基于光纖傳感的自動(dòng)化裝配軌跡校正系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王春霞,劉云朋,張 利

(1.焦作大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,河南 焦作 454000;2.焦作大學(xué)信息工程學(xué)院,河南 焦作 454000)

1 引 言

自動(dòng)化裝配技術(shù)是當(dāng)前智慧工廠與智能車間的研究重點(diǎn)[1],而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化智能裝配的核心是裝配工裝可以根據(jù)裝配狀態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝配路徑。

現(xiàn)有的自動(dòng)化智能裝配在線調(diào)整方法主要有激光掃描法和圖像匹配法,激光掃描設(shè)備包括采用iGPS(indoor Global Position System,室內(nèi)全域定位系統(tǒng))、NDI(Non-Destructive Inspection,無損檢測(cè))等[2]設(shè)備,圖像匹配法包括采用雙面測(cè)量?jī)x[3]、三目測(cè)量?jī)x[4]等。美國(guó)波音公司在777MAX飛行器上采用了智能裝配技術(shù),其中大部件對(duì)接就采用了iGPS與AGV(Automated Guided Vehicle,自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車)聯(lián)動(dòng)技術(shù),大大縮短了裝配時(shí)間和提高了裝配精度[5]。德國(guó)EcoPositioner系統(tǒng)開發(fā)的模塊化定位技術(shù),為飛行器大部件裝配提供了高精度在線校正保障,其采用激光定位技術(shù)獲得實(shí)時(shí)裝配體位置信息[6]。我國(guó)上海飛機(jī)制造有限公司研制的國(guó)內(nèi)首套智能裝配生產(chǎn)線在部分裝配車間實(shí)現(xiàn)了無人化裝配[7]。

激光雷達(dá)[8-10]與圖像匹配技術(shù)在都存在受視場(chǎng)可達(dá)性限制及易受環(huán)境干擾的問題[11]。由此,基于光纖的柔性感知方式應(yīng)運(yùn)而生。2019年,Sidney等人[12]提出采用特殊FBG在航空航天復(fù)合材料中永久埋入式測(cè)量,波長(zhǎng)偏移測(cè)試精度0.5 nm,位置演算精度優(yōu)于0.6 mm。2021年,Raoul R等人[13]在主旋翼葉片上安裝分布式FBG傳感網(wǎng)絡(luò),獲得在線裝配數(shù)據(jù),其應(yīng)力測(cè)試精度達(dá)±20 με。劉智超等人[14]將光纖傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用大型結(jié)構(gòu)件裝配,應(yīng)變測(cè)試精度5 με左右。。

為了在裝配過程中可以直接獲取裝配狀態(tài)信息,從而實(shí)現(xiàn)在線校正,并且可以通過簡(jiǎn)單濾波等方式有效抑制環(huán)境干擾,最終達(dá)到適用于各個(gè)裝配領(lǐng)域的目的。光纖傳感技術(shù)成為了解決開敞性差、裝配步驟多以及環(huán)境干擾強(qiáng)問題的一個(gè)新興研究方向。本文設(shè)計(jì)了基于光纖光柵(FBG,Fiber Bragg grating)傳感的自動(dòng)化裝配軌跡校正系統(tǒng),采用工裝分布傳感網(wǎng)絡(luò)解決視覺盲區(qū)問題,采用差分校正解決環(huán)境干擾問題,為拓展智能裝配領(lǐng)域提供了新的思路。

2 工作原理

自動(dòng)化裝配過程中裝配工裝需要將工件移動(dòng)至適合的位置上,過程中往往會(huì)受到預(yù)設(shè)軌跡與實(shí)際裝配軌跡誤差的影響,例如平移誤差、位姿誤差等都會(huì)造成裝配不到位、過盈裝配或裝配干涉等問題。為了實(shí)現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)工件自動(dòng)化裝配過程中的自適應(yīng)校正,獲取裝配過程中工件的實(shí)時(shí)裝配狀態(tài)信息就顯得十分必要。通過光纖傳感技術(shù)獲取工件工裝上的應(yīng)力場(chǎng)分布可以完成裝配軌跡的實(shí)時(shí)校正,則任意FBG的回波偏移量[15]可以表示為:

ΔλB=λB·[(1-Pε)·ε+(αf+ξ)ΔT

(1)

其中,λB表示FBG的中心波長(zhǎng)初始值;α表示熱膨脹系數(shù);ξ表示熱光系數(shù);ΔT表示溫度變化量;ε是應(yīng)變;Pε表示彈光系數(shù)。由于溫度對(duì)FBG的影響可以通過在相同工作環(huán)境中進(jìn)行溫度補(bǔ)償實(shí)現(xiàn),所以上式中溫度項(xiàng)可以采用常系數(shù)C代替。在整個(gè)工裝上按照可能產(chǎn)生顯著變化的敏感位置上粘貼足夠數(shù)量的FBG傳感器,就能一次獲取整個(gè)工裝的應(yīng)力場(chǎng)分布。再通過應(yīng)力場(chǎng)分布的差異,完成對(duì)裝配偏差的解析,并根據(jù)該差異進(jìn)行裝配軌跡的校正。由胡克定律可知,工件上任意位置的應(yīng)力值有

(2)

其中,x為對(duì)應(yīng)的位置;l為構(gòu)建微元的尺寸;I為慣性矩;E為彈性模量;ε為應(yīng)變值;λC為由溫度標(biāo)定得到的波長(zhǎng)偏移補(bǔ)償系數(shù)。由于l、E和I都是常量,而x是對(duì)應(yīng)測(cè)試的位置,可以作為輸入量,所以當(dāng)把(2)式代入(3)式時(shí),所有對(duì)應(yīng)x位置上FBG的波長(zhǎng)變化就成為了應(yīng)力值計(jì)算的唯一變量,即可以通過波長(zhǎng)矩陣獲取應(yīng)力場(chǎng)分布矩陣。由于測(cè)試位置P的矩陣乘以軌跡補(bǔ)償矩陣可以得到理論軌跡位置,所以受應(yīng)力場(chǎng)影響的軌跡補(bǔ)償矩陣C可以表示為測(cè)試位置矩陣P與波長(zhǎng)偏移量就是所有測(cè)試值與波長(zhǎng)偏移量ΔλB的積,有:

(3)

其中,x,y分別表示在z為常數(shù)時(shí),工件標(biāo)記點(diǎn)的二維坐標(biāo),通過對(duì)任意時(shí)刻二維坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的軌跡補(bǔ)償矩陣參數(shù)的計(jì)算,完成自動(dòng)化裝配的實(shí)時(shí)校正。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于光纖傳感的自動(dòng)化裝配軌跡校正系統(tǒng)由三個(gè)核心模塊組成:(a)傳感陣列,將大量FBG傳感器分布設(shè)置自動(dòng)化裝配工裝上,從而實(shí)時(shí)獲取裝配時(shí)的工件狀態(tài)信息；(b)數(shù)據(jù)處理與分析模塊,通過光纖傳感解調(diào)模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成,獲取FBG陣列的測(cè)試數(shù)據(jù),并且根據(jù)預(yù)設(shè)的應(yīng)力場(chǎng)-位置偏移模型對(duì)裝配狀態(tài)進(jìn)行分析,從而提供裝配軌跡校正參數(shù)；(c)自動(dòng)軌跡控制模塊,在獲取軌跡校正參數(shù)后,控制自動(dòng)化機(jī)械臂結(jié)構(gòu)完成裝配體的軌跡控制。整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 光纖傳感的自動(dòng)化裝配軌跡校正系統(tǒng)Fig.1 Automated assembly trajectory correction system for optical fiber sensing

由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中可知,調(diào)頻激光器通過耦合器將調(diào)制激光發(fā)射至FBG陣列,當(dāng)裝配過程中存在異常受力時(shí),如圖中箭頭位置。當(dāng)FBG陣列的波長(zhǎng)響應(yīng)信號(hào)發(fā)生大幅改變,測(cè)試數(shù)據(jù)由解調(diào)儀進(jìn)入CPU,處理模塊會(huì)結(jié)合現(xiàn)有裝配結(jié)構(gòu)的位置信息分析裝配異常的原因,并且給出校正的補(bǔ)償參數(shù)。補(bǔ)償參數(shù)通過控制模塊完成對(duì)機(jī)械臂軌跡的調(diào)整,從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配的軌跡校正。

4 仿真計(jì)算與分析

為了模擬光纖傳感在自動(dòng)化裝配過程中對(duì)裝配位置校正的可行性,通過ANSYS軟件[16]仿真分析了常見的輪軸裝配關(guān)系,對(duì)軸體存在不同程度變形條件下裝配結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布進(jìn)行了模擬。一方面,通過模擬應(yīng)力場(chǎng)分布,為FBG分布位置提供了依據(jù),從而在仿真圖中標(biāo)注了FBG陣列的擬鋪設(shè)位置；另一方面,通過對(duì)不同程度變形量化了應(yīng)力分布與FBG波長(zhǎng)變化的關(guān)系,從而給裝配軌跡校正提供了可靠的補(bǔ)償數(shù)據(jù)。設(shè)置模擬工件為45號(hào)鋼,密度7.85 g/cm3,泊松比0.271,楊氏模量2.09×105GP。對(duì)輪軸結(jié)構(gòu)離散化網(wǎng)格劃分,如圖2所示。輪軸裝配位置的應(yīng)力分布如圖3所示。

圖2 模擬裝配結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖Fig.2 Grid diagram of simulated assembly structure

(a)500 N

(b)1000N圖3 不同外部應(yīng)力作用條件下應(yīng)力變化Fig.3 Stress changes under different external stress conditions

在輪軸上施加不同大小的外部應(yīng)力,可以模擬輪軸結(jié)構(gòu)裝配異常時(shí)連接處的受力分布。對(duì)于裝配中的異常應(yīng)力而言,可以將作用力分解為與軸向平行的分量和垂直于軸向平面上的分量。由于平面圓盤是對(duì)稱的,所以只要能夠分析一個(gè)介于兩個(gè)FBG傳感器之間的應(yīng)力,那么就能夠?qū)θ我獯怪庇谳S向平面上的力進(jìn)行分析。由此,以FBG4和FBG5及FBG12和FBG13之間的應(yīng)力為例,測(cè)試結(jié)果圖3所示。當(dāng)應(yīng)力為500 N時(shí),最大形變值為0.04826 με,當(dāng)應(yīng)力為1000 N時(shí),最大形變值為0.06985 με。應(yīng)變值變化量較小的原因是為了模擬大型結(jié)構(gòu)(如汽車軸承、火車車輪等),仿真采用的是厚度較大的鋼體結(jié)構(gòu),其變化規(guī)律是一致的?？梢钥闯?當(dāng)外部受力不斷增大時(shí),對(duì)接底盤上的應(yīng)力場(chǎng)呈放射性分布,在圖3(a)中FBG12和FBG13之間可以看出,受外部應(yīng)力造成的兩端擴(kuò)散狀應(yīng)力等勢(shì)線,而到圖3(b)后其變化更為明顯。由此可知,采用FBG陣列可以很好的檢測(cè)裝配結(jié)構(gòu)體上異常受力的大小及分布范圍,通過波長(zhǎng)變化和對(duì)應(yīng)的FBG序號(hào),就能將異常的位置與程度反饋給處理系統(tǒng),從而完成自動(dòng)化裝配的在線校正。

5 實(shí) 驗(yàn)

5.1 標(biāo)定測(cè)試

在完成裝配位置應(yīng)力采集前,最重要的是對(duì)FBG陣列的應(yīng)力測(cè)試進(jìn)行標(biāo)定。測(cè)試主要完成溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)的測(cè)試和應(yīng)力與波長(zhǎng)變化規(guī)律的測(cè)試,應(yīng)力測(cè)試采用經(jīng)典的懸臂梁結(jié)構(gòu),如圖4(a)所示。作用有效距離為5.0 cm,FBG長(zhǎng)度3.0 mm,材料為鋼,彈性模量6.79×1010Pa,膨脹系數(shù)22.3 μm/mK[15]。外部施力值從0 N增加至200 N,每20 N記錄一次測(cè)試數(shù)據(jù),測(cè)試結(jié)果如圖4(b)所示。

(a)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)

(b)應(yīng)力測(cè)試曲線圖4 標(biāo)定測(cè)試實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果Fig.4 Stress test experiment and its test results

測(cè)試過程中,溫度漂移補(bǔ)償采用溫度測(cè)量FBG傳感器實(shí)現(xiàn),該FBG不受應(yīng)力影響。當(dāng)溫度變化時(shí),波長(zhǎng)變化量作為應(yīng)變測(cè)量FBG傳感器的溫度補(bǔ)償參數(shù)。在完成溫漂補(bǔ)償后,應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如圖4(b)所示,波長(zhǎng)增長(zhǎng)量關(guān)于應(yīng)力的變化關(guān)系約為0.0008 nm/N,可以看出在0～200N范圍內(nèi)其線性度很好。為了提高系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試范圍,可以采用校正數(shù)據(jù)庫(kù)的方式對(duì)測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)變值進(jìn)行標(biāo)定,從而使其適用于符合彈性變形的更大應(yīng)力響應(yīng)范圍。

5.2 軌跡校正測(cè)試

為了驗(yàn)證光纖傳感系統(tǒng)能夠?yàn)樽詣?dòng)化裝配控制模塊提供軌跡校正數(shù)據(jù),采用Polyga公司的R1X-Mono型三維掃描儀的測(cè)試數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試數(shù)據(jù),其視距45.5 cm,精度115 μm,可以精確反映裝配結(jié)構(gòu)的位置軌跡。在裝配結(jié)構(gòu)上粘貼用于對(duì)比位置信息的靶標(biāo)點(diǎn),從而分析本方法的位置軌跡測(cè)試精度。測(cè)試采用的結(jié)構(gòu)件厚度為10.0 mm,輪軸直徑20.0 mm,相比仿真體要小一些,所以考慮到其結(jié)構(gòu)承受能力,避免塑性變形,測(cè)試時(shí)采用的施力強(qiáng)度從10～200 N,測(cè)試結(jié)果偏差程度如表1所示。

表1 位置及軌跡校正測(cè)試Tab.1 Position and trajectory correction test

由表1的測(cè)試數(shù)據(jù)可知,當(dāng)外部施力逐漸增大時(shí),測(cè)試位置的最大位置偏移量也隨之增大,通過線性擬合可知,其函數(shù)為

y=0.0127x+0.2307

(4)

其中,x表示施力值,y表示測(cè)試點(diǎn)最大形變偏移量。由此可見,在0～200 N范圍內(nèi),形變偏移量與施力之間滿足0.0127 mm/N的變化關(guān)系。采用本系統(tǒng)的測(cè)試誤差絕對(duì)值均值為0.081 mm,相對(duì)誤差最大值為6.83 %,均值為5.27 %。并且從測(cè)試數(shù)據(jù)分布可以看出,隨著受力程度的增大,測(cè)試誤差明顯減小,分析認(rèn)為這是由于測(cè)試應(yīng)力增大使信號(hào)能量增強(qiáng),相比基礎(chǔ)白噪聲而言,總體信噪比提升造成的。有測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出,平均相對(duì)誤差約為5.27 %,符合設(shè)計(jì)需求。

6 結(jié) 論

本文利用光纖傳感網(wǎng)絡(luò)尺寸小、靈敏度高、抗電磁干擾的特性,將其應(yīng)用于自動(dòng)化裝配的軌跡校正領(lǐng)域。設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)裝配結(jié)構(gòu)的傳感陣列,仿真分析了不同裝配異常狀態(tài)下的應(yīng)力分布。實(shí)驗(yàn)對(duì)比了光纖傳感與光學(xué)掃描的位移偏差程度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,本系統(tǒng)的位置偏移精度與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試數(shù)據(jù)的平均相對(duì)誤差接近,符合設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)在自動(dòng)化裝配的軌跡校正中具有一定的應(yīng)用前景。