劉榮華

(江蘇自動化研究所，江蘇連云港 222001)

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)與工業(yè)的迅猛發(fā)展，機械制造行業(yè)的技術(shù)水平不斷提高，機械零件的復(fù)雜程度越來越高，對機械制造的精度和自動化程度要求也越來越高。特別是隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，以機器人自動鉆孔為代表的高端制造應(yīng)用越來越廣泛，它與傳統(tǒng)的手工鉆孔相比具有柔性高、鉆鉚質(zhì)量高、鉆孔效率高等優(yōu)點[1]。但是在國內(nèi)的彈藥裝配領(lǐng)域，普遍采用手工鉆孔、搖臂鉆床鉆孔、鉆床鉆孔等方式，沒有全部實現(xiàn)鉆孔工序的人機隔離以及自動鉆孔。但鉆孔時一旦鉆頭進入發(fā)射藥過多，鉆頭與發(fā)射藥擠壓，可能引起發(fā)射藥燃燒甚至爆炸等嚴重的安全事故[2-3]。

激光測量技術(shù)是以激光作為信息載體進行物理量測量的技術(shù)，由于激光具有單色性好、亮度高、方向性強的特點，已經(jīng)應(yīng)用到包括長度、角度、位移、電、磁、聲等多種參數(shù)測量[4]。其中最具有代表性的是激光位移傳感器。激光位移傳感器是一種新型的非接觸式測量工具，具有響應(yīng)深度快、測量精度高、價格適中等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于長度、位移以及三維形貌測量[5-15]等方面。

因此，基于激光位移測量技術(shù)研究一種彈藥殼體自動鉆孔系統(tǒng)，實現(xiàn)彈藥殼體制孔過程的人機隔離，對于保證操作人員安全、提高鉆孔質(zhì)量和鉆孔效率具有重要意義。

1 鉆孔位置激光測量方法

彈藥殼體等圓柱體工件表面鉆孔工藝有兩種形式：一種是無預(yù)制孔形式，即以工件接合面為軸向基準，以固定軸向位移為偏差量確定鉆孔位置；另一種是有預(yù)制孔形式，即以工件接合面為軸向基準，以固定軸向位移為偏差量存在一個預(yù)制孔，以該孔的中心位置作為鉆孔位置。該系統(tǒng)采用點激光測量技術(shù)實現(xiàn)鉆孔位置的自動識別定位，工作原理如圖1所示。

圖1 工件表面鉆孔位置激光測量方法示意

對于無預(yù)制孔形式，通過圖1(a)軸向?qū)た追绞酱_定鉆孔位置。首先，點激光傳感器沿著工件軸線方向檢測到工件接合面(軸向基準)位置點A，點A空間坐標記為A(X1,Y1)；其次，尋找工件圓周中心位置，點激光傳感器沿著工件軸線方向移動至某一標定位置，沿著工件圓周方向分別逆時針轉(zhuǎn)動角度θ1、順時針轉(zhuǎn)動角度θ2，點激光傳感器檢測到最短距離點，即為工件中心位置點B，點B的空間坐標記為B(X2,Y2)；根據(jù)工藝要求軸向移動XΔ固定位置后確定鉆孔位置點C，點C空間坐標記為C(X1+XΔ,Y2)，鉆頭根據(jù)鉆孔位置進行鉆孔。

對于有預(yù)制孔形式，除了按照無預(yù)制孔形式識別到點C以外，還需要精確檢測預(yù)制孔的中心位置。按照如下步驟完成預(yù)制孔中心位置精確測量：

(1)預(yù)制孔圓周方向中心位置測量。點激光傳感器在檢測到位置點C以后保持位置不變，工件圓周轉(zhuǎn)動，通過點激光識別到工件表面預(yù)制孔圓周方向的兩個突變點D(XD,YD)和E(XE,YE)，兩個突變點的空間坐標計算公式為

XD=X1+XΔ

YD=Y2+YΔ1

XE=X1+XΔ

YE=Y2+YΔ2

(2)預(yù)制孔軸向方向中心位置測量。工件圓周方向保持不變，點激光傳感器沿著工件軸線方向移動，檢測預(yù)制孔軸線方向的兩個突變點F(XF,YF)和G(XG,YG)，兩個突變點的空間坐標計算公式為

XF=X1+XΔ+XΔ1

XG=X1+XΔ+XΔ2

(3)根據(jù)識別的點F、點G，計算預(yù)制孔中心點H的空間坐標H(XH,YH)，則點H的空間坐標計算公式為

2 系統(tǒng)設(shè)計

自動鉆孔系統(tǒng)主要由桁架機械手、鉆孔機構(gòu)、測量機構(gòu)、監(jiān)控攝像頭、輸送小車、遠程操作臺等部分組成，如圖2所示。

圖2 自動鉆孔系統(tǒng)組成示意

圖2中，桁架機械手伺服電機驅(qū)動齒輪傳動，實現(xiàn)末端執(zhí)行機構(gòu)在空間位置范圍內(nèi)動作。桁架機械手末端安裝有鉆孔機構(gòu)、測量機構(gòu)和監(jiān)控攝像頭，其中鉆孔機構(gòu)采用整體式機床鉆孔主軸設(shè)計，整體內(nèi)置換刀裝卸部件，更換刀柄方便；測量機構(gòu)選擇點激光位移傳感器，用于圓柱體工件結(jié)合基準面以及預(yù)制孔中心位置的自動識別；監(jiān)控攝像頭用于在線監(jiān)控激光傳感器尋孔過程以及鉆孔過程，便于遠程監(jiān)控。運輸小車用于工件在桁架機械手外部空間和內(nèi)部作業(yè)空間之間的往返運輸。遠程操作臺用于操作人員遠程控制鉆孔系統(tǒng)動作，實現(xiàn)人機隔離。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

自動鉆孔系統(tǒng)采用PLC控制器進行數(shù)據(jù)采集和多伺服電機控制，實現(xiàn)桁架機械手、鉆頭機構(gòu)、輸送小車等各機構(gòu)的作業(yè)動作，系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

圖3 自動鉆孔系統(tǒng)控制系統(tǒng)硬件框圖

在圖3中，PLC控制器通過Profinet總線與觸摸屏、小車行走電機驅(qū)動器、鉆頭機構(gòu)電機驅(qū)動器、機械手X軸電機驅(qū)動器、機械手Y軸電機驅(qū)動器、機械手Z軸電機驅(qū)動器連接；通過開關(guān)量輸入(DI)信號與安全急停開關(guān)按鈕、伺服使能開關(guān)按鈕、鉆孔進開關(guān)按鈕、鉆孔退開關(guān)按鈕、尋位開關(guān)按鈕、系統(tǒng)啟動開關(guān)按鈕、手動自動切換旋鈕連接；通過模擬量輸入(AI)信號與激光位移傳感器連接。觸摸屏一方面用于接收PLC控制器發(fā)送過來的各開關(guān)按鈕、傳感器以及電機驅(qū)動器的狀態(tài)信息以及設(shè)備故障信息，另一方面通過人工觸摸屏界面軟件按鈕實現(xiàn)各執(zhí)行機構(gòu)動作。

3.2 軟件設(shè)計

(1)主程序軟件流程

主程序軟件采用模塊化功能設(shè)計，軟件流程如圖4所示。

圖4鉆孔系統(tǒng)軟件主程序流程

圖4中，參數(shù)初始化模塊完成各執(zhí)行機構(gòu)起始位置以及傳感器標定參數(shù)的讀取功能；輸送小車功能模塊完成驅(qū)動運輸小車在多個位置之間的轉(zhuǎn)運以及極限位置的控制功能；激光測量功能模塊完成預(yù)制孔中心位置識別定位功能；鉆孔深度功能模塊根據(jù)激光測量功能模塊識別的鉆孔位置中心位置進行自動鉆孔深度實時測量。

(2)激光尋位功能模塊流程

激光尋位功能模塊軟件流程如圖5所示。

圖5 激光尋位軟件流程

圖5中，首先桁架機械手Z軸移動到預(yù)先設(shè)置的激光尋位高度，根據(jù)當前鉆孔工件的工藝要求判斷是否有預(yù)制孔。如果工藝要求沒有預(yù)制孔，機械手攜帶點激光傳感器沿著工件軸向方向(X軸方向)移動，點激光傳感器檢測工件接合面位置，將此位置作為工件軸線方向的基準位置；激光傳感器以此基準點軸向移動固定距離處停止，記錄當前位置為鉆孔位置。如果工藝要求有預(yù)制孔，則激光傳感器除了需要識別工件結(jié)合基準位置以外，還需要識別和計算預(yù)制孔中心位置，并以此位置為鉆孔位置。

(3)鉆孔深度功能模塊軟件流程

鉆孔過程中的深度控制實際上是鉆孔主軸升降移動位移的控制，控制變量為鉆孔主軸升降位移，軟件流程如圖6所示。

圖6 鉆孔深度控制流程

圖6中：首先，PLC控制器通過激光傳感器檢測鉆孔主軸升降位移的實際測量值，目標值根據(jù)工件的工藝要求確定；其次，PLC控制器計算升降位移的實際測量值與目標值的偏差，并根據(jù)偏差值控制機械手Z軸電機轉(zhuǎn)動，進而實現(xiàn)鉆孔主軸的升降位移變化。

4 試驗驗證

為了驗證激光測量方法及鉆孔系統(tǒng)方案的可行性，設(shè)計龍門式自動鉆孔系統(tǒng)試驗平臺，實物如圖7所示。

圖7 自動鉆孔系統(tǒng)試驗平臺

試驗平臺的鉆孔機構(gòu)選擇FKS1206機床主軸作為鉆孔主軸，主軸轉(zhuǎn)速10 000 r/min。桁架機械手選擇Parker防爆伺服電機驅(qū)動RV減速機，通過齒輪齒條傳動技術(shù)實現(xiàn)橫梁在直線導(dǎo)軌上滑行。測量機構(gòu)選擇KEYENCE品牌的LK-H150點激光位移傳感器，測量范圍為±40 mm，用于工件接合面位置、預(yù)制孔中心位置等特征識別及鉆孔深度的參數(shù)測量。

基于圖7所示鉆孔試驗平臺進行鋼管預(yù)制孔激光測量精度試驗和鋼管表面鉆孔深度精度試驗。

4.1 鋼管預(yù)制孔激光測量精度試驗

為了更好地測試激光測量預(yù)制孔中心位置的精度，激光測量精度試驗分為單孔多次測量試驗和多孔多次測量試驗。

(1)單孔多次測量試驗

通過點激光位移傳感器針對鋼管上同一預(yù)制孔中心進行多次測量，計算測量結(jié)果的標準差，測量結(jié)果如圖8所示。

圖8 同一預(yù)制孔中心位置測量結(jié)果

在圖8中，對同一預(yù)制孔中心進行10次重復(fù)性測量，誤差很小，具體數(shù)值如表1所示。

表1 同一預(yù)制孔中心位置重復(fù)性測量結(jié)果 單位：mm

在表1中，點激光傳感器針對同一預(yù)制孔的中心位置(軸向方向和圓周方向)進行10次重復(fù)性測量，軸向方向位置標準差為0.02 mm；圓周方向位置標準差為0.02 mm。

(2)多孔多次測量試驗

通過激光位移傳感器對鋼管上的4個預(yù)制孔中心位置進行多次測量(包括軸向位置和圓周位置)，分別計算每個預(yù)制孔中心位置測量值的標準差，測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 四個預(yù)制孔中心位置測量結(jié)果

在圖9中，預(yù)制孔1、預(yù)制孔2、預(yù)制孔3和預(yù)制孔4中心位置多次測量結(jié)果標準差很小，對應(yīng)的數(shù)值如表2所示。

表2 四個預(yù)制孔中心位置重復(fù)性測量結(jié)果 單位：mm

表2中，通過點激光位移傳感器針對4個預(yù)制孔中心位置進行測量識別，預(yù)制孔中心軸向位置最大標準差為0.017 mm，預(yù)制孔中心圓周位置最大標準差為0.019 mm。

4.2 鉆孔深度精度測試

設(shè)定預(yù)制鉆孔深度目標值為3.5 mm，PLC采用點激光位移傳感器測量鉆孔深度值，通過PID控制算法實現(xiàn)機械手Z軸升降動作，進而實現(xiàn)鉆孔主軸升降位移變化，控制結(jié)果如圖10所示。

圖10 鉆孔深度測試結(jié)果

在圖10中，鉆孔深度誤差很小，誤差最大值為0.136 mm，如表3所示。

表3 鉆孔深度測試結(jié)果 單位：mm

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)利用激光測量技術(shù)自動識別預(yù)制孔中心位置，具有測量精度高、抗干擾能力強等特點；桁架機械手末端安裝鉆孔機構(gòu)、測量機構(gòu)、監(jiān)控攝像頭等多功能執(zhí)行機構(gòu)，采用多軸伺服電機控制，具有重復(fù)定位精度高、柔性好、擴展能力強等優(yōu)點。經(jīng)過試驗證明：該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，預(yù)制孔識別精度高，鉆孔深度控制準確，實現(xiàn)彈藥殼體鉆孔的人機隔離，滿足生產(chǎn)工藝要求。