機器人系統(tǒng)在立式混合機清理中的設(shè)計

辛 鋒 曹 妮 蒙 波 姜萬生 姚卓晨 霍志杰 魏文飛

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機器人系統(tǒng)在立式混合機清理中的設(shè)計

辛 鋒1曹 妮2蒙 波1姜萬生2姚卓晨1霍志杰2魏文飛1

（1. 西安航天化學動力有限公司，西安 719000；2.西北工業(yè)大學機電學院，西安 719000）

針對固體火箭推進劑混合工序中的混合機槳葉清理作業(yè)，提出采用機器人系統(tǒng)代替人工完成槳葉表面附著物的清理。參照人工清理流程，完成了機器人系統(tǒng)清理流程設(shè)計；采用單目相機與激光測距傳感器共同組成了槳葉位姿檢測模塊，設(shè)計了專用機器人末端執(zhí)行器及移動平臺，建立了一套基于PC的控制系統(tǒng)，最后，提出采用基于DELMIA的離線編程方式進行機器人路徑編程。該機器人系統(tǒng)可提高槳葉清理效率，實現(xiàn)槳葉的自動化清理，將工人從高危工作環(huán)境中解放出來。

機器人；槳葉清理；單目視覺；末端執(zhí)行器設(shè)計；PC控制系統(tǒng)

1 引言

目前，國內(nèi)外固體火箭推進劑制造廠普遍采用立式混合機批次混合生產(chǎn)工藝[1]。在推進劑批次混合過程中，部分組分會附著于立式混合機槳葉之上，無法充分參與混合，影響成品推進劑性能。因此，混合過程中要暫?；旌瞎ば颍瑢~表面附著物清理至混合鍋內(nèi)，其清理效率直接影響固體推進劑生產(chǎn)效率。

當前立式混合機槳葉清理作業(yè)普遍由人工手動完成。清理時需要工人從遠程控制室進入暫?；旌系能囬g內(nèi)，作業(yè)準備時間長，工作環(huán)境高危，槳葉清理時間占據(jù)混合工序總時長30%，清理效率低下。為了提高清理效率，將工人從高危環(huán)境中解放出來，迫切需要找到一種新的可自動化完成立式混合機槳葉清理的方法。

近年來，制造工業(yè)自動化進程勢不可擋，工業(yè)機器人已廣泛應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域，以推動國防制造業(yè)的自動化。針對不同作業(yè)任務(wù)需求，為機器人配以不同的末端執(zhí)行器、測量等子系統(tǒng)，可以使其在合理規(guī)劃下，代替人工完成各項復(fù)雜操作，如采用機器人完成飛機蒙皮制孔、焊接、發(fā)動機葉片磨削、衛(wèi)星部件裝配以及輔助上下料等作業(yè)[2～8]。提出采用工業(yè)機器人完成立式混合機槳葉清理作業(yè)，提高清理效率，降低工人勞動強度，實現(xiàn)槳葉的自動化清理，同時設(shè)計了機器人槳葉清理系統(tǒng)的組成模塊及工藝流程，分別設(shè)計實現(xiàn)了各組成模塊。

2 系統(tǒng)組成模塊及工藝流程

2.1 系統(tǒng)組成

立式混合機槳葉機器人清理系統(tǒng)主要用以實現(xiàn)混合暫停間隙中立式混合機槳葉表面附著物的自動清理?；谝陨蠘~機器人清理任務(wù)需求，將系統(tǒng)分為槳葉位姿檢測模塊、機器人模塊、控制模塊及離線編程與仿真模塊，系統(tǒng)組成圖見圖1，系統(tǒng)三維圖見圖2。

圖1 系統(tǒng)組成圖

圖2 系統(tǒng)三維圖

其中，槳葉位姿檢測模塊由相機、配套光源及激光測距傳感器組成，安裝于機器人末端，完成立式混合機槳葉空間位姿檢測；機器人模塊由移動平臺、機器人本體及末端執(zhí)行器組成，移動平臺實現(xiàn)機器人在不同工位間的轉(zhuǎn)換，末端執(zhí)行器安裝于機器人末端法蘭，在機器人的帶動下，完成槳葉不同部位的清理；控制模塊由中央控制器、機器人控制器及相關(guān)傳感器、氣缸等元件組成，實現(xiàn)立式混合機槳葉機器人清理系統(tǒng)的控制功能；離線編程與仿真模塊由機器人軌跡規(guī)劃相關(guān)算法與仿真軟件組成，完成機器人離線編程工作，仿真、干涉及碰撞檢查機器人清理作業(yè)過程。

2.2 工藝流程

混合機槳葉及混合鍋示意圖見圖3，清理時要求將槳葉肩部殘余粉料和空心槳葉平臺及槳葉弧面表面上的附著物清理至混合鍋內(nèi)。參照原有人工清理混合機槳葉的工藝流程，設(shè)計了機器人系統(tǒng)的槳葉清理作業(yè)工藝流程。

混合作業(yè)開始前所有設(shè)備自檢，自檢無誤后，推進劑混合工序開始；一段時間后，混合暫停，混合鍋未下落前通過粉料專用清理裝置將槳葉肩部粉料吹入混合鍋內(nèi)；混合鍋下落，機器人移至工作零位，末端位姿檢測模塊檢測槳葉位姿，將檢測結(jié)果傳輸至中央控制器；中央控制器判斷該槳葉位姿是否適合空心槳葉平臺清理，若不適合，控制機器人完成槳葉弧面清理；工人遠程點動混合機，槳葉轉(zhuǎn)動一定角度后，重新檢測及清理槳葉位姿，直至槳葉表面附著物全部清理完成，具體流程見圖4。

3 槳葉位姿檢測模塊設(shè)計

機器人清理槳葉前，要求得到確切的槳葉位姿，后續(xù)才能規(guī)劃路徑?；旌蠙C槳葉轉(zhuǎn)動時無位置反饋，混合工序暫停后，槳葉在空間中的停止位姿隨機且未知，需要檢測得到。

現(xiàn)有位姿檢測方法主要包括單目視覺、雙目視覺及多目視覺[9～13]，考慮到機器人工作空間有限、槳葉外形復(fù)雜及三維重建困難等因素，選擇單目視覺檢測槳葉空間位姿。

選用康耐視單目相機、OPT光源及西克激光測距儀組成槳葉位姿檢測模塊，安裝于機器人末端執(zhí)行器，并對其隔爆處理。位姿檢測系統(tǒng)工作前，分別標定相機內(nèi)外參數(shù)、激光測距儀位置[14～16]。位姿檢測系統(tǒng)工作時，首先采集槳葉自轉(zhuǎn)軸圖像并將其傳至中央控制器，中央控制器調(diào)用圖像處理算法提取圖像中槳葉自轉(zhuǎn)軸邊緣像素坐標；接著結(jié)合激光測距儀的數(shù)值，調(diào)用槳葉位置求解算法解出槳葉自轉(zhuǎn)軸軸線在空間中的位置；然后依據(jù)此位置，將機器人移動至槳葉周邊，采集槳葉肩部圖像，中央控制器調(diào)用圖像匹配算法及槳葉姿態(tài)求解算法，解得當前槳葉自轉(zhuǎn)角度；至此，槳葉位姿檢測完成。

4 機器人模塊設(shè)計

綜合分析機器人最大可達距離及機器人末端負載，選用KUKA KR60機器人，分別設(shè)計機器人移動平臺及機器人末端執(zhí)行器。

4.1 機器人移動平臺設(shè)計

為了完成機器人的工位轉(zhuǎn)換及鎖緊定位，設(shè)計了機器人移動平臺，如圖5所示。選用CAMOZZI氣缸驅(qū)動移動平臺移動，機械結(jié)構(gòu)簡單，成本較低且易滿足防爆需求；通過THK導(dǎo)軌滑塊完成機器人平臺的移動；在機器人底座安裝座上設(shè)置兩個定位銷及兩個CAMOZZI氣缸，移動平臺到達工作零位或安全零位后，定位銷在氣缸的驅(qū)動下插入銷孔，完成定位鎖緊，定位精度達0.1mm；此外，采取移動平臺軌道前端設(shè)置機械緩沖裝置以及安裝移動平臺防護罩等防爆措施。

圖5 機器人移動平臺示意圖

4.2 機器人末端執(zhí)行器設(shè)計

機器人末端執(zhí)行器為清理作業(yè)的直接執(zhí)行機構(gòu)。參考人工清理工藝，選用接觸式清理方式，設(shè)計了具備槳葉位姿檢測、接觸力反饋和槳葉清理于一體的全功能清理末端執(zhí)行器，由清理鏟刀、柔性夾具和槳葉位姿檢測系統(tǒng)及力傳感器共同組成，如圖6所示。

圖6 機器人末端執(zhí)行器示意圖

接觸式清理過程中，槳葉表面附著物主要依靠清理鏟刀頭部清理。待清理的槳葉表面主要包括復(fù)雜曲面（凹面、凸面）和平面，空心槳葉平臺及槳葉凹面附著物較多。針對以上情況，設(shè)計鏟刀頭部為微凸形狀，令其主要完成空心槳葉平臺和槳葉凹面的附著物清理，同時兼顧槳葉凸面清理；在清理鏟刀端部安裝位置設(shè)置氣體彈簧，形成柔性夾具，保證鏟刀與槳葉表面接觸時有軸向的伸縮空間；此外，安裝六維力傳感器，檢測末端的接觸力，通過力傳感器的反饋，中央控制器可調(diào)整機器人末端執(zhí)行器位姿。

5 控制模塊設(shè)計

圖7 控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

為了保證機器人槳葉清理系統(tǒng)各模塊協(xié)調(diào)工作，檢測、移動及清理等流程有序進行，選用倍福工業(yè)控制系統(tǒng)完成基于PC的系統(tǒng)集成控制，其可分為三層，即中央控制層、現(xiàn)場控制層以及現(xiàn)場執(zhí)行層?？刂葡到y(tǒng)以倍福工業(yè)控制計算機為核心，采用EtherCAT和Profibus現(xiàn)場總線控制方式，并通過TwinCAT3控制軟件完成工業(yè)現(xiàn)場的實時控制，控制系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖7所示。

中央控制層選用倍福C6930-0050標準工控機作為中央控制器，選用一系列EtherCAT端子模塊完成系統(tǒng)中傳感器數(shù)字量和模擬量信號的采集以及電源信號的控制；Profibus主站端子模塊EL6731與工控機通過EtherCAT連接，負責與機器人通訊；數(shù)字量輸入端子模塊EL1018采集多維力傳感器信號，端子模塊EL6001采集相機圖像信息，模擬量輸入端子模塊EL3174采集激光測距傳感器信號，數(shù)字量輸入輸出端子模塊EL2008完成光源、報警燈、限位開關(guān)及急停按鈕的控制，Profibus主站端子模塊EL6731通過控制電磁閥完成對移動平臺氣缸的控制。TwissnCAT3控制軟件在Windows系統(tǒng)中運行，可在控制面板上運行該軟件，遠程控制工業(yè)現(xiàn)場。此外，工人可通過遠程人機界面監(jiān)控機器人清理過程及執(zhí)行相應(yīng)操作。

6 離線編程與仿真模塊設(shè)計

傳統(tǒng)的示教編程繁瑣、效率低，示教精度完全靠示教者的經(jīng)驗?zāi)繙y決定，適用于簡單機器人任務(wù)[15]，對于本文中提到的復(fù)雜槳葉清理任務(wù)并不適用。提出采用基于DELMIA仿真軟件的機器人離線編程方式，可通過軟件仿真驗證離線程序的可靠性。

首先將混合車間三維模型導(dǎo)入DELMIA軟件中，選擇機器人型號，建立機器人清理模型；分別在槳葉平面、凹面及凸面上生成路徑點，規(guī)劃機器人在三種槳葉表面上的清理路徑并仿真，如圖8～圖10所示，三維空間碰撞、干涉檢查；依據(jù)仿真結(jié)果修正機器人路徑，最終生成機器人槳葉清理離線程序。

圖8 槳葉平面清理仿真

圖9 槳葉凸面清理仿真

圖10 槳葉凹面清理仿真

7 結(jié)束語

本文設(shè)計的機器人槳葉清理系統(tǒng)充分利用了機器人、機器視覺及離線編程等先進技術(shù)，代替了立式混合機槳葉人工清理方式，將人從惡劣工作環(huán)境中解放出來，提高了清理效率，對高危環(huán)境中復(fù)雜任務(wù)的自動化改造有一定參考意義，對航天核心制造能力的提升也有一定的工程應(yīng)用價值。

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Design of Robotic System in Cleaning Vertical Mixer

Xin Feng1Cao Ni2Meng Bo1Jiang Wansheng2Yao Zhuochen1Huo Zhijie2Wei Wenfei1

(1. Xi’an Aerospace Chemical Propulsion Co., Ltd., Xi’an 719000； 2. School of Mechanical Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 719000)

To complete thecleaning operation of the vertical mixer blade in the mixing operation of solid rocket propellants, a robotic system is proposed to substitute the labor to complete this operation in this paper. Referring to the manual cleaning procedure, the cleaning procedure of the robotic system is designed; and the monocular-laser system is utilized to detect the position and attitude of the mixer blade; then, the end-effector and the mobile platform of the robot is designed, and the PC-based control system is established; finally, the offline programming method based on DELMIA for robot trajectory planning is proposed. The robotic system can contribute to improving the production efficiency of the cleaning operation and the use of efficient cleaning robots can liberate the workers previously deputed to this operation from high-risk environments.

robot；blades cleaning；monocular vision；obot end-effector design；PC-based control system

裝備發(fā)展部預(yù)研管理中心項目41423041501。

辛鋒（1979），高級工程師，機械制造及其自動化專業(yè)；研究方向：固體火箭發(fā)動機裝藥工藝及裝備技術(shù)。

2019-03-11