基于機(jī)器人自動制孔的在線檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王志共，張睿智

（江西昌河航空工業(yè)有限公司，江西 景德鎮(zhèn) 333002）

1 引言

在直升機(jī)制造過程中，一架直升機(jī)所需制孔的數(shù)量數(shù)以萬計(jì)，制孔質(zhì)量的檢測是其中一道重要的工序，是直升機(jī)制孔質(zhì)量的重要保障。由于機(jī)器人高質(zhì)量、高效率、高強(qiáng)度的生產(chǎn)能力及較低成本，被越來越多地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域［1］，機(jī)器人自動制孔技術(shù)在國內(nèi)的廣泛應(yīng)用使制孔的效率和質(zhì)量獲得提高[2，3]，但同時(shí)給制孔質(zhì)量的檢測環(huán)節(jié)帶來了巨大的壓力。

影響機(jī)器人自動制孔系統(tǒng)制孔質(zhì)量的主要因素有機(jī)器人定位精度、基準(zhǔn)孔機(jī)器視覺測量誤差、末端執(zhí)行器法線測量和法向調(diào)整精度、鉆孔精度。目前在用的機(jī)器人自動制孔系統(tǒng)機(jī)器人定位精度為0.2mm（采用在線反饋控制技術(shù)提高定位精度），滿足飛機(jī)鉚接加工不低于0.5mm的精度要求，定位精度較高；基準(zhǔn)孔機(jī)器視覺測量誤差為0.2mm（采用機(jī)器視覺方法自動識別基準(zhǔn)孔，計(jì)算位置偏差，然后對制孔點(diǎn)進(jìn)行位置誤差補(bǔ)償）；末端執(zhí)行器法線測量（激光位移傳感器自動檢測制孔點(diǎn)實(shí)際法線方向）和法向調(diào)整精度（根據(jù)制孔點(diǎn)法線方向，調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)，使主軸進(jìn)給方向與制孔點(diǎn)法線方向重合）小于0.4o；鉆孔精度約0.1mm（塞規(guī)測量）。

由以上數(shù)據(jù)可以看出機(jī)器人自動制孔系統(tǒng)精度較高，已制孔的孔徑、位置度、孔距、垂直度、光潔度相比人工制孔提升明顯，但以上數(shù)據(jù)只能說明該機(jī)器人自動制孔系統(tǒng)從技術(shù)層面上能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)技術(shù)條件要求，能夠代表在理想環(huán)境條件下的制孔結(jié)果，不能代表實(shí)際制孔質(zhì)量的特性值。從質(zhì)量控制角度，依據(jù)相關(guān)程序文件要求，要對已制孔質(zhì)量進(jìn)行有效檢測控制，需另外測量已制孔位置度、孔徑、孔距、垂直度、光潔度等特性值。

當(dāng)今制孔質(zhì)量檢測方法大多是在制孔完成后通過人工測量、接觸式傳感器、激光跟蹤儀、視覺技術(shù)等方式進(jìn)行[4-6]，在實(shí)驗(yàn)階段雖然合理，但應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中會存在三方面的問題：

1）效率低。激光跟蹤儀測量或人工測量需在工裝上進(jìn)行，測量期間鉆鉚系統(tǒng)無法進(jìn)行下一步工作，占用生產(chǎn)時(shí)間，大幅降低制孔效率；同時(shí)測量數(shù)據(jù)需要人工統(tǒng)計(jì)匯總分析，耗時(shí)長且易出錯(cuò)，效率低下。

2）測量誤差大。由于已制孔的孔徑、孔距、位置度、垂直度、光潔度無法通過激光跟蹤儀在線測量，實(shí)際采用人工測量，導(dǎo)致測量結(jié)果誤差較大，無法真實(shí)反映已制孔的真實(shí)質(zhì)量情況。

3）無法及時(shí)糾錯(cuò)。制孔過程中因無法實(shí)時(shí)知曉已制孔的特性值信息，當(dāng)出現(xiàn)控制程序故障、末端執(zhí)行器姿態(tài)偏差、刀具磨損損壞或儀器設(shè)備故障等問題，造成一個(gè)或多個(gè)孔不合格情況，無法及時(shí)修正控制程序、調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)或更換問題刀具及儀器設(shè)備，極有可能導(dǎo)致產(chǎn)品批量超差，出現(xiàn)批量質(zhì)量事故，造成報(bào)廢損失等后果，這就明顯增加了產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，非常不利于有效且良好的質(zhì)量控制。

綜上所述，為滿足質(zhì)量控制、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)效益三方面需求，提出了一種基于機(jī)器人自動制孔的在線檢測系統(tǒng)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)能有效提高機(jī)器人自動制孔的檢測效率和質(zhì)量控制。

2 在線檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

基于機(jī)器人自動制孔的在線檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，系統(tǒng)包括機(jī)器人自動制孔系統(tǒng)、高性能工業(yè)相機(jī)、定制投影光源、控制機(jī)構(gòu)等。

圖1 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)器人自動制孔系統(tǒng)作為在線檢測系統(tǒng)的前提基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)制孔，由集成控制系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)、末端執(zhí)行器系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)組成。集成控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)加工任務(wù)的統(tǒng)籌規(guī)劃、判斷決策和指令下達(dá)、信息數(shù)據(jù)傳輸、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及加工任務(wù)指令執(zhí)行等，工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)負(fù)責(zé)搭載末端執(zhí)行器完成可到達(dá)空間的點(diǎn)位運(yùn)動，末端執(zhí)行器系統(tǒng)負(fù)責(zé)前端執(zhí)行，輔助系統(tǒng)主要包括機(jī)器人重載移動平臺、柔性工裝、自動送釘系統(tǒng)、激光跟蹤儀測量系統(tǒng)等[7]。

高性能工業(yè)相機(jī)采集制孔高質(zhì)量圖像信息，通過內(nèi)置算法，快速完成對孔位、孔徑、孔距、垂直度以及光潔度的檢測。

定制投影光源為工業(yè)相機(jī)提供特定的光照條件，以保證合適穩(wěn)定的圖像采集環(huán)境，提高在線檢測系統(tǒng)對環(huán)境變化的魯棒性和檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

控制機(jī)構(gòu)用于發(fā)送出發(fā)信號控制機(jī)器人自動制孔系統(tǒng)執(zhí)行制孔、高性能工業(yè)相機(jī)采集圖像并檢測制孔質(zhì)量、定制投影光源提供光照及跟據(jù)制孔質(zhì)量結(jié)果修正機(jī)器人自動制孔系統(tǒng)參數(shù)或發(fā)出預(yù)警。

2.2 系統(tǒng)軟件

基于機(jī)器人自動制孔的在線檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件包括圖像采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸接口模塊、三維重建模塊、幾何參數(shù)測量模塊、深度學(xué)習(xí)離線訓(xùn)練模塊、在線檢測模塊、作業(yè)流程控制模塊等，軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)圖

圖像采集模塊在每次鉆孔后用機(jī)械臂上的工業(yè)相機(jī)從多個(gè)視角位置采集當(dāng)前孔的圖像，并記錄每張圖像的相機(jī)內(nèi)參。

三維重建模塊根據(jù)每個(gè)孔的多視角圖像及對應(yīng)相機(jī)內(nèi)參對該孔完成三維重建[8]。

幾何參數(shù)測量模塊對每個(gè)孔的三維重建結(jié)果進(jìn)行孔位、孔徑、孔距、垂直度等幾何參數(shù)的計(jì)算測量。

深度學(xué)習(xí)離線訓(xùn)練模塊需要提前采集大量孔表面圖片并標(biāo)定光潔度是否合格，輸入基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)分類網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類訓(xùn)練[9]，用于檢測制孔采集圖像的光潔度是否合格。

在線檢測模塊對當(dāng)前空的幾何參數(shù)孔位、孔徑、孔距、垂直度、光潔度與制孔目標(biāo)設(shè)定值進(jìn)行比較。當(dāng)檢測所有參數(shù)都合格時(shí)繼續(xù)鉆制下一個(gè)孔；當(dāng)檢測到幾何參數(shù)不合格時(shí)，如果是可修正的幾何參數(shù)不合格，則根據(jù)當(dāng)前測得的不合格幾何參數(shù)的偏差調(diào)整自動制孔系統(tǒng)的參數(shù)；當(dāng)檢測到幾何參數(shù)不合格，且是不可修正的幾何參數(shù)不合格，則發(fā)出預(yù)警。

作業(yè)流程控制模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)的硬件每個(gè)工作指令順序執(zhí)行， 控制完成每次制孔的制孔定位、制孔、采集圖像、三維重建、幾何參數(shù)測量、在線檢測等執(zhí)行。

數(shù)據(jù)傳輸接口模塊根據(jù)不同軟件、硬件之間的接口完成數(shù)據(jù)的傳輸。

2.3 系統(tǒng)工作流程

使用集成在線檢測系統(tǒng)后的機(jī)器人自動制孔系統(tǒng)，針對典型的壁板類工件的在線檢測制孔流程如圖3所示。

圖3 在線檢測制孔流程

3 系統(tǒng)功能和特點(diǎn)

3.1 系統(tǒng)功能

在線檢測系統(tǒng)功能包括孔位、孔徑、孔距、垂直度的“定量”檢測，光潔度的“定性”檢測。

1）“定量”檢測。采用基于機(jī)器視覺的方法輸出測量的數(shù)值；通過多臺高性能工業(yè)相機(jī)同時(shí)觀察工件表面圖像視差，采用立體匹配技術(shù)重構(gòu)出工件表面的三維參數(shù)，利用內(nèi)置算法實(shí)現(xiàn)對孔位、孔徑、孔距和垂直度參數(shù)的測量。

2）“定性”檢測。利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)搭建算法模型，通過采集一定量級的“孔照片”樣本對網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練（樣本數(shù)量越多識別精度越高），給出光潔度是否合格的結(jié)論。

3.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

檢驗(yàn)效率高，檢驗(yàn)項(xiàng)目多，檢驗(yàn)覆蓋率高，數(shù)據(jù)可分析、可追溯性強(qiáng)，反饋修正功能等。

1）檢驗(yàn)效率高。所有檢測特性值由系統(tǒng)實(shí)時(shí)自主測量，制孔系統(tǒng)無需停工，不占用生產(chǎn)時(shí)間。相比人工質(zhì)檢，系統(tǒng)能自動存儲、分析、判斷數(shù)據(jù)，給出檢測結(jié)論，時(shí)間短、效率高。

2）檢驗(yàn)項(xiàng)目多。可一次性提供諸多檢測項(xiàng)目。孔質(zhì)量檢測內(nèi)容包括孔位、孔間距，孔垂直度、孔邊距，孔徑大小，表面粗糙度等參數(shù)。未來還可擴(kuò)展鉚接質(zhì)量、零件裝夾變形情況等更多參數(shù)。

3）檢驗(yàn)覆蓋率高。以往的人工檢驗(yàn)，一般受限于人力資源配置，只能實(shí)現(xiàn)一定比例的抽檢。而且大量高重復(fù)度的檢驗(yàn)操作，也容易導(dǎo)致人力疲勞。一方面，容易致使漏檢和誤檢，另一方面，人工檢測的效率無法穩(wěn)定，這將間接導(dǎo)致生產(chǎn)效率的波動。引入智能在線檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)100%的檢測覆蓋率，還能避免上述疲勞因素導(dǎo)致的不良后果。

4）數(shù)據(jù)可分析、可追溯性強(qiáng)。具有重要意義的質(zhì)量可追溯性，是建立在完整數(shù)據(jù)檔案管理的基礎(chǔ)上的，在人工質(zhì)檢方式下難以實(shí)現(xiàn)。主要原因在于數(shù)據(jù)采集的不完整、不徹底，單純的質(zhì)量數(shù)據(jù)本身很多時(shí)候不足以支撐追溯工作，必須提供帶有更多信息量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。例如，實(shí)際生產(chǎn)的圖片信息、可能包含大量的與追溯問題直接相關(guān)但是與關(guān)注的質(zhì)量參數(shù)無關(guān)的信息，這些信息在人工檢驗(yàn)方式下，既不會被收集也不會被保存。在線檢測技術(shù)的依托下，收集和保存這些信息就成為了可能。質(zhì)檢工作的一個(gè)重要目的，是為了識別和處理質(zhì)量問題，而不僅僅是對產(chǎn)品是否合格的定性判斷。生產(chǎn)數(shù)據(jù)本身所能提供的信息價(jià)值，并不僅局限于對質(zhì)量合格與否的判斷。當(dāng)大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)被匯集起來之后，可以反映眾多生產(chǎn)環(huán)節(jié)的狀態(tài)，并通過更詳細(xì)、更多樣性和更深層次的分析來識別及處理質(zhì)量問題，為實(shí)現(xiàn)更多更好的質(zhì)量問題處理方法和質(zhì)量控制方式提供了可能。

5）反饋修正功能。生產(chǎn)環(huán)節(jié)質(zhì)控參數(shù)的設(shè)置，是為了實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品的性能指標(biāo)控制。這些參數(shù)一般是通過最終性能指標(biāo)的逆向分解得到的，分解過程一般是基于理論分析或局部實(shí)驗(yàn)，對應(yīng)到真實(shí)的工業(yè)生產(chǎn)中，往往帶有一定的偏差，會導(dǎo)致最終性能指標(biāo)的下降?；趯Ω呔群途S度的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)收集和產(chǎn)品跟蹤分析，就可以發(fā)現(xiàn)這些偏差并反饋?zhàn)饔糜谇岸松a(chǎn)環(huán)節(jié)的一些可調(diào)參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)對各環(huán)節(jié)質(zhì)控參數(shù)的精確設(shè)置。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文在線檢測系統(tǒng)的有效性，將本文在線檢測系統(tǒng)與非在線檢測的常規(guī)方法通過實(shí)際長桁制孔實(shí)驗(yàn)相比較，通過在線檢測自動制孔和常規(guī)自動制孔在相同的兩塊長桁上連續(xù)鉆11個(gè)孔，完成后用同一測量方法對每個(gè)孔檢測孔位、孔徑、孔距、垂直度和光潔度進(jìn)行測量，測量結(jié)果見表1，由表1可以看出由于長桁與機(jī)械臂移動未完全平行以及表面存在一定彎曲，導(dǎo)致孔位和垂直度誤差越來越大，在線檢測制孔能夠在偏差在誤差范圍內(nèi)但大于一定閾值時(shí)及時(shí)進(jìn)行修正保證后續(xù)合格，而非在線檢測制孔隨著制孔誤差越來越大導(dǎo)致不合格，在線檢測制孔能夠及時(shí)修正鉆頭進(jìn)給深度和轉(zhuǎn)速參數(shù)以微調(diào)孔徑大小和調(diào)整機(jī)械臂移動距離參數(shù)來微調(diào)孔距，使得2號孔之后孔徑全部合格，而非在線檢測制孔則無法修正導(dǎo)致如果一旦出錯(cuò)后續(xù)將全部不合格，用本文方法能及時(shí)糾正錯(cuò)誤，有效地提高了制孔的質(zhì)量。

表1 在線檢測制孔和非在線檢測制孔結(jié)果對比

在線檢測制孔完成時(shí)間28.345，非在線檢測制孔加總時(shí)間38.738，由于在線檢測方法使用了多視角三維重建的檢測方法，比傳統(tǒng)測量方法的測量速度更快，所以降低了檢測總時(shí)間，提高了制孔的效率。

5 結(jié)束語

本文針對機(jī)器人自動制孔生產(chǎn)線中對在線檢測的需求，設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器人自動制孔的在線檢測系統(tǒng)，給出系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過實(shí)際制孔實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本文系統(tǒng)的有效性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠在每個(gè)孔鉆制后即時(shí)檢測，實(shí)現(xiàn)制孔的在線檢測；能根據(jù)已制孔的檢測質(zhì)量及時(shí)糾正錯(cuò)誤，提高后續(xù)制孔的質(zhì)量；相對于傳統(tǒng)的制孔后檢測方法，本文系統(tǒng)在線檢測方法能夠減少質(zhì)量檢測的時(shí)間，提高制孔檢測效率。綜上所述，本文基于機(jī)器人自動制孔的在線檢測系統(tǒng)，能夠更好地滿足對機(jī)器人自動制孔生產(chǎn)線的需求，提高自動制孔的的質(zhì)量和檢測效率。