軸孔柔索水平裝配的實(shí)驗(yàn)研究

張 建 ，朱思俊 ，謝 群

（1.沈陽理工大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，遼寧 沈陽 110168；2.中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110016）

1 引言

軸孔類零件的精密裝配廣泛存在于各行各業(yè)，家電行業(yè)：壓縮機(jī)中曲軸和熱套轉(zhuǎn)子的裝配，汽車制造行業(yè)：汽車后橋主減速器與后橋殼體的裝配，航空航天領(lǐng)域：航空發(fā)動機(jī)中低壓渦輪長軸與核心機(jī)軸承孔的裝配等。近年來，隨著產(chǎn)品種類增加、市場周期縮短，使得能適應(yīng)多品種，大小批量生產(chǎn)的自動化裝配系統(tǒng)也獲得了迅速發(fā)展。自動化裝配的目的在于減輕或者取代依賴人工技巧和判斷力進(jìn)行各種復(fù)雜的裝配操作，它不僅提高了裝配作業(yè)的效率，而且使產(chǎn)品質(zhì)量得到穩(wěn)定和提高，同時也使產(chǎn)品設(shè)計與裝配策略密切結(jié)合起來?，F(xiàn)有的裝配方法有很多：從裝配的姿態(tài)來分，主要分為鉛垂方向裝配和水平方向裝配[1]。鉛垂方向裝配為傳統(tǒng)裝配方式，研究較多，理論較為成熟。

由于其重力所產(chǎn)生的擾動力與插裝力在同一軸線上，插裝過程容易控制，從技術(shù)上來考慮，這種裝配方式難度較小。水平方向裝配是一種較為新穎的裝配方式，由于其重力產(chǎn)生的擾動力與裝配力方向垂直，在插裝的過程中容易晃動，裝配難度相對較大。目前國內(nèi)研究較少，在國外，美國的GE公司最早使用以水平裝配為核心的水平脈動裝配線來完成航空發(fā)動機(jī)主要部件的裝配任務(wù)，近年來，法國斯奈克瑪公司、德國漢莎公司等也相繼啟用這種生產(chǎn)線。

從控制方法來分，主要有阻抗控制方法、力/位混合控制方法[2]等。阻抗控制由Hogan[3]首次提出，通過調(diào)整機(jī)械手的阻抗參數(shù)，使力和位置滿足某種理想的動態(tài)關(guān)系。為獲得準(zhǔn)確的阻抗參數(shù)，文獻(xiàn)[4]用手去示范機(jī)器人進(jìn)行裝配實(shí)驗(yàn)，從而辨識出阻抗參數(shù)，對控制器進(jìn)行設(shè)置，但這種方法容易受到環(huán)境噪音的干擾。MaSon于1979最早提出同時控制力和位置的概念，Craig在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了力/位混合控制方法，即通過雅可比矩陣將作業(yè)空間任意方向的力和位置分配到各個關(guān)節(jié)控制器上，但由于計算復(fù)雜，實(shí)施起來還是有些困難[5]。在學(xué)習(xí)了前人大量軸孔裝配[6-8]研究成果基礎(chǔ)上，提出了一種以上部柔索吊裝水平裝配系統(tǒng)為主體的水平柔性裝配方法。柔索吊裝長細(xì)軸，并由伺服電機(jī)驅(qū)動直線單元做進(jìn)給運(yùn)動，在裝配過程中通過相應(yīng)傳感器數(shù)值，測量并分析裝配吊裝力，根據(jù)吊裝力的大小來調(diào)整并設(shè)置裝配工件的位置、姿態(tài)以及運(yùn)動參數(shù)，進(jìn)而指導(dǎo)裝配。

2 系統(tǒng)組成

2.1 裝配系統(tǒng)組成

裝配系統(tǒng)，如圖1所示。為滿足水平柔性裝配，主體采用鋁合金桁架結(jié)構(gòu)，桁架四角各安裝踢腳關(guān)節(jié)，配合框式水平儀，調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)的可調(diào)螺栓，可以對整體框架進(jìn)行平衡處理。桁架頂部對中位置處，橫向搭有兩根鋁梁，用來固定支撐直線運(yùn)動單元。桁架內(nèi)部分左右兩部分，左邊為類盤狀孔件，其底座四角通過四個拉壓力傳感器固連在升降臺上，可隨升降臺上下左右移動，升降臺固連在桁架底部左邊的兩根鋁梁上。右邊是吊裝系統(tǒng)，其通過柔索吊裝在直線運(yùn)動單元上，用于實(shí)現(xiàn)待安裝長細(xì)軸的吊掛、姿態(tài)及高度調(diào)整以及裝配進(jìn)給運(yùn)動。該吊裝系統(tǒng)主要由八角盤狀夾持件、重心調(diào)節(jié)平臺、一維拉力傳感器等組成。為模擬實(shí)際生產(chǎn)工況，試驗(yàn)臺搭在清潔寬敞的實(shí)驗(yàn)室，通過框式水平儀事先對安裝地面進(jìn)行檢測，以保證大地的水平度。為減輕噪聲和振動等對傳感器信號的采集結(jié)果影響，實(shí)驗(yàn)室周邊不允許有大型機(jī)械進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。溫度和壓強(qiáng)對實(shí)驗(yàn)影響不大，故實(shí)驗(yàn)室控制常溫常壓即可。

圖1 裝配系統(tǒng)樣機(jī)Fig.1 The Prototype of Assembly System

2.2 測量系統(tǒng)組成

測量系統(tǒng)主要由高度尺、可調(diào)角度規(guī)和框式水平儀組成。本實(shí)驗(yàn)采用框式水平儀結(jié)合可調(diào)角度規(guī)的方法來測量長細(xì)軸的俯仰角度，可調(diào)角度規(guī)精度為10′，框式水平儀精度0.02mm/m，其測量原理，如圖2所示。

圖2 俯仰角度測量原理Fig.2 The Measurement Principle of Orientation

首先抬高框式水平儀，將其放在快要接近長細(xì)軸的位置，在框式水平儀的上表面放置已經(jīng)標(biāo)定好預(yù)定角度的角度規(guī)，通過在框式水平儀下表面左右墊加紙片的方式，將其調(diào)至水平位置姿態(tài)。通過重心調(diào)節(jié)平臺使軸與角度規(guī)斜面無限接近且平行的時候，長細(xì)軸的俯仰角度就等于角度規(guī)標(biāo)定角度。位置信息則由高度尺來測量，高度尺在進(jìn)行多次測量時，底座盡可能在固定位置不動，以減少由于測量工具本身位置變動帶來的誤差。

3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)工作流程，如圖3所示。裝配系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)待裝配件的吊裝、位置與姿態(tài)的調(diào)整、柔性裝配以及裝配吊裝力的測量等，同時直線單元的控制器還可以設(shè)定待裝配件的進(jìn)給速度、加速度、進(jìn)給量等運(yùn)動參數(shù)。測量系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)長細(xì)軸和孔件之間的位置關(guān)系和姿態(tài)關(guān)系。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖Fig.3 The Work Flowchart of the System

4 實(shí)驗(yàn)測試

4.1 位置對裝配接觸力的影響

位置偏差主要考慮豎直方向上的高度偏差，待裝配長細(xì)軸吊裝在直線運(yùn)動單元上，進(jìn)行位置測量實(shí)驗(yàn)時，調(diào)節(jié)鋼絲繩使其上升到預(yù)定高度，搖動升降臺的手柄，使得孔的中心線與軸的中心線在同一豎直面?；跍y量系統(tǒng)，測量出長細(xì)軸的位置和姿態(tài)，利用重心調(diào)節(jié)平臺使其處于水平姿態(tài)。考慮到柔索吊裝的水平長細(xì)軸位置不好調(diào)節(jié)，這里采用長細(xì)軸位置不動，調(diào)節(jié)孔件相對位置的方法來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將孔件高度盡量放低，進(jìn)行試裝配，當(dāng)無法裝配進(jìn)去時，逐次將孔件調(diào)高0.1mm，同時用高度尺測量，直到長細(xì)軸剛好裝配到孔中為止，定義這點(diǎn)的高度位置為軸的可裝配最高點(diǎn)，繼續(xù)增加孔件高度，依然逐次遞增0.1mm，直到孔件太高無法裝配進(jìn)去為止，定義此時的高度位置為軸的可裝配最低點(diǎn)。兩者高度差可以得到裝配高度位置可調(diào)節(jié)范圍。每次裝配過程中，同步采集柔索上的拉壓力傳感器信息并保存。

4.2 姿態(tài)對裝配力的影響

考慮到升降臺只能做上下左右移動，對俯仰姿態(tài)的調(diào)整不方便，我們將其精調(diào)到水平姿態(tài)，僅考慮長細(xì)軸的俯仰角度變化。根據(jù)位置實(shí)驗(yàn)測試，把升降臺調(diào)整到最容易裝配進(jìn)去的高度上，通過底座墊薄片的方式，將其調(diào)到水平姿態(tài)，并用框式水平儀檢測。旋轉(zhuǎn)重心調(diào)節(jié)平臺的精調(diào)旋鈕，通過絲杠傳動方式帶動配重塊左右移動，長細(xì)軸俯仰運(yùn)動。重心調(diào)節(jié)平臺結(jié)構(gòu)，如圖4所示。當(dāng)配重塊位于偏中心位置，長細(xì)軸水平，逆時針轉(zhuǎn)動精調(diào)旋鈕，配重塊左移，長細(xì)軸呈仰式，順時針轉(zhuǎn)動精調(diào)旋鈕，配重塊右移，長細(xì)軸呈俯式。本實(shí)驗(yàn)長細(xì)軸俯仰角度變化幅度較小，傳動絲杠行程足夠。當(dāng)角度規(guī)的標(biāo)定尺寸為10′時，重心調(diào)節(jié)平臺的精調(diào)旋鈕轉(zhuǎn)過180°，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)測量得出，精調(diào)旋鈕轉(zhuǎn)角與長細(xì)軸水平方向夾角近似成線性關(guān)系。為了得到更細(xì)小度數(shù)的調(diào)整，將180°平均分為 5 個刻度線 0°、45°、90°、135°、180°依次代表長細(xì)軸俯仰角 0°、2.5′、5′、7.5′、10′。每調(diào)整好一次角度，變換孔件高度，完成一組裝配，測量并記錄相應(yīng)力傳感器數(shù)值。

圖4 重心調(diào)節(jié)平臺結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The Structure of the Centroid Adjustment System

4.3 運(yùn)動學(xué)參數(shù)對裝配力的影響

本方案采用伺服電機(jī)驅(qū)動直線單元來做進(jìn)給運(yùn)動，進(jìn)給量、速度、加速度等運(yùn)動參數(shù)可以通過電機(jī)控制配套軟件來設(shè)置。根據(jù)產(chǎn)品工藝需求，裝配進(jìn)給速度應(yīng)該控制在（5～15）mm/s，將速度分別設(shè)定為5mm/s、10mm/s、15mm/s三個檔來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

5 數(shù)據(jù)處理

在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[10]時，對接高度代表軸（B件）相對于孔（A件）的高度，正值表示軸相對于孔有一個向上的位置偏差，負(fù)值代表軸相對于孔有一個向下的位置偏差。圖5中挑選九次變速度和位置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作對比，

圖5 位置和速度對拉力影響二維圖Fig.5 The 2D Figure of Tension Affected by Position and Velocity

在裝配過程中，速度一定，對接高度為正時，軸件拉力傳感器有一個向上的跳躍值，且隨著對接高度的增加，跳躍值也越來越大，直到不能裝配進(jìn)去。對接高度為負(fù)，拉力傳感器有一個向下的跳躍值，且隨對接高度的減小，跳躍值也越來越小。圖中在對接高度為+0.8mm時，進(jìn)給速度為5mm/s、10mm/s、15mm/s拉力變化值分別為+0.8kgf、+1.1kgf、+0.9kgf，可見在同一高度處，改變裝配進(jìn)給速度，拉力變化值趨于不變，但速度越大，跳躍曲線越抖。在進(jìn)行位置和姿態(tài)對裝配效果綜合影響分析時，姿態(tài)每改變一次，變換對接高度，得出一組拉力隨對接高度變化的數(shù)據(jù)，依次變換姿態(tài)角度，可得到在多種姿態(tài)下拉力隨對接高度變化的拉力數(shù)據(jù)。在進(jìn)行圖6所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時，不在使用拉力的變化曲線，而是每個位置處，在裝配前后拉力差的變化曲線。顯然，當(dāng)對接高度一定時，俯仰角變化，拉力差變化不大，對接高度為-0.2mm處，拉力差變化最大0.3kgf，對接高度+0.2mm處，拉力差變化最小0.05kgf。三維圖更直觀的再現(xiàn)了位置和姿態(tài)對拉力差的影響，如圖7所示。

圖6 位置和姿態(tài)對拉力影響二維圖Fig.6 The 2D Figure of Tension Affected by Position and Orientation

圖7 位置和姿態(tài)對拉力影響三維圖Fig.7 The 3D Figure of Tension Affected by Position and Orientation

6 結(jié)論

（1）軸件向下的可調(diào)節(jié)范圍約為1.2mm，大于其向上的可調(diào)節(jié)范圍約0.8mm。當(dāng)向下調(diào)節(jié)時吊裝力變化更大，在可裝配最低點(diǎn)處達(dá)（-2.9）kgf，遠(yuǎn)高于可裝配最高點(diǎn)的（+0.9）kgf；（2）在裝配過程中，俯仰角可調(diào)節(jié)范圍很小，在同一對接高度處，變換姿態(tài)，拉力變化最大0.3kgf，可見姿態(tài)對吊裝力影響不大，因此對接高度是影響裝配的更主要因素；（3）進(jìn)給速度對裝配吊裝力差值影響不大，但當(dāng)速度比較大時，吊裝力變化曲線更抖，因此取5mm/s為宜。

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