火箭发动机内部不可测装配质量数字孪生建模与追溯方法技术

本发明专利技术提供一种针对多级轴孔配合对接的火箭发动机内部不可测装配质量数字孪生建模与追溯方法，通过激光三维扫描测量在数字空间中建立高精度实测数字孪生模型；将火箭发动机装配零件中心对正，同时通过视觉及力测量装置测量装配位姿及装配力；并通过实验对仿真模型进行校正；通过仿真数据构建不同初始变形及不同装配参数训练学习样本，通过模型实时计算火箭发动机内部不可见质量状态替代仿真软件的仿真过程，物理空间设备根据数字空间的仿真结果进行实时装配控制和调整，以及实现内部不可测装配的质量追溯。本发明专利技术火箭发动机内部干涉情况在物理空间不可见、不可测的情况下，质量状态的精准控制，提升装配性能，降低产品质量波动。

【技术实现步骤摘要】
火箭发动机内部不可测装配质量数字孪生建模与追溯方法
本专利技术属于火箭发动机数字孪生对接总装领域，具体的说是提供一种针对多级轴孔配合对接的火箭发动机内部不可测装配质量数字孪生建模与追溯方法。技术背景火箭发动机装配是缩短制造周期、保证产品质量的最关键环节，装配过程通过多级轴孔冗余定位配合提高受力特性及产品密封性能，装配质量保证的特点及难点在于内插式多台阶高精度不可见装配。由于其尺寸重量大、制造误差大、薄壁壳体易变形，导致绝热件、密封圈等内部不可见装配过程容易磕碰、剪切、挤压变形受损，质量状态不可知，存在较大的安全风险及隐患。装配变形示意图如图2a～图2c所示，给装配过程的质量监测提出了极高难点。主要在于：1)制造误差及重力变形导致多级台阶之间的基准关系发生无规律变化，仅依靠测量最外部基准进行对接时内部精密配合台阶会发生干涉，但内部干涉情况在物理空间不可见、不可测，质量状态无法精准控制；2)高技能工人依靠长期的经验与感觉缓慢谨慎调整才能完成装配对接，无法记录装配过程，导致产品后期如果出现质量问题，无法进行追溯。利用数字孪生技术进行装配质量的控制与追溯，目前可查的公开资料较少。本专利技术着重针对多级轴孔配合对接的火箭发动机内部不可测装配质量数字孪生建模与追溯，并采用数字孪生、人工智能等新一代信息技术解决其装配过程质量控制和追溯的难题，属于全新的技术方法。
技术实现思路
本专利技术的物理设备组成如图3所示，主要由舱段位置姿态调整装置、三维扫描重建装置、视觉位置姿态测量装置和拧紧力/力矩测量装置组成，物理装置各部分均为成熟技术。其中舱段位置姿态调试装置为6自由度并联平台，通称stewart平台，是通用设备；三维扫描重建设备为三维信技测量技术(苏州)有限公司英文3DInfotech(Suzhou)Co.,Ltd.的UMASmartCell扫描装置；视觉位置姿态测量装置为双目视觉测量装置；拧紧力/力矩传感装置安装在拧紧机构后方，可实现拧紧扭矩及与轴线垂直平面内附加侧向力的实时检测，力/力矩传感器为德国ME公司的六分量力传感器，型号为K6D175，力的测量量程为50KN，力矩测量量程为5KNm。数字孪生模型构建仿真软件为西门子设计软件NX及装配仿真软件ProcessSimulate，是通用的商业软件。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：火箭发动机内部不可测装配质量数字孪生建模与追溯方法，包括以下步骤：步骤1：构建基于实测数据的数字孪生模型，用于多级轴孔配合对接的火箭发动机内部不可测装配质量追溯提供模型；步骤2：利用视觉及力测量装置对火箭发动机装配位姿及装配力进行测量，通过数字空间与物理空间的虚实实时交互实现火箭发动机装配过程在数字空间中的映射；步骤3：采用深度神经网络构建含有火箭发动机装配位姿及装配力的不同工艺条件下火箭发动机内部不可见质量状态的替代计算模型；步骤4：通过替代计算模型实时计算火箭发动机内部不可见质量状态，通过数字空间与物理空间的虚实实时交互实现火箭发动机装配过程虚实交互控制执行。所述步骤1包括以下步骤：步骤1.1：在两对接装配件上设置用于表示舱段的空间位姿的外部测量基准；步骤1.2：在装配调整设备上设置用于表示火箭发动机的空间位姿的设备基准点；步骤1.3：采用三维扫描测量装置对火箭发动机内部舱段变形后的多台阶装配接口、外设测量基准进行测量，形成测量点云数据；步骤1.4：将测量点云数据转换为仿真软件可识别的CAD模型；步骤1.5：将CAD模型通过装配仿真软件，并根据实测外部测量基准与设备基准点，建立火箭发动机舱段模型作为数字孪生模型，以及其与火箭发动机舱段位置姿态调整设备之间的坐标关系，以保证数字的舱段模型与真实物理状态一致。所述步骤2包括以下步骤：步骤2.1：将火箭发动机装配零件中心对正，进行实体装配；步骤2.2：视觉测量装置实时对外部测量基准进行舱段位置姿态测量，并将实际视觉测量信息反馈至数字空间的装配仿真软件中，建立装配位姿仿真模型；步骤2.3：装配仿真软件根据实际视觉测量信息同步调整数字空间中舱段的位置姿态，装配仿真软件同时进行对接调整偏差判定，得到装配零件在数字空间中的位置姿态和几何偏差；步骤2.4：力/力矩传感器实时测量拧紧力矩与附加侧向分力，并将实际力/力矩测量信息反馈至数字空间的有限元仿真软件中，建立装配力仿真模型；步骤2.5：有限元仿真软件根据实际力/力矩测量信息同步调整数字空间中装配过程力/力矩的大小，同时进行装配力和方向调整偏差判定，得到装配零件在数字空间中的力/力矩和偏差数据；步骤2.6：构建实验产品模拟火箭发动机装配过程，在实验产品对接表面放置应变片进行受力检测，通过模拟装配实验校正装配力仿真模型；步骤2.7：通过X探伤检测装置检测实验产品在装配过程中的内部质量状态。所述内部质量状态包括装配间隙，装配干涉，密封圈剪切力，密封圈挤压量。所述步骤3包括以下步骤：步骤3.1：通过步骤2中得到的所有仿真数据构建训练学习样本，以不同初始变形及含有装配力、装配位姿、零部件初始偏差状态的不同装配参数作为深度神经网络模型的输入，不同的内部质量状态作为深度神经网络模型的输出；步骤3.2：把输入数据归一化；步骤3.3：针对火箭发动机内部不可见的装配间隙，装配干涉，密封圈剪切力，密封圈挤压量预测计算问题，构建深度神经网络模型，对步骤3.1得到学习样本进行训练，学习权重参数，得到最终深度神经网络模型作为替代计算模型。所述步骤4包括以下步骤：步骤4.1：基于实测数据的数字孪生模型，利用视觉及力测量装置获取火箭发动机装配位姿及装配力，输入到替代计算模型，得到火箭发动机内部不可见质量状态的仿真结果；步骤4.2：装配调整设备中的平台控制器根据数字空间内部不可见质量状态的仿真结果，调整装配位姿及装配力，分解成平台各驱动电机的控制指令，控制物理空间的装配过程，并将偏差信息反馈至装配调整设备；步骤4.3：装配调整设备根据数字空间的偏差反馈信息进行闭环控制调整，实现对接装配。本专利技术的优点与积极效果为：1.本专利技术通过采用激光三维扫描方法实测火箭发动机装配过程及装配接口与引入的外部基准的精确坐标对应关系，并将火箭发动机装配过程以及可能变形后的接口及其外部基准在数字空间中的装配仿真软件中建立高精度实测装配位姿仿真模型；通过力/力矩传感器实时测量拧紧力矩与附加侧向分力，并将实际测量信息反馈至数字空间的有限元仿真软件中，建立装配力仿真模型；最终形成实时展现装配过程的高精度数字孪生模型。2.本专利技术基于产品装配过程数据样本集进行离线学习和训练，研究基于卷积神经网络的网络结构和训练策略设计方法，构造产品装配过程深度神经网络模型，利用深度神经网络强大的特征提取和预测能力实现对机理仿真模型计算过程和结果的全部或部分逼近，通过封装后的深度神经网络模型正向计算代替机理模型的海量计算，实现仿真计算的加速，减少计算时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.火箭发动机内部不可测装配质量数字孪生建模与追溯方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：构建基于实测数据的数字孪生模型，用于多级轴孔配合对接的火箭发动机内部不可测装配质量追溯提供模型；/n步骤2：利用视觉及力测量装置对火箭发动机装配位姿及装配力进行测量，通过数字空间与物理空间的虚实实时交互实现火箭发动机装配过程在数字空间中的映射；/n步骤3：采用深度神经网络构建含有火箭发动机装配位姿及装配力的不同工艺条件下火箭发动机内部不可见质量状态的替代计算模型；/n步骤4：通过替代计算模型实时计算火箭发动机内部不可见质量状态，通过数字空间与物理空间的虚实实时交互实现火箭发动机装配过程虚实交互控制执行。/n

【技术特征摘要】
1.火箭发动机内部不可测装配质量数字孪生建模与追溯方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：构建基于实测数据的数字孪生模型，用于多级轴孔配合对接的火箭发动机内部不可测装配质量追溯提供模型；
步骤2：利用视觉及力测量装置对火箭发动机装配位姿及装配力进行测量，通过数字空间与物理空间的虚实实时交互实现火箭发动机装配过程在数字空间中的映射；
步骤3：采用深度神经网络构建含有火箭发动机装配位姿及装配力的不同工艺条件下火箭发动机内部不可见质量状态的替代计算模型；
步骤4：通过替代计算模型实时计算火箭发动机内部不可见质量状态，通过数字空间与物理空间的虚实实时交互实现火箭发动机装配过程虚实交互控制执行。


2.根据权利要求1所述的火箭发动机内部不可测装配质量数字孪生建模与追溯方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：
步骤1.1：在两对接装配件上设置用于表示舱段的空间位姿的外部测量基准；
步骤1.2：在装配调整设备上设置用于表示火箭发动机的空间位姿的设备基准点；
步骤1.3：采用三维扫描测量装置对火箭发动机内部舱段变形后的多台阶装配接口、外设测量基准进行测量，形成测量点云数据；
步骤1.4：将测量点云数据转换为仿真软件可识别的CAD模型；
步骤1.5：将CAD模型通过装配仿真软件，并根据实测外部测量基准与设备基准点，建立火箭发动机舱段模型作为数字孪生模型，以及其与火箭发动机舱段位置姿态调整设备之间的坐标关系，以保证数字的舱段模型与真实物理状态一致。


3.根据权利要求1所述的火箭发动机内部不可测装配质量数字孪生建模与追溯方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：
步骤2.1：将火箭发动机装配零件中心对正，进行实体装配；
步骤2.2：视觉测量装置实时对外部测量基准进行舱段位置姿态测量，并将实际视觉测量信息反馈至数字空间的装配仿真软件中，建立装配位姿仿真模型；
步骤2.3：装配仿真软件根据实际视觉测量信息同步调整数字空间中舱段的位置姿态，装配仿真软件同时进行对接调整偏差判定，得到装配零件在数字空间中的位置姿态和几何偏差；
步骤2.4：力/力矩传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：于海斌，徐志刚，王军义，张浩，刘勇，贺云，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21