導(dǎo)彈艙段自動對接系統(tǒng)設(shè)計*

劉賽華，晉嚴(yán)尊，湯 輝

(中國空空導(dǎo)彈研究院，洛陽 471009)

0 引言

空空導(dǎo)彈是現(xiàn)代戰(zhàn)爭爭奪制空權(quán)的決定性裝備，其產(chǎn)能提升不僅是維護(hù)國家安全的需要，也是增強(qiáng)企業(yè)競爭力、提高經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵所在[1]。產(chǎn)能提升的一個重要途徑就是在保證裝調(diào)質(zhì)量和安全性的前提下提升生產(chǎn)線各工位的效能，實現(xiàn)關(guān)鍵工序的自動化、智能化。雷達(dá)系列空空導(dǎo)彈是由多個艙段組成，具有尺寸小、質(zhì)量大、對接面特征復(fù)雜等特點(diǎn)[2]。導(dǎo)彈艙段對接裝配作為導(dǎo)彈總裝的首要環(huán)節(jié)，其裝配質(zhì)量和效率直接影響后續(xù)工序的生產(chǎn)計劃執(zhí)行效果。

人工對接需人工觀察并手動調(diào)節(jié)托架，使各艙段的軸線方向及圓周對準(zhǔn)[3]。因各艙段重量較大、艙段間配合公差較小等因素，僅依靠人工較難快速將各艙段間的同軸度誤差和圓周方向上定位銷與定位槽的對準(zhǔn)偏差調(diào)整到要求范圍內(nèi)，對接過程繁重且效率低下。

針對人工對接過程中存在的效率低、精度和質(zhì)量難以保證等問題，國內(nèi)外企業(yè)和高校均開展了自動對接相關(guān)技術(shù)研究。中科院沈陽自動化研究所采用雙目視覺技術(shù)對艙段特征進(jìn)行檢測與識別[4]。王丙戌[5]建立了基于D-H方法的機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)模型，并采用微小位移合成法對對接機(jī)構(gòu)的誤差模型進(jìn)行描述。上述系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)彈艙段的對接，但是存在工裝設(shè)備復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)。

本文通過對某新型雷達(dá)空空導(dǎo)彈艙段對接工藝流程進(jìn)行研究，針對導(dǎo)彈艙段自動化對接過程中存在的艙段尺寸小且質(zhì)量大、對接面特征復(fù)雜等問題，將三坐標(biāo)及視覺測量技術(shù)應(yīng)用于自動化對接系統(tǒng)中，并通過6自由度平臺實現(xiàn)自動化姿態(tài)調(diào)整，具有對接效率高、設(shè)備成本低等優(yōu)勢，具有容易推廣的特點(diǎn)。

1 對接工藝流程

某新型導(dǎo)彈的艙段對接主要完成導(dǎo)引艙、飛行控制艙、過渡段和舵機(jī)艙的機(jī)械和電氣連接，如圖1所示。導(dǎo)彈各艙段間軸線方向上為軸孔間隙配合，并用楔塊和螺釘完成緊固，圓周方向上用定位銷與定位槽完成限位，如圖2所示。

圖1 導(dǎo)彈組成

圖2 艙段間周向定位銷、定位槽

對接過程中，以某一艙段作為基準(zhǔn)艙段，對相鄰艙段的軸線及圓周方向的偏差進(jìn)行測量與調(diào)整。對接工藝如圖3所示。導(dǎo)彈艙段自動對接即整個對接過程全程少人參與或不需要人工參與，包括艙段對接過程以及對接完成后的自動檢測過程，全部依賴于自動化設(shè)備。導(dǎo)彈艙段自動對接系統(tǒng)工作時，艙段位置和姿態(tài)調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)外部測量系統(tǒng)所測得的導(dǎo)彈艙段實時位置和姿態(tài)信息，對艙段的位姿進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)精準(zhǔn)對接。對接過程需要解決兩個關(guān)鍵問題：

(1)自動測量導(dǎo)彈各艙段間的位姿(同軸度)偏差，并將相鄰艙段的中心軸線調(diào)至誤差允許范圍之內(nèi)；自動測量導(dǎo)彈各艙段間圓周方向上定位銷與定位槽的對準(zhǔn)偏差，并使艙段繞中心軸線轉(zhuǎn)動，完成定位銷與定位槽對準(zhǔn)。

(2)通過控制系統(tǒng)將測量的誤差反饋到6自由度平臺進(jìn)行調(diào)整，需要對6自由度并聯(lián)平臺進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析與求解，實現(xiàn)各艙段的精準(zhǔn)對接。

圖3 自動對接工藝流程圖

2 對接系統(tǒng)總體設(shè)計

自動對接系統(tǒng)主要由3個6自由度并聯(lián)平臺(也稱Steward平臺)、1個固定平臺、工業(yè)相機(jī)(機(jī)器視覺)、三坐標(biāo)測量機(jī)(此處也稱龍門檢測裝置)組成，如圖4所示，組成框圖如圖5所示。

圖4 自動對接系統(tǒng)組成圖

圖5 自動對接系統(tǒng)組成框圖

各艙段固定在對接平臺后，通過三坐標(biāo)測量機(jī)檢測各個艙段的軸線位置，通過工業(yè)相機(jī)掃描各艙段定位銷和定位槽的空間位置，并將信息傳至控制系統(tǒng)并發(fā)出指令驅(qū)動Stewart平臺帶動各艙段做相對位置調(diào)整，最終實現(xiàn)各艙段的精確對接。

2.1 三坐標(biāo)測量機(jī)(龍門檢測裝置)

采用三坐標(biāo)測量機(jī)(龍門檢測裝置)對接系統(tǒng)的支撐平臺，同時在測量機(jī)上搭載雷尼紹OMP40超小型測頭組件和工業(yè)視覺相機(jī)，如圖6所示。

圖6 三坐標(biāo)測量機(jī)

通過三坐標(biāo)測量機(jī)的X、Y、Z軸帶動雷尼紹測頭對產(chǎn)品內(nèi)圓進(jìn)行不少于4個點(diǎn)(不同位置)的觸碰，根據(jù)4個點(diǎn)的空間位置確定出內(nèi)圓的圓心，根據(jù)兩個圓心確定該段彈體軸線的空間位置，此時6自由度并聯(lián)平臺將各段彈體按軸線位置進(jìn)行6自由度調(diào)整從而保證各個軸線水平同軸；通過Z軸帶動測頭對產(chǎn)品端面觸碰測出彈體之間間距。

三坐標(biāo)測量機(jī)通過測頭提取導(dǎo)彈端面上多個點(diǎn)的三維坐標(biāo)值(至少4個點(diǎn))以及用于艙段前后圓心計算的點(diǎn)的坐標(biāo)值(一個圓心由4個點(diǎn)擬合得到)，即一個艙段要測量12個點(diǎn)坐標(biāo)，從而計算出彈體艙段的坐標(biāo)系。

2.2 工業(yè)相機(jī)(機(jī)器視覺)

針對對接過程中定位銷和定位槽的角度偏差測量，保證旋轉(zhuǎn)艙段定位銷和定位槽位置一致，系統(tǒng)在三坐標(biāo)測量機(jī)上搭載工業(yè)相機(jī)測量系統(tǒng)。定位槽外漏于彈體外表面，通過視覺系統(tǒng)可直接識別。定位銷位于彈體內(nèi)部且容易被漆層覆蓋，影響視覺系統(tǒng)的識別效果，因此系統(tǒng)采用視覺輔助塊將定位銷的位置引出。

2.3 6自由度并聯(lián)平臺

6自由度并聯(lián)平臺主體部分為6自由度并聯(lián)機(jī)器人，又稱為Stewart平臺[6]，由上下兩個平臺、中間6個伸縮缸，以及上下各6個虎克鉸(或球鉸)組成6-6形機(jī)構(gòu)[7]。

本系統(tǒng)設(shè)計了6自由度并聯(lián)對接平臺，可對彈體軸線進(jìn)行仰俯、偏航、橫滾、X軸、Y軸、Z軸的微量調(diào)整，A軸(調(diào)整軸)對彈體進(jìn)行圓周方向調(diào)整，X軸(對接軸)進(jìn)行多個彈體的整體對接，卡環(huán)間距調(diào)整軸可對卡環(huán)進(jìn)行間距調(diào)整，以適應(yīng)多種彈型(彈體長度不同)，平臺結(jié)構(gòu)如圖7所示。上平臺與下平臺通過6個伸縮缸和虎克鉸連接。通過6個伸縮缸的共同運(yùn)動可以實現(xiàn)上平臺沿X、Y、Z的平移以及繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

圖7 6自由度并聯(lián)對接平臺

采用具有長度小、易安裝等優(yōu)點(diǎn)的折返式電動缸作為伸縮缸，如圖8所示?？梢酝ㄟ^電機(jī)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)推桿的往復(fù)運(yùn)動。

圖8 升縮缸結(jié)構(gòu)示意圖

姿態(tài)調(diào)整過程中須對對接平臺進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析。平臺運(yùn)動過程中以底座作為運(yùn)動基準(zhǔn)，調(diào)整艙段固定于上平臺，因此，需要建立上平臺與下平臺之間的相對位姿關(guān)系。本文構(gòu)建了兩個坐標(biāo)系統(tǒng)用于描述上平臺與下平臺的相對位姿關(guān)系：分別是下平臺坐標(biāo)系OXYZ和上平臺坐標(biāo)系O′X′Y′Z′，兩坐標(biāo)系位于上、下平臺的中心，如圖9所示。

圖9 對接運(yùn)動平臺結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)對接平臺的結(jié)構(gòu)關(guān)系，上平臺鉸點(diǎn)在動坐標(biāo)系O′X′Y′Z′中的坐標(biāo)向量可以表述為：

(1)

下平臺鉸點(diǎn)在靜坐標(biāo)系OXYZ中的坐標(biāo)向量表述為：

(2)

設(shè)坐標(biāo)系O′X′Y′Z′原點(diǎn)O′在坐標(biāo)系OXYZ中相對位移為q1、q2、q3，轉(zhuǎn)動姿態(tài)角為q4、q5、q6[8]。動坐標(biāo)系O′X′Y′Z′與靜坐標(biāo)系OXYZ之間可以用一個坐標(biāo)變換矩陣實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。平臺分別繞x軸、y軸、z軸旋轉(zhuǎn)角度q4、q5、q6，可分別得旋轉(zhuǎn)矩陣Rx、Ry、Rz，動坐標(biāo)系到靜坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣R如下：

(3)

式中，s表示sin(·)；c表示cos(·)。

變換矩陣R可以表述為齊次坐標(biāo)形式為：

(4)

式中，P為坐標(biāo)系O′X′Y′Z′原點(diǎn)O′在坐標(biāo)系OXYZ中的位置。

對接平臺的位置反解即是給定上平臺在空間中的位姿q，求解6個伸縮缸的位移、速度、加速度等[9]。

初始位置時的長度l0。伸縮缸長度li與上平臺及下平臺鉸點(diǎn)坐標(biāo)之間的變換關(guān)系為[10]：

(5)

由式(5)可知位移變化量Δli能夠由上、下鉸點(diǎn)之間的距離和初始長度l0來確定，即：

(6)

求得6個伸縮缸的伸縮量后將伸縮量反饋到控制系統(tǒng)即可實現(xiàn)艙段間軸線精準(zhǔn)對接。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

對接平臺共17個軸，其中包括并聯(lián)平臺，第7軸和卡環(huán)旋轉(zhuǎn)部分。采用SIMOTION D435[11]作為控制系統(tǒng)核心。

龍門檢測裝置采用828D數(shù)控系統(tǒng)三坐標(biāo)形式，共X、Y、Z三個軸，其中X軸為龍門軸。在Z軸末端安裝有雷尼紹測頭，通過OPC_UA把測試數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)軟件進(jìn)行處理。龍門檢測裝置828D與SIMOTION D435運(yùn)動控制系統(tǒng)間采用N/PN Coupler網(wǎng)絡(luò)耦合進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

上位機(jī)采用工業(yè)級研華工控機(jī)，并配置了多網(wǎng)卡，分別控制SIMOTION、828D及工業(yè)視覺相機(jī)，還預(yù)留一個網(wǎng)卡給管控系統(tǒng)使用。在上位機(jī)中安裝了對接控制軟件，該軟件集成視覺系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制、數(shù)據(jù)采集通訊處理等功能，實現(xiàn)了導(dǎo)彈位姿調(diào)整及對接，定位銷、定位槽對準(zhǔn)等功能。對接系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

4 實驗結(jié)果及分析

實驗在設(shè)計的自動化對接平臺上進(jìn)行，對接過程包括三坐標(biāo)測量機(jī)測量艙段間軸線偏差、并聯(lián)平臺調(diào)整、機(jī)器視覺測量艙段間定位銷與定位槽的對準(zhǔn)偏差、并聯(lián)平臺調(diào)整。采用3發(fā)導(dǎo)彈進(jìn)行了9次對接實驗，9次平均對接總時間為13.8 min，成功率達(dá)到100%。實驗結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，與人工對接(25 min)相比，自動對接系統(tǒng)效率提升81.1%，減少了工人數(shù)量并減輕了勞動強(qiáng)度。

表1 艙段對接實驗結(jié)果

5 結(jié)論

通過分析導(dǎo)彈艙段人工對接工藝過程的突出問題，本文研究并提出了一種面向自動化的導(dǎo)彈艙段自動對接工藝以及工程化實現(xiàn)方法?；?自由度并聯(lián)平臺調(diào)整機(jī)構(gòu)，以及三坐標(biāo)和視覺測量系統(tǒng)，設(shè)計了一套導(dǎo)彈艙段自動對接系統(tǒng)，通過多批次產(chǎn)品樣本實物的工程驗證，證明了該工藝方法和系統(tǒng)設(shè)計的正確性、高效性和可靠性。目前此研究成果已成功應(yīng)用于某導(dǎo)彈總裝自動化生產(chǎn)線，艙段對接效率提升81.1%，有效支撐了某重點(diǎn)型號交付的產(chǎn)能提升。該研究成果對于相類似的小尺寸飛行器自動化對接應(yīng)用領(lǐng)域也具有潛在的應(yīng)用推廣價值。