象，通過實(shí)時在線檢測，將理論模型與實(shí)測物理模型數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了基于實(shí)測物理特性的裝配工藝優(yōu)化[6]。相比國外，國內(nèi)在自動對接方面的研究較為落后，陳冠宇等[7]基于TwinCAT平臺并融合了控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)融合了多自由度調(diào)姿、數(shù)字化測量、柔性裝配等先進(jìn)技術(shù)研究設(shè)計(jì)了艙段數(shù)字化柔性自動對接平臺的控制系統(tǒng)；潘鶴斌等[8]提出了一種導(dǎo)彈艙段自動對接平臺，其基準(zhǔn)托架具有誤差補(bǔ)償能力，對位姿測量精度和機(jī)械精度的要求顯著降低，并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用該對接平臺裝配效率大大提高，對接成功率達(dá)100%；某研究所利用視覺對接技術(shù)實(shí)時測量兩對接艙段的相對位置及姿態(tài)偏差，并通過閉環(huán)控制完成艙段的自動對接[9]。本文通過數(shù)字孿生的方法解決了高復(fù)雜易形變發(fā)動機(jī)艙段艙段對接問題，通過物理空間和數(shù)字空間的虛實(shí)交互，提高了裝配質(zhì)量和裝配成功率，并為發(fā)動機(jī)艙段裝配技術(shù)的研究提供了理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 基于數(shù)字孿生的發(fā)動機(jī)艙段對接技術(shù)概述

本文針對高復(fù)雜易形變艙段對接問題，基于數(shù)字孿生建立其對接系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括真實(shí)物理裝配系統(tǒng)的高精度數(shù)字孿生逆向建模方法、多重過定位不規(guī)則變形接口對接路徑規(guī)劃方法和物理設(shè)備與虛擬模型無縫交互接口開發(fā)等部分，如圖1所示。通過虛擬仿真驗(yàn)證了對接系統(tǒng)的可行性，最后將數(shù)字孿生系統(tǒng)加載在所搭建的物理樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)指導(dǎo)對接。

圖1 基于數(shù)字孿生的發(fā)動機(jī)艙段對接方法

實(shí)現(xiàn)高復(fù)雜易變形發(fā)動機(jī)艙段對接的虛實(shí)融合裝配首先構(gòu)建基于真實(shí)物理裝配系統(tǒng)的數(shù)字孿生體模型，為了實(shí)現(xiàn)對接過程可視化，在數(shù)字空間中模擬現(xiàn)實(shí)物理傳感器建立軟測量作為補(bǔ)充測量手段，并提供實(shí)時數(shù)據(jù)傳遞到上層尋優(yōu)算法進(jìn)行靜態(tài)與動態(tài)對接過程仿真分析，通過路徑優(yōu)化算法確定最佳裝配路徑與裝配狀態(tài)。將虛擬裝配所得裝配路徑與裝配系統(tǒng)運(yùn)動控制狀態(tài)傳遞給真實(shí)物理對接系統(tǒng)，采用多目視覺同時測量兩側(cè)靶標(biāo)，求解實(shí)時位置狀態(tài)，結(jié)合軟測量數(shù)據(jù)，傳遞上層算法虛實(shí)結(jié)合再次解算指導(dǎo)對接。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于真實(shí)物理裝配系統(tǒng)的數(shù)字孿生體模型構(gòu)建

2.1.1 對接系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型構(gòu)建

通過激光掃描裝置進(jìn)行工件實(shí)際模型的精確測量，得到工件點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際艙段的形變結(jié)果進(jìn)行輪廓曲線特征提取。通過NURBS方法[10]進(jìn)行曲面重建完成變形艙段的高保真數(shù)字孿生體模型構(gòu)建。在數(shù)字空間構(gòu)建對接系統(tǒng)的孿生體，引入工件坐標(biāo)系和慣性坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)識，通過6自由度并聯(lián)運(yùn)動模擬平臺建模進(jìn)行完整運(yùn)動學(xué)反解分析，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品及設(shè)備數(shù)字化模型與實(shí)際物理模型的高一致性標(biāo)定。

在進(jìn)行裝配過程虛擬運(yùn)行時，定義機(jī)構(gòu)及設(shè)備內(nèi)部各組件的運(yùn)動關(guān)系，形成機(jī)構(gòu)及設(shè)備的不同姿態(tài)；在裝配仿真時，將復(fù)雜運(yùn)動過程分解為一系列基本運(yùn)動來調(diào)整機(jī)構(gòu)及艙段位置姿態(tài)；在系統(tǒng)中內(nèi)置了多種的傳感器定義，以模擬現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)線中的物理傳感器。導(dǎo)入生產(chǎn)線模型，構(gòu)建車間的虛擬三維場景。在導(dǎo)入模型時，對三維模型進(jìn)行分類，并通過定位功能實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品及設(shè)備的位置進(jìn)行重新定義，最終形成與實(shí)際設(shè)備坐標(biāo)統(tǒng)一的仿真虛擬場景，如圖2所示。

圖2 對接系統(tǒng)孿生體構(gòu)建

2.1.2 物理空間與數(shù)字空間一致性標(biāo)定

為了能夠?qū)⑽锢砜臻g和數(shù)字空間進(jìn)行一致性標(biāo)定，分析各個液壓缸的運(yùn)動特點(diǎn)，求解動平臺輸入與輸出部件之間的位移、速度、加速度關(guān)系，建立慣性坐標(biāo)系Ob和體坐標(biāo)系Op，將裝配系統(tǒng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡化為圖3所示的形式，其中包括動平臺、靜平臺以及6個液壓缸。

(a) 坐標(biāo)示意圖 (b) 絞點(diǎn)位置示意圖

采用歐拉角描述慣性坐標(biāo)系和體坐標(biāo)系的姿態(tài)[11]，如圖4所示。對并聯(lián)機(jī)構(gòu)的體坐標(biāo)系和慣性坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換矩陣T求解，求得數(shù)字空間上并聯(lián)平臺上發(fā)動機(jī)艙段的位姿描述，進(jìn)而與物理空間中的關(guān)節(jié)運(yùn)動一一映射，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)字化模型與實(shí)際物理模型的高一致性標(biāo)定。

圖4 歐拉角旋轉(zhuǎn)次序

(1)

根據(jù)空間矢量關(guān)系可得液壓缸長度矢量表達(dá)式為：

li=t+Tai-bii=1,2,…6

(2)

(3)

鉸點(diǎn)間距離公式為：

(4)

液壓缸的伸長量可表示為：

Δli=|li|-l2

(5)

2.2 虛實(shí)融合中的信息交互接口開發(fā)

2.2.1 虛擬裝配中的信息交互

在數(shù)字空間中構(gòu)建傳感器模型及控制變量模型，將物理測量裝置、物理控制變量與數(shù)字空間模型中的傳感器之間建立映射關(guān)系，傳感器模型實(shí)驅(qū)動虛，控制變量模型虛驅(qū)動實(shí)。

利用NX軟件的MCD模塊(機(jī)電概念設(shè)計(jì))對機(jī)械模型進(jìn)行剛體，碰撞體屬性定義，對6自由度并聯(lián)平臺進(jìn)行運(yùn)動副定義；在對接接口處建立距離傳感器和碰撞傳感器等虛擬傳感器以實(shí)現(xiàn)對變形發(fā)動機(jī)變形艙段的軟測量，在變形艙段的工件坐標(biāo)系處建立線性位置傳感器、角度位置傳感器以達(dá)到對接過程中記錄艙段的空間位姿的目的；對接系統(tǒng)的關(guān)節(jié)運(yùn)動建立不同的運(yùn)動副；對數(shù)字空間中建立信號與之映射，將仿真過程中的艙段位置、艙段姿態(tài)和設(shè)備狀態(tài)傳遞給優(yōu)化算法進(jìn)行對接路徑尋優(yōu)。借助MATLAB作為對接系統(tǒng)上位機(jī)，通過仿真軟件MCD與MATLAB進(jìn)行通信，達(dá)到信號映射控制讀取或輸入仿真數(shù)據(jù)。虛擬裝配中的信息交互如圖5所示。

圖5 虛擬裝配中的信息交互

2.2.2 真實(shí)對接過程中的信息交互

在Simulink中開發(fā)OPC接口用于連接MATLAB和真實(shí)對接系統(tǒng)控制器PLC，將仿真軌跡通過所開發(fā)的接口輸出到PLC，由PLC控制物理空間對接系統(tǒng)的運(yùn)動關(guān)節(jié)按照虛擬裝配所得優(yōu)化軌跡進(jìn)行運(yùn)動。

通過外部視覺檢測實(shí)際對接位置的靶標(biāo)、對接系統(tǒng)的PLC控制器將物理空間實(shí)際位姿經(jīng)MCD開發(fā)接口回傳數(shù)字孿生模型來指導(dǎo)數(shù)字孿生體的對接系統(tǒng)關(guān)節(jié)運(yùn)動；通過虛擬位置傳感器記錄、虛擬距離傳感器和碰撞傳感器檢測對接接口實(shí)際位置不可見和不可測的信號后，利用信號映射通道傳輸至上位機(jī)的優(yōu)化算法，結(jié)合實(shí)際位置再次優(yōu)化對接軌跡，借助開發(fā)的OPC接口指導(dǎo)下一步的對接，形成閉環(huán)。通過OPC接口傳輸經(jīng)過虛擬仿真與物理空間結(jié)合調(diào)整的對接路徑，通過MCD開發(fā)的接口傳輸由外部PLC傳入的實(shí)際對接系統(tǒng)的位置，并將位置和虛擬傳感器所測量的信號傳輸回Simulink中建立的優(yōu)化算法，經(jīng)過算法調(diào)整再次由OPC通道指導(dǎo)PLC控制器控制物理空間對接機(jī)構(gòu)形成二次閉環(huán)。真實(shí)對接過程中的信息交互如圖6所示。

圖6 真實(shí)對接過程中的信息交互

2.3 不規(guī)則變形艙段對接的路徑規(guī)劃

針對不規(guī)則形貌誤差及變形誤差難表征的問題，集成裝配仿真軟件平臺強(qiáng)大的幾何形貌處理運(yùn)算能力，實(shí)時計(jì)算對接過程中的復(fù)雜碰撞及配合間隙。以不發(fā)生碰撞、各級軸孔配合最大間隙量之和最小為優(yōu)化目標(biāo)，以仿真軟件計(jì)算結(jié)果為反饋，采用粒子群等算法構(gòu)建對接路徑尋優(yōu)模型進(jìn)行路徑尋優(yōu)，實(shí)現(xiàn)對接路徑的規(guī)劃。

2.3.1 對接路徑尋優(yōu)算法模型

本文采用粒子群優(yōu)化算法建立對接路徑尋優(yōu)模型，解決不規(guī)則變形發(fā)動機(jī)艙段接口對接路徑的規(guī)劃問題，算法流程如圖7所示。

圖7 粒子群算法流程

2.3.2 對接路徑方法

在西門子NX MCD仿真軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)易變形發(fā)動機(jī)艙段對接裝配的仿真優(yōu)化。通過在虛擬的環(huán)境中構(gòu)建發(fā)動機(jī)艙段裝配設(shè)備及產(chǎn)品裝配模型，實(shí)現(xiàn)裝配靜態(tài)分析、建立兩艙段裝配路徑、裝配動態(tài)分析、自動裝配路徑計(jì)算等功能。

系統(tǒng)以MATLAB/Simulink平臺為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，平臺包含用戶界面、裝配規(guī)劃與仿真、動力學(xué)計(jì)算、設(shè)備管理、通信中心等模塊。其中，用戶界面是虛擬裝配系統(tǒng)的操作終端，同于實(shí)現(xiàn)各個模塊的集成和調(diào)用。裝配仿真可完成虛擬環(huán)境搭建、裝配路徑規(guī)劃、裝配過程仿真、干涉檢查、碰撞檢測和可裝配性分析等功能。動力學(xué)計(jì)算可由裝配規(guī)劃與仿真模塊調(diào)用，它包含所有需要進(jìn)行動力學(xué)計(jì)算的模型，并接受場景模塊和碰撞檢測模塊傳輸過來的信息，進(jìn)行實(shí)時的動力學(xué)參數(shù)計(jì)算。

在已有裝配設(shè)備及裝配產(chǎn)品完整數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)自動對接總裝系統(tǒng)的工作特點(diǎn)、裝配仿真要求來修改數(shù)據(jù)模型的屬性和操作方法，虛擬裝配系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)對象及其關(guān)系如圖8所示。

圖8 對接路徑規(guī)劃方法

3 實(shí)例驗(yàn)證

構(gòu)建基于實(shí)測數(shù)據(jù)的高精度數(shù)字孿生模型，為多級軸孔配合易形變發(fā)動機(jī)艙段高精度對接提供高精度模型。在兩對接艙段上設(shè)置外部測量基準(zhǔn)，在對接調(diào)整設(shè)備上設(shè)置基準(zhǔn)標(biāo)識點(diǎn)，整設(shè)備標(biāo)識基準(zhǔn)點(diǎn)，基準(zhǔn)為三個柱形裝置，可代表艙段的空間位置姿態(tài)。采用三維掃描測量裝置對艙段變形后的艙段及多臺階對接接口及外設(shè)測量基進(jìn)行測量，形成測量點(diǎn)云數(shù)據(jù)；通過特征提取，基于B樣條De Boor-Cox完成變形艙段的高保真數(shù)字孿生體模型構(gòu)建，將艙段點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為仿真軟件可識別的CAD模型。

在數(shù)字空間利用路徑尋優(yōu)優(yōu)化算法及仿真軟件仿真驗(yàn)證交互實(shí)現(xiàn)最優(yōu)裝配對接路徑規(guī)劃。在對接路徑尋優(yōu)建模過程中，每個粒子代表兩艙段裝配軌跡啟停中心點(diǎn)位置，對其三維坐標(biāo)進(jìn)行編碼，限定裝配軌跡啟停中心點(diǎn)移動范圍，隨機(jī)初始化位置，以裝配間隙最小為優(yōu)化目標(biāo)，如表1所示。

表1 起始位置裝配中心點(diǎn)坐標(biāo)編碼示意表

初始化粒子群優(yōu)化算法中涉及到的各類參數(shù)：種群粒子個數(shù)M=100，搜索空間維度D=6，學(xué)習(xí)因子c1=c2=0.5，算法以最大迭代次數(shù)為終止條件Tmax=100，粒子速度范圍Vmin=-0.001和Vmax=0.001，粒子位置Xi=[xiyiziαiβiγi]，Δxi、Δyi∈[-0.1,0.1]，Δαi、Δβi、Δγi∈[-0.1 °,0.1 °]。

隨機(jī)初始化搜索點(diǎn)的位置如表1所示，設(shè)當(dāng)前位置即為每個粒子的最好位置p0i=(p0i1,p0i2,…,p0iD)T，從個體極值找出全局極值，記錄該最好值的粒子序號g及其位置p0i=(p0i1,p0i2,…,p0iD)T。

在仿真軟件中計(jì)算粒子的適應(yīng)值，即裝配間隙，如果好于該粒子當(dāng)前的個體極值，則將pi設(shè)置為該粒子的位置，且更新個體極值。如果所有粒子的個體極值中最好的好于當(dāng)前的全局極值,則將pg設(shè)置為該粒子的位置，更新全局極值及其序號g。

粒子的狀態(tài)更新，每一個粒子在t+1時刻的速度和位置通過下式更新獲得：

(6)

(7)

式中，r1和r2為[0,1]區(qū)間的隨機(jī)數(shù)，如果vi>Vmax將其置為Vmax，如果vi100，則停止迭代，輸出最優(yōu)解，否則返回，直至所有匹配件路徑尋優(yōu)完成。最優(yōu)解為裝配截面最優(yōu)調(diào)姿路徑，如表2所示。

表2 裝配截面最優(yōu)調(diào)姿路徑啟停中心點(diǎn)位置

通過數(shù)字空間與物理空間的虛實(shí)實(shí)時交互實(shí)現(xiàn)多級軸孔配合對接過程虛實(shí)交互控制執(zhí)行，在數(shù)字空間規(guī)劃的最優(yōu)對接路徑通過軟件數(shù)據(jù)交互接口傳輸至對接設(shè)備控制器，控制器根據(jù)數(shù)字空間對接裝配路徑分解成平臺各驅(qū)動電機(jī)的控制指令，控制平臺按規(guī)劃路徑進(jìn)行艙段對接裝配的空間位置姿態(tài)調(diào)整。

如圖9所示，真實(shí)對接系統(tǒng)物理樣機(jī)視覺測量裝置實(shí)時對構(gòu)建的外部基準(zhǔn)靶標(biāo)進(jìn)行艙段位置姿態(tài)進(jìn)行測量，并將實(shí)際測量信息反饋至數(shù)字空間的裝配仿真軟件中。仿真軟件根據(jù)實(shí)際測量信息同步調(diào)整數(shù)字空間中艙段的位置姿態(tài)，并利用裝配仿真軟件自帶的間隙測量及干涉檢測功能，進(jìn)行對接調(diào)整偏差判定，并將偏差信息反饋至物理空間設(shè)備，物理空間設(shè)備根據(jù)數(shù)字空間的偏差反饋信息進(jìn)行閉環(huán)控制調(diào)整，直至完成艙段的高精度對接裝配。

圖9 對接系統(tǒng)物理樣機(jī)

4 結(jié)論

本文主要研究數(shù)字孿生驅(qū)動的發(fā)動機(jī)艙段對接方法，解決了裝配過程中由于制造誤差和重力引起的裝配界面不規(guī)則變形、內(nèi)部狀態(tài)不可見、和不可測量的干涉等問題。通過激光掃描并對點(diǎn)云數(shù)據(jù)曲面重建完成數(shù)字空間高保真孿生體構(gòu)建，利用所開發(fā)的虛實(shí)交互通信接口實(shí)現(xiàn)裝配間隙可視化和裝配流程控制，基于實(shí)時優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)了裝配過程的智能化和預(yù)測性。所研究的技術(shù)為發(fā)動機(jī)艙段對接提供了決策級新手段，提高了裝配質(zhì)量和裝配成功率，從而為發(fā)動機(jī)裝配技術(shù)的研究提供了理論依據(jù)和技術(shù)參考。