基于NX 軟件的裝配對接系統數字孿生體構建研究

張 萌

（遼寧裝備制造職業技術學院,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，保證裝配質量。但由于易形變高精度裝配體在經過加工、熱處理等工序，其接口容易產生不規則變形，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。

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

2 對接系統的數字孿生模型構建

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

2.1 三維虛擬場景構建及機構運動定義

為了建立一個可以模擬真實場景的數字孿生體模型，設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、質量、慣性矩、碰撞體、摩擦因子以及密度等。現以某航天器的噴管、主體燃燒室艙段作為對接主體配合高精度并聯調姿平臺運動，規定剛體屬性，并指定其質心、對象坐標系以及艙段接口處多層止口處設定碰撞體與碰撞面（見圖1）。

圖1 對接系統孿生體構建

裝配過程在數字空間運行時，高精度并聯調姿平臺需要定義機構及設備內部各組件的運動屬性，方法如圖2a 所示，系統提供機構運動學定義的功能，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，設定構件的連接件和基本件，根據不同運動副的不同運動方式設定其軸矢量、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。可通過設置速度控制、位置控制以及力或力矩控制調整個運動副的狀態，通過選擇控制對象、軸類型位置、速度、加速度等參數，形成機構及設備的不同姿態，便于在定義設備操作過程中調用,方法如圖2b 所示。

圖2 六自由度并聯調姿平臺運動屬性定義

在數字空間對接過程中，必然伴隨機構及艙段位置姿態調整，系統運動數據由上層算法多次迭代物理空間視覺傳感測量數據和數字空間虛擬傳感測量數據，解算出最優對接路徑軌跡，分解為設備機構的一系列基本操作，由基本操作組成復雜的運動過程。

2.2 動作規劃及運動學求解

為了能夠將物理空間和數字空間動作協同同步，需要將艙段最優對接路徑軌跡分解為六自由度調姿平臺的運動，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、加速度關系。如圖3 所示，六自由度并聯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。活塞桿上方通過上虎克鉸（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出均勻分布的六邊形。

圖3 并聯機構結構簡圖

六自由度并聯平臺通過控制六個電動缸實現動平臺的空間位姿，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。這里我們采用ZYX 歐拉角描述旋轉運動來確定動平臺的空間位姿。經過變換得到最終的旋轉變換矩陣形式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；根據旋轉矩陣的定義。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格面設定碰撞面，用于檢測所設置的碰撞面是否發生碰撞，發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、檢測范圍進行調節，當檢測對象進入光束范圍穿過傳感器定義的光束，距離傳感器持續測量與監測對象的直線距離，并輸出雙精度浮點信號。

結合艙段多層止口的多級臺階配合處容易發生不規則變形的特征，將多個傳感器分象限分區域布置。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，碰撞面形狀為網格面，以1.00 為整個碰撞體的凸面體系數，每45°形成一個區域，每個區域形成1 個獨立的碰撞傳感器，8 個碰撞傳感器互不干涉，檢測各自獨立區域內是否發生碰撞，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 個區域與碰撞傳感器相對應，每個45°區域均勻布置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域的不同位置，每個傳感器測量光束范圍內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 數字空間與物理空間一致性標定

數字空間中的艙段姿態主要由物理空間視覺系統實時拍攝靶標姿態反饋所得，靶標的安裝應位于固定區域，這樣使用視覺系統識別到靶標位姿后，對接面的位姿參數也就隨著確定，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信息，反饋回數字空間，通過算法反算運動學進而控制六自由度調姿并聯平臺電動缸與物理空間同步運動，保證數字空間與物理空間中艙段姿態的一致性。

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，同樣通過歐拉角描述旋轉運動來確定動平臺、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測量直接得到物理空間的相關參數，對數字空間中各個目標一一標定，進而與物理空間中的關節運動一一映射，完成數字空間和物理空間的一致性標定，保證數字空間孿生體模型與物理空間真實對接系統的高保真鏡像。

3 結論

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