衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板智能投影輔助裝配系統(tǒng)研制與應(yīng)用

徐 磊，劉金山，孫宏宇，林曉青，王黎黎，周占偉

北京衛(wèi)星制造廠有限公司,北京 100090

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)后，世界各國(guó)的航天活動(dòng)呈現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的新態(tài)勢(shì)，空間已成為人類在新世紀(jì)積極開(kāi)發(fā)與探索的重要領(lǐng)域.習(xí)近平總書(shū)記在首個(gè)“中國(guó)航天日”講話時(shí)講到，“探索浩瀚宇宙，發(fā)展航天事業(yè)，建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)，是我們不懈追求的航天夢(mèng)”.航天產(chǎn)品制造具有技術(shù)密集度高、產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)范圍廣、輻射帶動(dòng)效應(yīng)大等顯著特點(diǎn)，處于裝備制造業(yè)高端地位，是國(guó)家工業(yè)基礎(chǔ)、科技水平、綜合國(guó)力、國(guó)防實(shí)力的重要標(biāo)志和綜合體現(xiàn)，是帶動(dòng)國(guó)家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)提升，實(shí)現(xiàn)“制造大國(guó)”向“制造強(qiáng)國(guó)”轉(zhuǎn)變的重要載體.航天制造業(yè)應(yīng)該在新的歷史時(shí)期內(nèi)，率先開(kāi)展智能制造技術(shù)的研究與應(yīng)用，形成在關(guān)鍵工序、關(guān)鍵崗位的智能制造技術(shù)示范，帶動(dòng)我國(guó)整體智能制造技術(shù)的發(fā)展.

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板作為各類衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的主要組成部分，具有較高的強(qiáng)度質(zhì)量比，較優(yōu)的剛度質(zhì)量比，在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中起著結(jié)構(gòu)連接、設(shè)備安裝、提供支撐、承受和傳遞載荷、保持剛度等作用.蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板中包含大量的埋件，用以設(shè)備、管路、電纜和直屬件的安裝，埋件尺寸精度以及埋件安裝的正確性對(duì)于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)板的精度及使用要求具有關(guān)鍵作用.

為滿足衛(wèi)星結(jié)構(gòu)連接、設(shè)備安裝等需求，平均每塊蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板中包含500余件埋件，每年埋件的總裝配量達(dá)到百萬(wàn)級(jí)，數(shù)量龐大.但是，目前在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板裝配過(guò)程中埋件裝在哪、裝什么類型的埋件、埋件裝配的極性和方向等均需要依靠人工在圖紙或三維模型上一一識(shí)別，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)板埋件裝配生產(chǎn)效率不理想、操作難度較大、埋件錯(cuò)裝、漏裝、裝反等質(zhì)量問(wèn)題難以杜絕.

隨著我國(guó)衛(wèi)星型號(hào)任務(wù)的不斷增長(zhǎng)、衛(wèi)星產(chǎn)品復(fù)雜度的不斷提升、以及衛(wèi)星研制多品種變批量混線生產(chǎn)的特點(diǎn)越發(fā)突出，上述問(wèn)題已經(jīng)成為了影響衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板裝配效率進(jìn)一步提升的瓶頸之一，已無(wú)法適應(yīng)未來(lái)持續(xù)增長(zhǎng)的任務(wù)量，更加難以實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的精細(xì)化管控.鑒于此，本文提出一種衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板智能投影輔助裝配系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板裝配過(guò)程中埋件位置、規(guī)格等相關(guān)信息在工件表面的直接投影顯示，以直觀的方式指導(dǎo)操作者進(jìn)行各類埋件的裝配工作，從而提高生產(chǎn)效率、質(zhì)量穩(wěn)定性，滿足日益增長(zhǎng)的航天任務(wù)需求.

1 結(jié)構(gòu)板智能投影輔助裝配系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板智能投影輔助裝配系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)由工作臺(tái)、工裝板、定位器、相機(jī)、投影機(jī)及計(jì)算機(jī)組成.系統(tǒng)通過(guò)利用高亮度投影儀，依據(jù)工裝板實(shí)際位置及對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)圖，在上膠后的結(jié)構(gòu)板表面直接投影安裝內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)智能投影輔助裝配功能.工作臺(tái)是工人的基本操作空間，同時(shí)也為工裝板提供支撐.工裝板是工人進(jìn)行裝配的基本單元，裝配孔粘貼于工裝板上后，再與蜂窩進(jìn)行裝配.安裝板上的定位器預(yù)先安裝在工裝板特定位置上，用于根據(jù)工人操作接收投影機(jī)投射的標(biāo)定圖案，匯總信息后，為相機(jī)及工裝板的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校正.投影機(jī)安裝于可移動(dòng)支架上，是系統(tǒng)的核心顯示模塊，主要包括投影標(biāo)定圖案及投影輔助圖像.計(jì)算機(jī)為系統(tǒng)的核心處理模塊，為投影機(jī)提供顯示內(nèi)容，同時(shí)在標(biāo)定時(shí)，將定位信息進(jìn)行計(jì)算，并將平面的信息應(yīng)用在顯示內(nèi)容上.

圖1 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板智能投影輔助裝配系統(tǒng)運(yùn)行原理Fig.1 Operating principle of smart projection aided assembly system for satellite structural plate manufacturing

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板智能投影輔助裝配系統(tǒng)的基本運(yùn)行流程，首先要對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，獲得投影儀和相機(jī)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系；然后使用相機(jī)定位跟蹤并采集結(jié)構(gòu)板圖像以及ProE模型圖像，經(jīng)過(guò)特征點(diǎn)匹配，得到相機(jī)坐標(biāo)系和結(jié)構(gòu)板坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系.然后通過(guò)矩陣運(yùn)算，得到投影儀和結(jié)構(gòu)板坐標(biāo)系之間的關(guān)系，對(duì)投影要投出的模型完整特征進(jìn)行調(diào)整，使之能夠與結(jié)構(gòu)板高精度重合.最終將投影圖像投影至結(jié)構(gòu)板表面，指導(dǎo)工人進(jìn)行裝配.其中，投影圖像上對(duì)埋件的安裝位置有特殊標(biāo)注，從而輔助操作者進(jìn)行該類型埋件的安裝.

圖2.智能投影輔助裝配系統(tǒng)運(yùn)行流程Fig.2 Operation process of smart projection aided assembly system

2 結(jié)構(gòu)板智能投影輔助裝配系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定

相機(jī)采集圖像的過(guò)程是由三維空間到二維空間的映射.相機(jī)針孔模型中，成像空間中的所有點(diǎn)均通過(guò)相機(jī)光心投射到相機(jī)成像平面上.

根據(jù)針孔模型成像原理圖，以相機(jī)光心為原點(diǎn)建立相機(jī)坐標(biāo)系

(1)

其中，XW，YW，ZW為空間中景物點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，xc，yc，zc為對(duì)應(yīng)成像點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，zc為相機(jī)焦距.則有

(2)

其中s為一個(gè)標(biāo)量系數(shù)，K為相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣

(3)

kx,ky分別為相機(jī)坐標(biāo)系x軸方向、y軸方向的放大系數(shù).

相機(jī)與投影儀之間存在內(nèi)參外參矩陣以及畸變系數(shù)有待標(biāo)定.同樣為獲得更精確的三維重建點(diǎn)云，要求有盡量高的標(biāo)定精度，相較于其他標(biāo)定方法，傳統(tǒng)標(biāo)定法能夠獲得更高的標(biāo)定精度.相機(jī)傳統(tǒng)標(biāo)定方法中以張正友標(biāo)定法為代表，其一般采用間距相等的棋盤(pán)格標(biāo)定板，通過(guò)放置相機(jī)視野中多個(gè)不同位置，利用圖像處理識(shí)別棋盤(pán)格角點(diǎn)，形成多個(gè)不同平面網(wǎng)格，以此進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定.

如圖3所示，通過(guò)分別建立相機(jī)成像平面與標(biāo)定板三維平面、投影圖案平面與標(biāo)定板三維平面之間的坐標(biāo)匹配關(guān)系，進(jìn)一步求解獲得2者間的單應(yīng)性矩陣，通過(guò)多個(gè)單應(yīng)矩陣即可求得相機(jī)與投影儀的內(nèi)參矩陣與畸變系數(shù)，以及2者間的外參矩陣.

圖3 相機(jī)投影儀標(biāo)定板間坐標(biāo)匹配關(guān)系Fig.3 Coordinate matching relationship between camera projector calibration plates

首先建立相機(jī)圖像二維點(diǎn)(u,v)到棋盤(pán)格世界坐標(biāo)(Xw,Yw,Zw)的關(guān)系，如下式所示，其中sk為尺度因子，Kc為相機(jī)的內(nèi)參矩陣，cRw,cTw分別為棋盤(pán)格世界坐標(biāo)系OwXwYwZw到相機(jī)三維坐標(biāo)系OcXcYcZc的旋轉(zhuǎn)矩陣與平移向量.

(4)

以棋盤(pán)格平面為XwOwYw面建立世界坐標(biāo)系，故所有角點(diǎn)的Z軸方向值均有Zw=0，取cRw=[r1,r2,r3]，則r3分量可以略去化簡(jiǎn)得到如下關(guān)系式：

(5)

對(duì)應(yīng)即可構(gòu)造圖像二維坐標(biāo)系到棋盤(pán)格世界坐標(biāo)系之間的單應(yīng)性矩陣

H=sk-1Kc[r1r2cTw]

(6)

(7)

由于內(nèi)參矩陣至多有5 個(gè)未知參數(shù)，由上式提供2個(gè)約束方程，故通過(guò)標(biāo)定板3次不同位置放置，即可實(shí)現(xiàn)內(nèi)參矩陣的求解，也可通過(guò)更多位置的內(nèi)參約束通過(guò)最小二乘法求解最優(yōu)內(nèi)參矩陣，進(jìn)一步即可求解外參矩陣.而對(duì)于相機(jī)的畸變模型，則通過(guò)構(gòu)造畸變前后坐標(biāo)關(guān)系矩陣，利用最大似然估計(jì)進(jìn)行約束，通過(guò)多次迭代，即可求解并優(yōu)化畸變系數(shù).

除相機(jī)外，由于投影儀與相機(jī)的模型不完全相同，因此結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量系統(tǒng)中一般實(shí)際采用圓點(diǎn)標(biāo)定板.通過(guò)對(duì)相機(jī)采集圖像進(jìn)行處理，確定相應(yīng)圓心，以此達(dá)到與棋盤(pán)格標(biāo)定板相同的效果.同時(shí)利用相移編碼法，通過(guò)投影儀投射編碼結(jié)構(gòu)光，確定圓心對(duì)應(yīng)在投影圖像的像素坐標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)投影儀與相機(jī)的同步標(biāo)定，在分別獲得相機(jī)與投影儀相對(duì)標(biāo)定板的外參矩陣后，即可確定投影儀與相機(jī)之間的外參矩陣，完成標(biāo)定過(guò)程.

投影儀的標(biāo)定需要借助相移法編碼實(shí)現(xiàn)，但投影儀存在非線性失真會(huì)導(dǎo)致相移法解碼誤差較大.投影儀投射圖像強(qiáng)度分布在0 到255 之間，由于加工工藝、環(huán)境噪聲等問(wèn)題，投影強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)的反射強(qiáng)度無(wú)法保證線性.如圖3所示為失真前后的余弦函數(shù)，橫縱坐標(biāo)分別代表函數(shù)的自變量與因變量，y代表余弦函數(shù)的周期，f(y)代表失真作用影響，其中圖4(a) 為兩周期的正常余弦函數(shù)圖案，圖4(b)為經(jīng)過(guò)非線性失真后的兩周期的余弦函數(shù)圖案，其余弦強(qiáng)度偏離真實(shí)值，導(dǎo)致余弦函數(shù)對(duì)應(yīng)的相位值存在失真.而對(duì)于時(shí)間相移編碼法結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量，由于解碼相位依賴于像素點(diǎn)的圖像強(qiáng)度，投影的非線性將直接影響解碼精度，因此需對(duì)投影儀的非線性進(jìn)行校正.

圖4 投影儀非線性失真影響Fig.4 Nonlinear distortion effect of projector

投影儀非線性校正的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)投影強(qiáng)度與相機(jī)采集強(qiáng)度成線性關(guān)系，一般通過(guò)建立采集強(qiáng)度和投影強(qiáng)度之間關(guān)系，通過(guò)函數(shù)擬合與校正，采用預(yù)編碼的方式對(duì)原始投影圖案編碼生成實(shí)際投影圖案，以此保證解碼相位的高精度.

在投影儀前放置一塊均勻白板，分別投影強(qiáng)度值全為[0,255]的編碼圖案，通過(guò)相機(jī)采集對(duì)應(yīng)256 張圖案，然后建立編碼圖案強(qiáng)度與實(shí)際采集強(qiáng)度之間關(guān)系，如圖5所示，橫縱軸分別為投影圖案強(qiáng)度與相機(jī)采集圖像強(qiáng)度.考慮到環(huán)境光與過(guò)曝的影響，選取投影強(qiáng)度范圍在[0,210]之間進(jìn)行函數(shù)擬合，投影圖案強(qiáng)度Ip與采集圖像強(qiáng)度Ic關(guān)系如下式所示.由此可見(jiàn)，投影強(qiáng)度和實(shí)際采集強(qiáng)度并未完全保持線性.

圖5 投影強(qiáng)度與采集強(qiáng)度關(guān)系Fig.5 Relationship between projection intensity and acquisition intensity

(8)

(9)

其中，TI代表投影圖案編碼周期，i為編碼圖案橫坐標(biāo)，由于線性變換不影響單點(diǎn)的相位值，故預(yù)編碼圖案強(qiáng)度可對(duì)應(yīng)生成

(10)

便利起見(jiàn)，取其中系數(shù)kI=1,bI=0，則獲得預(yù)編碼圖案強(qiáng)度表達(dá)式如下，對(duì)應(yīng)生成3個(gè)周期的2者強(qiáng)度分布圖像，如圖6所示.

(11)

圖6 原始投影強(qiáng)度與預(yù)編碼強(qiáng)度分布Fig.6 Original projection intensity and precoding intensity distribution

綜上，通過(guò)預(yù)編碼圖案即可建立原始投影圖案與相機(jī)采集圖案強(qiáng)度之間的線性關(guān)系，在[30,210]強(qiáng)度范圍內(nèi)，其測(cè)量效果如圖7所示，投影強(qiáng)度與相機(jī)采集強(qiáng)度基本保持線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了投影儀的非線性校正.

圖7 修正后原始投影強(qiáng)度與采集強(qiáng)度關(guān)系Fig.7 Relationship between original projection intensity and precoding intensity after correction

2.2 基于結(jié)構(gòu)板三維模型的投影圖像獲取

完成系統(tǒng)的標(biāo)定過(guò)程以后，使用相機(jī)采集結(jié)構(gòu)板的圖像并使用截圖軟件截取ProE模型的圖像.在進(jìn)行圖像采集之前，需要對(duì)結(jié)構(gòu)板和模型進(jìn)行處理.其中，結(jié)構(gòu)板需要粘貼4個(gè)同心圓標(biāo)志點(diǎn)，如圖8所示，4個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的粘貼要求是不能對(duì)稱，以使建立坐標(biāo)系時(shí)確定坐標(biāo)系的方向.使用相機(jī)進(jìn)行采集時(shí)為使采集的圖像有足夠的亮度，使用投影儀投影一張全白的圖像.

圖8 同心圓標(biāo)識(shí)點(diǎn)Fig.8 Concentric circle identification points

獲取工藝和設(shè)計(jì)的三維模型和三維工藝，將三維工藝的工序和三維模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并且根據(jù)三維工藝生成可執(zhí)行的工序列表，在投影系統(tǒng)中根據(jù)三維列表和三維模型，按照零件的規(guī)格等分類生成三維投影圖像，進(jìn)而生成可投影文件，在實(shí)際生產(chǎn)中直接調(diào)用該文件進(jìn)行投影.

使用ProE二次開(kāi)發(fā)的插件，將模型正視以后，截取ProE模型的圖像.該圖像會(huì)自動(dòng)保存到指定路徑供后續(xù)進(jìn)行圖像處理使用.對(duì)于模型的要求是模型上也要有易于識(shí)別的標(biāo)志點(diǎn).為方便起見(jiàn)，可將模型的上的標(biāo)志點(diǎn)同樣設(shè)計(jì)為同心圓形狀，分布于結(jié)構(gòu)板上的標(biāo)志點(diǎn)完全相同.其中，需要進(jìn)行特別標(biāo)識(shí)的ROI區(qū)域也要使用特別的顏色進(jìn)行區(qū)分.

圖9 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板三維模型Fig.9 Three-dimensional model of satellite structural plate

2.3 相機(jī)坐標(biāo)系和結(jié)構(gòu)板坐標(biāo)系映射

完成系統(tǒng)的標(biāo)定以及結(jié)構(gòu)板投影圖像獲取后，需要進(jìn)行圖像處理得到標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)并進(jìn)行配準(zhǔn)，得到相機(jī)坐標(biāo)系和結(jié)構(gòu)板坐標(biāo)系之間的關(guān)系.

識(shí)別標(biāo)志點(diǎn)的第一步是進(jìn)行標(biāo)識(shí)點(diǎn)檢測(cè).在眾多的基于 HOUGH 變換方法的檢測(cè)圓的算法中，有些不適合用于檢測(cè)多個(gè)圓，有些是不能夠檢測(cè)同心圓環(huán).此外，也沒(méi)有專門(mén)的用于檢測(cè)多個(gè)同心圓環(huán)的算法.為此，提出了選擇式變換方程用于檢測(cè)多個(gè)非同心圓的方法，該方法僅僅尋找相對(duì)應(yīng)的包含3個(gè)圓周邊緣點(diǎn)的點(diǎn)組.此外，還提出了一套用于尋找基于邊緣梯度方向角信息的點(diǎn)組的方法.

假設(shè)一幅圖像中包含著一個(gè)同心圓環(huán)，環(huán)中像素的灰度值低于背景灰度值.在經(jīng)過(guò) SOBEL 算子的邊緣檢測(cè)之后，得到每個(gè)邊緣像素點(diǎn)的梯度方向角(在每個(gè)圓周上標(biāo)注了8個(gè)方向角).然后從邊緣像素中選擇3個(gè)點(diǎn)為一組選取所有的點(diǎn)組.選取的原則是避免每個(gè)點(diǎn)組中3個(gè)點(diǎn)的任意一個(gè)點(diǎn)的距離過(guò)短，還要保證每個(gè)點(diǎn)組中的3個(gè)點(diǎn)要屬于同一個(gè)圓周.該方法的步驟是

1)對(duì)整幅圖進(jìn)行搜索，一旦搜索到某個(gè)邊緣像素點(diǎn)立即停止轉(zhuǎn)到步驟2).

2)進(jìn)行局部搜索.尋找所有屬于同一個(gè)圓周的點(diǎn)組.

在對(duì)相機(jī)拍攝得到的結(jié)構(gòu)板圖像和模型截圖的得到的圖像分別進(jìn)行標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別之后，接下來(lái)便可以對(duì)獲得的2組標(biāo)識(shí)點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)，以得到投影儀坐標(biāo)系和結(jié)構(gòu)板坐標(biāo)系之間的關(guān)系，如圖10所示，進(jìn)而確定投影儀和結(jié)構(gòu)板的相對(duì)位置關(guān)系.為投影儀進(jìn)行無(wú)畸變的投影奠定基礎(chǔ).

圖10 投影儀和結(jié)構(gòu)板坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系Fig.10 Transformation relationship between projector and satellite structural plate coordinate system

只要獲得特征點(diǎn)的世界坐標(biāo)(三維坐標(biāo))、2D坐標(biāo)(像素坐標(biāo))、相機(jī)內(nèi)參矩陣、相機(jī)畸變參數(shù)矩陣以上4個(gè)參數(shù)即可以解得相機(jī)與標(biāo)志物之間的外參(R、T)，并以此求得相機(jī)的世界坐標(biāo)(以標(biāo)志物為世界坐標(biāo)平面，且原點(diǎn)為標(biāo)志物已知某一點(diǎn)).

圖11 基于solvePnP函數(shù)的相機(jī)世界坐標(biāo)求解代碼Fig.11 Camera world coordinate solution codes based on solvePnP

2.4 結(jié)構(gòu)板投影圖像生成

根據(jù)得到的配準(zhǔn)關(guān)系，對(duì)于上述ProE模型圖像，對(duì)模型三維點(diǎn)位進(jìn)行提取，記為{(X,Y,1)}model，因此只需將模型三維點(diǎn)位轉(zhuǎn)換至投影儀二維坐標(biāo)系下，生成高重合度的投影圖像.

(12)

對(duì)應(yīng)可將模型三維點(diǎn)位轉(zhuǎn)換至投影儀坐標(biāo)系下，記為{(X,Y,Z)}pm，公式如下：

(13)

根據(jù)投影儀的內(nèi)參矩陣，可將投影儀坐標(biāo)系下的三維點(diǎn)位投射至成像平面，記為{(x,y)}pm，公式如下：

(14)

考慮到投影儀的畸變，對(duì)上述成像平面上所有點(diǎn)進(jìn)行畸變校正，利用內(nèi)參矩陣Mp可知成像平面的光心坐標(biāo)(x0,y0)，對(duì)應(yīng)可獲得畸變校正后的投影圖像二維點(diǎn)坐標(biāo){(x,y)}af，公式如下：

(15)

其中，i,j為中心化后的圖像坐標(biāo)，分別如下：

(16)

如上，即可生成最終的高重復(fù)度投影圖像，根據(jù)完整模型特征和ROI特征可分別實(shí)現(xiàn)完整模型投影和ROI區(qū)域投影.

3 應(yīng)用驗(yàn)證

針對(duì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板智能投影輔助裝配系統(tǒng)投影的虛實(shí)輪廓重合度誤差和虛實(shí)孔位重合度誤差進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證.虛實(shí)輪廓重合度誤差和虛實(shí)孔位重合度誤差測(cè)試驗(yàn)證的對(duì)象均為具有長(zhǎng)方形輪廓的帶有標(biāo)志點(diǎn)和埋件裝配孔位的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板，結(jié)構(gòu)板尺寸為長(zhǎng)1200 mm×600 mm.

圖12 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板智能投影輔助裝配系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)Fig.12 Application of smart projection aided assembly system for satellite structural plate manufacturing

輪廓重合度測(cè)量方式為：利用游標(biāo)卡尺沿著輪廓邊緣選取10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，其中每條長(zhǎng)邊選擇3個(gè)點(diǎn)，每條短邊選擇2個(gè)點(diǎn)，誤差定義為實(shí)際工件選取點(diǎn)到投影輪廓的最近點(diǎn)的距離.將結(jié)構(gòu)板以多個(gè)姿態(tài)擺放在相機(jī)視野的多個(gè)位置上.一共進(jìn)行2組實(shí)驗(yàn)，包含20個(gè)測(cè)量點(diǎn)的誤差值，表1所示為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其中，最大誤差值為2.0 mm，最小誤差值為0.1 mm，平均值為0.900 mm，均方差為0.5525 mm.

表1 投影輪廓邊緣誤差實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表(單位：mm)Tab.1 Measured data table of projection contour edge errors

孔位重合度的測(cè)量方式為：利用游標(biāo)卡尺沿著輪廓邊緣選取10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，其中每條長(zhǎng)邊選擇3個(gè)點(diǎn)，每條短邊選擇2個(gè)點(diǎn)，誤差定義為實(shí)際工件選取點(diǎn)到投影輪廓的最近點(diǎn)的距離.將結(jié)構(gòu)板以多個(gè)姿態(tài)擺放在相機(jī)視野的多個(gè)位置上.一共進(jìn)行2組實(shí)驗(yàn)，包含20個(gè)測(cè)量點(diǎn)的誤差值，表2所示為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其中，最大誤差值為2.0 mm，最小誤差值為0.1 mm，平均值為0.945 mm，均方差為0.5674 mm.

表2 投影孔位重合度誤差實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表(單位：mm)Tab.2 Measured data table of coincidence errors of projection hole positions

針對(duì)基于智能投影輔助裝配系統(tǒng)的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板埋件裝配效率和質(zhì)量穩(wěn)定性進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證.選取典型型號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)板，記錄采用智能投影輔助裝配系統(tǒng)的裝配時(shí)間、是否可以正確投影埋件的規(guī)格、是否可以投影相同規(guī)格的全部安裝位置、以及依據(jù)圖紙操作的裝配時(shí)間.

圖13 投影在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板上的操作提示Fig.13 Projective image of operation tips on satellite structural plate

表3 典型產(chǎn)品應(yīng)用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表Tab.3 Measured data table of typical products application

針對(duì)同一衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板(含12種規(guī)格共計(jì)150個(gè)埋件)，由不同操作人員分別進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)，表3所示為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其中基于投影系統(tǒng)的裝配效率提升最大值為193.5%，最小值為121.8%，平均值為150.4%.

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于三維模型的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板智能投影輔助裝配系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，可動(dòng)態(tài)的、智能的識(shí)別產(chǎn)品不同的擺放位置，并進(jìn)行跟蹤定位，通過(guò)選擇不同的埋件三維模型，將同樣規(guī)格埋件安裝位置一次性投影在產(chǎn)品上，并明顯標(biāo)記出規(guī)格、位置輪廓、極性、操作提示等，操作工人可根據(jù)投影引導(dǎo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)板裝配，為減少裝錯(cuò)、漏裝、裝反等低層次質(zhì)量問(wèn)題提供了技術(shù)支撐，可大幅提升衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板復(fù)合前埋件裝配環(huán)節(jié)的操作效率和質(zhì)量穩(wěn)定性.經(jīng)過(guò)在典型型號(hào)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板類產(chǎn)品制造過(guò)程中進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，投影精度達(dá)到2 mm，可滿足衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板埋件輔助裝配對(duì)投影精度的要求，與以往邊查看圖紙邊進(jìn)行操作的方式相比，結(jié)構(gòu)板埋件安裝效率提高了1倍以上.本文提出的方法和系統(tǒng)，也為虛實(shí)融合相關(guān)智能制造技術(shù)在航天領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用提供了參考和借鑒.