多參量在線反饋的大型筒體－端框精確對裝方法

劉海波，李 猛，王 新，王永青，馬玉勇，李蘭柱

(1．大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點實驗室，大連116024;2．航天材料及工藝研究所，北京100076)

0 引言

先進的航天用大型筒段往往采用高比強度復(fù)合材料筒體與金屬端框的組合結(jié)構(gòu)，以在有效減重的前提下，保證其對高溫高壓氣流強沖擊的抵抗能力［1］。筒段直徑 ＞1．5 m、徑厚比100～150，長度3～8 m，屬于典型的大型弱剛性零件。筒體由纖維料纏繞制成，端框由鋁合金鍛件整體銑制而成，尺寸往往誤差相對較大。多個零件形狀誤差在對裝尺寸鏈末端累積將直接影響對裝精度。而且大型筒體采用兩端支撐、臥式放置方式，自重變形對對裝精度的影響亦不可忽略。依賴人工經(jīng)驗反復(fù)試裝的常規(guī)方法將無法滿足該類結(jié)構(gòu)快速、精確對裝要求。

研究表明，把在機/在線測量技術(shù)與傳統(tǒng)制造過程相集成，通過質(zhì)量關(guān)聯(lián)參量的信息反饋，輔助零部件的加工與裝配，已得到國際廣泛認可，并實際應(yīng)用［2－3］。針對大尺度測量問題，國內(nèi)外學(xué)者和研究機構(gòu)基于光學(xué)原理先后發(fā)展了多種測量方法與系統(tǒng)，如激光跟蹤儀、室內(nèi)GPS(indoor Global Positioning System，iGPS)、激光雷達和多經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)等，為大型零部件的精密制造提供了關(guān)鍵測量手段［4］。針對以飛機、航天器、輪船為代表的典型大部件裝配/對接測控問題，美國波音飛機制造公司構(gòu)建了一套基于iGPS的輔助飛機裝配系統(tǒng)［5］;Williams等［6］提出了位姿信息驅(qū)動的飛機大部件位姿調(diào)控方法，利用激光跟蹤儀、定位器和驅(qū)動單元構(gòu)建了專用位姿自動調(diào)控系統(tǒng);邾繼貴等［7］提出了一種面向現(xiàn)場環(huán)境的大尺度多站組合測量方法，實現(xiàn)了全局測量控制網(wǎng)與終端測量站的優(yōu)化配置;Paoli等［8］針對大型船體裝配質(zhì)量檢測問題，構(gòu)建了基于視覺測量與激光跟蹤相組合的測量系統(tǒng);王永青等［9］提出了基于在機測量的大型液體火箭發(fā)動機噴管冷卻通道數(shù)字化加工方法。還有一些研究，通過敏度因素的精確提取與分析，提高了系統(tǒng)性能。高偉熙等［10］引入陀螺角速度誤差作為觀測量，提高了慣導(dǎo)系統(tǒng)快速對準精度。王保豐等［11］利用編碼標志CCD測量實現(xiàn)了自主交會對接最后逼近階段的測量與控制任務(wù)。然而，基于在線測量的大型筒體－端框?qū)ρb技術(shù)仍鮮有針對性研究。

1 基于在線測量的大型筒體－端框?qū)ρb方法

大型筒體－端框?qū)ρb幾何模型如圖1所示［12］。

圖1 筒體－端框?qū)ρb幾何模型Fig．1 Butt assembly geometrical model of cylinder and end-frame

由于大型筒體與端框?qū)友b配過程個性化顯著，必須依據(jù)實際對裝狀態(tài)，進行適當?shù)奈蛔苏{(diào)控，使得二者對裝縫隙均勻，以確保對裝效率和質(zhì)量。其中，筒體與端框的圓輪廓、對裝縫隙等過程參量的在線反饋是關(guān)鍵。為此，本文提出了一種基于多參量在線反饋的大型筒體－端框精確對裝新方法，其基本思路為:根據(jù)圓跳動數(shù)據(jù)實時反饋分別進行筒體和端框的圓度強制校形;根據(jù)對裝縫隙周向?qū)嶋H分布狀態(tài)反算出姿態(tài)調(diào)整量，通過控制分布式調(diào)整輪實現(xiàn)位姿調(diào)整;完成筒體與端框?qū)友b配及對裝精度檢測。

2 多參量在線測量系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)大型筒體－端框的對裝特點，設(shè)計了一種多參量同步在線測量方案，即基于點激光三角法的筒體和端框的圓跳動測量、基于圖像原理的對裝縫隙測量，研制了多傳感組合測頭。多參量在線檢測系統(tǒng)的硬件由多傳感在線檢測機構(gòu)、測量控制與通信系統(tǒng)等組成;軟件主要由人機交互界面(Human Machine Interface，HMI)、傳感器標定、數(shù)據(jù)分析與顯示等功能部分組成。

2．1多傳感在線檢測機構(gòu)

多傳感在線檢測機構(gòu)是保證大型筒體－端框?qū)ρb狀態(tài)參量在線反饋的核心部件，如圖2所示，其由多傳感組合測頭、在線檢測運動驅(qū)動機構(gòu)兩部分組成。

圖2 在線檢測機構(gòu)及其系統(tǒng)集成Fig．2 Online detection device and system integration

如圖3所示，多傳感器組合測頭集成了兩個點激光傳感器(Laser Sensor 1，LS1;Laser Sensor 2，LS2)和一個圖像傳感器(Image Sensor，IS)。三個傳感器安裝在同一基座上，IS位于中間，LS1、LS2相對IS呈對稱分布。三個傳感器之間的主要位置約束關(guān)系為:1)準直后的兩激光傳感器發(fā)射出的激光束與圖像傳感器軸線處于同一平面;2)兩個傳感器下底面(定義為測量參考面)位于同一平面，其可通過標定傳感器測量參考面至同一被測面的距離來實現(xiàn)。為便于調(diào)節(jié)三個傳感器之間的位置關(guān)系，基板上的安裝孔設(shè)計成鍵槽形。位置調(diào)整結(jié)束后，將多傳感器組合測頭安裝至專用檢測機構(gòu)執(zhí)行末端。

圖3 多傳感器組合測頭Fig．3 Multi-sensor integrated measuring probe

在線檢測運動驅(qū)動機構(gòu)集成在對接工裝中心軸上，其主要包括回轉(zhuǎn)運動單元、直流伺服驅(qū)動單元和測量裝置轉(zhuǎn)接桿等?；剞D(zhuǎn)運動單元采用了行星齒輪結(jié)構(gòu)和大直徑專用精密軸承，其軸線與對裝工裝中心軸線重合，以保證測量過程中機構(gòu)回轉(zhuǎn)精度和測量可靠性。為實現(xiàn)精確的速度控制，選用直流伺服控制模式完成回轉(zhuǎn)測量動作控制。直流伺服驅(qū)動單元的內(nèi)置編碼器用于反饋機構(gòu)旋轉(zhuǎn)坐標。

2．2測量控制與通信

針對激光位移與圖像多源異構(gòu)傳感信息、多通道采集特點，構(gòu)建了對裝過程參量測控系統(tǒng)，如圖4所示，其中下位機(Advanced RISC Machines，ARM)實現(xiàn)測量運動控制、數(shù)據(jù)采集、無線通信等功能;上位機(Personal Computer，PC)實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實時顯示、分析、處理和存儲等功能。

圖4 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig．4 Communication system architecture

首先，測控系統(tǒng)通過ARM單元控制測量運動及采集傳感信息，伺服電機在接收到測量運動控制指令(包括運動速度和運動方向)后驅(qū)動多傳感器組合測量裝置繞對接工裝中心軸旋轉(zhuǎn)，并在同一采集周期內(nèi)進行運動位置坐標、運動方向、激光和圖像的傳感數(shù)據(jù)的信息采集。然后，ARM單元通過異步收發(fā)傳輸(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)機制與上位機PC保持無線通信，將采集信息傳輸至上位機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以用于誤差分析與位姿調(diào)整量的解算。

2．3數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計

采用模塊化設(shè)計手段，利用VC++在上位機開發(fā)出對裝數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)，其主要包括HMI模塊、傳感器標定模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊等。

HMI模塊主要實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示與存儲等功能。參數(shù)設(shè)置界面包括傳感器選擇和采集頻率、電機轉(zhuǎn)動方向和速度測量等基本參數(shù)，以及采集數(shù)據(jù)文件保存路徑等設(shè)置。數(shù)據(jù)顯示包括激光和圖像測量數(shù)據(jù)的實時顯示，以及數(shù)據(jù)分析曲線的非實時顯示量部分。傳感器標定模塊主要完成激光傳感器LS1和LS2的非線性標定與補償、LS1和LS2回轉(zhuǎn)及對稱標定、圖像傳感器縫隙識別標定與補償?shù)裙δ埽M而建立傳感坐標系之間及其與套裝系統(tǒng)坐標系的變換關(guān)系。考慮到激光和圖像兩類傳感器不同的應(yīng)用要求，在數(shù)據(jù)采集模塊，需完成兩項任務(wù):一是在套裝坐標系下表示筒體和端框的圓跳動特征，如式(1);二是給出對裝縫隙沿軸向的分布狀態(tài)，建立分布函數(shù)f(δ，θ)，其中δ為對裝縫隙寬度，θ為測量轉(zhuǎn)角。

式中:d和r分別為激光傳感器測量距離和測量回轉(zhuǎn)半徑，PM為工裝坐標系的測點，TSM為回轉(zhuǎn)測量變換矩陣。

數(shù)據(jù)分析模塊主要包括基于激光測量的圓跳動和圓輪廓分析、基于圖像測量的對裝縫隙識別。利用激光實時反饋數(shù)據(jù)，進行圓跳動計算，進而采用最小包容區(qū)域法評估圓輪廓，為筒體和端框圓度校正提供數(shù)據(jù)依據(jù)。通過圖像邊緣銳化處理，獲得圖像的高頻分量，進而提取對裝縫隙寬度。

為便于問題描述，建立圖像局部坐標系，即像素坐標系，如圖5(a)所示。對RGB圖像進行灰度處理，基本模型為

式中:G(u，v)和C(u，v)分別為像素坐標點(u，v)對應(yīng)的灰度值和RGB值，b和a分別為當前圖幅內(nèi)各像素點RGB值的上、下邊界。

分別沿u像素線g(u)對v對應(yīng)灰度值進行求和處理，即壓縮處理;對一維分布的灰度數(shù)據(jù)進行向后差分計算，得到灰度變化梯度曲線，如圖5(a)所示。

采用峰值提取法計算對裝縫隙寬度δ，

式中:PV(uR)和PV(uL)分別為像素坐標uR和uL對應(yīng)的灰度梯度峰值;α和β均為映射參數(shù)，需預(yù)先標定。

圖5 對裝縫隙提取Fig．5 Butt assembly gap extraction

3 筒體－端框?qū)ρb調(diào)整

3．1筒體和端框圓輪廓校形

利用激光傳感器在線測量的大型復(fù)合材料筒體和金屬端框圓跳動數(shù)據(jù)，對其進行多點內(nèi)撐方式的強制校形，以保證順利對裝。內(nèi)撐點Si(θi)(i=1，…，n)均勻地分布在內(nèi)撐裝置上，位于同一截面，n為內(nèi)撐點數(shù)量，θi為第i個內(nèi)撐點的角度位置?？紤]到內(nèi)撐方式的特殊性，在滿足圓度公差要求的條件下，利用最大可行圓包絡(luò)圓輪廓曲線，則包絡(luò)圓內(nèi)的各內(nèi)撐點均需要調(diào)整。通過半徑差獲得各內(nèi)撐點的調(diào)整量di。

3．2筒體位姿調(diào)整

筒體位姿調(diào)整主要完成兩個任務(wù):筒體調(diào)正與端框同軸調(diào)整?；菊{(diào)整過程為:

1)將校形后的筒體和端框運動至預(yù)裝位置，并啟動在線測量系統(tǒng)，進行筒體和端框輪廓及對裝縫隙的同步測量;

2)利用兩激光傳感器LS1和LS2測得的圓輪廓數(shù)據(jù)，計算筒體相對于端框偏心距離，通過調(diào)整筒體前端支撐，完成同軸位姿的粗調(diào)整;

3)再次測量對裝縫隙與圓輪廓，根據(jù)對裝縫隙分布和筒體尺寸計算姿態(tài)偏差，進而解算出后端支撐調(diào)整量;

4)轉(zhuǎn)入步驟1)，需滿足對裝精度要求。

4 應(yīng)用校驗:復(fù)合材料筒體－金屬端框?qū)ρb

以某型號大型筒段為典型零件，進行應(yīng)用校驗。該筒段由一個復(fù)合材料筒體和兩個鋁合金金屬端框裝配而成。基于多參量在線反饋的大型筒體－端框?qū)ρb工藝流程如圖6所示。

具體步驟如下:

1)把復(fù)合材料筒體和金屬端框吊裝至對裝系統(tǒng)，完成零件找正和裝夾;

2)開啟多傳感在線檢測系統(tǒng)，如圖7所示。分別利用傳感器LS1和LS2對筒體與端框內(nèi)圓輪廓進行掃描檢測，測量旋轉(zhuǎn)速度0．3 r/min;利用第3．1節(jié)的多點調(diào)整策略進行筒體與端框的圓輪廓，以滿足圓跳動預(yù)裝要求;

3)將筒體和端框調(diào)整至預(yù)裝位置，利用傳感器IS進行對裝縫隙掃描檢測與評估，并利用第3．2節(jié)的操作步驟進行筒體對裝位姿的調(diào)整，以滿足對裝縫隙調(diào)整;

4)膠粘固化、鉚接，完成對裝。

經(jīng)檢測，大尺寸復(fù)合材料筒體與鋁合金端框?qū)ρb縫隙誤差可有效控制在0．15 mm范圍內(nèi)，滿足了對裝精度要求。相對于傳統(tǒng)的人工經(jīng)驗調(diào)整、試湊對裝，采用本文提出的方法，單個筒段的筒體與端框?qū)ρb效率提高了2～3倍，產(chǎn)品一次合格率100%。

圖7 在線檢測系統(tǒng)Fig．7 Online detection system

5 結(jié)論

本文提出了一種多參量同步在線反饋的大型復(fù)合材料筒體與金屬端框精確對裝新方法，實現(xiàn)了在線測量與傳統(tǒng)對裝工藝的有效集成。利用在線測量數(shù)據(jù)，輔助完成了筒體和端框圓輪廓校形、筒體位姿調(diào)整，優(yōu)化了對裝工藝。以某型號大型筒段為典型件進行了實際工程應(yīng)用校驗，表明所提出的方法和研制的在線檢測系統(tǒng)對提升大型筒段的高效、精確對裝技術(shù)水平具有重要意義。

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