(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210799235.6 (22)申请日 2022.07.06 (71)申请人 东北大学 地址 110000 辽宁省沈阳市和平区文化路3 号巷11号 (72)发明人 郝博　郭嵩　王明阳　王鹏　 闫俊伟　王杰　尹兴超　 (74)专利代理 机构 深圳市燊汇智诚专利代理事 务所(普通 合伙) 44725 专利代理师 刘敏 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06T 17/00(2006.01) G06F 111/04(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于数字孪生的多层次信息装配模型 的构建方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于数字孪生的多层次 信息装配模型的构建方法， 包括以下步骤： (1)构 建零件信息层次化模型； (2)实物零件特征信息 的采集与处理； (3)零件数字孪生模型几何形状 层逆向建模； (4)零件数字孪生模型位姿约束层 逆向建模； (5)零件数字孪生模型物理状态层逆 向建模； (6)基于虚实映射的数字孪生装配体表 达。 本发明通过构建零件信息层次化模型， 将影 响后续装配的零件形状、 位姿、 物理状态考虑在 内， 生成与真实物理零件相对应的零件数字孪生 体， 从而提高装配数字孪生模型的精度， 进而将 现实中产品的装配过程完整地映射到数字模型 中， 根据装配数字孪生模型的装配结果指导实际 装配操作， 提高装配质量和效率。 权利要求书2页 说明书8页 附图4页 CN 115408783 A 2022.11.29 CN 115408783 A 1.一种基于数字 孪生的多层次信息装配模型的构建方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： (1)构建零件的层次化信息模型， 将虚拟环境中数字模型划分为几何形状层、 位姿约束 层、 物理状态层三个不同层次， 与 理想设计模型相 叠加共同反映真实零件当前完整信息状 态， 从而与真实世界零件相互映射， 生成与真实物理零件更加相似的零件数字 孪生体； (2)在零件物 理模型上进行信息采集与提取， 分别提取零件的几何形状信息、 约束特征 信息、 物理状态信息并建立相应数据库， 以便在后续工作中调用,提高效率； (3)考虑零件装配特征对其配合约束进行逆向建模， 将平面、 曲面、 轴孔基础特征进一 步分解为点、 线、 面三类配准元素， 以它们的对齐、 共线、 重合方式减小装配体自由度， 达到 零件间固定的目的， 基于元素配准的特征位姿求解方法， 得到与该零件装配特征相配合需 要进行的坐标变换， 并考虑特征几何误差情况下 的位姿变动补偿量， 从而将位姿约束信息 反映在零件特 征上； (4)针对零件物理状态信息进行逆向建模， 考虑特征几何误差的装配过程中零件姿态 稳定性， 分析零件质心对静力平衡状态的影响， 根据Hertz理论计算零件接触面的表面变 形， 并根据其大小确定物理平移和旋转补偿量， 从而将零件物理状态信息融入数字化模型 中； (5)将产品装配孪生体分为资源层、 工艺层、 环境层三个层次， 利用上述方法构造的零 件孪生体和采集的装配信息， 形成与现实世界物理产品制 造－装配过程相映射的关系， 并 将其应用于指导实际装配操作。 2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的多层次信息装配模型的构建方法， 其特 征在于， 在零件物理模型上进行信息采集与提取， 通过接触式三坐标测 量仪获得零件的表 面轮廓信息， 将其存入虚拟环 境， 获得几何形状层数据库； 根据数字零件的几何理想 设计模 型标注出约束特征位置， 结合该特征处实际点云形成位姿约束层数据库； 通过质量质心测 试系统、 转动惯量测试仪 设备测算零件物理属性， 结合加工制造方法获取零件质量、 质心 位 置、 弹性模量、 泊松比信息， 形成数字零件的物理状态层数据库。 3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的多层次信息装配模型的构建方法， 其特 征在于， 将采集的离散点云数据与CAD设计模 型对齐， 根据离散点与理想特征的距离求得零 件表面实测误差， 将其与设计公差相比较， 评 定零件是否合格。 4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的多层次信息装配模型的构建方法， 其特 征在于， 使用最小二乘法对零件表面的线特征进行多项式拟合， 并将拟合连续函数f(x)与 离散点差值的二范数和扫描点云平方根的商定义为重构误差系数γ， 它表征了拟合连续函 数的拟合效果， 当γ＝0时拟合效果 最好， 此时函数f(x)经 过所有离散点。 5.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的多层次信息装配模型的构建方法， 其特 征在于， 当零件表 面不光滑程度较高， 即凸起和凹陷微小特征较多时， 多项式拟合方法往往 具有较大误差， 因此， 使用离 散余弦变换来表示 零件表面的面特 征。 6.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的多层次信息装配模型的构建方法， 其特 征在于， 将零件表面形状特征视为信号， 根据波长将其分为翘曲度、 波纹度和粗糙度， 其中 翘曲度占主导作用， 波纹度有一定影响， 粗糙度可以忽略不计， 将点云位置数据构造表面离 散点偏差位移场， 以描述零件特征实际几何形状位置与理想位置间在垂 直于零件表面方向 上的差值， 根据离散余弦变换性质， 其逆变换与正变换形式相同， 从而 得到线特征的拟合轮权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115408783 A 2廓。 7.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的多层次信息装配模型的构建方法， 其特 征在于， 将零件特征按照是否将与其它零件产生配合关系分为装配特征和其它特征， 装配 特征主要有平面特征、 曲面特征、 轴特征、 孔特征、 销特征、 槽特征， 将装配特征分解为多种 元素结构， 包括点、 线、 面三大类特征配准元素， 通过特征配准元素之 间的匹配， 待装配零件 与基准零件产生约束关系， 达到相对自由度为零的状态， 即二者固定在一起， 分多步完成零 件数字孪生模型的装配， 避免出现零件间的几何干涉， 从而指导实际装配。 8.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的多层次信息装配模型的构建方法， 其特 征在于， 为了 保证物理稳定性， 考虑质心 位置对装配姿态的影响， 通过推导 公式求出稳定装 配状态下零件的力与力矩平衡； 考虑到零件接触变形对装配形态的影响， 根据Hertz理论推 导出接触 应力与变形量的关系， 求得表示 最终装配 状态的位姿矩阵。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115408783 A 3