空心圓柱體艙段柔性對(duì)接裝置設(shè)計(jì)

摘 要：目前國(guó)內(nèi)空心圓柱體艙段在對(duì)接過(guò)程中有很多問(wèn)題，例如艙段對(duì)接面定位、特征復(fù)雜、艙段質(zhì)量大、多采用手工操作、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品合格率不高等。因此本文提出了一種空心圓柱體艙段自動(dòng)柔性對(duì)接裝置以及工程實(shí)現(xiàn)方法。利用視覺(jué)測(cè)量裝置、姿態(tài)調(diào)整裝置，保證圓柱體艙段一次對(duì)接成功。根據(jù)實(shí)際對(duì)接裝配的結(jié)果反饋，在使用該對(duì)接裝置后，對(duì)接精度更高，對(duì)接過(guò)程更方便，速度更快，可有效提高圓柱體艙段對(duì)接的效率和產(chǎn)品合格率。

關(guān)鍵詞：艙段對(duì)接；姿態(tài)調(diào)整；視覺(jué)測(cè)量

中圖分類(lèi)號(hào)：V 26" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

空心圓柱體艙段的產(chǎn)品常采用分段模塊化制造，再將各分段模塊進(jìn)行精確對(duì)接，為使裝配對(duì)接過(guò)程精確高效，在裝配前會(huì)對(duì)兩個(gè)需要的對(duì)接的艙段進(jìn)行位姿調(diào)整，因此艙段對(duì)接工序是這類(lèi)產(chǎn)品在總裝過(guò)程中最重要的工序。在滿(mǎn)足安全生產(chǎn)和裝配質(zhì)量的前提下，提高產(chǎn)能的重點(diǎn)是提高各站位的效率，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵工序的自動(dòng)化。本文以國(guó)內(nèi)某型圓柱體艙段產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)為例進(jìn)行研究，其產(chǎn)品是由多個(gè)艙段對(duì)接組合而成，其中部分艙段會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量過(guò)大，配合端的對(duì)接面特征復(fù)雜等情況，在裝配的過(guò)程中主要通過(guò)人工搬運(yùn)艙段至轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)，然后手動(dòng)調(diào)整輔助工裝來(lái)保持艙段的空間位置及姿態(tài)達(dá)到可對(duì)接的要求后，人工推動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)移動(dòng)并適時(shí)調(diào)整以完成對(duì)接。

但是這種對(duì)接方法對(duì)作業(yè)員的技術(shù)操作水準(zhǔn)要求高，同時(shí)存在安全隱患，且在對(duì)接的過(guò)程中均由人工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，難以保證對(duì)接精度，容易出現(xiàn)配合尺寸超差的問(wèn)題，產(chǎn)品合格率低，直接影響生產(chǎn)裝配效率和質(zhì)量。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種空心圓柱體艙段對(duì)接裝置，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品總裝對(duì)接過(guò)程中的艙段自動(dòng)對(duì)接，同時(shí)具有對(duì)接效率高，造價(jià)成本低等優(yōu)勢(shì)。

1 柔性對(duì)接裝置原理設(shè)計(jì)

某空心圓柱體艙段的對(duì)接任務(wù)主要是完成制導(dǎo)引信艙、ZD部對(duì)接，產(chǎn)品艙段對(duì)接端均采用軸孔的間隙配合，在端面的一圈有一組定位銷(xiāo)與銷(xiāo)槽，如圖1所示。

在產(chǎn)品對(duì)接的過(guò)程中，通常將一段產(chǎn)品固定作為對(duì)接開(kāi)始的基準(zhǔn)，另一段由作業(yè)人員手動(dòng)放置到合適的位置，然后設(shè)備根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)反饋伺服控制系統(tǒng)開(kāi)始自動(dòng)調(diào)整，調(diào)整完畢后進(jìn)行自動(dòng)對(duì)接，整個(gè)過(guò)程基本不需要人工操作，全部靠設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)此自動(dòng)過(guò)程，需要解決以下兩個(gè)主要問(wèn)題。1）精確測(cè)量?jī)蓚€(gè)需要對(duì)接的艙段之間的空間相對(duì)位置，找到各自艙段的圓心點(diǎn)和兩個(gè)艙段上各自對(duì)應(yīng)的銷(xiāo)釘與銷(xiāo)槽孔，使其中一個(gè)艙段可繞其軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)并調(diào)整，完成銷(xiāo)釘與銷(xiāo)槽孔的精確對(duì)位[1]。2）設(shè)計(jì)調(diào)整機(jī)構(gòu)可以達(dá)到與作業(yè)員手動(dòng)操作時(shí)相同的靈活性，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)直線(xiàn)機(jī)構(gòu)可以使艙段在X、Y、Z軸移動(dòng)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)對(duì)接所需偏角。

2 柔性對(duì)接裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

柔性對(duì)接裝置主要結(jié)構(gòu)是由對(duì)接平臺(tái)基座、多軸調(diào)節(jié)裝置、視覺(jué)測(cè)量裝置、旋轉(zhuǎn)調(diào)整裝置組成，如圖2所示。

作業(yè)人員先利用吊裝設(shè)備將制導(dǎo)引信艙放到旋轉(zhuǎn)調(diào)整裝置上，再將ZD部放到多軸調(diào)節(jié)裝置，設(shè)備啟動(dòng)，用視覺(jué)測(cè)量裝置對(duì)兩個(gè)需要對(duì)接艙段端面進(jìn)行掃描測(cè)量，測(cè)得數(shù)據(jù)后反饋控制系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)調(diào)整裝置自動(dòng)調(diào)整制導(dǎo)引信艙角度，調(diào)整完畢后繼續(xù)測(cè)量，多軸調(diào)節(jié)裝置開(kāi)始X、Y、Z三軸移動(dòng)調(diào)整，最終使制導(dǎo)引信艙與ZD部精確對(duì)接[2]。

2.1 旋轉(zhuǎn)調(diào)整裝置

根據(jù)前面對(duì)接過(guò)程中需要調(diào)整制導(dǎo)引信艙的旋轉(zhuǎn)需求，設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)調(diào)整裝置，整體由防爆伺服電機(jī)（作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)）、旋轉(zhuǎn)抱箍（用于固定產(chǎn)品）、抱箍旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置組成，如圖3所示。

旋轉(zhuǎn)調(diào)整裝置安裝在直線(xiàn)導(dǎo)軌上，可根據(jù)不同艙段的尺寸自動(dòng)調(diào)整兩組裝置之間的間距，適用于多種型號(hào)產(chǎn)品支撐，旋轉(zhuǎn)抱箍由三段式分體結(jié)構(gòu)組成一個(gè)環(huán)形，內(nèi)部與產(chǎn)品接觸部分是具有一定彈性的聚氨酯支撐塊，可有效保護(hù)產(chǎn)品，同時(shí)可以保證旋轉(zhuǎn)調(diào)整時(shí)產(chǎn)品與機(jī)構(gòu)之間不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，可以根據(jù)產(chǎn)品型號(hào)，調(diào)整更換其內(nèi)部的聚氨酯支撐塊，其適用于多種產(chǎn)品固定，具備一定的柔性化。

抱箍旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)部主要是由多組齒輪組與兩個(gè)摩擦輪組成，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)兩個(gè)摩擦輪同向轉(zhuǎn)動(dòng)，在底部以及凹槽兩側(cè)增加多組限位機(jī)構(gòu)，可限定旋轉(zhuǎn)抱箍的軸向和上下竄動(dòng)。

通過(guò)以上設(shè)計(jì)，可以對(duì)旋轉(zhuǎn)抱箍帶動(dòng)產(chǎn)品進(jìn)行角度調(diào)整。

2.2 視覺(jué)測(cè)量裝置

針對(duì)對(duì)接過(guò)程中的艙段圓心以及銷(xiāo)槽孔與銷(xiāo)釘?shù)亩ㄎ恍枨?，研究設(shè)計(jì)了視覺(jué)測(cè)量裝置，該裝置使相機(jī)和光源具有Z軸、Y軸、R軸調(diào)節(jié)功能，可達(dá)到最佳拍攝測(cè)量位置，裝置如圖4所示。

測(cè)量系統(tǒng)先用blob分析做粗定位，建立ROI基準(zhǔn)，通過(guò)輪廓分別提取銷(xiāo)槽孔和銷(xiāo)釘?shù)娜瓮鈭A輪廓，再擬合圓得到圓心。用找直線(xiàn)和幾何關(guān)系求出缺口和銷(xiāo)釘?shù)闹行狞c(diǎn)，再用各自擬合圓圓心和銷(xiāo)槽孔的中心點(diǎn)、銷(xiāo)釘?shù)闹行狞c(diǎn)所在的直線(xiàn)分別與垂直軸做夾角，計(jì)算銷(xiāo)釘旋轉(zhuǎn)到缺口所需的角度，并反饋控制系統(tǒng)。

相機(jī)拍照?qǐng)A弧3個(gè)位置擬合圓心，計(jì)算圓柱與基準(zhǔn)圓柱水平、垂直方向偏差。

目前單像素精度0.0244mm，特征邊緣有3～4個(gè)過(guò)度像素，因此視覺(jué)定位精度為±0.0976mm，可滿(mǎn)足±0.5mm安裝定位的精度要求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)接。

2.3 多軸調(diào)節(jié)裝置

多軸調(diào)節(jié)裝置如圖5所示，主要由固定基座、X軸調(diào)節(jié)、Y軸調(diào)節(jié)、Z軸調(diào)節(jié)、R軸調(diào)節(jié)、輔助偏角調(diào)整、力矩監(jiān)測(cè)裝置組成。

X軸調(diào)節(jié)采用高精度直線(xiàn)滑軌配合滾珠絲杠作為自動(dòng)對(duì)接的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，由底部的防爆伺服電機(jī)提供動(dòng)力，整體安裝在下部的固定基座上[3]，如圖6所示。

力矩監(jiān)測(cè)裝置如圖6安裝位置，其內(nèi)部含力矩傳感器，可以用于實(shí)時(shí)監(jiān)控對(duì)接時(shí)的力矩，當(dāng)對(duì)接時(shí)力矩值超過(guò)設(shè)定的保護(hù)值時(shí)，對(duì)接停止，人工介入，確定調(diào)整后再進(jìn)行對(duì)接任務(wù)，保障自動(dòng)對(duì)接過(guò)程的安全。

在豎直直線(xiàn)滑軌上安裝Z軸調(diào)節(jié)移動(dòng)部分，固定端安裝在X軸調(diào)節(jié)板上，由滾珠絲杠配合電機(jī)驅(qū)動(dòng)Z向移動(dòng)，如圖7所示。

Y軸調(diào)節(jié)移動(dòng)部分與X軸的驅(qū)動(dòng)類(lèi)似，采用高精度直線(xiàn)滑軌作為導(dǎo)向，電機(jī)提供輸入動(dòng)力，整體安裝在Z軸調(diào)節(jié)的滑動(dòng)端，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)裝置上部分的Y向移動(dòng)，如圖8所示。

采用同步帶和齒形輪設(shè)計(jì)R軸旋轉(zhuǎn)部分，由伺服電機(jī)根據(jù)視覺(jué)測(cè)量裝置測(cè)測(cè)量數(shù)據(jù)，將其反饋到伺服機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)控制角度偏轉(zhuǎn)，如圖9所示。

采用配重砝碼和傾角調(diào)整擺桿作為輔助偏角調(diào)整裝置，模擬人工對(duì)接時(shí)的晃動(dòng)調(diào)整，使整體對(duì)接更為順暢，接近真實(shí)對(duì)接情況，如圖10所示。

3 對(duì)接驗(yàn)證及結(jié)果

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的裝置是否滿(mǎn)足自動(dòng)對(duì)接以及對(duì)接的要求[4]，在設(shè)計(jì)好的柔性對(duì)接裝置上進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)接過(guò)程包括調(diào)整兩個(gè)需要對(duì)接艙段的圓心基準(zhǔn)、調(diào)整銷(xiāo)釘與銷(xiāo)槽孔的對(duì)位、完成柔性自動(dòng)對(duì)接。

在完成對(duì)接艙段的圓心基準(zhǔn)調(diào)整后，使用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)量，得出兩個(gè)艙段的基準(zhǔn)偏差，重復(fù)進(jìn)行10次測(cè)量，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，由表1結(jié)果可知，最大的圓心基準(zhǔn)偏差值為0.143mm，遠(yuǎn)低于0.5mm的最大值，滿(mǎn)足自動(dòng)調(diào)整的需求。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知，對(duì)3個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行9次艙段對(duì)接試驗(yàn)，9次的平均對(duì)接時(shí)間為5.44min，成功率為100%。與人工對(duì)接時(shí)長(zhǎng)（7.56min）相比，時(shí)間縮短28%，不僅提高了工作效率，還減少了相應(yīng)人力成本、降低了作業(yè)員勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 結(jié)論

為解決現(xiàn)有空心圓柱體艙段對(duì)接過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，本文提出一種可提高自動(dòng)化程度的空心圓柱體艙段自動(dòng)對(duì)接的工程實(shí)現(xiàn)方法，基于視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)配合自動(dòng)柔性對(duì)接裝置，設(shè)計(jì)了一套完整的圓柱體艙段自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)，通過(guò)多批次、重復(fù)的樣品測(cè)試和工程驗(yàn)證，證明該對(duì)接系統(tǒng)具有高效性、準(zhǔn)確性、可靠性，也可應(yīng)用于同種類(lèi)似產(chǎn)品對(duì)接，為未來(lái)更多小型空心圓柱體艙段對(duì)接工作提供了技術(shù)支持。

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