基于数字孪生的高精度装配方法，用于大直径客舱段对接

《JOURNAL OF MANUFACTURING SYSTEMS》：Digital twin-based high-precision assembly method for large-diameter cabin section docking

　　刘明阳|何云|高长胜|张涛|徐志刚|白新林|侯磊
哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨150001，中国

**摘要**
喷嘴与燃烧室的对接是固体火箭发动机组装中的关键过程。目前，对接组装主要依赖人工操作，这限制了生产效率。为了解决这一问题，提出了一种基于数字孪生的高质量组装方法，用于大直径舱段。首先，使用3D扫描物理组件建立数字孪生模型。为了解决检测复杂3D组装特征的问题，引入了一种基于特征目标的数字建模方法。通过结合几何标记的目标并构建具有可识别特征点的数字模型，实现了复杂特征信息的重建。随后，开发了一种协作式的虚拟-物理组装方法，利用多相机系统通过数字模型在线跟踪物理组件。构建了一个椭圆锥模型来解决透视投影椭圆中心与实际空间圆心之间的不对准问题。应用基于迭代最近点（ICP）的相对姿态估计方法来提高多相机视觉姿态测量的速度和精度。最后，建立了一个平台来验证所提出方法的准确性和效率。实验结果表明，基于数字孪生的组装方法能够实现高效组装，并且在过程中允许对视觉遮挡区域进行在线监控和碰撞预警。

**引言**
大直径固体火箭发动机（SRM）具有“高推力、快速响应和强适应性”的特点，占航天发射器推进系统的80%以上[1] [2]。推进系统的结构可靠性和组装质量至关重要，其中喷嘴与燃烧室的对接接口是一个关键环节，其质量直接决定了发动机的性能和任务的成功。作为与燃烧室一起组装的关键部件，喷嘴包含非金属材料[3]、多个密封环[4]和多层接头，以满足服务期间的严格气密性要求[5]。然而，喷嘴的密封和绝缘结构容易受损[6]，这对与燃烧室的对接组装提出了高精度要求。此外，大直径带来的尺度效应显著放大了组装偏差对系统性能的影响。例如，同心度偏差超过0.5毫米可能会导致射流偏转，在严重情况下可能导致系统故障。由于喷嘴对接过程中存在不可见的配合区域，目前采用多操作员协作来避免密封环和非金属部件的损坏。工人使用计算机数控（CNC）提升设备[7]、楔子和导向销进行精确姿态调整[8]，同时依靠测量设备对关键组件进行在线姿态校准。这涉及“检查、测量、试装、校正和组装”的迭代过程，以逐步实现同轴对准。由于燃烧室通常预先装填了固体推进剂[9] [10]，其复杂的环境和高风险性质显著提高了喷嘴对接的操作标准和技术难度。当前的手动组装平均每个产品需要超过三次试装[11]，导致效率低下且难以保证精度。因此，迫切需要开发高精度的智能对接和组装技术，以实现对接过程的可视化和精确控制。

为了克服传统手动组装的局限性，许多研究人员探索了各种新型组装技术。在基于机器人和传感器的自动化组装领域，研究[12]对大段组装中的坐标系统和姿态变换进行了深入分析；研究[13]、[14]利用机器人和力传感器进行了仿真测试；研究[15]专注于自动化组装的控制器设计，成功将多传感器、机器人和相应的控制策略集成到对接过程中并完成了相关实验验证。研究[16]对固体火箭发动机的自动化组装过程进行了早期研究。研究[17]应用了适用于重载、多自由度调整的平行机构，用于大型飞机舱段对接[18]。研究[19]进一步将激光测量与闭环控制相结合，实现了固体火箭发动机的多自由度姿态调整。然而，由于无法感知对接接口处的实际接触状态，仍然难以有效防止密封环损坏和非金属部件受影响的问题。针对舱段的圆柱形特征，研究[20]提出使用卡扣环来固定姿态角，从而减少了调整自由度；研究[21]优化了卡扣环结构并将其应用于大型舱段组装；研究[22]将卡扣环结构集成到自动化装配线中。尽管卡扣环快速连接结构提高了组装效率，降低了推力不对准风险，并缩短了组装时间，但仍然无法解决组装过程中反复试装的问题。此外，多模态检测技术如超声相控阵[23]、工业计算机断层扫描（CT）[24]、红外热成像[25]和多相机视觉[26]，结合区块链可追溯系统，建立了整个过程中的全面质量控制框架。尽管自动化组装技术大大减少了对人工劳动的依赖，但由于组装过程不可见，反复试装的问题仍未解决。数字孪生技术[27]通过构建物理实体、虚拟模型和双向数据连接，为在线监控不可见的配合特征提供了新的方法。图1展示了与传统组装方法相比，数字孪生辅助组装的优势。

研究[28]表明，数字孪生技术已经发展到支持集成多系统模拟，其建模范围从单个产品扩展到智能工厂级别。基于系统级模拟，Chakroun[29]构建了一个模拟的数字生产平台，实现了物流仓库和信息物理生产系统的集成，以控制生产和组装过程。Yi Yang[30]结合组装过程，以卫星结构面板组装为例，预测了复杂组装的准确性，促进了数字孪生在组装过程中的实际应用，并提高了多源信息可视化和组装效率。在固体火箭和大型飞机的组装中，Jamshidi J[31]使用激光跟踪器进行测量，促进了高精度测量设备的自动化应用。Zhao Yongsheng[32]基于跟踪器测量数据，将实际测量姿态与计算机辅助设计（CAD）模型相结合，采用“虚拟控制物理”的闭环方法实现了大型飞机的精确组装。S?derberg[33]和W?rmefjord[34]构建了数字孪生建模、数据采集和仿真优化技术，专注于几何精度，将数字组装能力从“CAD结合关键测量点”提升到“组装精度级别的物理映射模型”。尽管在固体火箭发动机喷嘴组装的数字孪生建模和应用方面取得了显著成果，但总体上仍存在一些共同缺点，主要包括：对复杂组装场景的适应性不足、在线检测能力较弱以及系统集成有待改进。

本文的动机是开发一种基于数字孪生和多相机跟踪的可监控虚拟-物理组装方法。核心创新包括：首先，提出建立带有标记特征的数字孪生模型，与S?derberg[33]和W?rmefjord[34]的方法相比，更好地实现了数字模型与制造系统的集成；其次，利用多相机视觉在线观察特征点以计算段落的相对姿态，与依赖站点转移建立全局坐标系的方法[32]相比，显著提高了效率并支持完全自动化组装；此外，基于真实映射模型，本文进行了预模拟和在线配合状态感知，实时监控关键数据。与Yi Yang[30]的研究相比，这种方法可以更有效地控制和可视化关键配合状态，并避免碰撞风险。最后，在物理大段组装过程中的实验验证表明，该方法实现了高质量的对接组装结果。

后续章节安排如下。第2节详细介绍了基于数字孪生的虚拟-物理组装的原理和方法。第3节建立了物理喷嘴对接组装平台和数学孪生虚拟-物理组装框架。第4节通过物理实验和数字孪生实现验证。第5节总结了结论。

**方法概述**
为了实现高精度的喷嘴对接虚拟-物理组装，必须基于物理组件建立高保真的数字孪生模型。首先，六自由度机器人配备扫描设备对喷嘴和燃烧室进行3D扫描，获取阶梯接头表面的点云。然后创建喷嘴和燃烧室的数字孪生模型，并结合目标标记特征。

**扫描和检测平台**
如图9所示，3D扫描系统由扫描设备、机器人载体、光学跟踪系统和处理软件协同工作组成。选用的扫描机器人是St?ubli防爆机器人RX160L，其臂展为2010毫米，重复定位精度为±0.05毫米。Metra SCAN 3D扫描仪与C-Track光学跟踪系统配合使用，实现多角度跟踪和扫描定位，最大测量精度为……

**实验**
固体火箭发动机的组装和测试过程对环境参数非常敏感。为了确保组装精度并避免外部干扰，提出了严格的要求：温度（18–25°C）、湿度（45%–55%）、振动（低频位移<50μm）和气流（风速<0.3 m/s）。这些参数与在线监控和多层次保护措施相结合，以确保安全。数字孪生虚拟-物理组装技术使得……

**结论**
本文提出了一种基于数字孪生的虚拟-物理组装方法，用于解决固体火箭发动机喷嘴对接和组装过程中不可见接头特征的问题。结论如下：
(1) 基于几何标记目标的数字建模方法将不可见的复杂接头特征转换为可追踪的视觉特征，实现了0.036毫米标准偏差的特征转换精度，与激光……

**作者贡献声明**
刘明阳：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、方法论、概念化。
何云：软件。
高长胜：调查。
张涛：撰写 – 审稿与编辑、数据管理。
徐志刚：监督、资金获取。
白新林：可视化。
侯磊：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

**致谢**
作者感谢中国国家重点研发计划（2022YFB3306000）、国家自然科学基金（12422213、U244120491、12372008）以及国家重大科技项目（2017-IV-0008-0045-JX）的支持。