多參量在線反饋的大型筒體－端框精確對裝方法

劉海波，李 猛，王 新，王永青，馬玉勇，李蘭柱

(1．大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室，大連116024;2．航天材料及工藝研究所，北京100076)

0 引言

先進的航天用大型筒段往往采用高比強度復合材料筒體與金屬端框的組合結構，以在有效減重的前提下，保證其對高溫高壓氣流強沖擊的抵抗能力［1］。筒段直徑 ＞1．5 m、徑厚比100～150，長度3～8 m，屬于典型的大型弱剛性零件。筒體由纖維料纏繞制成，端框由鋁合金鍛件整體銑制而成，尺寸往往誤差相對較大。多個零件形狀誤差在對裝尺寸鏈末端累積將直接影響對裝精度。而且大型筒體采用兩端支撐、臥式放置方式，自重變形對對裝精度的影響亦不可忽略。依賴人工經驗反復試裝的常規方法將無法滿足該類結構快速、精確對裝要求。

研究表明，把在機/在線測量技術與傳統制造過程相集成，通過質量關聯參量的信息反饋，輔助零部件的加工與裝配，已得到國際廣泛認可，并實際應用［2－3］。針對大尺度測量問題，國內外學者和研究機構基于光學原理先后發展了多種測量方法與系統，如激光跟蹤儀、室內GPS(indoor Global Positioning System，iGPS)、激光雷達和多經緯儀測量系統等，為大型零部件的精密制造提供了關鍵測量手段［4］。針對以飛機、航天器、輪船為代表的典型大部件裝配/對接測控問題，美國波音飛機制造公司構建了一套基于iGPS的輔助飛機裝配系統［5］;Williams等［6］提出了位姿信息驅動的飛機大部件位姿調控方法，利用激光跟蹤儀、定位器和驅動單元構建了專用位姿自動調控系統;邾繼貴等［7］提出了一種面向現場環境的大尺度多站組合測量方法，實現了全局測量控制網與終端測量站的優化配置;Paoli等［8］針對大型船體裝配質量檢測問題，構建了基于視覺測量與激光跟蹤相組合的測量系統;王永青等［9］提出了基于在機測量的大型液體火箭發動機噴管冷卻通道數字化加工方法。還有一些研究，通過敏度因素的精確提取與分析，提高了系統性能。高偉熙等［10］引入陀螺角速度誤差作為觀測量，提高了慣導系統快速對準精度。王保豐等［11］利用編碼標志CCD測量實現了自主交會對接最后逼近階段的測量與控制任務。然而，基于在線測量的大型筒體－端框對裝技術仍鮮有針對性研究。

1 基于在線測量的大型筒體－端框對裝方法

大型筒體－端框對裝幾何模型如圖1所示［12］。

圖1 筒體－端框對裝幾何模型Fig．1 Butt assembly geometrical model of cylinder and end-frame

由于大型筒體與端框對接裝配過程個性化顯著，必須依據實際對裝狀態，進行適當的位姿調控，使得二者對裝縫隙均勻，以確保對裝效率和質量。其中，筒體與端框的圓輪廓、對裝縫隙等過程參量的在線反饋是關鍵。為此，本文提出了一種基于多參量在線反饋的大型筒體－端框精確對裝新方法，其基本思路為:根據圓跳動數據實時反饋分別進行筒體和端框的圓度強制校形;根據對裝縫隙周向實際分布狀態反算出姿態調整量，通過控制分布式調整輪實現位姿調整;完成筒體與端框對接裝配及對裝精度檢測。

2 多參量在線測量系統設計

根據大型筒體－端框的對裝特點，設計了一種多參量同步在線測量方案，即基于點激光三角法的筒體和端框的圓跳動測量、基于圖像原理的對裝縫隙測量，研制了多傳感組合測頭。多參量在線檢測系統的硬件由多傳感在線檢測機構、測量控制與通信系統等組成;軟件主要由人機交互界面(Human Machine Interface，HMI)、傳感器標定、數據分析與顯示等功能部分組成。

2．1多傳感在線檢測機構

多傳感在線檢測機構是保證大型筒體－端框對裝狀態參量在線反饋的核心部件，如圖2所示，其由多傳感組合測頭、在線檢測運動驅動機構兩部分組成。

圖2 在線檢測機構及其系統集成Fig．2 Online detection device and system integration

如圖3所示，多傳感器組合測頭集成了兩個點激光傳感器(Laser Sensor 1，LS1;Laser Sensor 2，LS2)和一個圖像傳感器(Image Sensor，IS)。三個傳感器安裝在同一基座上，IS位于中間，LS1、LS2相對IS呈對稱分布。三個傳感器之間的主要位置約束關系為:1)準直后的兩激光傳感器發射出的激光束與圖像傳感器軸線處于同一平面;2)兩個傳感器下底面(定義為測量參考面)位于同一平面，其可通過標定傳感器測量參考面至同一被測面的距離來實現。為便于調節三個傳感器之間的位置關系，基板上的安裝孔設計成鍵槽形。位置調整結束后，將多傳感器組合測頭安裝至專用檢測機構執行末端。

圖3 多傳感器組合測頭Fig．3 Multi-sensor integrated measuring probe

在線檢測運動驅動機構集成在對接工裝中心軸上，其主要包括回轉運動單元、直流伺服驅動單元和測量裝置轉接桿等。回轉運動單元采用了行星齒輪結構和大直徑專用精密軸承，其軸線與對裝工裝中心軸線重合，以保證測量過程中機構回轉精度和測量可靠性。為實現精確的速度控制，選用直流伺服控制模式完成回轉測量動作控制。直流伺服驅動單元的內置編碼器用于反饋機構旋轉坐標。

2．2測量控制與通信

針對激光位移與圖像多源異構傳感信息、多通道采集特點，構建了對裝過程參量測控系統，如圖4所示，其中下位機(Advanced RISC Machines，ARM)實現測量運動控制、數據采集、無線通信等功能;上位機(Personal Computer，PC)實現采集數據的實時顯示、分析、處理和存儲等功能。

圖4 通信系統結構Fig．4 Communication system architecture

首先，測控系統通過ARM單元控制測量運動及采集傳感信息，伺服電機在接收到測量運動控制指令(包括運動速度和運動方向)后驅動多傳感器組合測量裝置繞對接工裝中心軸旋轉，并在同一采集周期內進行運動位置坐標、運動方向、激光和圖像的傳感數據的信息采集。然后，ARM單元通過異步收發傳輸(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)機制與上位機PC保持無線通信，將采集信息傳輸至上位機數據處理系統，以用于誤差分析與位姿調整量的解算。

2．3數據處理軟件設計

采用模塊化設計手段，利用VC++在上位機開發出對裝數據處理軟件系統，其主要包括HMI模塊、傳感器標定模塊、數據采集模塊、數據分析模塊等。

HMI模塊主要實現參數設置、數據顯示與存儲等功能。參數設置界面包括傳感器選擇和采集頻率、電機轉動方向和速度測量等基本參數，以及采集數據文件保存路徑等設置。數據顯示包括激光和圖像測量數據的實時顯示，以及數據分析曲線的非實時顯示量部分。傳感器標定模塊主要完成激光傳感器LS1和LS2的非線性標定與補償、LS1和LS2回轉及對稱標定、圖像傳感器縫隙識別標定與補償等功能，進而建立傳感坐標系之間及其與套裝系統坐標系的變換關系。考慮到激光和圖像兩類傳感器不同的應用要求，在數據采集模塊，需完成兩項任務:一是在套裝坐標系下表示筒體和端框的圓跳動特征，如式(1);二是給出對裝縫隙沿軸向的分布狀態，建立分布函數f(δ，θ)，其中δ為對裝縫隙寬度，θ為測量轉角。

式中:d和r分別為激光傳感器測量距離和測量回轉半徑，PM為工裝坐標系的測點，TSM為回轉測量變換矩陣。

數據分析模塊主要包括基于激光測量的圓跳動和圓輪廓分析、基于圖像測量的對裝縫隙識別。利用激光實時反饋數據，進行圓跳動計算，進而采用最小包容區域法評估圓輪廓，為筒體和端框圓度校正提供數據依據。通過圖像邊緣銳化處理，獲得圖像的高頻分量，進而提取對裝縫隙寬度。

為便于問題描述，建立圖像局部坐標系，即像素坐標系，如圖5(a)所示。對RGB圖像進行灰度處理，基本模型為

式中:G(u，v)和C(u，v)分別為像素坐標點(u，v)對應的灰度值和RGB值，b和a分別為當前圖幅內各像素點RGB值的上、下邊界。

分別沿u像素線g(u)對v對應灰度值進行求和處理，即壓縮處理;對一維分布的灰度數據進行向后差分計算，得到灰度變化梯度曲線，如圖5(a)所示。

采用峰值提取法計算對裝縫隙寬度δ，

式中:PV(uR)和PV(uL)分別為像素坐標uR和uL對應的灰度梯度峰值;α和β均為映射參數，需預先標定。

圖5 對裝縫隙提取Fig．5 Butt assembly gap extraction

3 筒體－端框對裝調整

3．1筒體和端框圓輪廓校形

利用激光傳感器在線測量的大型復合材料筒體和金屬端框圓跳動數據，對其進行多點內撐方式的強制校形，以保證順利對裝。內撐點Si(θi)(i=1，…，n)均勻地分布在內撐裝置上，位于同一截面，n為內撐點數量，θi為第i個內撐點的角度位置。考慮到內撐方式的特殊性，在滿足圓度公差要求的條件下，利用最大可行圓包絡圓輪廓曲線，則包絡圓內的各內撐點均需要調整。通過半徑差獲得各內撐點的調整量di。

3．2筒體位姿調整

筒體位姿調整主要完成兩個任務:筒體調正與端框同軸調整。基本調整過程為:

1)將校形后的筒體和端框運動至預裝位置，并啟動在線測量系統，進行筒體和端框輪廓及對裝縫隙的同步測量;

2)利用兩激光傳感器LS1和LS2測得的圓輪廓數據，計算筒體相對于端框偏心距離，通過調整筒體前端支撐，完成同軸位姿的粗調整;

3)再次測量對裝縫隙與圓輪廓，根據對裝縫隙分布和筒體尺寸計算姿態偏差，進而解算出后端支撐調整量;

4)轉入步驟1)，需滿足對裝精度要求。

4 應用校驗:復合材料筒體－金屬端框對裝

以某型號大型筒段為典型零件，進行應用校驗。該筒段由一個復合材料筒體和兩個鋁合金金屬端框裝配而成。基于多參量在線反饋的大型筒體－端框對裝工藝流程如圖6所示。

具體步驟如下:

1)把復合材料筒體和金屬端框吊裝至對裝系統，完成零件找正和裝夾;

2)開啟多傳感在線檢測系統，如圖7所示。分別利用傳感器LS1和LS2對筒體與端框內圓輪廓進行掃描檢測，測量旋轉速度0．3 r/min;利用第3．1節的多點調整策略進行筒體與端框的圓輪廓，以滿足圓跳動預裝要求;

3)將筒體和端框調整至預裝位置，利用傳感器IS進行對裝縫隙掃描檢測與評估，并利用第3．2節的操作步驟進行筒體對裝位姿的調整，以滿足對裝縫隙調整;

4)膠粘固化、鉚接，完成對裝。

經檢測，大尺寸復合材料筒體與鋁合金端框對裝縫隙誤差可有效控制在0．15 mm范圍內，滿足了對裝精度要求。相對于傳統的人工經驗調整、試湊對裝，采用本文提出的方法，單個筒段的筒體與端框對裝效率提高了2～3倍，產品一次合格率100%。

圖7 在線檢測系統Fig．7 Online detection system

5 結論

本文提出了一種多參量同步在線反饋的大型復合材料筒體與金屬端框精確對裝新方法，實現了在線測量與傳統對裝工藝的有效集成。利用在線測量數據，輔助完成了筒體和端框圓輪廓校形、筒體位姿調整，優化了對裝工藝。以某型號大型筒段為典型件進行了實際工程應用校驗，表明所提出的方法和研制的在線檢測系統對提升大型筒段的高效、精確對裝技術水平具有重要意義。

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