王 樂

（非凡智能機器人有限公司，遼寧沈陽 110153）

導(dǎo)彈艙段對接是導(dǎo)彈制造總裝成導(dǎo)彈總體的后期階段。對接技術(shù)的可靠性影響著導(dǎo)彈總體性能，對試飛試驗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，以及半自動化機械來對接組裝產(chǎn)品。這種對接方法對操作者技術(shù)水準(zhǔn)要求較高，且存在安全隱患。整個對接過程都是人工完成，導(dǎo)致人員勞動強度大，易疲勞，生產(chǎn)效率低。難以保證對接精度，容易出現(xiàn)返工問題。

在數(shù)字化與智能化技術(shù)的推動下，針對導(dǎo)彈對接過程中存在的問題，設(shè)計出導(dǎo)彈自動化對接系統(tǒng)，實現(xiàn)對接過程無人化生產(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，同時還兼顧了生產(chǎn)線的柔性化，可擴展性。為軍工發(fā)展奠定了新基礎(chǔ)。

1 導(dǎo)彈自動化對接系統(tǒng)主要設(shè)備組成

系統(tǒng)主要由對接測量機器人、產(chǎn)品對接工作臺、擰緊涂膠機器人和電控系統(tǒng)組成。占地總長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

對接測量機器人用于導(dǎo)彈對接前對各艙段精準(zhǔn)測量，測量結(jié)果用于虛擬仿真，便于整體組裝。

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

擰緊涂膠機器人用于對接后的產(chǎn)品擰緊螺栓和多個位置涂膠。

1.1 對接測量機器人

對接測量機器人主要由測量傳感器和測量機器人以及移動滑臺組成。

1.1.1 檢測識別算法

（1）對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、線段和基準(zhǔn)面（參考面）。

（2）利用工業(yè)相機和激光傳感器對工件端面進行拍照，并通過上位機算法對點云進行測量和計算，進而獲得端面與參考面之間的兩個偏離角。

（3）利用兩個偏離角算出后托輥Z與Y坐標(biāo)需要調(diào)整的量（此時前托輥不動），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)測工件端面與參考面是否平行，如果到達平行度要求，則輸出端面的圓心坐標(biāo)并進行下一步操作。如果沒有達到要求則繼續(xù)進行平行度檢測調(diào)整，直至達標(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動，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)相機對工件端口附近工件殼體上的定位標(biāo)定物進行拍照并通過匹配算法引導(dǎo)前后托輥同步滾動，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)以實現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整，通過控制整個托輥裝置的升降實現(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動，在距離前一個固定的對接工件3～5 mm 時停止。然后利用工業(yè)相機對兩個工件的位姿再次進行拍照計算，如果在允差范圍內(nèi)則繼續(xù)對接，如果超差則結(jié)合檢測結(jié)果，對后續(xù)工件按照第六步的相似方法進行位姿調(diào)整，直至達標(biāo)后開始進行兩個工件的對接。

（8）對接過程中力控系統(tǒng)實時監(jiān)測兩個工件的受力狀況，如果壓力值達到設(shè)定值、定位標(biāo)定物重合、插入深度也符合設(shè)定要求，則對接成功，系統(tǒng)保持對接狀態(tài)并啟動后續(xù)作業(yè)。如果壓力值達到設(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，或兩者同時發(fā)生則對接失敗。此時系統(tǒng)啟動重新定位程序，兩個工件分離，并重新按照第（5）、（6）、（7）、（8）條步驟執(zhí)行檢測、計算匹配和動作控制。

（9）如果連續(xù)對接兩次均不成功，系統(tǒng)保持對接不成功狀態(tài)并報警，請求人工處理。

1.1.2 測量機器人

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

機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，動軸數(shù)為6，重復(fù)定位精度為0.1mm，本體質(zhì)量為0525kg。機器人性能參數(shù)見表1。

表1 機器人工作范圍以及性能參數(shù)表

1.1.3 移動滑臺

移動滑臺主要由驅(qū)動機構(gòu)、架體、托鏈組成。采用移動滑臺打破了機器人測量原有范圍的限制。節(jié)省了因測量多處位置帶來的成本增高。

1.2 產(chǎn)品對接工作臺

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

產(chǎn)品對接工作臺主要由多個自由度調(diào)姿臺組成。分別為防形裝載體支撐托架、裝載體支撐托架、后段裝載體夾緊機構(gòu)、對接擰緊機構(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、絲杠升降機構(gòu)、對中機構(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控制完成。

1.2.2 對接擰緊機構(gòu)

對接擰緊機構(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軸組成。

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

1.2.3 后段裝載體夾緊機構(gòu)

后段裝載體夾緊機構(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驅(qū)動完成，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、裝載架和各機構(gòu)重量，支撐底座上裝配有導(dǎo)軌滑塊、齒條，以供其它機構(gòu)在底座上水平移動，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 擰緊涂膠機器人

擰緊涂膠機器人用于對接后的產(chǎn)品擰緊螺栓和部分位置涂膠工作。

擰緊機用于艙段對接后圓周方向和軸向方向擰緊。

擰緊工作流程：

（1）振動盤振動上料，分料器分出螺釘。

（2）擰緊模組的吸釘管吸取螺釘。

（3）擰緊工具帶動螺釘轉(zhuǎn)動，螺紋部涂抹螺紋膠。

（4）視覺拍照螺釘孔位置。

（5）對稱180°擰緊4組螺釘。

（6）順時針轉(zhuǎn)動20°，視覺拍照螺紋孔位置，對稱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

工作流程：

（1）機器人達到涂膠位置，電動工具帶動螺釘旋轉(zhuǎn)。

（2）點膠機啟動，點膠機沿螺釘上下軸線運動。

（3）涂膠完成，點膠機停止。

擰緊機器人和移動滑臺同對接測量機器人移動滑臺參數(shù)一致，不再敘述。

1.5 電控系統(tǒng)

根據(jù)項目總體設(shè)計要求，電控系統(tǒng)將本著自動化程度高，功能性強，容易操作，維修量小的原則設(shè)計。采用集中控制分工段管理的方式。控制系統(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生產(chǎn)線的運行狀態(tài)和運行數(shù)據(jù)。各工段作為分站子系統(tǒng)可獨立控制，通過現(xiàn)場總線形式與主站系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。執(zhí)行主站系統(tǒng)下發(fā)的指令，同時向主站系統(tǒng)反饋運行狀態(tài)。

生產(chǎn)線運行安全方面，根據(jù)設(shè)備對生產(chǎn)影響的程度以及對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，同時具有電磁兼容性和抗沖擊性，耐震動性能強等特點，能夠滿足各種復(fù)雜的自動化任務(wù)。

（2）監(jiān)控系統(tǒng)。HMI（觸摸屏）采用西門子彩色觸摸屏，通過觸摸屏可以對整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)、故障進行實時監(jiān)控，同時可以通過觸摸屏查找故障報警信息及故障點，方便維修人員進行故障查找和排除。

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，同時具有電磁兼容性和抗沖擊性，耐震動性能強等特點，能夠滿足各種復(fù)雜的自動化任務(wù)。

（2）監(jiān)控系統(tǒng)。HMI（觸摸屏）采用西門子彩色觸摸屏，通過觸摸屏可以對整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)、故障進行實時監(jiān)控，同時可以通過觸摸屏查找故障報警信息及故障點，方便維修人員進行故障查找和排除。

（3）伺服驅(qū)動系統(tǒng)。采用進口伺服系統(tǒng)，達到精確的進給速度控制，要求伺服電機在低速時有足夠大的輸出力矩且運行平穩(wěn)，以便在與機械運動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)計過程中，考慮工裝通用性，采用通過性設(shè)計，便于后續(xù)維修裝配，節(jié)約成本。如移動滑臺、產(chǎn)品組裝工作臺升降底座、支撐滾輪及滾輪座等。

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

3.2 可擴展性

工裝具備一定的兼容性擴展性。

（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

導(dǎo)彈自動化對接系統(tǒng)的可靠性從三個方面進行保障，機械方面、電氣方面和檢測方面。

（1）機械方面。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，保障了推進力的穩(wěn)定。

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

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

3.4 維修設(shè)計

（1）簡化維修方法。降低對維修人員能力要求，縮短維修時間。維修以換件為主，修理為輔。

（2）良好的維修可達性。產(chǎn)品設(shè)計時會考慮留有適當(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、維護和修理的通道。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化和互換性。設(shè)計時會優(yōu)先選用符合國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(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)品之間在實體上、功能上相同，能用一個代替另一個。

4 結(jié)束語

本文對導(dǎo)彈自動化對接系統(tǒng)相關(guān)問題進行了研究，主要完成內(nèi)容如下：

（1）根據(jù)導(dǎo)彈自身對接工藝并結(jié)合我國自動化對接裝配現(xiàn)狀，完成了導(dǎo)彈自動化對接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。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)姿臺其運動學(xué)模型，得出對接應(yīng)用路徑方案，通過上位機判斷取最優(yōu)路徑解，得到位姿逆運動學(xué)解。

（3）根據(jù)上位機指令多軸協(xié)同聯(lián)動達到精準(zhǔn)執(zhí)行。同時配合機器人自動化擰緊技術(shù)，實現(xiàn)了導(dǎo)彈自動化對接。