面向筒段对接数字孪生的定位精度在线优化方法

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31978

飞行器数字孪生技术专刊

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面向筒段对接数字孪生的定位精度在线优化方法

肖若瑶¹, 郑联语¹(), 周健¹, 赵思如¹, 张洁茹², 陈育武²

^1.北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191
^2.北京新风航天装备有限公司，北京 100854

收稿日期:2025-03-13 修回日期:2025-04-10 接受日期:2025-05-12 出版日期:2025-05-28 发布日期:2025-05-27
通讯作者: 郑联语 E-mail:lyzheng@buaa.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2021YFB1716303)

Online optimization method for positioning accuracy in cylindrical components aligning based on digital twins

Ruoyao XIAO¹, Lianyu ZHENG¹(), Jian ZHOU¹, Siru ZHAO¹, Jieru ZHANG², Yuwu CHEN²

^1.School of Mechanical Engineering and Automation，Beihang University，Beijing 100191，China
^2.Beijing Xinfeng Aerospace Equipment，Beijing 100854，China

Received:2025-03-13 Revised:2025-04-10 Accepted:2025-05-12 Online:2025-05-28 Published:2025-05-27
Contact: Lianyu ZHENG E-mail:lyzheng@buaa.edu.cn
Supported by:
National Key Research and Development Program of China(2021YFB1716303)

摘要/Abstract

摘要：

随着航空航天装备的生产模式向智能化转变，大型筒段类部件装配正加速向数字化系统转型，并朝装配（对接）数字孪生系统迈进，但其中的测量、传动等环节均会对筒段调姿定位精度产生影响。在自动化装配过程中，传统的定位精度优化方法难以补偿多系统协同作业的全局累积误差，对于筒段的实时定位精度也缺乏有效的监测和在线优化方法，导致筒段的最终对接质量和效率无法保证。为解决该问题，提出一种面向筒段对接数字孪生的定位精度在线优化方法。首先建立了数字孪生系统框架，并给出了筒段装配闭环控制流程；然后研究了多系统协同作业的定位精度优化方法，重点分析了多系统的误差因素对定位精度的影响，通过建模与分析，研究了基于迭代奇异值分解法的测量位姿求解精度优化方法、机理数据融合驱动的调姿定位误差在线预测方法和基于几何解析和跨系变换的驱动器参数精准求解方法。通过引入在线精度优化算法和预测误差补偿机制，有效解决了筒段的定位误差累积问题，提升了对接动态精度控制能力。使用开发的原型系统进行实例验证，结果表明该方法将筒段定位精度平均提高了70.77%，对接周期时间缩短了53.10%，可有效提升筒段的对接精度和效率，验证了所提方法的正确性和有效性。

关键词: 航天器装配, 筒段对接, 数字孪生系统, 定位精度优化, 误差预测补偿

Abstract:

As the production mode of aerospace equipment changes to intelligence， the aligning of cylindrical components increasingly adopts digital twin systems for assembly. However， measurement and transmission processes can affect the accuracy in pose adjustment and positioning. Notably， in the process of automatic aligning， conventional optimization methods fail to compensate for globally accumulated errors in multi-system collaboration， while the absence of real-time monitoring and online optimization further undermines aligning quality and efficiency. To address this challenge， a digital twin-driven online positioning accuracy optimization method is proposed for cylindrical components aligning. In this study， a digital twin system framework for cylindrical components aligning is first established， incorporating a closed-loop control methodology. Subsequently， the method systematically investigates error factors in multi-system coordination， including modeling and analysis of their impacts on positioning accuracy. Key innovations involve an iterative Singular Value Decomposition-based measurement pose optimization algorithm， a mechanism-data fusion-driven online prediction model for alignment errors， and a geometric-analytical cross-system transformation method for precise actuator parameter calculation. By integrating online precision refinement algorithms and predictive error compensation mechanisms， the cumulative positioning errors are effectively mitigated， enhancing dynamic aligning accuracy control capabilities. Experimental validation using a prototype system demonstrates that the method improve the aligning accuracy by 70.77% and shortens the docking cycle time by 53.10%， effectively improving both docking and efficiency， and verifying the correctness and effectiveness of the proposed method.

Key words: spacecraft assembly, cylindrical components aligning, digital twin system, positioning accuracy optimization, predictive error compensation

中图分类号:

V461

肖若瑶, 郑联语, 周健, 赵思如, 张洁茹, 陈育武. 面向筒段对接数字孪生的定位精度在线优化方法[J]. 航空学报, 2025, 46(19): 531978.

Ruoyao XIAO, Lianyu ZHENG, Jian ZHOU, Siru ZHAO, Jieru ZHANG, Yuwu CHEN. Online optimization method for positioning accuracy in cylindrical components aligning based on digital twins[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(19): 531978.

图/表 23

图 1

图 2

图3

图4

图 5

图 6

表1

图 7

表2

图 8

图9

图 10

图 11

表3

测量位姿求解精度优化算法的原始实验数据

时刻	类型	空间位置/mm			空间姿态/rad
时刻	类型	x	y	z	$α$	$β$	$γ$
0	坐标系	329.11	-186.64	-99.09	-0.84	0.48	0.25
	点1	337.83	-708.89	-1 802.50
	点2	382.31	-803.97	-1 793.06
	点3	385.35	-653.79	-1 805.10
	点4	554.37	-549.66	-1 846.96
	点5	468.92	-600.11	-1 809.20
1	点1	794.32	-201.39	-1 798.69
	点2	873.66	-270.43	-1 792.05
	点3	813.87	-132.16	-1 787.40
	点4	926.09	36.85	-1 788.91
	点5	866.60	-49.40	-1 771.66

表3

表4

表5

图12

表6

筒段定位误差预测算法实验验证

实验	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
y/mm	+5	+5	+5	+5	-5	+5	+5	+5	-5	-5	-5	-5	-5	-5	+5	-5
z/mm	+5	+5	+5	-5	+5	+5	-5	-5	-5	+5	+5	-5	-5	+5	-5	-5
$β$ /（ $°$ ）	+1	+1	-1	+1	+1	-1	+1	-1	+1	-1	+1	-1	+1	-1	-1	-1
$γ$ /（ $°$ ）	+1	-1	+1	+1	+1	-1	-1	+1	+1	+1	-1	+1	-1	-1	-1	-1

表6

图13

图14

图15

表7

表8

参考文献 27

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

类型	待处理数据	预处理后
输入	运动指令	正为1，负为0
输入	待预测自由度标签	X、Y、Z、R_Y 、R_Z 分别为1、2、3、4、5
输出	执行误差	正为1，负为0

层类型	卷积核数量	卷积核大小	池化大小	步长
Conv1D	108	3		1
MaxPooling1D			2	2
Conv1D	108	2		1
MaxPooling1D			1	1
Conv1D	64	2		1
MaxPooling1D			2	2

评估指标	方法	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
时间/s	SVD	0	0	0	0	1.01×10^-5	1.01×10^-5	9.78×10^-6	0	0	0
时间/s	迭代SVD	3.99×10^-5	7.99×10^-5	1.00×10^-4	9.00×10^-5	8.99×10^-5	8.00×10^-5	8.02×10^-5	8.00×10^-5	8.01×10^-5	9.00×10^-5
MSE/mm²	SVD	9.38×10^-5	1.78×10^-4	1.62×10^-4	1.45×10^-4	1.54×10^-4	1.90×10^-4	2.02×10^-4	1.59×10^-4	1.76×10^-4	2.04×10^-4
MSE/mm²	迭代SVD	8.21×10^-5	6.17×10^-5	1.03×10^-4	9.90×10^-5	4.87×10^-5	8.36×10^-5	4.96×10^-5	7.52×10^-5	3.02×10^-5	9.77×10^-5

零件名称	型号	参数
X向滚珠丝杠	TBI SFNU3210	精密型C0
Y向滚珠丝杠	THK DK2506-4	C0精度4 μm
Z向伺服缸	KT DDG80	折返式 0.05 mm
导轨	HSR30LRM	高±0.07 mm，宽±0.06 mm
丝杠轴承座	SKF BK25TF	内径±0.01 mm

方法	粗对接次数	精对接次数	进给次数
原始方法	2~3	3~4	1
控制参数精准求解	1~2	1~2	1
控制参数精准求解+执行误差预测	1	1	1

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Online optimization method for positioning accuracy in cylindrical components aligning based on digital twins

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方法	粗对接时长/s	精对接时长/s	完成总时长/s
原始方法	56	42	113
控制参数精准求解	42	29	80
控制参数精准求解+执行误差预测	32	12	53