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

Abstract

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

CLC Number:

V461

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.

Figures/Tables 23

Fig.1

Fig.2

Fig.3

Fig.4

Fig.5

Fig.6

Table 1

Fig.7

Table 2

Fig.8

Fig.9

Fig.10

Fig.11

Table 3

Original experimental data of pose measurement accuracy optimization algorithm

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

Table 3

Table 4

Table 5

Fig.12

Table 6

Experimental verification of cylindrical components aligning error prediction algorithm

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

Table 6

Fig.13

Fig. 14

Fig.15

Table 7

Table 8

References 27

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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

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