導(dǎo)彈自動(dòng)化對(duì)接系統(tǒng)技術(shù)研究

王 樂

（非凡智能機(jī)器人有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110153）

導(dǎo)彈艙段對(duì)接是導(dǎo)彈制造總裝成導(dǎo)彈總體的后期階段。對(duì)接技術(shù)的可靠性影響著導(dǎo)彈總體性能，對(duì)試飛試驗(yàn)的成敗有重要的影響，在導(dǎo)彈研制生產(chǎn)過程中起到極其重要的作用。

目前在對(duì)接過程中主要采用人工調(diào)整和部分輔助工裝，以及半自動(dòng)化機(jī)械來對(duì)接組裝產(chǎn)品。這種對(duì)接方法對(duì)操作者技術(shù)水準(zhǔn)要求較高，且存在安全隱患。整個(gè)對(duì)接過程都是人工完成，導(dǎo)致人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，易疲勞，生產(chǎn)效率低。難以保證對(duì)接精度，容易出現(xiàn)返工問題。

在數(shù)字化與智能化技術(shù)的推動(dòng)下，針對(duì)導(dǎo)彈對(duì)接過程中存在的問題，設(shè)計(jì)出導(dǎo)彈自動(dòng)化對(duì)接系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接過程無人化生產(chǎn)，消除了人員安全隱患。大幅度提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量，同時(shí)還兼顧了生產(chǎn)線的柔性化，可擴(kuò)展性。為軍工發(fā)展奠定了新基礎(chǔ)。

1 導(dǎo)彈自動(dòng)化對(duì)接系統(tǒng)主要設(shè)備組成

系統(tǒng)主要由對(duì)接測(cè)量機(jī)器人、產(chǎn)品對(duì)接工作臺(tái)、擰緊涂膠機(jī)器人和電控系統(tǒng)組成。占地總長(zhǎng)20 m，寬8 m，高4 m。設(shè)備組成如圖1所示。

圖1 設(shè)備組成

對(duì)接測(cè)量機(jī)器人用于導(dǎo)彈對(duì)接前對(duì)各艙段精準(zhǔn)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果用于虛擬仿真，便于整體組裝。

產(chǎn)品對(duì)接工作臺(tái)用于多自由度調(diào)姿臺(tái)無人自動(dòng)化對(duì)接組裝各艙段，從而形成整體產(chǎn)品。

擰緊涂膠機(jī)器人用于對(duì)接后的產(chǎn)品擰緊螺栓和多個(gè)位置涂膠。

1.1 對(duì)接測(cè)量機(jī)器人

對(duì)接測(cè)量機(jī)器人主要由測(cè)量傳感器和測(cè)量機(jī)器人以及移動(dòng)滑臺(tái)組成。

1.1.1 檢測(cè)識(shí)別算法

（1）對(duì)需要組裝的各工件作離線仿真，并設(shè)定匹配所需的坐標(biāo)原點(diǎn)、線段和基準(zhǔn)面（參考面）。

（2）利用工業(yè)相機(jī)和激光傳感器對(duì)工件端面進(jìn)行拍照，并通過上位機(jī)算法對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，進(jìn)而獲得端面與參考面之間的兩個(gè)偏離角。

（3）利用兩個(gè)偏離角算出后托輥Z與Y坐標(biāo)需要調(diào)整的量（此時(shí)前托輥不動(dòng)），并通過控制系統(tǒng)控制調(diào)整偏離角。

（4）完成第三步的調(diào)整后復(fù)測(cè)工件端面與參考面是否平行，如果到達(dá)平行度要求，則輸出端面的圓心坐標(biāo)并進(jìn)行下一步操作。如果沒有達(dá)到要求則繼續(xù)進(jìn)行平行度檢測(cè)調(diào)整，直至達(dá)標(biāo)后再輸出端面的圓心坐標(biāo)。

（5）在完成第四步后，系統(tǒng)控制前后托輥同步運(yùn)動(dòng)，讓工件端面圓心坐標(biāo)與參考面基準(zhǔn)坐標(biāo)重合。

（6）再次利用工業(yè)相機(jī)對(duì)工件端口附近工件殼體上的定位標(biāo)定物進(jìn)行拍照并通過匹配算法引導(dǎo)前后托輥同步滾動(dòng)，使標(biāo)定物轉(zhuǎn)至最高處并與系統(tǒng)設(shè)定的參考線重合；如果無法重合，則計(jì)算出其偏離角度和Z向位置差，并通過控制后托輥Z坐標(biāo)與Y坐標(biāo)方向微調(diào)以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整，通過控制整個(gè)托輥裝置的升降實(shí)現(xiàn)位置高低的調(diào)整。

（7）在完成上述步驟后，系統(tǒng)控制托輥裝置向前運(yùn)動(dòng)，在距離前一個(gè)固定的對(duì)接工件3～5 mm 時(shí)停止。然后利用工業(yè)相機(jī)對(duì)兩個(gè)工件的位姿再次進(jìn)行拍照計(jì)算，如果在允差范圍內(nèi)則繼續(xù)對(duì)接，如果超差則結(jié)合檢測(cè)結(jié)果，對(duì)后續(xù)工件按照第六步的相似方法進(jìn)行位姿調(diào)整，直至達(dá)標(biāo)后開始進(jìn)行兩個(gè)工件的對(duì)接。

（8）對(duì)接過程中力控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)兩個(gè)工件的受力狀況，如果壓力值達(dá)到設(shè)定值、定位標(biāo)定物重合、插入深度也符合設(shè)定要求，則對(duì)接成功，系統(tǒng)保持對(duì)接狀態(tài)并啟動(dòng)后續(xù)作業(yè)。如果壓力值達(dá)到設(shè)定值而定位標(biāo)定物重合度超差或插入深度不符合設(shè)定要求，或兩者同時(shí)發(fā)生則對(duì)接失敗。此時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)重新定位程序，兩個(gè)工件分離，并重新按照第（5）、（6）、（7）、（8）條步驟執(zhí)行檢測(cè)、計(jì)算匹配和動(dòng)作控制。

（9）如果連續(xù)對(duì)接兩次均不成功，系統(tǒng)保持對(duì)接不成功狀態(tài)并報(bào)警，請(qǐng)求人工處理。

1.1.2 測(cè)量機(jī)器人

機(jī)器人采用六自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人，該種機(jī)器人具有高柔性、高精度和高成本效益的特點(diǎn)；一臺(tái)機(jī)器人坐在機(jī)器人滑臺(tái)上。可延長(zhǎng)機(jī)器人覆蓋范圍。

機(jī)器人最大工作半徑為2700mm，負(fù)載（指第6軸最前端負(fù)載）為300kg，動(dòng)軸數(shù)為6，重復(fù)定位精度為0.1mm，本體質(zhì)量為0525kg。機(jī)器人性能參數(shù)見表1。

表1 機(jī)器人工作范圍以及性能參數(shù)表

1.1.3 移動(dòng)滑臺(tái)

移動(dòng)滑臺(tái)主要由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、架體、托鏈組成。采用移動(dòng)滑臺(tái)打破了機(jī)器人測(cè)量原有范圍的限制。節(jié)省了因測(cè)量多處位置帶來的成本增高。

1.2 產(chǎn)品對(duì)接工作臺(tái)

產(chǎn)品對(duì)接工作臺(tái)建設(shè)占地總長(zhǎng)20 m，寬3 m，高4 m。

產(chǎn)品對(duì)接工作臺(tái)主要由多個(gè)自由度調(diào)姿臺(tái)組成。分別為防形裝載體支撐托架、裝載體支撐托架、后段裝載體夾緊機(jī)構(gòu)、對(duì)接擰緊機(jī)構(gòu)、支撐底座、控制系統(tǒng)組成。

1.2.1 防形裝載體支撐托架和裝載體支撐托架

防形裝載體支撐托架用于調(diào)整異型艙段位置偏差，主要由防形滾輪、導(dǎo)輪、絲杠升降機(jī)構(gòu)、對(duì)中機(jī)構(gòu)等組成。

防形裝載體支撐托架具有產(chǎn)品饒軸線旋轉(zhuǎn)、上下升降調(diào)節(jié)、左右平移、前后俯仰、產(chǎn)品自旋轉(zhuǎn)以及托架整體行走功能。各功能均由伺服電機(jī)控制完成。

1.2.2 對(duì)接擰緊機(jī)構(gòu)

對(duì)接擰緊機(jī)構(gòu)主要由卡盤夾緊軸、連接擰緊軸、仰俯調(diào)整軸、水平旋轉(zhuǎn)軸、升降調(diào)整軸、左右橫移軸、托架舉升軸、前后緩沖軸及行走移動(dòng)軸組成。

卡盤夾緊軸是用于完成自動(dòng)夾持及松開工件的動(dòng)作。連接擰緊軸是用于完成沿軸向方向的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整以及與艙段連接擰緊動(dòng)作。

1.2.3 后段裝載體夾緊機(jī)構(gòu)

后段裝載體夾緊機(jī)構(gòu)用于艙段接過程中夾緊，防止因?qū)舆^程中產(chǎn)生的軸向力而使部件移位。具有行走功能和產(chǎn)品夾緊功能。行走功能是通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)完成，產(chǎn)品夾緊通過氣缸完成。

1.2.4 支撐底座

支撐底座用于支撐裝載體、裝載架和各機(jī)構(gòu)重量，支撐底座上裝配有導(dǎo)軌滑塊、齒條，以供其它機(jī)構(gòu)在底座上水平移動(dòng)，主要由焊接箱體、導(dǎo)軌、齒條、底座連接塊和調(diào)整地腳等組成。

1.3 擰緊涂膠機(jī)器人

擰緊涂膠機(jī)器人用于對(duì)接后的產(chǎn)品擰緊螺栓和部分位置涂膠工作。

擰緊機(jī)用于艙段對(duì)接后圓周方向和軸向方向擰緊。

擰緊工作流程：

（1）振動(dòng)盤振動(dòng)上料，分料器分出螺釘。

（2）擰緊模組的吸釘管吸取螺釘。

（3）擰緊工具帶動(dòng)螺釘轉(zhuǎn)動(dòng)，螺紋部涂抹螺紋膠。

（4）視覺拍照螺釘孔位置。

（5）對(duì)稱180°擰緊4組螺釘。

（6）順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)20°，視覺拍照螺紋孔位置，對(duì)稱180°擰入其余2組螺釘。

（7）重復(fù)以上流程，圓周螺釘擰緊完成。

1.4 涂膠機(jī)

工作流程：

（1）機(jī)器人達(dá)到涂膠位置，電動(dòng)工具帶動(dòng)螺釘旋轉(zhuǎn)。

（2）點(diǎn)膠機(jī)啟動(dòng)，點(diǎn)膠機(jī)沿螺釘上下軸線運(yùn)動(dòng)。

（3）涂膠完成，點(diǎn)膠機(jī)停止。

擰緊機(jī)器人和移動(dòng)滑臺(tái)同對(duì)接測(cè)量機(jī)器人移動(dòng)滑臺(tái)參數(shù)一致，不再敘述。

1.5 電控系統(tǒng)

根據(jù)項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)要求，電控系統(tǒng)將本著自動(dòng)化程度高，功能性強(qiáng)，容易操作，維修量小的原則設(shè)計(jì)。采用集中控制分工段管理的方式?？刂葡到y(tǒng)選用西門子可編程控制器（PLC）作為主站，作為整條生產(chǎn)線的主控，并通過主控觸摸屏顯示和查詢整個(gè)生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)。各工段作為分站子系統(tǒng)可獨(dú)立控制，通過現(xiàn)場(chǎng)總線形式與主站系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。執(zhí)行主站系統(tǒng)下發(fā)的指令，同時(shí)向主站系統(tǒng)反饋運(yùn)行狀態(tài)。

生產(chǎn)線運(yùn)行安全方面，根據(jù)設(shè)備對(duì)生產(chǎn)影響的程度以及對(duì)人員自身安全的危害程度，劃分出A、B、C，3類設(shè)備，不同類別的設(shè)備加裝的保護(hù)裝置不同。

2 電控系統(tǒng)的組成及功能

2.1 主站系統(tǒng)

主站系統(tǒng)包括可編程控制器和監(jiān)控系統(tǒng)。

（1）可編程控制器。采用西門子S7-1500或同等級(jí)系列PLC，此類PLC 具有很高的數(shù)據(jù)處理能力及通信能力，同時(shí)具有電磁兼容性和抗沖擊性，耐震動(dòng)性能強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠滿足各種復(fù)雜的自動(dòng)化任務(wù)。

（2）監(jiān)控系統(tǒng)。HMI（觸摸屏）采用西門子彩色觸摸屏，通過觸摸屏可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)可以通過觸摸屏查找故障報(bào)警信息及故障點(diǎn)，方便維修人員進(jìn)行故障查找和排除。

2.2 分站電氣控制系統(tǒng)

包括可編程控制器、監(jiān)控系統(tǒng)。

（1）可編程控制器。分別采用西門子S7-300系列小型PLC，此類PLC 具有很高的數(shù)據(jù)處理能力及通信能力，同時(shí)具有電磁兼容性和抗沖擊性，耐震動(dòng)性能強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠滿足各種復(fù)雜的自動(dòng)化任務(wù)。

（2）監(jiān)控系統(tǒng)。HMI（觸摸屏）采用西門子彩色觸摸屏，通過觸摸屏可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)可以通過觸摸屏查找故障報(bào)警信息及故障點(diǎn)，方便維修人員進(jìn)行故障查找和排除。

（3）伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。采用進(jìn)口伺服系統(tǒng)，達(dá)到精確的進(jìn)給速度控制，要求伺服電機(jī)在低速時(shí)有足夠大的輸出力矩且運(yùn)行平穩(wěn)，以便在與機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分連接中盡量減少中間環(huán)節(jié)。

3 設(shè)備總體性能分析

3.1 互換性

工裝設(shè)計(jì)過程中，考慮工裝通用性，采用通過性設(shè)計(jì)，便于后續(xù)維修裝配，節(jié)約成本。如移動(dòng)滑臺(tái)、產(chǎn)品組裝工作臺(tái)升降底座、支撐滾輪及滾輪座等。

電控系統(tǒng)采用模塊化分層設(shè)計(jì)，即現(xiàn)場(chǎng)層、設(shè)備層、監(jiān)控層、控制層；提高了整個(gè)系統(tǒng)的組合化、系列化程度。

3.2 可擴(kuò)展性

工裝具備一定的兼容性擴(kuò)展性。

（1）直徑上可通過改變支撐工裝上滾輪間距適應(yīng)不同直徑的產(chǎn)品。

（2）長(zhǎng)度上可通過預(yù)設(shè)改變支撐工裝停放的初始位置。

3.3 安全可靠性設(shè)計(jì)

導(dǎo)彈自動(dòng)化對(duì)接系統(tǒng)的可靠性從三個(gè)方面進(jìn)行保障，機(jī)械方面、電氣方面和檢測(cè)方面。

（1）機(jī)械方面。采用高精度研磨齒條、高精度導(dǎo)軌導(dǎo)向，最大限度保證了工裝行走一致性，高精度伺服系統(tǒng)提供推力，保障了推進(jìn)力的穩(wěn)定。

（2）電氣方面。選用防爆型接近開關(guān)，堅(jiān)固耐用，保證了工裝到位的穩(wěn)定性。信號(hào)線、通信線等采用屏蔽式電纜，確保其通信時(shí)不受外界干擾，保證了系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性。

（3）檢測(cè)方面。使用激光測(cè)距代替人工測(cè)量，提高了測(cè)量精度，保證了在部件對(duì)接過程中位置的正確性，用壓力傳感器監(jiān)控推進(jìn)力的大小，保證了過程中的穩(wěn)定。

3.4 維修設(shè)計(jì)

（1）簡(jiǎn)化維修方法。降低對(duì)維修人員能力要求，縮短維修時(shí)間。維修以換件為主，修理為輔。

（2）良好的維修可達(dá)性。產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)考慮留有適當(dāng)?shù)木S修操作空間，包括工具的使用空間。提供便于觀察、檢測(cè)、維護(hù)和修理的通道。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化和互換性。設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)優(yōu)先選用符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，或?qū)I(yè)設(shè)備、元器件、零部件和工具等軟件。同種產(chǎn)品之間在實(shí)體上、功能上相同，能用一個(gè)代替另一個(gè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)導(dǎo)彈自動(dòng)化對(duì)接系統(tǒng)相關(guān)問題進(jìn)行了研究，主要完成內(nèi)容如下：

（1）根據(jù)導(dǎo)彈自身對(duì)接工藝并結(jié)合我國(guó)自動(dòng)化對(duì)接裝配現(xiàn)狀，完成了導(dǎo)彈自動(dòng)化對(duì)接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過視覺掃描系統(tǒng)建立了基準(zhǔn)艙段位置坐標(biāo)。

（2）應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)模擬自由度調(diào)姿臺(tái)其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，得出對(duì)接應(yīng)用路徑方案，通過上位機(jī)判斷取最優(yōu)路徑解，得到位姿逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解。

（3）根據(jù)上位機(jī)指令多軸協(xié)同聯(lián)動(dòng)達(dá)到精準(zhǔn)執(zhí)行。同時(shí)配合機(jī)器人自動(dòng)化擰緊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)彈自動(dòng)化對(duì)接。