面向管路組件裝配的自動(dòng)化可重構(gòu)柔性工裝系統(tǒng)

樊 偉，鄭聯(lián)語，王亞輝

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191)

1 問題的提出

管路系統(tǒng)在大部分機(jī)電產(chǎn)品中都有應(yīng)用。該系統(tǒng)主要由導(dǎo)管、管接頭和一些管路附屬件組成，用于輸送各種介質(zhì)(如水、油、氣等)。在航空航天領(lǐng)域，管路系統(tǒng)是飛機(jī)或其他航天器的重要組成部分，在飛控系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、環(huán)控/生命保障系統(tǒng)中有重要的應(yīng)用，其性能直接影響飛機(jī)和航天器的運(yùn)行功能、可靠性和使用壽命。航空航天類管路類型繁多、接口復(fù)雜、產(chǎn)品整體剛度低、制造精度高，且多以單件或小批量、多樣化和定制化的生產(chǎn)形式存在，這些問題直接加大了管路的生產(chǎn)制造難度[1]。

管路的生產(chǎn)工藝流程一般包括管路設(shè)計(jì)[2-3]、導(dǎo)管數(shù)控折彎[4-6]、導(dǎo)管產(chǎn)品測量[7]、管路裝配及焊接[8]和管路整體產(chǎn)品檢測等，其總體趨勢是數(shù)字化集成制造[9-10]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對管路的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了大量研究，但對管路焊前裝配工藝的研究相對較少。傳統(tǒng)的管路裝配工藝是通過組合夾具實(shí)現(xiàn)(如圖1)，并在管路裝配過程中利用激光跟蹤儀或其他高精密測量儀器進(jìn)行輔助裝配測量。這種傳統(tǒng)的管路裝配工藝主要存在以下兩個(gè)問題：

(1)管路的整個(gè)裝配過程全靠人工實(shí)現(xiàn)，嚴(yán)重依賴操作工人的工作經(jīng)驗(yàn)，管路的裝配夾具自動(dòng)化程度較低且容易出現(xiàn)操作失誤，管路的最終裝配質(zhì)量不易控制，一致性較差。另外，航空航天類管路的幾何形狀復(fù)雜，裝配過程中管路組件的調(diào)整參數(shù)較多，而這些調(diào)整參數(shù)大多由人工計(jì)算，正確性難以保證。

(2)管路裝配組合夾具一次只能裝配兩段導(dǎo)管，不適用一次性連續(xù)多段導(dǎo)管裝配，管路的裝配效率較低。航空航天類管路的幾何特征和裝配工藝特征各異，針對不同管路需要重新調(diào)整或設(shè)計(jì)組合夾具，使得夾具的準(zhǔn)備時(shí)間較長，成本增加且通用性、重構(gòu)性較差。

可重構(gòu)自動(dòng)化工裝技術(shù)是解決上述問題比較合適的途徑。國內(nèi)外學(xué)者對可重構(gòu)自動(dòng)化工裝技術(shù)做了不少研究，其中比較典型的有：Sela等[11]針對薄壁件的裝夾需求設(shè)計(jì)了一種可重構(gòu)模塊化夾具系統(tǒng)，該夾具系統(tǒng)的模塊化支撐元件能夠在夾具體T型槽的X，Y方向上連續(xù)移動(dòng)，工件的夾緊高度可通過齒輪—齒條機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié);Molfino等[12]針對汽車或飛機(jī)大型薄壁件加工時(shí)無法自動(dòng)調(diào)整工件定位位置的問題，提出一種基于遺傳算法和有限元方法相結(jié)合的可重構(gòu)智能夾具，該夾具由一系列自定位模塊化的移動(dòng)基座及自驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)支撐機(jī)構(gòu)組成，通過改變移動(dòng)基座及并聯(lián)支撐機(jī)構(gòu)的數(shù)目、位置和形態(tài)，可在較大范圍內(nèi)滿足不同形狀工件的裝夾要求;Hu等[13]針對薄壁件銑削加工問題設(shè)計(jì)了一種可重構(gòu)工裝系統(tǒng),該工裝系統(tǒng)通過多點(diǎn)支撐對薄壁件曲面外形進(jìn)行吸附定位，保證了薄壁件的銑削加工精度;Müller等[14-15]針對飛機(jī)機(jī)身大部件裝配問題設(shè)計(jì)了一套可重構(gòu)柔性裝配工裝系統(tǒng)，解決了工裝系統(tǒng)配置時(shí)重新編程和停機(jī)延時(shí)的問題;熊瑞斌等[16]針對飛機(jī)機(jī)身大部件對接裝配問題，設(shè)計(jì)了一套可重構(gòu)自動(dòng)化工裝系統(tǒng)，該工裝系統(tǒng)的定位器能夠適應(yīng)飛機(jī)機(jī)身各零部件的空間位姿變化，在確保機(jī)身零部件位姿的前提下對機(jī)身零部件進(jìn)行可靠夾持，能夠滿足機(jī)身對接裝配和精加工的要求;李光俊等[17]研究了使用可重構(gòu)柔性組合夾具代替專用焊接夾具來實(shí)現(xiàn)飛機(jī)導(dǎo)管數(shù)字化快速制造的方法，用于提高導(dǎo)管的產(chǎn)品質(zhì)量；Helgosson等[18]設(shè)計(jì)了一種用于大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)件裝配的可重構(gòu)柔性夾具，該夾具由標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的盒式零件和梁式零件組成，通過盒式零件和梁式零件的不同配置實(shí)現(xiàn)飛機(jī)不同類型結(jié)構(gòu)件的裝夾;鄭聯(lián)語等[19]設(shè)計(jì)了一種飛機(jī)翼盒類零件的裝配可重構(gòu)夾具，該夾具主要通過盒式連接裝置和六足定位機(jī)構(gòu)之間相互配合來實(shí)現(xiàn)飛機(jī)翼盒類零件的可重構(gòu)裝夾。然而，上述研究均未提出一套完整的針對管路組件裝配的自動(dòng)化可重構(gòu)工裝技術(shù)。

基于此，本文針對航空航天類管路組件的焊前裝配問題，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)化可重構(gòu)柔性工裝系統(tǒng)。該工裝系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，面向不同管路組件的快速配置，實(shí)現(xiàn)了管路裝配過程的自動(dòng)化和智能化，提高了管路的裝配質(zhì)量和效率，同時(shí)擺脫了對人工操作經(jīng)驗(yàn)的依賴。另外，采用該工裝系統(tǒng)進(jìn)行管路裝配還可以與航空航天產(chǎn)品的總裝過程并行進(jìn)行，擺脫了管路生產(chǎn)制造過程對整體環(huán)境的依賴，縮短了管路的生產(chǎn)周期。

2 管路工裝系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本文的管路工裝系統(tǒng)由配置系統(tǒng)(配置軟件)、控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)組成，總體方案如圖2所示。配置系統(tǒng)是管路工裝系統(tǒng)的核心，主要功能包括管路模型參數(shù)讀取及修正、管路工裝系統(tǒng)配置參數(shù)計(jì)算、管路工裝模型自動(dòng)生成及干涉檢查、管路模型空間位姿優(yōu)化和管路工裝系統(tǒng)性能分析等；控制系統(tǒng)采用一個(gè)控制主站和多個(gè)控制從站的控制模式，根據(jù)管路工裝配置信息，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)其內(nèi)部控制算法很快計(jì)算出工裝機(jī)械系統(tǒng)的空間位姿調(diào)整參數(shù)并生成對應(yīng)的控制指令對機(jī)械系統(tǒng)的執(zhí)行動(dòng)作進(jìn)行控制；機(jī)械系統(tǒng)由龍門型位移臺和管接頭定位器組成，龍門型位移臺主要實(shí)現(xiàn)定位器的吊裝、定位及空間布局，定位器主要實(shí)現(xiàn)管接頭的裝夾和空間位姿調(diào)整，進(jìn)而完成管路的裝配。配置系統(tǒng)的工作過程面向設(shè)計(jì)部門，控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的工作過程面向工作現(xiàn)場，二者之間可以并行進(jìn)行，縮短了管路的裝配周期，提高了管路的裝配效率。

3 工裝機(jī)械系統(tǒng)

3.1 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

機(jī)械系統(tǒng)是管路工裝系統(tǒng)的執(zhí)行部分，相比于管路組件傳統(tǒng)裝配工藝過程，該系統(tǒng)能夠一次性連續(xù)裝夾多個(gè)管接頭，實(shí)現(xiàn)多段導(dǎo)管的裝配。如圖3所示，機(jī)械系統(tǒng)主要由龍門型位移臺、管接頭定位器、管接頭末端夾持器、工裝底座平臺組成。其中：龍門型位移臺有3個(gè)主動(dòng)自由度(x,y,z)，主要用于定位器的吊裝、定位和空間布局，其末端裝有夾持和吊裝定位器的電動(dòng)夾持器；定位器有4個(gè)主動(dòng)自由度(z,u,v,w)，其末端設(shè)計(jì)了管接頭末端夾持器安裝接口，底端裝有磁力表座，當(dāng)定位器到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，將磁力表座接通電源產(chǎn)生電磁感應(yīng)力，將定位器吸附固定在工裝底座平臺的目標(biāo)位置處；管接頭末端夾持器主要完成管接頭的定位和夾緊，由于管接頭有多種類型，如柱塞式接頭、焊接螺紋式接頭、直通、三通、四通等，為滿足管接頭裝夾的多樣性并提高管接頭裝夾的柔性，設(shè)計(jì)了多種類型的管接頭末端夾持器，使其與管接頭精密配合，以保證管接頭的裝夾精度；工裝底座平臺是機(jī)械系統(tǒng)的主要承載體，也是定位器定位和空間布局的主要定位基準(zhǔn)，其有效工作區(qū)域?yàn)? 000 mm×2 800 mm。

如圖3所示，龍門型位移臺X軸的有效行程為3 500 mm，Y軸的有效行程為2 500 mm，Z軸的有效行程為500 mm，這3個(gè)軸的定位精度能夠達(dá)到0.05 mm，末端電動(dòng)夾持器的有效負(fù)載能夠達(dá)到40 kg；定位器Z軸電動(dòng)缸的有效行程為550 mm，其定位精度能夠達(dá)到0.01 mm；U軸可實(shí)現(xiàn)180°正反向俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)，V，W軸可實(shí)現(xiàn)360°正反向旋轉(zhuǎn)，并且這3個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)定位精度均能達(dá)到0.005°。定位器Z軸與U軸和V軸之間的垂直度均能保證在0.02 mm以內(nèi)，Z軸與W軸之間的平行度能夠保證在0.05 mm以內(nèi)。通過實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證，定位器夾持管接頭的定位精度和位姿精度能夠保證在0.05 mm以內(nèi)，滿足管路裝配精度的要求。

3.2 機(jī)械系統(tǒng)的工作過程

面對不同的管路裝配任務(wù)，機(jī)械系統(tǒng)的工作流程大致分為以下6個(gè)步驟：

步驟1對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理，將龍門型位移臺和定位器移至初始位置，同時(shí)對機(jī)械系統(tǒng)的各驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行初始化，如圖4a所示。

步驟2將待裝配管路組件中的管接頭根據(jù)配置系統(tǒng)生成的配置規(guī)劃分別裝夾在相應(yīng)的定位器上，如圖4b所示。

步驟3龍門型位移臺根據(jù)配置規(guī)劃將定位器吊裝至目標(biāo)位置，然后將定位器的磁力表座接通電源產(chǎn)生電磁感應(yīng)力。將定位器吸附固定在工裝底座平臺的目標(biāo)位置處，再以同樣的方式完成所有定位器的定位、固定和空間布局，如圖4c所示。

步驟4定位器完成定位和空間布局后，控制系統(tǒng)發(fā)送控制指令至定位器，控制其將管接頭調(diào)至目標(biāo)位姿，如圖4d所示。

步驟5管接頭調(diào)至目標(biāo)位姿后，將待裝配管路組件中的導(dǎo)管和管路附屬件裝配到相應(yīng)的管接頭上，完成管路的裝配，如圖4e所示。

步驟6對裝配好的管路進(jìn)行劃線操作。管路劃線通過標(biāo)記導(dǎo)管或管接頭圓心直角坐標(biāo)系4個(gè)象限的坐標(biāo)軸線實(shí)現(xiàn)，從而確定管路組件之間的裝配關(guān)系和相對位姿關(guān)系，如圖4f所示。

3.3 機(jī)械系統(tǒng)的可重構(gòu)性

機(jī)械系統(tǒng)的定位器采用模塊化設(shè)計(jì)，定位器的定位點(diǎn)和對管接頭的位姿調(diào)整具有較強(qiáng)的連續(xù)性和柔性?；诖?，機(jī)械系統(tǒng)能根據(jù)管路的裝配要求快速配置出適應(yīng)于該管路的裝配方案，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和可重構(gòu)性。其中，機(jī)械系統(tǒng)的可重構(gòu)性表現(xiàn)在下兩個(gè)方面：

(1)對于不同的管路組件，定位器數(shù)目可根據(jù)管路組件的管接頭數(shù)目增減，從而快速配置出適應(yīng)于該管路的裝配方案，如圖5a和圖5b所示。

(2)對于同一管路組件，裝配管路組件的機(jī)械系統(tǒng)類似于并聯(lián)機(jī)械臂或協(xié)同機(jī)器人系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)通過調(diào)整定位器和管接頭末端夾持器的空間位姿，為該管路組件快速配置出不同的裝配布局方案，如圖5c和圖5d所示。

4 工裝配置系統(tǒng)

整個(gè)配置系統(tǒng)主要由管路組件數(shù)據(jù)管理模塊、工裝資源管理模塊、工裝配置模塊、工裝性能分析模塊和工裝配置信息輸出模塊組成。工裝配置模塊是整個(gè)配置系統(tǒng)的核心，主要功能包括獲取管路模型位姿參數(shù)、計(jì)算工裝配置參數(shù)、自動(dòng)生成管路—工裝系統(tǒng)裝配模型及干涉檢查和管路模型空間位姿優(yōu)化分析等，通過配置系統(tǒng)可生成管路模型對應(yīng)的管路工裝系統(tǒng)的實(shí)例模型和配置信息文檔。圖6所示為整個(gè)配置系統(tǒng)的內(nèi)部決策邏輯流程，下面對其中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

4.1 管路模型的編碼標(biāo)注及修正

(1)管路模型的編碼標(biāo)注

將管路模型導(dǎo)入配置系統(tǒng)后，配置系統(tǒng)根據(jù)命名規(guī)則對管路模型進(jìn)行編碼標(biāo)注，為配置系統(tǒng)的后續(xù)工作順利開展奠定基礎(chǔ)。本文的管路模型編碼標(biāo)注具體規(guī)則如下：

1)管接頭的編碼標(biāo)注 格式為TJ_TJTp_DTJ_NOTJ_NOA,TJ。其中：TJ表示管接頭；TJTp表示管接頭類型，如L代表角通管接頭，Z代表直通管接頭，T代表三通管接頭等；DTJ表示管接頭直徑；NOTJ表示管接頭編號；NOA,TJ表示與該管接頭相鄰的管接頭編號。例如TJ_Z_18_01_0200。

2)導(dǎo)管的編碼標(biāo)注 格式為TB_DTB_NOTB_NOA,TJ。其中：TB表示導(dǎo)管；DTB表示導(dǎo)管直徑；NOTB表示導(dǎo)管編號；NOA,TJ表示與該導(dǎo)管相連的管接頭的編號。例如TB_18_02_0203。

3)焊縫的編碼標(biāo)注 格式為WS_NOWS,TJ_NOWS,TB_NOWS。其中：WS表示焊縫；NOWS,TJ表示焊縫所在管接頭的編號；NOWS,TB表示焊縫所在導(dǎo)管的編號；NOWS表示該管路的第NOWS條焊縫。例如WS_05_04_08。

4)定位測量點(diǎn)的編碼標(biāo)注 格式為MLP_NOBL,TJ_NOMLP。其中：MLP表示定位測量點(diǎn)；NOBL,TJ表示定位測量點(diǎn)所在管接頭的編號；NOMLP表示管路第NOMLP個(gè)定位測量點(diǎn)。

(2)管路模型的修正

管路模型修正包括測量修正和焊接變形修正。測量修正主要根據(jù)三維測量原理，通過合理布置工業(yè)相機(jī)的位置和朝向構(gòu)成多目視覺測量系統(tǒng)，對待裝配的管路組件進(jìn)行測量并生成管路組件的三維重構(gòu)模型，以及包含實(shí)際幾何形狀和尺寸數(shù)據(jù)的測量文檔[9,20]。然后，將管路組件重構(gòu)模型與測量文檔輸入到工裝配置系統(tǒng)，與其理論模型按照管路組件編碼序號進(jìn)行模型匹配修正，并保存修正的管路模型。

另外，管路在焊接時(shí)存在嚴(yán)重的焊接變形現(xiàn)象，為減小焊接變形，對管路模型進(jìn)行焊接變形修正。修正前需根據(jù)管路的焊接工藝和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)建立與管路組件材料、幾何形狀和焊接工藝條件等密切相關(guān)的管路組件變形數(shù)據(jù)庫，然后從管路組件變形數(shù)據(jù)庫中提取對應(yīng)的焊接變形量，按照管路組件編碼序號對測量修正過的管路組件模型進(jìn)行匹配修正，并保存修正的管路模型。

通過測量修正和焊接變形修正，可提高管路模型的準(zhǔn)確性，使其更準(zhǔn)確地反映各管路組件之間的裝配關(guān)系，為后續(xù)工裝配置參數(shù)求解和管路模型空間位姿優(yōu)化提供準(zhǔn)確的模型支持。

4.2 工裝配置參數(shù)的求解

求解工裝配置參數(shù)的實(shí)質(zhì)為求解定位器的配置參數(shù)，一般已知管接頭的目標(biāo)位姿，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解方法便可求得定位器的配置參數(shù)(x,y,z,α,β,γ)，步驟為：首先根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解求解方法建立定位器的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)模型(如圖7)，分別在工裝底座平臺和定位器運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)模型的各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)上建立對應(yīng)的坐標(biāo)系;然后建立定位器的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解方法求解其配置參數(shù)。

圖7中：l1，l2，l3分別表示定位器運(yùn)動(dòng)學(xué)組件的長度；z表示定位器Z向電動(dòng)缸移動(dòng)關(guān)節(jié)的有效行程；α，β，γ表示定位器3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角；坐標(biāo)系O0-X0Y0Z0表示建立在工裝底座平臺上的全局坐標(biāo)系；坐標(biāo)系Oi-XiYiZi(i=1,2,3)表示建立在定位器各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)上的局部坐標(biāo)系；坐標(biāo)系O4-X4Y4Z4為定位器末端夾持器的坐標(biāo)系，其中O4是裝夾管接頭的中心位置，根據(jù)齊次坐標(biāo)位姿變換理論，將坐標(biāo)軸X4的方向設(shè)為接近裝夾管接頭的方向，坐標(biāo)軸Y4的方向設(shè)為夾持末端相對指向的方向，坐標(biāo)軸Z4的方向設(shè)為夾持末端指向的法線方向。根據(jù)全局坐標(biāo)系O0-X0Y0Z0和局部坐標(biāo)系O-XiYiZi(i=1,2,3,4)之間的相對位置關(guān)系，通過坐標(biāo)變換的方法便可求得由末端夾持器坐標(biāo)系O4-X4Y4Z4到全局坐標(biāo)系O0-X0Y0Z0的復(fù)合坐標(biāo)變換矩陣

(1)

(2)

式中：ξ=(ξx,ξy,ξz)T，ψ=(ψx,ψy,ψz)T和ζ=(ζx,ζy,ζz)T是3個(gè)相互垂直的單位矢量，為管接頭的空間姿態(tài)矢量；η=(ηx,ηy,ηz)T為管接頭的空間位置矢量。

(3)

根據(jù)定位器的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)模型和齊次坐標(biāo)變換理論可得各坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣(S表示sin，C表示cos)：

(4)

聯(lián)立方程(1)～(4)，解得

(5)

通過讀取和解析管路模型，可得管接頭的空間位姿矩陣M，根據(jù)以上步驟通過運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解求得裝夾該管接頭的定位器的配置參數(shù)為：

α=arctan(-ψx/ψy)+kπ,(k=0,±1);

β=arctan(ψzCα/ψy)+kπ,(k=0,±1);

γ=arctan(-ξz/ζz)+kπ,(k=0,±1);

x=ηx-l2Cα-l3CαCγ-l3SαSβSγ;

y=ηy-l2Sα-l3SαCγ+l3CαSβSγ；

z=ηz-l1-l3CβSγ。

(6)

因?yàn)榉慈呛瘮?shù)解不唯一，定位器在對應(yīng)工作空間中的任意位姿對應(yīng)的配置參數(shù)都會(huì)有兩組解，所以還需結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)模型對定位器的配置參數(shù)進(jìn)行分析比較，最后得出合理的配置參數(shù)。由于管接頭位姿矩陣M(即定位器末端夾持器的位姿)已知，確定定位器配置參數(shù)合理解的具體過程表述如下：

(1)配置參數(shù)α,β的確定

因?yàn)棣?，β∈[-π,π]，所以將-π/2和π/2作為分界點(diǎn)進(jìn)行分析，α，β的取值可分為以下幾種情況：

1)ψy<0：

當(dāng)ψx<0時(shí)，α∈[π/2,π]，有α=arctan(-ψx/ψy)+π;

當(dāng)ψx≥0時(shí)，α∈[-π,-π/2]，有α=arctan(-ψx/ψy)-π;

當(dāng)ψz<0時(shí)，β∈[π/2,π]，有β=arctan(ψzCα/ψy)+π;

當(dāng)ψz≥0時(shí)，β∈[-π,-π/2]，有β=arctan(ψzCα/ψy)-π。

2)ψy≥0，α，β∈[-π/2,π/2]，此時(shí)有α=arctan(-ψx/ψy)，β=arctan(ψzCα/ψy)。

(2)配置參數(shù)γ的確定

因?yàn)棣谩蔥-π,π]，所以將-π/2和π/2作為分界點(diǎn)，γ的取值可以分為以下幾種情況：

1)當(dāng)ζz<0且ξz≥0時(shí)，γ∈[-π,-π/2]，有γ=arctan(-ξz/ζz)-π;

2)當(dāng)ζz<0且ξz<0時(shí)，γ∈[π/2,π]，有γ=arctan(-ξz/ζz)+π;

3)當(dāng)ζz≥0時(shí)，γ∈[-π/2,π/2]，有γ=arctan(-ξz/ζz)。

另外，配置參數(shù)α，β，γ確定后，x，y，z也就能唯一確定。因此，通過以上過程便可得到定位器配置參數(shù)的合理解。在此配置信息基礎(chǔ)上，工裝配置系統(tǒng)可自動(dòng)生成管路—工裝系統(tǒng)的裝配模型，該模型為管路模型的空間位姿分析及干涉檢查提供了數(shù)據(jù)模型依據(jù)。

4.3 管路模型的空間位姿分析及干涉檢查

由于管路工裝系統(tǒng)的工作空間有限,且其各組件自身也具有一定的包絡(luò)體積，在管接頭裝夾時(shí)，定位器可能與相鄰的管路組件(如導(dǎo)管、管接頭及管路附屬件等)或定位器發(fā)生干涉。為減少或防止干涉現(xiàn)象，提高管路的裝配效率，需對管路模型進(jìn)行空間位姿分析及干涉檢查。

管路模型的空間位姿分析和干涉檢查歸根結(jié)底是為尋找優(yōu)化解，優(yōu)化目標(biāo)如下：

(1)工裝系統(tǒng)一次性裝配，定位器與定位器的干涉數(shù)NLC，以及與工裝系統(tǒng)發(fā)生干涉的管接頭數(shù)NTJ和導(dǎo)管數(shù)NTB最小。

(2)工裝系統(tǒng)一次性裝配，管路模型中所有管接頭的總定位誤差ΔTTJ最小。

管路模型進(jìn)行空間位姿分析和干涉檢查時(shí)，將目標(biāo)(1)作為首要判斷條件，分析當(dāng)前位姿下管路—工裝系統(tǒng)裝配模型中的NLC，NTJ和NTB；當(dāng)目標(biāo)(1)的分析結(jié)果相同時(shí)再對目標(biāo)(2)進(jìn)行判斷，目標(biāo)(2)主要以工裝系統(tǒng)裝夾管接頭產(chǎn)生的總定位誤差ΔTTJ為依據(jù)來判斷管路模型空間位姿的優(yōu)劣。

管路模型的空間位姿分析及干涉檢查的具體工作流程，如圖8所示。根據(jù)工作進(jìn)程可將其分為初始位姿分析與干涉檢查和位姿優(yōu)化分析與干涉檢查兩個(gè)階段。其中，管路模型初始位姿分析與干涉檢查的工作流程如下：

步驟1首先將管路模型輸入配置系統(tǒng)，通過讀取和解析管路模型得到其初始位姿參數(shù)。

步驟2將管路模型初始位姿參數(shù)作為目標(biāo)值，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解方法計(jì)算出管路工裝系統(tǒng)的初始配置參數(shù)。

步驟3配置系統(tǒng)根據(jù)工裝系統(tǒng)的初始配置參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)配置，并生成管路—工裝系統(tǒng)的初始裝配模型。

步驟4配置系統(tǒng)對管路—工裝系統(tǒng)初始裝配模型進(jìn)行干涉檢查，得到當(dāng)前位姿下的NLC，NTJ和NTB，然后計(jì)算當(dāng)前位姿下所有管接頭產(chǎn)生的總定位誤差ΔTTJ，最后將以上過程產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)(如NLC，NTJ，NTB和ΔTTJ)保存至預(yù)先設(shè)置的數(shù)據(jù)庫中。

根據(jù)圖8的工作流程，將管路模型在初始位姿下發(fā)生干涉的管路組件進(jìn)行隔離重組，形成一套新的管路組件模型，然后將新管路模型進(jìn)行位姿變換，得到新位姿下的管路模型。然后對新位姿下的管路模型按照管路模型初始位姿分析和干涉檢查的工作步驟進(jìn)行位姿分析和干涉檢查，當(dāng)達(dá)到截止條件(最大位姿變換次數(shù)為imax)時(shí)，結(jié)束管路模型位姿分析和干涉檢查進(jìn)程。通過比較所有的位姿分析和干涉檢查結(jié)果，得到管路模型的最優(yōu)位姿及工裝系統(tǒng)的最優(yōu)配置參數(shù)，同時(shí)將其保存為可擴(kuò)展標(biāo)記語言(eXtensible Markup Language, XML)文檔，傳輸至工裝控制系統(tǒng)。

管路模型的干涉檢查結(jié)果是其位姿分析的重要技術(shù)參考指標(biāo)。一般情況下，模型干涉可分為模型靜態(tài)干涉和模型動(dòng)態(tài)干涉兩種。模型靜態(tài)干涉指模型的空間位姿可發(fā)生與時(shí)間沒有直接耦合關(guān)系的變化;模型動(dòng)態(tài)干涉則相反，其位姿變化是與時(shí)間密切相關(guān)的?；诖耍Ｐ偷母缮鏅z查一般也分為靜態(tài)干涉檢查和動(dòng)態(tài)干涉檢查兩種?；诎鼑懈缮鏅z查算法，本文采用模型靜態(tài)干涉檢查的方法對管路—工裝系統(tǒng)的裝配模型進(jìn)行干涉檢查，下面對干涉檢查的具體工作過程進(jìn)行詳細(xì)闡述。

如圖8所示，管路—工裝系統(tǒng)裝配模型的干涉檢查分為一般性干涉檢查和干涉對干涉檢查兩個(gè)階段。一般性干涉檢查的目的是縮小干涉集，形成干涉對。在進(jìn)行一般性干涉檢查時(shí)，整個(gè)工裝系統(tǒng)首先將定位器作為一個(gè)整體部件，建立其包圍盒集LC={L1,L2,…,Lk,…,Lm}，Lk(1≤k≤m)表示定位器包圍盒；然后根據(jù)管路模型的裝配關(guān)系建立管路組件集PL={W1,W2,…,Wj,…,Wn}，Wj(1≤j≤n)表示管路組件，如管接頭、導(dǎo)管等;最后對LC和PL取交集,定性剔除PL中沒有和LC相交的管路組件，形成管路組件與定位器的干涉對。管路—工裝系統(tǒng)裝配模型干涉檢查的具體工作步驟如下：

步驟1初始化配置系統(tǒng)，根據(jù)包圍盒生成規(guī)則形成干涉集LC和PL。首先對LC內(nèi)部元素進(jìn)行干涉檢查，得到定位器的干涉數(shù)NLC。因?yàn)楣苈纺Ｐ透鹘M件之間的裝配關(guān)系是確定的，無論其空間位姿如何變化，各組件之間都不會(huì)發(fā)生干涉;所以無需對PL內(nèi)部元素進(jìn)行干涉檢查。

步驟2對?Wj∈PL(1≤j≤n)，判斷Wj與PL中的各元素是否相交，若相交，則將Wj和PL中的相交元素取出并保存成干涉對。

步驟3對干涉對(如(Wj,Ln))進(jìn)行干涉檢查。首先根據(jù)包圍盒生成規(guī)則建立定位器的零部件包圍盒集Ln={l1,l2,…,lp,…,lq}，lp表示定位器的零部件(1≤p≤q)。對?lp∈Ln，判斷l(xiāng)p是否與Wj相交，若相交則將Wj的零部件信息保存到數(shù)據(jù)庫中，否則將干涉對(Wj,Ln)從數(shù)據(jù)庫中刪除。以同樣的方法完成所有干涉對的干涉檢查。

步驟4分析干涉檢查結(jié)果。根據(jù)已保存的干涉零部件信息，計(jì)算管路模型在此空間位姿下發(fā)生干涉的管接頭數(shù)NTJ和導(dǎo)管數(shù)NTB，完成此次干涉檢查。

5 工裝控制系統(tǒng)

為滿足管路工裝控制系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)性、靈活拓?fù)湫院透咄骄_控制的要求，基于EtherCAT技術(shù)(工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線技術(shù))，將管路工裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成一主(主控站)多從(從控站)控制模式的高性能控制系統(tǒng)，總體方案如圖9所示。

該控制系統(tǒng)選用帶有MAC接口的工業(yè)PC機(jī)作為主控站，由伺服控制器和伺服電機(jī)組成的多個(gè)伺服子系統(tǒng)作為從控站。主控站周期性地通過EtherCAT總線向各從控站發(fā)送帶有控制命令的數(shù)據(jù)幀對各從控站進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對各個(gè)伺服電機(jī)的速度調(diào)節(jié)、位置控制和數(shù)據(jù)采集。在主控站和從控站通信的每個(gè)周期內(nèi)，各從控站通過插入報(bào)文的形式將有關(guān)信息反饋到主控站。除此之外，工裝控制系統(tǒng)的外圍設(shè)備還有I/O端子、耦合器、可擴(kuò)展模塊、顯示模塊、輸入/輸出設(shè)備和限位開關(guān)等。主控站、從控站和外圍設(shè)備通過EtherCAT總線構(gòu)成管路工裝控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

工裝控制系統(tǒng)采用TwinCAT軟件作為其控制軟件開發(fā)平臺。其中，TwinCAT PLC模塊是該控制軟件的核心部分，其能夠以軟件PLC的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CNC控制器和硬件PLC完成對工裝系統(tǒng)多驅(qū)動(dòng)軸的控制?？刂栖浖缮衔粰C(jī)軟件和下位機(jī)軟件組成。由于TwinCAT軟件提供了多種高級語言的數(shù)據(jù)接口，并且運(yùn)行在Windows環(huán)境下，上位機(jī)軟件可在Visual studio平臺上開發(fā)，主要功能包括界面顯示、接受配置系統(tǒng)傳輸?shù)腦ML格式的工裝配置信息數(shù)據(jù)、工裝配置信息數(shù)據(jù)處理、程序編碼譯碼、發(fā)送坐標(biāo)數(shù)據(jù)信息到下位機(jī)軟件、硬件系統(tǒng)的操作等;下位機(jī)軟件在TwinCAT PLC中開發(fā)，主要功能包括接收坐標(biāo)數(shù)據(jù)、IO邏輯控制、龍門型位移臺和定位器的驅(qū)動(dòng)軸控制、運(yùn)動(dòng)軌跡插補(bǔ)運(yùn)算、讀取編碼器反饋信息等。上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件之間通過先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(Advanced Design System，ADS)專用通訊接口進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的讀寫和交換。

另外，如果定位器采用線纜連接，則其在吊裝過程中極易發(fā)生纏繞、線纜磨損等，因此還需對定位器進(jìn)行復(fù)雜的路徑規(guī)劃。為解決該問題，將定位器的多條控制線纜設(shè)計(jì)為一條帶有插拔式航空插頭接口的直流控制電源線，在定位器吊裝到目標(biāo)位置后再通過航空插頭接通電源。對于運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃問題，因?yàn)槎ㄎ黄鞯淖鳂I(yè)環(huán)境信息已知且運(yùn)動(dòng)路徑簡單可調(diào)，所以對其采用離線全局路徑規(guī)劃方法中的最短切線路徑規(guī)劃方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃，該方法簡單快捷、易實(shí)現(xiàn)，可提高管路工裝系統(tǒng)的工作效率。在數(shù)據(jù)信號傳輸方面，在定位器的每個(gè)驅(qū)動(dòng)軸上安裝一個(gè)無線收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)和轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)對定位器多個(gè)驅(qū)動(dòng)軸的無線控制。

管路工裝控制系統(tǒng)的整個(gè)控制工作流程如圖10所示。

步驟1工裝系統(tǒng)的初始化。對工裝系統(tǒng)進(jìn)行初始化，發(fā)送控制指令使工裝系統(tǒng)的各驅(qū)動(dòng)軸返回初始位置，并將待裝配管路的管接頭裝夾到相應(yīng)的定位器上。

步驟2計(jì)算工裝系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)截止條件。主控站解析工裝配置信息文檔，自動(dòng)計(jì)算出工裝系統(tǒng)各驅(qū)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)參數(shù)(如角速度、速度及加速度等)和運(yùn)動(dòng)截止條件，然后將這些計(jì)算結(jié)果以控制指令的形式發(fā)送至各從站控制器。從站控制器經(jīng)計(jì)算以脈沖指令的形式傳輸給各驅(qū)動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)器，使其執(zhí)行動(dòng)作。

步驟3定位器的定位及空間布局。根據(jù)工裝配置規(guī)劃和控制系統(tǒng)產(chǎn)生的控制指令，龍門型位移臺將定位器吊裝至目標(biāo)位置固定，以此完成所有定位器的定位、固定和空間布局。

步驟4調(diào)整管接頭的空間位姿。根據(jù)配置規(guī)劃，控制系統(tǒng)發(fā)送控制指令驅(qū)動(dòng)定位器對管接頭進(jìn)行空間位姿調(diào)整。然后，利用激光跟蹤儀測量管接頭的關(guān)鍵位姿特征，并將測量結(jié)果傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行分析，得到管接頭的空間位姿誤差和誤差補(bǔ)償量，并將其作為控制量生成相應(yīng)的控制指令，驅(qū)動(dòng)定位器對管接頭進(jìn)行空間位姿誤差修正。

步驟5龍門型位移臺的規(guī)避處理。為避免導(dǎo)管裝配時(shí)與龍門型位移臺發(fā)生干涉，控制系統(tǒng)發(fā)送規(guī)避控制指令，將龍門型位移臺移至其初始位置。

步驟6管路焊接及工裝系統(tǒng)后處理。拆裝已劃線的管路并移至焊接處進(jìn)行焊接，同時(shí)發(fā)送控制指令將定位器移至初始位置，完成管路的焊裝操作。

6 應(yīng)用驗(yàn)證

如圖11所示，本文采用某航天器艙段的一套管路系統(tǒng)作為驗(yàn)證對象。該管路系統(tǒng)由6個(gè)管接頭和7個(gè)導(dǎo)管組成，其中管接頭有角通、直通和三通管接頭3種類型。

根據(jù)管路工裝的配置流程，首先將圖11的管路模型輸入工裝配置系統(tǒng)。配置系統(tǒng)對該管路模型進(jìn)行讀取和編碼標(biāo)注，然后根據(jù)管路組件的實(shí)際測量信息和焊接變形參考信息對管路模型進(jìn)行修正，并保存修正的管路模型組件信息。工裝配置模塊通過解析修正的管路模型自動(dòng)獲取管路模型的初始位姿參數(shù)，然后將管路模型初始位姿參數(shù)作為目標(biāo)值計(jì)算出管路工裝系統(tǒng)的初始配置參數(shù)(如表1)，并自動(dòng)生成管路—工裝系統(tǒng)的初始裝配模型(如圖12a)。接下來對管路—工裝系統(tǒng)初始裝配模型進(jìn)行干涉檢查，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管TB_18_03_0405與夾持管接頭TJ_T_18_04_020506的定位器、導(dǎo)管TB_18_05_0406與夾持管接頭TJ_T_18_06_040708的定位器發(fā)生干涉，將導(dǎo)管TB_18_03_0405,TB_18_05_0406及管接頭TJ_T_18_04_020506,TJ_T_18_06_040708進(jìn)行隔離重組形成一套新的管路模型，再按照圖8的具體工作流程對新管路模型進(jìn)行位姿分析及干涉檢查。最后得到管路工裝系統(tǒng)的最優(yōu)配置參數(shù)(如表2)，工裝配置系統(tǒng)以其為數(shù)據(jù)依據(jù),自動(dòng)生成了沒有發(fā)生干涉現(xiàn)象的管路—工裝系統(tǒng)的優(yōu)化裝配模型,如圖12b所示。

表1 管路工裝的初始配置參數(shù)

表2 管路工裝的最優(yōu)配置參數(shù)

定位器夾持的管接頭名稱空間位置/mm空間姿態(tài)(歐拉角)/(°)xyzαβγTJ_Z_18_01_02002 574.921 982.14849.32152.2026.5276.75TJ_T_18_02_0103001 659.662 113.10783.53-1.49-2.70-60.61TJ_L_18_03_06092 222.031 891.52793.50143.9905.11TJ_T_18_04_0205061 677.971 779.76688.84180.2300TJ_Z_18_05_04001 985.08523.81696.25-2.870.4095.86TJ_T_18_06_0407082 143.731 073.81706.6184.0903.92TJ_Z_18_07_06001 839.66788.10778.422.994.1336.15

管路工裝系統(tǒng)完成配置后，保存配置結(jié)果，并將工裝系統(tǒng)配置信息根據(jù)相關(guān)通訊協(xié)議以XML文檔形式傳輸給工裝控制系統(tǒng)。工裝控制系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)部控制邏輯算法解析配置信息文檔并產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令驅(qū)使工裝系統(tǒng)執(zhí)行動(dòng)作，完成管路的自動(dòng)化裝配及劃線任務(wù)，如圖13所示。

為了分析管路裝配效率的提升情況，管路工裝系統(tǒng)執(zhí)行裝配任務(wù)時(shí)，在龍門型位移臺夾持器末端和夾持管接頭(如TJ_Z_18_05_0400)的定位器夾持器末端建立用于跟蹤記錄產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)軌跡(標(biāo)記點(diǎn)隨時(shí)間變化的x,y,z坐標(biāo)值)的標(biāo)記點(diǎn)。圖14所示為夾持管接頭TJ_Z_18_05_0400的定位器夾持器末端的運(yùn)動(dòng)軌跡，其中：0～18 s，定位器進(jìn)行初始化并將管接頭裝夾在定位器上；18～30 s，龍門型位移臺完成定位器的吊裝、定位與固定；30～35 s，定位器完成管接頭的空間位姿調(diào)整。圖15所示為龍門型位移臺夾持器末端的運(yùn)動(dòng)軌跡，其中：0～18 s，龍門型位移臺處于初始狀態(tài)，此時(shí)位于初始位置；18～80 s，龍門型位移臺完成所有定位器的定位和空間布局。據(jù)統(tǒng)計(jì)，管路工裝系統(tǒng)從執(zhí)行該管路裝配任務(wù)開始至完成所有管接頭位姿調(diào)整的用時(shí)為120 s，相比傳統(tǒng)以手工方式裝調(diào)管接頭的用時(shí)大為縮短。管路完成裝配后，通過測量得到的管路裝配精度達(dá)到0.1 mm，滿足裝配精度要求。

7 結(jié)束語

管路組件傳統(tǒng)的裝配夾具采用組合夾具，整個(gè)裝配過程全靠人工完成，裝配效率低且裝配質(zhì)量不易控制。為解決此問題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套面向航空航天類管路組件裝配的自動(dòng)化可重構(gòu)柔性工裝系統(tǒng)。通過實(shí)例驗(yàn)證，該工裝系統(tǒng)能提高管路組件的裝配質(zhì)量和裝配效率。

該管路工裝系統(tǒng)由配置系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)組成。通過3個(gè)子系統(tǒng)協(xié)同配合能夠?qū)崿F(xiàn)管路工裝系統(tǒng)的可重構(gòu)性、柔性和自動(dòng)化，達(dá)到管路自動(dòng)化和高精度裝配的目標(biāo)。

本管路工裝系統(tǒng)具有良好的可重構(gòu)性，一方面體現(xiàn)在定位器采用模塊化設(shè)計(jì)，對于不同管路組件，定位器可根據(jù)管路模型中的管接頭數(shù)目進(jìn)行增減。另一方面體現(xiàn)在對同一管路組件，通過調(diào)整定位器及管接頭末端夾持器的空間位姿，能夠?yàn)樵摴苈方M件快速配置出不同的裝配布局方案。管路工裝系統(tǒng)的柔性體現(xiàn)在：對不同的管接頭，設(shè)計(jì)了多種類型的管接頭末端夾持器，通過其與管接頭的精密配合來保證管接頭的裝夾精度。管路工裝系統(tǒng)的自動(dòng)化體現(xiàn)在：從管路模型輸入到配置系統(tǒng)至所有定位器完成定位與空間布局，整個(gè)過程大部分靠自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)，人工干預(yù)度很小。因此，該過程也體現(xiàn)了本文工裝系統(tǒng)具有一定的智能性。

值得指出的是，從整個(gè)焊裝流程看，該工裝系統(tǒng)還不能實(shí)現(xiàn)管路焊裝一體化，只能進(jìn)行管路組件的焊前裝配劃線任務(wù)。因此，管路焊裝的一體化將是未來研究的關(guān)鍵技術(shù)和重點(diǎn)工作內(nèi)容之一；從應(yīng)用對象看，該管路工裝系統(tǒng)具有良好的適用性，不僅適用于航空航天類管路組件裝配，還適用于船舶、車輛等相關(guān)領(lǐng)域管路組件的裝配，將本工裝系統(tǒng)無縫地應(yīng)用到不同行業(yè)管路組件的裝配中，也是即將開展的研究工作。