張 祥, 梅 韜, 張 然, 陳 稀, 高云霞, 符德華

(1.上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109；2.中國航天科技集團(tuán)公司紅外探測技術(shù)研發(fā)中心，上海 201109)

阻尼環(huán)是動力陀螺位標(biāo)器的重要部件，其質(zhì)量的好壞直接影響著位標(biāo)器的性能[1-2]。目前阻尼環(huán)部件的注汞方式采用人工使用注射器進(jìn)行注汞，存在著注汞效率低、產(chǎn)品質(zhì)量一致性差等缺點(diǎn)。且汞具有揮發(fā)性，是一種有毒有害物質(zhì)，對環(huán)境和操作人員的職業(yè)健康有著重要的影響[3]。因此，亟待研制自動化設(shè)備實(shí)現(xiàn)注汞動作自動化[4-5]，代替人工方式注汞，解決對人及環(huán)境的危害，實(shí)現(xiàn)阻尼環(huán)產(chǎn)品制造過程中的綠色制造。

CCD技術(shù)不斷發(fā)展，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，借助CCD檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)零部件位置的定位成為可能。國內(nèi)外學(xué)者和機(jī)構(gòu)對CCD技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了研究。齊鴻等[6]重點(diǎn)研究了CCD技術(shù)在鋼軌外形尺寸測量上的應(yīng)用，并得出面陣CCD技術(shù)與線陣CCD技術(shù)在尺寸測量上的優(yōu)缺點(diǎn)。徐航等[7]將線陣CCD技術(shù)應(yīng)用于軸類零件直徑的測量，且擁有8 μm的測量精度。王亞軍等[8]實(shí)現(xiàn)了CCD技術(shù)測量炮彈同軸度公差，經(jīng)過修正后的測量精度高于0.05 mm。Fan等[9]運(yùn)用CCD技術(shù)成功研制用于薄板零件的尺寸測量系統(tǒng)。Shan等[10]利用CCD技術(shù)，并基于最小二乘法對輪廓邊緣進(jìn)行精確定位。

阻尼環(huán)自動注汞位置定位技術(shù)是研制阻尼環(huán)自動充汞檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。人工注汞采用人眼識別的方式，準(zhǔn)確找到阻尼環(huán)注汞口，采用自動注汞，必須解決阻尼環(huán)注汞口的識別、位置定位和工裝夾緊等難點(diǎn)。目前國內(nèi)外學(xué)者對CCD技術(shù)的應(yīng)用有著深度的研究，并能實(shí)現(xiàn)很高的測量精度與定位精度，但未實(shí)現(xiàn)對阻尼環(huán)注汞口位置的精確定位。針對自動注汞位置定位的技術(shù)難點(diǎn)，設(shè)計定位工裝，研究注汞口精確識別技術(shù)，并通過軟件實(shí)現(xiàn)注汞口位置的可視化，對研制自動注汞技術(shù)具有重要的工程應(yīng)用價值。

1 基本原理

戰(zhàn)術(shù)武器位標(biāo)器上的阻尼環(huán)零件采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)，通過注汞口向內(nèi)部填充汞介質(zhì)，注汞口通過填充塞并使用膠進(jìn)行密封。阻尼環(huán)形式有金屬充液式和非金屬充液式，非金屬材質(zhì)常采用有機(jī)玻璃形式。

根據(jù)陀螺原理，陀螺在運(yùn)動中會產(chǎn)生章動運(yùn)動，采用阻尼環(huán)內(nèi)部填充汞產(chǎn)生阻尼力矩形式抑制陀螺在矢量空間的章動[11-12]。阻尼環(huán)內(nèi)部汞填充物在陀螺高速運(yùn)動時與阻尼環(huán)殼體零件產(chǎn)生摩擦，會在阻尼環(huán)零件上產(chǎn)生摩擦力與離心力。摩擦力與離心力的合力作用在阻尼環(huán)上產(chǎn)生阻尼環(huán)力矩，從而消除陀螺的章運(yùn)動[13-14]，阻尼力矩產(chǎn)生示意圖如圖1所示。

圖1 阻尼力矩產(chǎn)生示意圖

陀螺在高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生章動運(yùn)動，當(dāng)汞齊在O1A線的下側(cè)時，摩擦力F與離心力F12、F22方向相反，汞齊轉(zhuǎn)動速度慢，致使在該側(cè)汞齊停留時間長，由離心力F21產(chǎn)生的力矩M使章動收斂。

F=F離+f摩

(1)

M=FL

(2)

式中：F為合力；F離為作用在阻尼環(huán)零件上離心力；f摩為阻尼環(huán)殼體上摩擦力；M為阻尼環(huán)產(chǎn)生的阻尼力矩；L為合力的作用線到轉(zhuǎn)動軸的垂直距離。

2 實(shí)現(xiàn)方法

為實(shí)現(xiàn)阻尼環(huán)注汞口的精確識別，保證注汞口與注射器一一對準(zhǔn)，提高注汞口的識別率，需對識別方法、定位方法和執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究。自動注汞位置定位技術(shù)研究方案如圖2所示。

圖2 自動注汞位置定位技術(shù)研究方案

自動注汞位置定位識別方法采用基于CCD相機(jī)的機(jī)器視覺識別方式，涉及光學(xué)部件的選型。工裝定位采用限位工裝實(shí)現(xiàn)對阻尼環(huán)基準(zhǔn)位置定位，涉及夾持工裝與針頭校準(zhǔn)工裝的研究。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用機(jī)械手抓取方式，涉及機(jī)械手機(jī)構(gòu)的選型、上料工裝與機(jī)械手動作研究。

2.1 機(jī)器視覺識別

基于面陣CCD原理的機(jī)器視覺識別技術(shù)廣泛應(yīng)用于測量領(lǐng)域[15]。利用機(jī)器視覺技術(shù)，通過工業(yè)相機(jī)光學(xué)成像，對阻尼環(huán)自動注汞位置實(shí)現(xiàn)二維平面定位。通過背光拍照亞像素提取技術(shù)，基于注汞位置口與阻尼環(huán)殼體的不同，對黑白工業(yè)相機(jī)采集的圖像進(jìn)行處理。系統(tǒng)首先根據(jù)設(shè)定好的程序定位到阻尼環(huán)，然后通過注汞位置口灰度的不同計算出注汞位置口，再根據(jù)均值計算出注汞位置口的中間點(diǎn)，以此作為該平面上注汞位置口，實(shí)現(xiàn)對阻尼環(huán)徑向位置的定位。

依據(jù)阻尼環(huán)零件尺寸、目標(biāo)視野的大小、圖像識別的精度要求和產(chǎn)品的光學(xué)成像特征等信息，對相機(jī)、鏡頭和光源等進(jìn)行選型并設(shè)定其工作距離。阻尼環(huán)的直徑大約為40 mm，視野基于產(chǎn)品最大直徑2倍設(shè)計，因此視野設(shè)計為長、寬80 mm，在此視野范圍內(nèi)按照0.1%的定位精度假設(shè)，相機(jī)分辨率達(dá)到0.08 mm/像素，即可滿足常規(guī)的定位要求，視覺識別結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 視覺識別結(jié)構(gòu)示意圖

背光源與測試產(chǎn)品的工作距離取決于被測件尺寸的大小。由于阻尼環(huán)零件的最大外徑尺寸為40 mm，為保證機(jī)械手運(yùn)動時有足夠的活動空間，即阻尼環(huán)零件姿態(tài)為水平方向的自適應(yīng)調(diào)整，工作距離應(yīng)不小于40 mm，考慮機(jī)械手臂運(yùn)動余量，工作距離設(shè)計成50 mm，可滿足使用要求。

鏡頭與被測件的工作距離與相機(jī)視角和視場大小有關(guān)。視場大小一定的情況下，相機(jī)視角越小，其鏡頭工作距離越大。根據(jù)相機(jī)選型，視角大小為40°，視場長、寬為80 mm。經(jīng)計算，鏡頭工作距離為110 mm時，可滿足使用要求。

硬件選型如下。

① 光源工作距離：50 mm。

② 鏡頭工作距離：110 mm。

(3)

式中：d為鏡頭工作距離；F視野大小；θ為視角大小。

③ 視場Fov：80 mm×80 mm。

④ 光學(xué)分辨率：0.039 mm。

(4)

式中：p為光學(xué)分辨率；D為視野直徑。

⑤ 角度分辨率：0.11°。

(5)

式中：θ′為角度分辨率；p為光學(xué)分辨率。

2.2 工裝定位

基于CCD視覺的識別技術(shù)要求視覺系統(tǒng)檢測的產(chǎn)品必須在固定的工作距離內(nèi)[16]，因此需要設(shè)計工裝穩(wěn)定可靠的夾持阻尼環(huán)產(chǎn)品，且注射器需要安裝在固定位置上。并需要設(shè)計針頭校準(zhǔn)工裝，解決因裝夾注射器而導(dǎo)致的針頭位置的改變。

2.2.1 夾持工裝研究

有機(jī)玻璃形式的阻尼環(huán)其表面光滑，夾取過程中必須要保證阻尼環(huán)產(chǎn)品在工裝內(nèi)保持相對固定，不能在注汞口識別過程中發(fā)生相對位置變動。故產(chǎn)品夾持工裝采用V型槽設(shè)計，可以起到阻尼環(huán)定心及防止移動的作用。夾持工裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 夾持工裝結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 針頭校準(zhǔn)工裝研究

曾鳴：中臺化現(xiàn)在成為一個比較時髦的趨勢了。阿里是非常早，大概在2013年就提出了中臺化的思路，2015年正式成立了中臺事業(yè)部。

阻尼環(huán)注射器的容量有限，在更換注射器針頭時，其位置會發(fā)生相應(yīng)變化。在實(shí)際使用過程中，阻尼環(huán)觸碰到針頭致使其發(fā)生彈性變形而無法實(shí)現(xiàn)注射針頭插入注汞口，且使用機(jī)械手校準(zhǔn)注射器針頭位置，會增加機(jī)械手動作的復(fù)雜度并提高使用成本，因此需單獨(dú)設(shè)計針頭校準(zhǔn)工裝。

針頭校準(zhǔn)工裝主要是由阻尼環(huán)工裝和夾持機(jī)構(gòu)組成。該校準(zhǔn)工裝能夠模擬機(jī)械手臂夾持阻尼環(huán)產(chǎn)品在空間中調(diào)整后的姿態(tài)。為防止注汞過程中發(fā)生泄漏，注汞口沿圓周方向順時針偏轉(zhuǎn)一定的角度，此時注射器針頭需向右側(cè)呈彎折狀態(tài)。當(dāng)注射器中的汞量不足需要更換時，需重新安裝注射器于固定平臺上。為了保證彎折的注射針頭能準(zhǔn)確插入注汞口，使用針頭校準(zhǔn)工裝，調(diào)整夾持注射器的位置，使注射針頭與注汞口沿阻尼環(huán)徑向保持在同一個平面內(nèi)。校準(zhǔn)后的注射針頭在正式產(chǎn)品注汞時，機(jī)械手臂只需沿阻尼環(huán)軸向調(diào)整角度即可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)位置定位，從而實(shí)現(xiàn)成功注射。針頭校準(zhǔn)工裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 針頭校準(zhǔn)工裝結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)將阻尼環(huán)產(chǎn)品從上料工裝上夾取，移動至相機(jī)視野中，經(jīng)過光學(xué)CCD識別后進(jìn)行注汞操作，因此必須選擇可靠的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可放置阻尼環(huán)產(chǎn)品的上料工裝和設(shè)計執(zhí)行機(jī)構(gòu)注入孔動作，保證阻尼環(huán)產(chǎn)品成功注汞。

2.3.1 機(jī)械手及上料工裝

執(zhí)行機(jī)構(gòu)夾取阻尼環(huán)產(chǎn)品移動至相機(jī)視野過程中，執(zhí)行多個復(fù)雜動作，因此采用六軸機(jī)械手。該機(jī)械手有效載荷為3 kg，行程0.58 m，重復(fù)定位精度可達(dá)±0.01 mm。六軸機(jī)械手實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 六軸機(jī)械手實(shí)物圖

為了保證阻尼環(huán)上料點(diǎn)位的有效性和一致性，設(shè)計制作上料工裝，由操作人員依次將阻尼環(huán)擺放到固定位置，每個位置之間行列間隔相等，并保持注射孔朝上，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的徑向定位，保證產(chǎn)品放置狀態(tài)基本一致。注汞口位置經(jīng)CCD識別判斷后，由機(jī)械手動作進(jìn)行調(diào)整，即可實(shí)現(xiàn)注汞口的精確定位。上料工裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 上料工裝結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.2 注汞動作

人工將阻尼環(huán)放置在上料工裝上，雖然注汞口朝上，但無法保證孔完全垂直，存在放置一致性較低的缺點(diǎn)。因此，機(jī)械手夾取的阻尼環(huán)，其注汞口朝向各不相同，必須經(jīng)機(jī)械手角度調(diào)整后，方可將注射器針頭插入孔中。阻尼環(huán)自動注汞流程圖如圖8所示。

圖8 阻尼環(huán)自動注汞流程圖

阻尼環(huán)產(chǎn)品放置在上料工裝中，機(jī)械手夾取阻尼環(huán)產(chǎn)品移動至CCD光學(xué)相機(jī)位置。機(jī)器視覺系統(tǒng)CCD可實(shí)現(xiàn)注射孔偏斜角度的計算[17]，首先計算數(shù)值輸送到機(jī)械手控制器中，再由機(jī)械手進(jìn)行角度的調(diào)整。六軸機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)保持阻尼環(huán)徑向平面不變的情況下，只進(jìn)行繞軸線運(yùn)動，將角度調(diào)整至垂直朝上。然后計算阻尼環(huán)的注射孔與針尖的位置，計算出偏差量，將數(shù)值輸出到機(jī)械手控制器，調(diào)整機(jī)械手平移，使針頭在保持位置不變的情況下，可以插入注射孔中。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

阻尼環(huán)自動注汞位置定位試驗(yàn)平臺由CCD光學(xué)相機(jī)、六軸機(jī)械手、上料工裝、針頭校準(zhǔn)工裝和夾持工裝等部分組成；試驗(yàn)輔助材料由阻尼環(huán)、汞、注射器和醫(yī)用手套組成。試驗(yàn)時首先搭建試驗(yàn)平臺，使用針頭校準(zhǔn)工裝校準(zhǔn)注射器針頭，并手戴醫(yī)用手套在注射器中放入足量的汞，接著在上料工裝上按阻尼環(huán)注汞口位置朝上放置，最后在工控機(jī)上運(yùn)行軟件系統(tǒng)。試驗(yàn)過程在軟件系統(tǒng)中觀察注汞口識別情況和阻尼環(huán)注汞口角度偏差計算情況，過程中記錄阻尼環(huán)夾持情況、機(jī)械手臂姿態(tài)調(diào)整情況和注射器針頭插入注汞口情況。共進(jìn)行20個阻尼環(huán)產(chǎn)品的自動注汞位置定位識別試驗(yàn)，并通過軟件操作界面識別圖和記錄的數(shù)據(jù)驗(yàn)證方案的可行性與有效性。

阻尼環(huán)自動注汞位置定位試驗(yàn)軟件采用面向?qū)ο蟮目梢暬浖脚_.NET4.0，開發(fā)語言為C#，開發(fā)平臺為Euresys公司的圖像處理軟件eVsion。eVision是一套用于工業(yè)機(jī)器視覺的工具軟件，適用于各種量的測量、特征的識別、標(biāo)記的辨別以及表面分析等方面[18]。

試驗(yàn)軟件分為登錄模塊、主界面、校準(zhǔn)模塊、定位模塊、測量模塊、查詢模塊、打印模塊、統(tǒng)計模塊等。登錄模塊用于操作者登錄；主界面用于實(shí)時顯示CCD相機(jī)識別阻尼環(huán)注汞口位置的圖像信息；校準(zhǔn)模塊用于注射器與注射針頭更換后的針頭校準(zhǔn)操作；定位模塊用于識別阻尼環(huán)產(chǎn)品和注汞口位置；測量模塊用于計算注射孔偏斜角度；查詢模塊可實(shí)現(xiàn)對歷史產(chǎn)品注汞位置識別情況的查詢；打印模塊可打印出CCD光學(xué)鏡頭歷史識別狀況信息；統(tǒng)計模塊用于統(tǒng)計阻尼環(huán)產(chǎn)品注汞口精確識別的成功率。各個模塊相輔相成，共同實(shí)現(xiàn)阻尼環(huán)注汞口位置的精確識別、偏差角度計算、姿態(tài)調(diào)整、注汞等功能，如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)軟件控制框圖

對20個阻尼環(huán)產(chǎn)品進(jìn)行注汞口位置定位識別試驗(yàn)，基于面陣CCD原理的機(jī)器視覺識別系統(tǒng)充汞口位置檢測如圖10所示。

圖10 充汞口位置檢測圖

試驗(yàn)過程中對20個產(chǎn)品的注汞口識別情況進(jìn)行記錄，阻尼環(huán)自動注汞位置定位識別情況表如表1所示。

表1 阻尼環(huán)自動注汞位置定位識別情況表

由表1可知，放置在上料工裝中的阻尼環(huán)，其注汞口偏離垂直方向不大于±10°時，CCD相機(jī)準(zhǔn)確識別到阻尼環(huán)注汞口位置后，軟件計算出角度偏差進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。當(dāng)偏離垂直方向大于±10°時，機(jī)械手臀姿態(tài)調(diào)整受機(jī)械結(jié)構(gòu)和軟件控制程序的影響，無法將陽尼環(huán)注汞口位置調(diào)整到位。從而導(dǎo)致注汞口無法準(zhǔn)確插入注射器針頭。因此，實(shí)際工程使用過程中，應(yīng)避免注汞口位置偏離垂直方向過大。試驗(yàn)過程中機(jī)械手夾持阻尼環(huán)過程中未發(fā)生掉落情況，驗(yàn)證了夾持工裝和機(jī)械手臂的可靠性。通過更換機(jī)械手臂機(jī)械模塊和修改控制軟件程序可實(shí)現(xiàn)大角度偏差的姿態(tài)調(diào)整，故該阻尼環(huán)自動注汞位置定位方案具有重要的工程應(yīng)用價值。

4 結(jié)束語

研制了基于面陣CCD原理的視覺識別系統(tǒng)，設(shè)計了夾持工裝和針頭校準(zhǔn)工裝；研究了機(jī)械手注汞動作，實(shí)現(xiàn)了角度偏差自動糾正，設(shè)計了阻尼環(huán)產(chǎn)品上料工裝；開發(fā)了阻尼環(huán)注汞口精確識別軟件系統(tǒng)，可實(shí)時觀察阻尼環(huán)注汞口的識別情況；基于研制成果，開展了阻尼環(huán)注汞口精確識別試驗(yàn)，驗(yàn)證了方案的可行性與有效性，對突破阻尼環(huán)自動充汞技術(shù)瓶頸具有重要的工程應(yīng)用價值。