劉賽華，晉嚴(yán)尊，湯 輝

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，洛陽(yáng) 471009)

0 引言

空空導(dǎo)彈是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)爭(zhēng)奪制空權(quán)的決定性裝備，其產(chǎn)能提升不僅是維護(hù)國(guó)家安全的需要，也是增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、提高經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵所在[1]。產(chǎn)能提升的一個(gè)重要途徑就是在保證裝調(diào)質(zhì)量和安全性的前提下提升生產(chǎn)線各工位的效能，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵工序的自動(dòng)化、智能化。雷達(dá)系列空空導(dǎo)彈是由多個(gè)艙段組成，具有尺寸小、質(zhì)量大、對(duì)接面特征復(fù)雜等特點(diǎn)[2]。導(dǎo)彈艙段對(duì)接裝配作為導(dǎo)彈總裝的首要環(huán)節(jié)，其裝配質(zhì)量和效率直接影響后續(xù)工序的生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行效果。

人工對(duì)接需人工觀察并手動(dòng)調(diào)節(jié)托架，使各艙段的軸線方向及圓周對(duì)準(zhǔn)[3]。因各艙段重量較大、艙段間配合公差較小等因素，僅依靠人工較難快速將各艙段間的同軸度誤差和圓周方向上定位銷與定位槽的對(duì)準(zhǔn)偏差調(diào)整到要求范圍內(nèi)，對(duì)接過(guò)程繁重且效率低下。

針對(duì)人工對(duì)接過(guò)程中存在的效率低、精度和質(zhì)量難以保證等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外企業(yè)和高校均開展了自動(dòng)對(duì)接相關(guān)技術(shù)研究。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所采用雙目視覺(jué)技術(shù)對(duì)艙段特征進(jìn)行檢測(cè)與識(shí)別[4]。王丙戌[5]建立了基于D-H方法的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并采用微小位移合成法對(duì)對(duì)接機(jī)構(gòu)的誤差模型進(jìn)行描述。上述系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)彈艙段的對(duì)接，但是存在工裝設(shè)備復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)。

本文通過(guò)對(duì)某新型雷達(dá)空空導(dǎo)彈艙段對(duì)接工藝流程進(jìn)行研究，針對(duì)導(dǎo)彈艙段自動(dòng)化對(duì)接過(guò)程中存在的艙段尺寸小且質(zhì)量大、對(duì)接面特征復(fù)雜等問(wèn)題，將三坐標(biāo)及視覺(jué)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于自動(dòng)化對(duì)接系統(tǒng)中，并通過(guò)6自由度平臺(tái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化姿態(tài)調(diào)整，具有對(duì)接效率高、設(shè)備成本低等優(yōu)勢(shì)，具有容易推廣的特點(diǎn)。

1 對(duì)接工藝流程

某新型導(dǎo)彈的艙段對(duì)接主要完成導(dǎo)引艙、飛行控制艙、過(guò)渡段和舵機(jī)艙的機(jī)械和電氣連接，如圖1所示。導(dǎo)彈各艙段間軸線方向上為軸孔間隙配合，并用楔塊和螺釘完成緊固，圓周方向上用定位銷與定位槽完成限位，如圖2所示。

圖1 導(dǎo)彈組成

圖2 艙段間周向定位銷、定位槽

對(duì)接過(guò)程中，以某一艙段作為基準(zhǔn)艙段，對(duì)相鄰艙段的軸線及圓周方向的偏差進(jìn)行測(cè)量與調(diào)整。對(duì)接工藝如圖3所示。導(dǎo)彈艙段自動(dòng)對(duì)接即整個(gè)對(duì)接過(guò)程全程少人參與或不需要人工參與，包括艙段對(duì)接過(guò)程以及對(duì)接完成后的自動(dòng)檢測(cè)過(guò)程，全部依賴于自動(dòng)化設(shè)備。導(dǎo)彈艙段自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)工作時(shí)，艙段位置和姿態(tài)調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)外部測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)得的導(dǎo)彈艙段實(shí)時(shí)位置和姿態(tài)信息，對(duì)艙段的位姿進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)接。對(duì)接過(guò)程需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

(1)自動(dòng)測(cè)量導(dǎo)彈各艙段間的位姿(同軸度)偏差，并將相鄰艙段的中心軸線調(diào)至誤差允許范圍之內(nèi)；自動(dòng)測(cè)量導(dǎo)彈各艙段間圓周方向上定位銷與定位槽的對(duì)準(zhǔn)偏差，并使艙段繞中心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，完成定位銷與定位槽對(duì)準(zhǔn)。

(2)通過(guò)控制系統(tǒng)將測(cè)量的誤差反饋到6自由度平臺(tái)進(jìn)行調(diào)整，需要對(duì)6自由度并聯(lián)平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與求解，實(shí)現(xiàn)各艙段的精準(zhǔn)對(duì)接。

圖3 自動(dòng)對(duì)接工藝流程圖

2 對(duì)接系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)主要由3個(gè)6自由度并聯(lián)平臺(tái)(也稱Steward平臺(tái))、1個(gè)固定平臺(tái)、工業(yè)相機(jī)(機(jī)器視覺(jué))、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(此處也稱龍門檢測(cè)裝置)組成，如圖4所示，組成框圖如圖5所示。

圖4 自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)組成圖

圖5 自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)組成框圖

各艙段固定在對(duì)接平臺(tái)后，通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)各個(gè)艙段的軸線位置，通過(guò)工業(yè)相機(jī)掃描各艙段定位銷和定位槽的空間位置，并將信息傳至控制系統(tǒng)并發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)Stewart平臺(tái)帶動(dòng)各艙段做相對(duì)位置調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)各艙段的精確對(duì)接。

2.1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(龍門檢測(cè)裝置)

采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(龍門檢測(cè)裝置)對(duì)接系統(tǒng)的支撐平臺(tái)，同時(shí)在測(cè)量機(jī)上搭載雷尼紹OMP40超小型測(cè)頭組件和工業(yè)視覺(jué)相機(jī)，如圖6所示。

圖6 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的X、Y、Z軸帶動(dòng)雷尼紹測(cè)頭對(duì)產(chǎn)品內(nèi)圓進(jìn)行不少于4個(gè)點(diǎn)(不同位置)的觸碰，根據(jù)4個(gè)點(diǎn)的空間位置確定出內(nèi)圓的圓心，根據(jù)兩個(gè)圓心確定該段彈體軸線的空間位置，此時(shí)6自由度并聯(lián)平臺(tái)將各段彈體按軸線位置進(jìn)行6自由度調(diào)整從而保證各個(gè)軸線水平同軸；通過(guò)Z軸帶動(dòng)測(cè)頭對(duì)產(chǎn)品端面觸碰測(cè)出彈體之間間距。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)通過(guò)測(cè)頭提取導(dǎo)彈端面上多個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值(至少4個(gè)點(diǎn))以及用于艙段前后圓心計(jì)算的點(diǎn)的坐標(biāo)值(一個(gè)圓心由4個(gè)點(diǎn)擬合得到)，即一個(gè)艙段要測(cè)量12個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)，從而計(jì)算出彈體艙段的坐標(biāo)系。

2.2 工業(yè)相機(jī)(機(jī)器視覺(jué))

針對(duì)對(duì)接過(guò)程中定位銷和定位槽的角度偏差測(cè)量，保證旋轉(zhuǎn)艙段定位銷和定位槽位置一致，系統(tǒng)在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上搭載工業(yè)相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)。定位槽外漏于彈體外表面，通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)可直接識(shí)別。定位銷位于彈體內(nèi)部且容易被漆層覆蓋，影響視覺(jué)系統(tǒng)的識(shí)別效果，因此系統(tǒng)采用視覺(jué)輔助塊將定位銷的位置引出。

2.3 6自由度并聯(lián)平臺(tái)

6自由度并聯(lián)平臺(tái)主體部分為6自由度并聯(lián)機(jī)器人，又稱為Stewart平臺(tái)[6]，由上下兩個(gè)平臺(tái)、中間6個(gè)伸縮缸，以及上下各6個(gè)虎克鉸(或球鉸)組成6-6形機(jī)構(gòu)[7]。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了6自由度并聯(lián)對(duì)接平臺(tái)，可對(duì)彈體軸線進(jìn)行仰俯、偏航、橫滾、X軸、Y軸、Z軸的微量調(diào)整，A軸(調(diào)整軸)對(duì)彈體進(jìn)行圓周方向調(diào)整，X軸(對(duì)接軸)進(jìn)行多個(gè)彈體的整體對(duì)接，卡環(huán)間距調(diào)整軸可對(duì)卡環(huán)進(jìn)行間距調(diào)整，以適應(yīng)多種彈型(彈體長(zhǎng)度不同)，平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖7所示。上平臺(tái)與下平臺(tái)通過(guò)6個(gè)伸縮缸和虎克鉸連接。通過(guò)6個(gè)伸縮缸的共同運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)上平臺(tái)沿X、Y、Z的平移以及繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖7 6自由度并聯(lián)對(duì)接平臺(tái)

采用具有長(zhǎng)度小、易安裝等優(yōu)點(diǎn)的折返式電動(dòng)缸作為伸縮缸，如圖8所示?？梢酝ㄟ^(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)推桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖8 升縮缸結(jié)構(gòu)示意圖

姿態(tài)調(diào)整過(guò)程中須對(duì)對(duì)接平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中以底座作為運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)，調(diào)整艙段固定于上平臺(tái)，因此，需要建立上平臺(tái)與下平臺(tái)之間的相對(duì)位姿關(guān)系。本文構(gòu)建了兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)用于描述上平臺(tái)與下平臺(tái)的相對(duì)位姿關(guān)系：分別是下平臺(tái)坐標(biāo)系OXYZ和上平臺(tái)坐標(biāo)系O′X′Y′Z′，兩坐標(biāo)系位于上、下平臺(tái)的中心，如圖9所示。

圖9 對(duì)接運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)對(duì)接平臺(tái)的結(jié)構(gòu)關(guān)系，上平臺(tái)鉸點(diǎn)在動(dòng)坐標(biāo)系O′X′Y′Z′中的坐標(biāo)向量可以表述為：

(1)

下平臺(tái)鉸點(diǎn)在靜坐標(biāo)系OXYZ中的坐標(biāo)向量表述為：

(2)

設(shè)坐標(biāo)系O′X′Y′Z′原點(diǎn)O′在坐標(biāo)系OXYZ中相對(duì)位移為q1、q2、q3，轉(zhuǎn)動(dòng)姿態(tài)角為q4、q5、q6[8]。動(dòng)坐標(biāo)系O′X′Y′Z′與靜坐標(biāo)系OXYZ之間可以用一個(gè)坐標(biāo)變換矩陣實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。平臺(tái)分別繞x軸、y軸、z軸旋轉(zhuǎn)角度q4、q5、q6，可分別得旋轉(zhuǎn)矩陣Rx、Ry、Rz，動(dòng)坐標(biāo)系到靜坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣R如下：

(3)

式中，s表示sin(·)；c表示cos(·)。

變換矩陣R可以表述為齊次坐標(biāo)形式為：

(4)

式中，P為坐標(biāo)系O′X′Y′Z′原點(diǎn)O′在坐標(biāo)系OXYZ中的位置。

對(duì)接平臺(tái)的位置反解即是給定上平臺(tái)在空間中的位姿q，求解6個(gè)伸縮缸的位移、速度、加速度等[9]。

初始位置時(shí)的長(zhǎng)度l0。伸縮缸長(zhǎng)度li與上平臺(tái)及下平臺(tái)鉸點(diǎn)坐標(biāo)之間的變換關(guān)系為[10]：

(5)

由式(5)可知位移變化量Δli能夠由上、下鉸點(diǎn)之間的距離和初始長(zhǎng)度l0來(lái)確定，即：

(6)

求得6個(gè)伸縮缸的伸縮量后將伸縮量反饋到控制系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)艙段間軸線精準(zhǔn)對(duì)接。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)接平臺(tái)共17個(gè)軸，其中包括并聯(lián)平臺(tái)，第7軸和卡環(huán)旋轉(zhuǎn)部分。采用SIMOTION D435[11]作為控制系統(tǒng)核心。

龍門檢測(cè)裝置采用828D數(shù)控系統(tǒng)三坐標(biāo)形式，共X、Y、Z三個(gè)軸，其中X軸為龍門軸。在Z軸末端安裝有雷尼紹測(cè)頭，通過(guò)OPC_UA把測(cè)試數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)軟件進(jìn)行處理。龍門檢測(cè)裝置828D與SIMOTION D435運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)間采用N/PN Coupler網(wǎng)絡(luò)耦合進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

上位機(jī)采用工業(yè)級(jí)研華工控機(jī)，并配置了多網(wǎng)卡，分別控制SIMOTION、828D及工業(yè)視覺(jué)相機(jī)，還預(yù)留一個(gè)網(wǎng)卡給管控系統(tǒng)使用。在上位機(jī)中安裝了對(duì)接控制軟件，該軟件集成視覺(jué)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制、數(shù)據(jù)采集通訊處理等功能，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)彈位姿調(diào)整及對(duì)接，定位銷、定位槽對(duì)準(zhǔn)等功能。對(duì)接系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)的自動(dòng)化對(duì)接平臺(tái)上進(jìn)行，對(duì)接過(guò)程包括三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量艙段間軸線偏差、并聯(lián)平臺(tái)調(diào)整、機(jī)器視覺(jué)測(cè)量艙段間定位銷與定位槽的對(duì)準(zhǔn)偏差、并聯(lián)平臺(tái)調(diào)整。采用3發(fā)導(dǎo)彈進(jìn)行了9次對(duì)接實(shí)驗(yàn)，9次平均對(duì)接總時(shí)間為13.8 min，成功率達(dá)到100%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，與人工對(duì)接(25 min)相比，自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)效率提升81.1%，減少了工人數(shù)量并減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。

表1 艙段對(duì)接實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

通過(guò)分析導(dǎo)彈艙段人工對(duì)接工藝過(guò)程的突出問(wèn)題，本文研究并提出了一種面向自動(dòng)化的導(dǎo)彈艙段自動(dòng)對(duì)接工藝以及工程化實(shí)現(xiàn)方法?；?自由度并聯(lián)平臺(tái)調(diào)整機(jī)構(gòu)，以及三坐標(biāo)和視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套導(dǎo)彈艙段自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)，通過(guò)多批次產(chǎn)品樣本實(shí)物的工程驗(yàn)證，證明了該工藝方法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性、高效性和可靠性。目前此研究成果已成功應(yīng)用于某導(dǎo)彈總裝自動(dòng)化生產(chǎn)線，艙段對(duì)接效率提升81.1%，有效支撐了某重點(diǎn)型號(hào)交付的產(chǎn)能提升。該研究成果對(duì)于相類似的小尺寸飛行器自動(dòng)化對(duì)接應(yīng)用領(lǐng)域也具有潛在的應(yīng)用推廣價(jià)值。