基于数字孪生的复杂管道精密焊前装配方法

《JOURNAL OF MANUFACTURING SYSTEMS》：A digital-twin-enabled precision pre-welding assembly method for complex pipelines

　　

•用于管道精密焊前装配的闭环数字孪生框架。
•基于多面体靶标夹具（PTF）的无基准位姿感知方法。
•分布式多靶标标定提升多机器人精度与效率。
•虚实一致性验证与在线补偿增强稳定性。
•高精度对接：位置误差低于0.13 mm，角度误差低于0.24°。

**引言**

在航空、航天及海洋工程领域，复杂弯管和三通接头是流体输送系统的核心拓扑网络，承担着燃油、推进剂、液压油、冷却液、热控流体及压缩空气等关键介质的传输任务[1]。其中，复杂弯管是克服极端空间约束的关键部件，而三通接头则是流体分流与汇流最为经济、可靠且紧凑的解决方案。二者共同构成了流体系统的"血管"和"关节"，其装配质量直接决定了动力传输、液压控制和生命支持等关键系统的可靠性[2]。以现代商用航空发动机为例，单台发动机需要装配数千根管路[3]，这些管路需在高压、高/低温、强振动和腐蚀等恶劣工况下传输介质[4]。统计表明，90%的管道破裂事故源于接头处的应力集中（ASME B31.3-2022）[5]，弯管与三通的连接区域因几何不连续而成为系统中的薄弱环节。为确保极端环境下的服役安全，装配过程必须满足严格标准：空间位置误差±0.2 mm，角度偏差<0.5°，残余应力须低于材料屈服强度的15%。然而，多平面曲率耦合、毫米级装配公差以及薄壁部件易变形这三大特性，使得这些接头长期面临"定位不准（超差）、应力高（局部应力集中）、效率低（反复试装）"的技术瓶颈，这已成为制约高端装备可靠性的核心问题[6]。因此，实现复杂弯管与三通接头的精密焊前对位是降低后续焊接残余应力的关键前提，对提升航空、航天及海洋装备的安全性具有重要意义[7]。

在传统管道装配中，主要采用模具定位装配和人工装配[8]。对于标准管的大规模生产，多采用模具定位装配[9]，依靠定制形状的夹具固定管件位姿，无需反复调整，保证了大批量同规格管件的效率与一致性。然而，该方法通用性极差，仅适用于单一形状的管件，完全不适用于多规格、小批量、非标准的复杂弯管。此外，模具加工与磨损误差会直接降低装配精度，且该方法不具备任何应力控制能力。人工装配多用于非标定制和小批量试制场景[10]，依赖技术人员的实践经验进行手动位姿调整。该方法无需特殊工装，灵活性强，适应多种场景，但主观性强，装配一致性差，重复定位误差大，不仅效率低，而且容易诱发应力集中，同样无法满足高端装备的高精度装配要求[11]。在传统装配中，为实现弯管与三通在焊接前的严格对中和间隙控制，操作人员使用三坐标可调支架进行粗略位姿调整，配合塞尺逐点检测法兰端面的间隙（目标≤0.1 mm），并通过微调丝杆完成同轴度预对位。同时，利用楔块和百分表进行定位，通过轻敲将同轴度偏差收敛至±0.3 mm以内[12]。

针对这一行业痛点，国内外学者率先对薄壁管件装配技术开展了基础研究。Fang等人[13]聚焦于复杂薄壁管的精密装配技术，建立了基本的装配工艺流程框架，为传统装配优化提供了理论支撑。该方法高度依赖技术人员的经验进行迭代位姿调整和应力预测，本质上具有强主观性和一致性差的问题。研究表明，人工装配的重复定位误差达到±0.5 mm。Fan等人[14]开发了一种轮廓自适应柔性工装用于管道装配，试图解决传统夹具通用性差的问题。Zhou等人[15]结合航天管路的装配特点，优化了人工装配流程并开展了应力控制研究。然而，上述研究仍无法突破经验驱动操作的固有局限，缺乏精确的应力管理。

在视觉/传感器引导装配方面，随着高精度测量和自动化技术的发展，相关技术已逐步应用于复杂管件组件的定位与装配。激光跟踪仪结合六轴力传感器可实现管件的空间位姿测量[16]；光纤布拉格光栅（FBG）传感网络用于微应变监测，模块化柔性夹具用于不同曲率管件组件的柔性适配[17]、[18]。近年来，视觉与多传感器融合进一步推动了机器人精密装配的发展。Wang等人提出了一种用于机器人批量精密装配反馈调节的视觉—力融合模糊控制方法[19]；Zhang等人提出了一种基于双目视觉的机器人螺纹装配预对位位姿估计方法，实现了对装配特征的高精度空间位姿获取[20]。此外，Stefanov等人[21]、Shi等人[22]、Zhang等人[23]和Wang等人[24]分别开展了视觉伺服、多传感器检测、柔顺控制及自动化系统方面的研究。上述工作表明，视觉/传感器反馈可有效提升机器人装配精度，但大多数方法仍依赖于可直接识别的几何特征或预设的装配参考基准，对于缺乏稳定固有测量基准的复杂管件组件的适用性仍然有限。

尽管自动化设备及相关技术提升了弯管和三通的装配精度，但根本性局限依然存在：刚性机器人依赖预先编程的示教路径，难以适应实际工件的微变形和公差波动。装配合格率偏低：钛合金薄壁管（δ≤1.5 mm）的机器人装配一次通过率不足40%[25]，主要原因为夹持变形和热漂移引起的位姿偏差。虽然机器人自动化可以提高效率，但缺乏实时变形补偿和多机器人协同机制，使得三通与弯管焊前对接间隙精度滞后于航空级要求（±0.1 mm），暴露了硬件精度提升与动态环境适应性不足之间的系统性矛盾。在实际精密装配场景中，由于刚性机器人执行机构对实际工件偏差的适应性不足，仍需要反复调整或返工。对于薄壁管件，夹持变形和热漂移进一步降低了首次合格率，表明仅靠硬件自动化不足以实现管件接头的高精度对接。数字孪生技术通过构建数字模型、在数字空间统一基准并实现虚实映射，为弯管的精密装配提供了一种新思路。图1对比展示了数字孪生辅助装配相较于传统装配方法的优势。

在数字孪生装配方面，近三年的研究已从状态可视化扩展到装配偏差建模、虚实同步和精密装配控制。Liu等人提出了一种基于Vision-Transformer的多源装配偏差融合数字孪生模型，用于描述装配变量与质量状态之间的关系[26]；Touhid等人利用计算机视觉对机器人装配数字孪生的虚实同步性能进行了定量评估[27]；Liu等人[28]进一步提出了基于数字孪生的大直径舱段对接精密装配方法。这些研究推动数字孪生从静态映射向状态感知、精度分析和同步控制方向发展。然而，其研究对象通常具有明确的几何特征、预定义的装配关系或稳定的测量基准，对于无此类基准的复杂弯管和三通的位姿全局映射与闭环装配，尚缺乏系统性研究。

在多机器人协同装配方面，近期研究主要聚焦于协同运动、在线轨迹生成、任务协调和碰撞避免。Malvido等人[29]报道了一种用于汽车行业多分支线束自动化装配的双臂机器人系统。Oo等人[30]提出了一种数字孪生驱动的多机器人无序零件协同装配框架。相关研究还包括大尺寸多销入孔装配的双臂框架[31]、基于凸优化的在线人—双机器人协同轨迹生成[32]、多机器人多工位焊接车间的弹性调度[33]、柔性作业车间固定式多机器人协同的高效调度[34]、双机器人增材制造的枢转运动碰撞避免策略[35]以及双机器人协同加工薄壁零件的刚度匹配变形控制[36]。这些研究推动了多机器人规划与任务执行的发展，但主要关注机器人间的运动协调，很少涉及复杂管件组件的无基准位姿测量、跨系统坐标统一和在线装配误差补偿的协同处理。

综上所述，现有研究可归纳为四个技术方向：柔性工装、视觉/传感器引导装配、多机器人协同装配和数字孪生装配。近三年来，同行研究在视觉反馈、虚实同步、协同运动和精度控制等方面取得了重要进展，但普遍聚焦于单一或局部阶段，尚未形成同时涵盖无基准可测性、多机器人/视觉坐标统一和视觉反馈闭环补偿的完整技术链。表1对比了各种方法在关键维度上的表现。

与近三年的代表性工作相比，Wang等人[19]和Zhang等人[20]主要解决具有明确装配特征条件下的视觉/力控制精密装配问题，而Liu等人[26]和Touhid等人[27]分别关注装配偏差建模和虚实同步。相比之下，本研究在数字孪生框架下，将无基准位姿测量、全局坐标统一和视觉反馈补偿作为一个整体问题进行研究，面向复杂弯管和三通接头。

本文的研究动机是开发一种数字孪生驱动的复杂弯管与三通接头精密焊前装配方法。与现有方法相比，本工作的创新点并非分别引入视觉测量、多机器人协作或数字孪生，而在于改变装配状态的表示与控制方式。由于弯管和三通的装配特征难以直接、稳定地测量，本工作采用多面体靶标夹具（PTF）建立工件几何特征与外部可测靶标之间的固定映射关系，将物理工件状态转化为可在线跟踪的刚体位姿。随后，全局标定将多台机器人、视觉系统和工件映射到统一坐标系中，配合件的目标位姿直接由实测工件几何和接口约束求解。因此，机器人执行过程中闭环校正的对象不再是单纯的机器人末端位姿，而是实际工件接口之间的相对位姿，从而形成"物理几何建模—特征变换—全局映射—接口目标求解—工件级闭环校正"的集成装配链。

本文其余部分组织如下。第2节介绍所提出的数字孪生装配平台，包括位姿测量、虚实映射和轨迹规划。第3节给出全局标定、视觉跟踪和装配精度的实验验证。第4节对全文进行总结。

**方法**

本文提出的管路接头装配方法遵循"坐标统一—模型分析—在位感知—虚实配准—协同执行"的技术路线。如图2所示，该架构将离线设计信息与在线测量数据相融合，通过分层坐标映射和误差补偿策略实现高效精密的管路接头装配。在管件末端安装多面体靶标夹具（PTF）

**硬件系统配置**

如图6所示，本系统的硬件平台由三台6自由度协作机器人、视觉测量设备、专用工装夹具以及计算与控制单元组成。共配置三台JAKA系列协作机器人，包括两台JAKA Zu 18机器人，分别用于夹持管接头和三通工件，以及一台JAKA Pro 16机器人，用于夹持航天弯管，每台机器人末端均配备相应的末端执行器。一个六轴

**结论**

本文针对复杂弯管与三通接头焊前装配中的挑战，包括无基准测量困难、薄壁件易变形以及反复试装导致的效率低下问题，提出了一种数字孪生驱动的多机器人协同精密焊前装配方法。

主要结论如下：(1) 采用带有反光标记的PTF（被动目标框架）来实现亚毫米级的姿态跟踪与测量……
**CRediT作者贡献声明**
陈月玲：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，验证，软件，方法学，调查，形式分析，数据整理，概念化。夏仁博：监督，资源，方法学，调查，概念化。周博：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿撰写，软件，方法学，调查，数据整理。张天宇：可视化，验证，调查，数据整理。赵积斌：监督，资金获取。
**资助**
本研究得到中国国家自然科学基金（项目号：62541326）、高性能电子设备机电集成制造国家重点实验室开放基金（项目号：EMIM24KF-02）、咸阳重大科技创新项目（项目号：L2025-ZDKJ-ZDGG-RGZN-001）以及辽宁省科技计划项目"离线编程与仿真软件平台"的资助。
**利益冲突声明**
作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。
陈月玲 | 夏仁博 | 周博 | 张天宇 | 赵积斌 | 刘明阳 | 张强