王春霞,劉云朋,張 利

(1.焦作大學機電工程學院,河南 焦作 454000;2.焦作大學信息工程學院,河南 焦作 454000)

1 引 言

自動化裝配技術是當前智慧工廠與智能車間的研究重點[1],而實現自動化智能裝配的核心是裝配工裝可以根據裝配狀態(tài)進行自適應調節(jié)裝配路徑。

現有的自動化智能裝配在線調整方法主要有激光掃描法和圖像匹配法,激光掃描設備包括采用iGPS(indoor Global Position System,室內全域定位系統(tǒng))、NDI(Non-Destructive Inspection,無損檢測)等[2]設備,圖像匹配法包括采用雙面測量儀[3]、三目測量儀[4]等。美國波音公司在777MAX飛行器上采用了智能裝配技術,其中大部件對接就采用了iGPS與AGV(Automated Guided Vehicle,自動導引運輸車)聯(lián)動技術,大大縮短了裝配時間和提高了裝配精度[5]。德國EcoPositioner系統(tǒng)開發(fā)的模塊化定位技術,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獲得實時裝配體位置信息[6]。我國上海飛機制造有限公司研制的國內首套智能裝配生產線在部分裝配車間實現了無人化裝配[7]。

激光雷達[8-10]與圖像匹配技術在都存在受視場可達性限制及易受環(huán)境干擾的問題[11]。由此,基于光纖的柔性感知方式應運而生。2019年,Sidney等人[12]提出采用特殊FBG在航空航天復合材料中永久埋入式測量,波長偏移測試精度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傳感網絡,獲得在線裝配數據,其應力測試精度達±20 με。劉智超等人[14]將光纖傳感網絡應用大型結構件裝配,應變測試精度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,從而實現在線校正,并且可以通過簡單濾波等方式有效抑制環(huán)境干擾,最終達到適用于各個裝配領域的目的。光纖傳感技術成為了解決開敞性差、裝配步驟多以及環(huán)境干擾強問題的一個新興研究方向。本文設計了基于光纖光柵(FBG,Fiber Bragg grating)傳感的自動化裝配軌跡校正系統(tǒng),采用工裝分布傳感網絡解決視覺盲區(qū)問題,采用差分校正解決環(huán)境干擾問題,為拓展智能裝配領域提供了新的思路。

2 工作原理

自動化裝配過程中裝配工裝需要將工件移動至適合的位置上,過程中往往會受到預設軌跡與實際裝配軌跡誤差的影響,例如平移誤差、位姿誤差等都會造成裝配不到位、過盈裝配或裝配干涉等問題。為了實現大型結構工件自動化裝配過程中的自適應校正,獲取裝配過程中工件的實時裝配狀態(tài)信息就顯得十分必要。通過光纖傳感技術獲取工件工裝上的應力場分布可以完成裝配軌跡的實時校正,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的中心波長初始值;α表示熱膨脹系數;ξ表示熱光系數;ΔT表示溫度變化量;ε是應變;Pε表示彈光系數。由于溫度對FBG的影響可以通過在相同工作環(huán)境中進行溫度補償實現,所以上式中溫度項可以采用常系數C代替。在整個工裝上按照可能產生顯著變化的敏感位置上粘貼足夠數量的FBG傳感器,就能一次獲取整個工裝的應力場分布。再通過應力場分布的差異,完成對裝配偏差的解析,并根據該差異進行裝配軌跡的校正。由胡克定律可知,工件上任意位置的應力值有

(2)

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

(3)

其中,x,y分別表示在z為常數時,工件標記點的二維坐標,通過對任意時刻二維坐標對應的軌跡補償矩陣參數的計算,完成自動化裝配的實時校正。

3 系統(tǒng)結構設計

基于光纖傳感的自動化裝配軌跡校正系統(tǒng)由三個核心模塊組成:(a)傳感陣列,將大量FBG傳感器分布設置自動化裝配工裝上,從而實時獲取裝配時的工件狀態(tài)信息；(b)數據處理與分析模塊,通過光纖傳感解調模塊和數據處理模塊組成,獲取FBG陣列的測試數據,并且根據預設的應力場-位置偏移模型對裝配狀態(tài)進行分析,從而提供裝配軌跡校正參數；(c)自動軌跡控制模塊,在獲取軌跡校正參數后,控制自動化機械臂結構完成裝配體的軌跡控制。整體系統(tǒng)結構設計如圖1所示。

圖1 光纖傳感的自動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)結構圖中可知,調頻激光器通過耦合器將調制激光發(fā)射至FBG陣列,當裝配過程中存在異常受力時,如圖中箭頭位置。當FBG陣列的波長響應信號發(fā)生大幅改變,測試數據由解調儀進入CPU,處理模塊會結合現有裝配結構的位置信息分析裝配異常的原因,并且給出校正的補償參數。補償參數通過控制模塊完成對機械臂軌跡的調整,從而實現自動化裝配的軌跡校正。

4 仿真計算與分析

為了模擬光纖傳感在自動化裝配過程中對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系,對軸體存在不同程度變形條件下裝配結構的應力分布進行了模擬。一方面,通過模擬應力場分布,為FBG分布位置提供了依據,從而在仿真圖中標注了FBG陣列的擬鋪設位置；另一方面,通過對不同程度變形量化了應力分布與FBG波長變化的關系,從而給裝配軌跡校正提供了可靠的補償數據。設置模擬工件為45號鋼,密度7.85 g/cm3,泊松比0.271,楊氏模量2.09×105GP。對輪軸結構離散化網格劃分,如圖2所示。輪軸裝配位置的應力分布如圖3所示。

圖2 模擬裝配結構網格圖Fig.2 Grid diagram of simulated assembly structure

(a)500 N

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

在輪軸上施加不同大小的外部應力,可以模擬輪軸結構裝配異常時連接處的受力分布。對于裝配中的異常應力而言,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。由于平面圓盤是對稱的,所以只要能夠分析一個介于兩個FBG傳感器之間的應力,那么就能夠對任意垂直于軸向平面上的力進行分析。由此,以FBG4和FBG5及FBG12和FBG13之間的應力為例,測試結果圖3所示。當應力為500 N時,最大形變值為0.04826 με,當應力為1000 N時,最大形變值為0.06985 με。應變值變化量較小的原因是為了模擬大型結構(如汽車軸承、火車車輪等),仿真采用的是厚度較大的鋼體結構,其變化規(guī)律是一致的。可以看出,當外部受力不斷增大時,對接底盤上的應力場呈放射性分布,在圖3(a)中FBG12和FBG13之間可以看出,受外部應力造成的兩端擴散狀應力等勢線,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裝配結構體上異常受力的大小及分布范圍,通過波長變化和對應的FBG序號,就能將異常的位置與程度反饋給處理系統(tǒng),從而完成自動化裝配的在線校正。

5 實 驗

5.1 標定測試

在完成裝配位置應力采集前,最重要的是對FBG陣列的應力測試進行標定。測試主要完成溫度補償數據的測試和應力與波長變化規(guī)律的測試,應力測試采用經典的懸臂梁結構,如圖4(a)所示。作用有效距離為5.0 cm,FBG長度3.0 mm,材料為鋼,彈性模量6.79×1010Pa,膨脹系數22.3 μm/mK[15]。外部施力值從0 N增加至200 N,每20 N記錄一次測試數據,測試結果如圖4(b)所示。

(a)標定實驗結構

(b)應力測試曲線圖4 標定測試實驗及其結果Fig.4 Stress test experiment and its test results

測試過程中,溫度漂移補償采用溫度測量FBG傳感器實現,該FBG不受應力影響。當溫度變化時,波長變化量作為應變測量FBG傳感器的溫度補償參數。在完成溫漂補償后,應力測試結果如圖4(b)所示,波長增長量關于應力的變化關系約為0.0008 nm/N,可以看出在0～200N范圍內其線性度很好。為了提高系統(tǒng)應用測試范圍,可以采用校正數據庫的方式對測試點的應變值進行標定,從而使其適用于符合彈性變形的更大應力響應范圍。

5.2 軌跡校正測試

為了驗證光纖傳感系統(tǒng)能夠為自動化裝配控制模塊提供軌跡校正數據,采用Polyga公司的R1X-Mono型三維掃描儀的測試數據作為標準測試數據,其視距45.5 cm,精度115 μm,可以精確反映裝配結構的位置軌跡。在裝配結構上粘貼用于對比位置信息的靶標點,從而分析本方法的位置軌跡測試精度。測試采用的結構件厚度為10.0 mm,輪軸直徑20.0 mm,相比仿真體要小一些,所以考慮到其結構承受能力,避免塑性變形,測試時采用的施力強度從10～200 N,測試結果偏差程度如表1所示。

表1 位置及軌跡校正測試Tab.1 Position and trajectory correction test

由表1的測試數據可知,當外部施力逐漸增大時,測試位置的最大位置偏移量也隨之增大,通過線性擬合可知,其函數為

y=0.0127x+0.2307

(4)

其中,x表示施力值,y表示測試點最大形變偏移量。由此可見,在0～200 N范圍內,形變偏移量與施力之間滿足0.0127 mm/N的變化關系。采用本系統(tǒng)的測試誤差絕對值均值為0.081 mm,相對誤差最大值為6.83 %,均值為5.27 %。并且從測試數據分布可以看出,隨著受力程度的增大,測試誤差明顯減小,分析認為這是由于測試應力增大使信號能量增強,相比基礎白噪聲而言,總體信噪比提升造成的。有測試數據可以看出,平均相對誤差約為5.27 %,符合設計需求。

6 結 論

本文利用光纖傳感網絡尺寸小、靈敏度高、抗電磁干擾的特性,將其應用于自動化裝配的軌跡校正領域。設計了對應裝配結構的傳感陣列,仿真分析了不同裝配異常狀態(tài)下的應力分布。實驗對比了光纖傳感與光學掃描的位移偏差程度,實驗結果顯示,本系統(tǒng)的位置偏移精度與標準測試數據的平均相對誤差接近,符合設計要求。該系統(tǒng)在自動化裝配的軌跡校正中具有一定的應用前景。