基于仿真控制的飞机大部件对接原型系统研究

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1、基于仿真控制的飞机大部件对接原型系统研究StudyonSimulationControlBasedPrototypeSystemofAircraftComponentsDocking清华大学国家CIMS工程技术研究中心李惠张林筵肖田元肖姝娴中航工业北京航空制造工程研究所邹方侯志霞杜兆才ⅢI

2、}李惠在读博士，目前在清华大学CMIS中心学习．主要研究方向为基于三维可视化仿真的协同控制。柔性装配是现今飞机装配自动化发展的重要方向，其中的装配仿真技术一直在飞机装配的过程中发挥着重要的作用，能提前发现和解决实际装配中可能出现的问题，大大提高了装配效率。但是现有的装配

3、仿真往往与实际系统难以直接结合，为解决这个问题，本文结合CPS的理论提出了集测量、通信、计算、仿真、控+国家国家科技支撑计划课题(2012BAH32b''()3)资助。90航空制造技术·2013年第22期ACPS的核心是将装配物理对象和系统的状态传递到信息系统中，基于计算、通信、控制3C技术集成，将信息基元与物理元素融为一体。发挥信息技术在感知、传输、存储、分析挖掘和优化控制等方面的优势，通过信息系统和物理系统之间的相互作用与反馈，在对装配过程准确认知的基础上，实现装配系统的信息沟通、系统协调和优化决策控制。制的ACPS(Assembly—oriented

4、CyberPhysicalSystems)。ACPS的核心是将装配物理对象和系统的状态传递到信息系统中，基于计算、通信、控制3c技术集成，将信息基元与物理元素融为一体，发挥信息技术在感知、传输、存储、分析挖掘和优化控制等方面的优势，通过信息系统和物理系统之间的相互作用与反馈，在对装配过程准确认知的基础上，实现装配系统的信息沟通、系统协调和优化决策控制。本文在前期ACPS体系结构和飞机柔性装配三维可视化仿真研究[]-21已有成果的基础上，以飞机大部件对接为对象展开深入研究，设计与实现ACPS的基本框架，并对其中的关键技术进行讨论。ACPS层次结构图1是ACP

5、S的结构层次划分，分为5个层次。(1)感知层。由若干感知节点组成，负责感知受关注的物理设备的某些物理属性，主要包括装配部件、数控定位器等装配要素的位姿、受力情况等，以及测量的原始数据经汇集节点融合后传输至信息中心。数据感知是ACPS通信、计算、仿真、控制和应用的基础。(2)通信层。由若干通信基站和网络节点组成，负责将测量的原始数据传输至信息中心，以及同时要保证测量设备——服务器之间的可靠通信，飞机装配中可以采取的通信模式一一粥m。Ass卧，B吖TEc州。。。G、，数字化装配技术物理域一小+，一——————、、--．．主要包括有线、无线网络、3G／4G等。飞

6、机装配信息系统需要获取并处理大量的设备位置、姿态、受力情况等，因此，通信层的关键问题是如何保障信息的高度可靠和有效传输。(3)计算层。由于ACPS具有海量的装配数据信息，并且飞机装配物理系统和装配信息系统之间存在相互的作用和反馈，对分析和仿真的实时』生要求很高，这些都对ACPS计算层的计算能力和存储能力提出了挑战。因此，构建具备强大计算能力的ACPS平台是计算层的一个必要环节。(4)仿真控制。层实现ACPS的目标是提高对飞机装配过程的三维可视化监视能力和对飞机装配物理系统的控制能力。现有的研究多半图1ACPS层次结构是仿真与控制分离的，也就是进行离线预装配

7、仿真，在虚拟环境中进行装配对象建模、计算、仿真验证，得到装配方案之后，再人工移植到实际装配环境中去。这种装配过程仿真虽能够分析和验证飞机零部件装配运动的可实现性，但是由于仿真模型与实际系统的差异性，不能保证仿真效果与实物装配过程的一致性，制约了研究成果的应用。还有一些研究是实时监控的半实物仿真系统，但没有及时的可视化装配过程，只是提供一些指标来辅助判断装配质量，而且实际装配对象与仿真系统的互联互通互操作等问题一直没有很好的解决。仿真控制层为解决这些问题主要负责处理、分析计算层传来的数据，基于有效的装配数据，进行可重构夹具信息域、、、、————————．．．

8、．．．．_／I稃l恁／，—————、物理域、、、、——．——．．．——／定位设计、实时可视化飞机装配过程、跟踪设备位姿、设计科学适宜的规划／控制算法，是离／在线仿真的重要支撑。(5)应用层。获得飞机装配对象、数控定位器、基础工装等位姿信息后，如何为用户终端提供实时的三维可视化装配过程显示和数控设备控制决策是飞机装配发展的必然趋势，具有重要的现实意义。在ACPS系统中，仿真控制层设计的控制算法，在这里通过运动控制卡或其他方式来精确控制数控设备的运动，其中的难点在于如何实时处理实际装配中的不确定情况，提高装配执行的准确性和实时性，这是飞机装配信息物理系统应用于

9、实际需要解决的一个关键问题。2013年第22期·航空制造技术91原