王 新，黃鳳春，王新星，徐曉淼，張凌東

(1.航天材料及工藝研究所，北京 100076；2.火箭軍駐某軍事代表室，北京 100076)

先進(jìn)的航天發(fā)射筒段往往采用復(fù)合材料，以減輕筒體質(zhì)量，提高發(fā)射車的機(jī)動作戰(zhàn)性能，并具有較好的耐高溫和減振性能[1]。某航天器用筒體由纖維纏繞成型的復(fù)合材料筒體和金屬材料端框通過對接組合為一體，但兩者的對接過程仍采用傳統(tǒng)工藝測量方法來控制精度，測量精度局限于傳統(tǒng)量具，整個過程嚴(yán)重依賴人工經(jīng)驗，缺乏對接過程在線檢測措施，對接效率低，質(zhì)量穩(wěn)定性較差；因此，在復(fù)合材料筒體對接過程中引入在線檢測技術(shù)，對提高對接效率和質(zhì)量穩(wěn)定性具有重要的意義和價值。

目前，采用在線檢測調(diào)整零部件間姿態(tài)已經(jīng)成為航空航天領(lǐng)域?qū)友b配的主要技術(shù)方法。裝配過程空間測量設(shè)備主要包括激光跟蹤儀、iGPS測量系統(tǒng)、激光雷達(dá)和攝影測量設(shè)備等，具有實時跟蹤測量、檢驗和校準(zhǔn)等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對接過程的在線檢測[2-3]。波音公司在多種型號飛機(jī)對接裝配中對激光跟蹤儀、iGPS等進(jìn)行了數(shù)字化跟蹤定位、對接在線調(diào)整的研究和應(yīng)用[4-5]。韓洪武等提出了通過電渦流傳感器在線檢測調(diào)整飛行器桁條裝配精度的方法，在壁板裝配中實現(xiàn)了實時監(jiān)控和零件姿態(tài)調(diào)整[6]。侯志霞等通過開發(fā)的自動對接測量系統(tǒng)，將對接測量點數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)迭代，直至產(chǎn)品數(shù)據(jù)合格[7]。由于被測對象自身遮擋嚴(yán)重以及轉(zhuǎn)站測量過于復(fù)雜等原因，上述大多研究成果不適用于大型筒體和端框?qū)舆^程的在線檢測，針對該類產(chǎn)品的在線檢測技術(shù)也鮮有研究成果。

本文通過基于多傳感器的工藝關(guān)鍵特征在線測量技術(shù)研究，實現(xiàn)了大型筒體對接過程檢測數(shù)據(jù)的采集、分析，通過開發(fā)的在線測量可視化軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了零部件姿態(tài)分析及調(diào)整數(shù)據(jù)可視化顯示，結(jié)合對接過程特點，研制開發(fā)了多傳感器在線檢測系統(tǒng)，并進(jìn)行了應(yīng)用試驗。

1 大型筒體對接特點及在線檢測方法

1.1 大型筒體對接特點

大型筒體長徑比達(dá)5～8，直徑>1.5 m，對接配合面為錐面，采用臥式對接方法實現(xiàn)復(fù)合材料的筒體和鋁合金端框的裝配。對接精度集中表現(xiàn)為端框端面的精確性等要求。影響對接精度的主要因素為自重導(dǎo)致的變形及零件制造誤差導(dǎo)致的誤差積累。自身較大的質(zhì)量及大的長徑比使得筒體產(chǎn)生圓度和軸線直線度的誤差，因此在對接過程中，應(yīng)先將2個零件進(jìn)行校形，再對各自的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，最后完成對接。由于場地的限制及轉(zhuǎn)站的復(fù)雜性，使得采用大型光學(xué)測量設(shè)備進(jìn)行裝配測量的方法可行性較差。為此，提出了一種采用多傳感器在線檢測對接工藝關(guān)鍵特征的方法，使得筒體校形和對接過程順利進(jìn)行，并保證了最終的對接過程精度要求。

1.2 在線檢測方法

該方法將筒體對接的關(guān)鍵性能指標(biāo)轉(zhuǎn)化為便于在線檢測和反饋的工藝關(guān)鍵特征，即筒體和端框內(nèi)圓徑向距離差值及均勻性以及兩者最終對接面間隙大小及均勻性，內(nèi)圓徑向距離差值及均勻性也可以描述為內(nèi)圓圓度誤差及兩者同軸度。通過激光三角法測量原理實現(xiàn)徑向誤差信息Δd2的快速檢測和反饋，將距離值轉(zhuǎn)化為圓跳動和同軸度。在可旋轉(zhuǎn)的在線檢測裝置的驅(qū)動下，能夠測得數(shù)據(jù)采集點至筒體內(nèi)圓面在周向的分布情況(見圖1)。通過分布數(shù)據(jù)和曲線計算得出其算術(shù)平均值，在每個相對測量角度上，實際測量數(shù)值和算術(shù)平均值的差值即為Δd2，根據(jù)對接裝置空間關(guān)系建立模擬坐標(biāo)系，并根據(jù)調(diào)整數(shù)據(jù)調(diào)整坐標(biāo)值及旋轉(zhuǎn)角度，即可實現(xiàn)內(nèi)圓圓度及同軸度的準(zhǔn)確性。

圖1 內(nèi)圓在線檢測徑向距離差值及均勻性周向分布圖

通過CCD傳感器接收間隙反射光源，并經(jīng)圖像去噪、sobel邊緣銳化、圖像增強和測量標(biāo)定等數(shù)據(jù)處理，得到對接面間隙值大小Δd1(見圖2)。測量數(shù)據(jù)通過軟件整理、顯示和反饋，根據(jù)零部件姿態(tài)、調(diào)整數(shù)據(jù)及兩者之間關(guān)聯(lián)性等，使筒體和端框進(jìn)行匹配調(diào)整，達(dá)到對接精度要求。

圖2 基于多傳感器的在線檢測方法

2 多傳感器在線檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 內(nèi)圓徑向距離差值及均勻性Δd2在線檢測方案設(shè)計

2.1.1 測量傳感器選擇

為克服接觸式位移檢測中的諸多缺點，徑向誤差信息的測量選用激光位移傳感器(Laser Displacement Sensor，LDS)，不僅提高了檢測速度，而且保護(hù)了被測工件表面免受劃傷，防止測量頭變形。該傳感器可與快速反饋跟蹤系統(tǒng)配合使用，通過CCD/PSD/CMOS所感應(yīng)到光束位置的不同，準(zhǔn)確、快速地測出表面的形狀與輪廓。

2.1.2 原理及方案設(shè)計

采用激光三角法的LDS的測量機(jī)理是將一束激光以某一角度聚焦在被測件表面，然后從另一角度對其表面上的激光光斑進(jìn)行成像。根據(jù)被測件表面激光照射點的位置不同，所接受散射或反射光線的角度也不同，用CCD測出光斑像的位置，即可計算出被測面激光照射點的位置。當(dāng)被測件沿激光光線方向發(fā)生移動時，測量結(jié)果將發(fā)生改變(見圖3)，據(jù)此可以得到被測距離或位移距離大小x為[8]：

(1)

式中，β為入射光線與接收透鏡軸線夾角；θ為CCD感光面與接收透鏡軸線夾角；L為接收透鏡的物距；L′為接收透鏡像距；x′為CCD光敏面采集到的2條光線的距離。

圖3 激光三角法測距原理圖

按照上述測量原理設(shè)計傳感器輸出方案，具體如下：1)測量系統(tǒng)導(dǎo)電滑環(huán)輸出電壓36 V，導(dǎo)電滑環(huán)在摩擦過程中容易產(chǎn)生雜波，為保證LDS所需的24 V的電壓，通過電路設(shè)計將濾波電路供電電壓降低至24 V；2)將傳感器輸出電流值轉(zhuǎn)換為電壓值，并設(shè)計A-D轉(zhuǎn)換模式，將電壓值轉(zhuǎn)換為距離值，LDS測量輸出原始值電流約為4～20 mA，為了將電流轉(zhuǎn)換成電壓，需要通過電阻及A-D轉(zhuǎn)換，之后即得到測量的距離。在A-D轉(zhuǎn)換中，通過ADC1的通道1(PA1)和通道2(PA2)來讀取外部電壓值，對每一個輸出電壓來說，一端插在多功能端口P14的ADC插針上(與PA1連接)，另外一端連接需測試的電壓點。

2.2 對接面間隙大小及均勻性Δd1在線檢測方案設(shè)計

2.2.1 傳感器選擇

CCD圖像傳感器具有自掃描、高分辨率、高靈敏度、結(jié)構(gòu)緊湊及像素位置準(zhǔn)確等特性，在光電檢測中，作為接收器件對物體幾何尺寸進(jìn)行非接觸測量的技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用；因此，選擇CCD圖像傳感器作為對接面間隙Δd1的測量元件。

2.2.2 方案設(shè)計

對采集的對接面間隙圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以得到間隙值大小，具體步驟如下。

1)圖像去噪。系統(tǒng)采用CCD傳感器成像系統(tǒng)攝取間隙的圖像，圖像采集模塊將獲得的圖像輸入圖像處理模塊，對其進(jìn)行去噪處理，得到盡量逼近真實的信息。

2)邊緣檢測。對圖像進(jìn)行邊緣檢測處理，目的是從圖像中提取縫隙的特征，并以此確定其邊界。

3)對RGB圖像進(jìn)行灰度處理、標(biāo)定及轉(zhuǎn)換。由于對接縫隙一側(cè)為金屬材質(zhì)端框，另一側(cè)為非金屬材質(zhì)筒體，對光線漫反射的程度不同。為了保證正確識別縫隙，需要預(yù)使用平滑差分法對圖像進(jìn)行信號增強處理，通過橫向掃描，以最大值確定縫隙邊界所在(見圖4和圖5)。

圖4 對接縫提取 圖5 灰度差值-像素點位置分布曲線

4)計算二維值。根據(jù)得到的以像素定位的邊界，結(jié)合實際測量參數(shù)(如放大倍率、相機(jī)分辨率等)，計算得間隙的二維尺寸。

2.3 在線檢測裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

在線檢測機(jī)構(gòu)繞筒體理論中心實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動，通過其內(nèi)部的直流伺服系統(tǒng)帶動傳感器組旋轉(zhuǎn)測量，通過編碼器實時反饋回轉(zhuǎn)角度值。測量架和中心軸之間通過精密軸承、齒輪傳動的形式進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動。傳感器組在測量架頂端，兩側(cè)為LDS，用于測量筒體和端框內(nèi)圓面的徑向誤差信息；中間部位設(shè)置CCD圖像傳感器，用于檢測對接縫間隙大小。傳感器的徑向、軸向位置尺寸精度通過機(jī)械方式和軟件進(jìn)行標(biāo)定、補償和轉(zhuǎn)化。

2.4 控制系統(tǒng)及軟件開發(fā)

在線檢測機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)采用單個控制核心，通過該控制核心可以控制LDS，CCD圖像傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以及機(jī)構(gòu)的運動單元(包括伺服電動機(jī)的速度和轉(zhuǎn)向)來完成測量過程。

在PC機(jī)VC++平臺上開發(fā)出在線測量數(shù)據(jù)處理可視化軟件系統(tǒng)。此測試軟件系統(tǒng)的功能主要有：1)人機(jī)交互接口，包括參數(shù)的輸入、實時數(shù)據(jù)的顯示、計算結(jié)果的顯示和對用戶輸入的響應(yīng)；2)數(shù)據(jù)采集的控制；3)數(shù)據(jù)的處理、分析，并對測量數(shù)據(jù)可視化處理。通過建立傳感器坐標(biāo)系和零部件姿態(tài)測量坐標(biāo)系之間的關(guān)系，完成LDS的非線性標(biāo)定與補償，將圓跳動數(shù)值轉(zhuǎn)化為采用最小包容區(qū)域法評估的圓輪廓圖像，并完成內(nèi)圓圓心擬合。通過上述對RGB圖像的提取、灰度處理，得到對縫間隙大小及曲線生成。

3 大型筒體和端框?qū)討?yīng)用驗證

以某航天器大型筒體類產(chǎn)品對接過程為例，對多傳感器在線檢測方法進(jìn)行應(yīng)用驗證。該筒體是由纖維纏繞成型的復(fù)合材料柱形筒體和金屬材料環(huán)形端框2個大部件組成，依靠各自的配合定位關(guān)系實現(xiàn)對接。采用多傳感器每次完成對接工藝關(guān)鍵特征在線檢測結(jié)束后，會對零部件姿態(tài)進(jìn)行反饋并顯示調(diào)整數(shù)據(jù)、調(diào)整過程以支承零部件的工裝調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實現(xiàn)，在線檢測及其調(diào)整過程如圖6所示。

圖6 大型筒體對接中多傳感器在線檢測流程

在線檢測及調(diào)整具體過程如下。

1)筒體等零部件固定在各自安裝位置后，在在線檢測軟件界面輸入測量轉(zhuǎn)速、測量方向、數(shù)據(jù)采集類型和測量頻率等參數(shù)。

2)起動電動機(jī)進(jìn)行初步測量。初步測量時，數(shù)據(jù)采集類型應(yīng)只對內(nèi)圓徑向數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并做出調(diào)整，因此只起動LDS。在線檢測軟件平臺上顯示的初步測量可視化周向分布圖如圖7所示。據(jù)此，首先調(diào)整內(nèi)圓上0°(360°)、90°、180°和270°等4點處的徑向距離并使其均勻化，間接使得兩者中心初步同軸，滿足對接要求；然后調(diào)整其他點內(nèi)圓徑向差值均勻性，要求Δd2≤0.2 mm。

3)試對接使兩部件對縫間隙達(dá)到CCD傳感器量程范圍內(nèi)，同時起動全部傳感器進(jìn)行掃描檢測。此步驟以檢測對縫間隙均勻性Δd1為主，并觀察Δd2變化情況，最終使兩者達(dá)到對接精度要求。最終在線檢測軟件平臺中顯示的Δd1和Δd2周向分布曲線分別如圖8和圖9所示。

4)達(dá)到精度要求后，進(jìn)行正式對接并完成最終筒體連接固定。

圖7 初始狀態(tài)時筒體和端框Δd2周向分布可視化曲線

圖8 調(diào)整完成狀態(tài)時筒體和端框Δd2周向分布可視化曲線

圖9 調(diào)整完成狀態(tài)時筒體/端框?qū)涌p間隙Δd1周向分布可視化曲線

經(jīng)調(diào)整和檢測結(jié)果表明，筒體對接最終檢測后端徑向跳動差值均勻性Δd2為0.154 mm，前端為0.19 mm，均能保證在0.2 mm以內(nèi)；后端對接面間隙均勻性Δd1為0.084 mm，前端為0.079 mm，均能保證在0.1 mm以內(nèi)。因此，基于多傳感器的在線檢測方法能夠很好地控制對接過程工藝關(guān)鍵特征的精度，在檢測軟件可視化界面及自動計算出的調(diào)整數(shù)據(jù)的指導(dǎo)下，能夠完成零部件姿態(tài)及精度的調(diào)整。

4 結(jié)語

本文提出的多傳感器在線檢測方法能夠?qū)崿F(xiàn)對大型筒體對接過程中精度的有效控制。多傳感器在線檢測系統(tǒng)中采用激光位移和CCD圖像傳感器對工藝關(guān)鍵特征進(jìn)行測量，結(jié)合機(jī)械及控制系統(tǒng)、測量可視化軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的處理和分析，得到可視化的零部件姿態(tài)及調(diào)整數(shù)據(jù)。采用上述方法對某航天器大型筒體產(chǎn)品進(jìn)行的應(yīng)用試驗，結(jié)果表明，筒體對接過程中內(nèi)圓徑向誤差調(diào)節(jié)精度有效控制在0.2 mm以內(nèi)，對接面間隙精度有效控制在0.1 mm以內(nèi)，滿足了對接精度要求，驗證了該方法在對接過程中相關(guān)精度控制的有效性和準(zhǔn)確性。