基于多FBG組網(wǎng)的智能裝配修正系統(tǒng)研究

于春榮,陳寒梅*,常占勝,劉智超

(1.滄州師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院, 滄州 061001； 2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130013)

引 言

制造業(yè)從自動(dòng)化向智能化發(fā)展是未來工業(yè)制造的重要方向[1]，裝配技術(shù)智能化的關(guān)鍵是能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)裝配體位姿、應(yīng)力場(chǎng)分布[2]等狀態(tài)信息，這也是當(dāng)前智能裝配技術(shù)的研究熱點(diǎn)[3]。為了解決裝配流程中由于裝配誤差導(dǎo)致的欠裝配與過盈裝配等問題，首先需要能夠有效地獲取待裝配工件的應(yīng)力場(chǎng)分布數(shù)據(jù)，從而完成對(duì)裝配過程的修正與調(diào)整[4-7]。

目前，傳統(tǒng)生產(chǎn)線或裝配線上的自動(dòng)化系統(tǒng)絕大部分是以固定位置配合固定掃描路徑實(shí)現(xiàn)的，這也就意味著其不具備自動(dòng)校正能力，當(dāng)存在工況環(huán)境等引入誤差時(shí)，就會(huì)造成制造或裝配缺陷[8]。為了解決該問題，輔助修正的裝配校正系統(tǒng)也分為幾類：3維重建方法[9]、立體視覺分析方法[10]以及基于感知網(wǎng)絡(luò)[11]的數(shù)據(jù)反演方法。3維重建方法主要包括三坐標(biāo)機(jī)、激光雷達(dá)、激光掃描儀，其核心原理是通過激光對(duì)工件上每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行逐個(gè)掃描，從而重建工件點(diǎn)云實(shí)現(xiàn)的，通過計(jì)算工件的坐標(biāo)與位姿就能給出制造或裝配路徑的修正參數(shù)。該方法優(yōu)點(diǎn)是精度高、數(shù)據(jù)全面，缺點(diǎn)是受工件工作環(huán)境的開敞性影響明顯，其激光掃描系統(tǒng)對(duì)環(huán)境穩(wěn)定性要求較高。立體視覺分析方法常采用圖像分析的方法實(shí)現(xiàn)，通過標(biāo)定體的位置距離關(guān)系，解算目標(biāo)的坐標(biāo)信息，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是3維結(jié)構(gòu)到2維圖像的投影往往造成特征數(shù)據(jù)丟失，對(duì)站位選擇要求較高。基于感知網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)反演方法有通用應(yīng)變片陣列、光纖傳感陣列[12-13]等實(shí)現(xiàn)，其中光纖傳感由于其體積小、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)非常適用于本課題研究?jī)?nèi)容。故本文中主要研究了一種基于多光纖布喇格光柵[14-17](fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)組網(wǎng)的智能裝配修正系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)裝配修正系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了完成自動(dòng)裝配過程的修正，需要通過計(jì)算夾具的受力分布完成位姿控制參數(shù)的修正，故本系統(tǒng)由掃頻激光器、多路光開關(guān)、解調(diào)模塊、FBG組、處理器及修正數(shù)據(jù)庫等構(gòu)成，如圖1所示。

Fig.1 Schematic diagram of fiber optic sensor adjustment system

掃頻激光器對(duì)覆蓋FBG所有中心波長(zhǎng)的范圍進(jìn)行掃描，從而使每一個(gè)FBG都會(huì)被掃描一次，獲取每一個(gè)FBG的波長(zhǎng)偏移量值，這個(gè)波長(zhǎng)偏移量值由夾具相應(yīng)位置上的應(yīng)力變化所決定，故通過該值反演裝配結(jié)構(gòu)的裝配狀態(tài)。多路光開關(guān)用于切換掃描通道，因?yàn)镕BG的波長(zhǎng)響應(yīng)需要一定的范圍，故可以通過多路開關(guān)時(shí)分復(fù)用，實(shí)現(xiàn)大量FBG點(diǎn)位數(shù)據(jù)的獲取。并且多路開關(guān)還采集相同裝配位置處無應(yīng)力作用的溫度補(bǔ)償FBG的波長(zhǎng)偏移數(shù)據(jù)，用以對(duì)所有應(yīng)力測(cè)試FBG進(jìn)行溫漂補(bǔ)償。解調(diào)模塊將回波的中心波長(zhǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析。修正數(shù)據(jù)庫按照預(yù)設(shè)應(yīng)力狀態(tài)完成對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的修正。FBG組分布于夾具上，實(shí)現(xiàn)對(duì)夾具空間位置上應(yīng)力值的實(shí)時(shí)獲取，并將采集得到的數(shù)據(jù)與裝配體數(shù)模進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算與理論位置的誤差，并通過先驗(yàn)迭代出的修正數(shù)據(jù)庫給出在該種情況下需要修正的位姿角度與距離補(bǔ)償量。在裝配過程中實(shí)時(shí)修正位置從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配的目的。

1.2 數(shù)學(xué)模型

由于力是相互作用的，夾具與裝配件之間力是大小相同、方向相反的[18],故獲取夾具上關(guān)鍵位置的應(yīng)力分布就能夠分析裝配件的受力模式。對(duì)于FBG而言，設(shè)測(cè)試環(huán)境溫度恒定，則解調(diào)可得第i個(gè)FBGi測(cè)試波長(zhǎng)變量為:

ΔλB,i=λB,i(1-Pε)εi

(1)

式中，λB,i表示第i個(gè)FBG的中心波長(zhǎng)值，εi表示第i個(gè)FBG位置上的應(yīng)變，Pε為彈光系數(shù)。根據(jù)胡克定律[19]，應(yīng)力與應(yīng)變之間的函數(shù)可以表示為:

(2)

式中，E表示彈性模量，I表示慣性矩，本系統(tǒng)針對(duì)鋼材結(jié)構(gòu)，故取E=210GPa，I=16.62×106mm4；ε表示應(yīng)變量；x表示測(cè)試位置，l表示施力點(diǎn)到微元的邊界位置。由(1)式和(2)式聯(lián)立可知，當(dāng)已知FBG粘貼的位置時(shí)，即測(cè)試位置x為已知量，則可以通過測(cè)試FBGi的波長(zhǎng)變量解算對(duì)應(yīng)位置的受力值。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建位置修正參數(shù)矩陣與修正系數(shù)之間的關(guān)系有：

(3)

式中，C1,C2,…,Cj表示修正系數(shù)；L1,L2,…,Lj則表示夾具控制單元對(duì)夾具位置的修正值。可見在3個(gè)軸向的修正值均可由修正系數(shù)與波長(zhǎng)變量矩陣計(jì)算得到。由此，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配過程的在線實(shí)時(shí)修正。

2 仿真分析

為了分析夾具不同位置受力后的應(yīng)力場(chǎng)分布，采用ANSYS對(duì)鋁合金材質(zhì)的平面受力進(jìn)行了仿真分析，得到了不同施力條件下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布圖。仿真平面的尺寸與裝配結(jié)構(gòu)一致，設(shè)長(zhǎng)寬厚為150mm×100mm×10mm，各項(xiàng)同性材質(zhì)鋁合金密度為2.78g/m3，彈性模量為68.8GPa，泊松比為0.329。仿真不同位置分別為中間擠壓與側(cè)邊擠壓，與實(shí)際裝配過程中插入不足和插入到位兩種情況的受力狀態(tài)相近，載荷沿z軸方向大小Fz=100N，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2是對(duì)兩種裝配過程中受力作用點(diǎn)不同時(shí)夾具形變量的仿真分析。圖2a是裝配體插入不足時(shí)，裝配體的頂端在夾持結(jié)構(gòu)大約中間位置時(shí)造成的施力結(jié)果;圖2b是裝配體正常插入時(shí)頂部與夾持結(jié)構(gòu)完全貼緊的施力結(jié)果。由仿真結(jié)果可知，由于插入的結(jié)構(gòu)體前端為半圓形(如結(jié)構(gòu)示意圖1所示)，故其受力分布類似于由點(diǎn)施力造成的分布特征。由圖2a可見，從受力點(diǎn)向外變形量逐漸遞減呈發(fā)散狀；而圖2b中的應(yīng)變場(chǎng)分布具有明顯不同，在其受力位置上由于受到左右兩側(cè)的擠壓，應(yīng)變較為強(qiáng)烈的紅色區(qū)域向兩邊延伸，而中間的應(yīng)力增大，分析認(rèn)為是由于裝配結(jié)構(gòu)中間位置開孔導(dǎo)致，使夾具改為應(yīng)力不能直接與裝配件接觸釋放應(yīng)力，故導(dǎo)致對(duì)應(yīng)通孔位置存在一定的應(yīng)力集中。在相同的100N施力條件下，兩種仿真結(jié)果中由于應(yīng)力產(chǎn)生的形變最大值分別為10.9μm和14.1μm，并且由于位置的不同，響應(yīng)的FBG也是不同的，故可以通過響應(yīng)FBG的編號(hào)和波長(zhǎng)偏移量值完成對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度的計(jì)算,其計(jì)算關(guān)系中的比率k=Δd/ε(Δd表示對(duì)應(yīng)測(cè)試點(diǎn)位的位置偏移量，ε表示應(yīng)變量，可采用Δλ和應(yīng)變系數(shù)計(jì)算得到)。由此可見，不但可以實(shí)現(xiàn)定性分類，還能夠完成定量分析，因此，采用應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)分布解算修正系數(shù)是可行的。通過對(duì)夾具平面上分布的FBG應(yīng)力測(cè)試值就可以計(jì)算得到當(dāng)前裝配結(jié)構(gòu)的安裝狀態(tài)及受力程度，從而利用這些測(cè)試數(shù)據(jù)與修正數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)的修正系數(shù)對(duì)裝配位置進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到在線修正裝配軌跡與評(píng)估裝配質(zhì)量的目的。

Fig.2 Force distribution on z-axis when inserted into different positions

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 測(cè)量與標(biāo)定方法

本測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)力傳感器選用CASSTK公司的AAP-FBG，其鋁合金封裝與工件材質(zhì)一致，從而保證彈性模量及張力系數(shù)相同，系統(tǒng)解調(diào)模塊采用激光掃描匹配模式實(shí)現(xiàn)(設(shè)置一個(gè)可調(diào)頻濾波器，對(duì)每一個(gè)FBG對(duì)應(yīng)中心波長(zhǎng)一定范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，當(dāng)檢測(cè)到最大峰值時(shí)記錄其波長(zhǎng)值，該波長(zhǎng)值與FBG的原中心波長(zhǎng)的差就是波長(zhǎng)偏移量)。標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng)采用激光3維成像儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后通過POINTOOLS軟件[20]完成目標(biāo)曲面重建，從而分析本系統(tǒng)提供的面形形變偏移量的誤差程度。測(cè)量過程中，夾具加緊帶通孔的耳片進(jìn)入安裝位置，并外加一個(gè)力矩，通過本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量反演計(jì)算對(duì)安裝件的面形偏移量。再通過光學(xué)掃描的結(jié)果分析本系統(tǒng)面形偏移量的測(cè)試結(jié)果誤差大小。測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與耳片數(shù)模及FBG分布位置示意如圖3所示。

Fig.3 Schematic diagram of the physical and FBG distribution of test samples

實(shí)驗(yàn)中工件上設(shè)置6個(gè)FBG，其數(shù)量選擇原則是在能夠表達(dá)裝配件應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)信息的基礎(chǔ)上盡量減少FBG的個(gè)數(shù)，目的是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可在一個(gè)解調(diào)系統(tǒng)下完成更多裝配位置的同時(shí)監(jiān)測(cè)。測(cè)試中曾采用更多FBG，但邊緣位置波長(zhǎng)響應(yīng)信噪比低，不利于狀態(tài)解算，故最終選用了覆蓋主要敏感位置的6個(gè)FBG完成數(shù)據(jù)獲取。其位置確定原則是能夠充分反映測(cè)試點(diǎn)位的應(yīng)變值，由于實(shí)際裝配中裝配偏差產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)都是沿其對(duì)應(yīng)表面擴(kuò)散的，使FBG軸向與其正交可獲得更敏感的效果，故設(shè)置以上6個(gè)位置表征工件應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)最佳。

3.2 測(cè)量結(jié)果分析

為了與實(shí)際安裝過程中的強(qiáng)迫裝配應(yīng)力對(duì)應(yīng)，外加力矩采用兩種形式:一種是過插入狀態(tài)，即沿y軸施力；另一種是裝配位置不正，即沿x軸施力。由于z軸方向有安裝孔限位，所以不需要專門進(jìn)行分析，裝配時(shí)以孔位的配合為準(zhǔn)。測(cè)試過程中施力每次增大20N，持續(xù)15s等待結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定后計(jì)算位置偏移數(shù)據(jù)，共10次，當(dāng)施力穩(wěn)定為100N時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本系統(tǒng)結(jié)果由FBG回波值計(jì)算得到，光學(xué)測(cè)量結(jié)果由激光掃描儀掃描靶標(biāo)點(diǎn)得到。當(dāng)外加應(yīng)力施加在y軸方向時(shí)，F(xiàn)BG1與FBG3響應(yīng)效果一正一負(fù)，F(xiàn)BG1是拉伸效果，F(xiàn)BG3是壓縮效果，但由于FBG軸向與施力正交，故其響應(yīng)較弱。相比FBG2和FBG4正作用于其應(yīng)力方向，故其響應(yīng)值較明顯。而FBG5與FBG6由于在耳片突出的敏感部位，故其響應(yīng)值最大，達(dá)0.69mm。與光學(xué)測(cè)量結(jié)果相比，除了不敏感的FBG1和FBG3位置誤差較大外，其它位置的誤差均在4.0%以內(nèi)。當(dāng)外加應(yīng)力施加在x軸方向時(shí)，F(xiàn)BG2與FBG4響應(yīng)效果一正一負(fù)，F(xiàn)BG2是拉伸效果，F(xiàn)BG4是壓縮效果，其響應(yīng)較弱。同時(shí)，F(xiàn)BG1和FBG3的響應(yīng)比較強(qiáng)，而FBG5與FBG6由于在耳片突出的敏感部位，故其響應(yīng)值最大，達(dá)0.86mm。與光學(xué)測(cè)量結(jié)果相比，除了不敏感的FBG2和FBG4位置誤差較大外，其它位置的誤差均在5.0%以內(nèi)。x軸上測(cè)試的敏感位置形變值平均誤差優(yōu)于4.7%，y軸上測(cè)試的敏感位置形變值平均誤差優(yōu)于3.9%。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雖然施力大小一樣，但是在x軸時(shí)造成的計(jì)算誤差大于y軸，分析認(rèn)為是耳片長(zhǎng)邊在y軸上，故相同施力時(shí)x軸方向造成的耳片形變更大，所以曲面形變引入的非線性誤差增大導(dǎo)致。

Table 1 Comparison data table of position deviation

3.3 測(cè)量數(shù)據(jù)線性度分析

傳感器測(cè)試曲線的線性度是反映傳感性能的重要指標(biāo)，同時(shí)其可重復(fù)性也是衡量系統(tǒng)是否能夠穩(wěn)定工作的重要標(biāo)準(zhǔn)。故針對(duì)兩種不同應(yīng)力施加情況，分別測(cè)試并繪制了其應(yīng)力值-形變量響應(yīng)曲線，結(jié)果如圖4所示。

Fig.4 Stress-deformation response curvea—y-axis direction b—x-axis direction

測(cè)試過程中為了保證一定的信噪比，每次僅取敏感位置上FBG的測(cè)試數(shù)據(jù)，在y軸方向取FBG2,FBG4,FBG5,FBG6，在x軸方向取FBG1,FBG3,FBG5,FBG6。由應(yīng)力值-形變量響應(yīng)曲線可以看出，應(yīng)力值與計(jì)算得到的形變量的線性度穩(wěn)定。y軸方向時(shí)FBG2,FBG4,FBG5,FBG6的斜率分別為-0.0043,-0.0048,0.0061,0.0067，擬合后的R值分別是0.9914,0.9929,0.9945,0.9953；x軸方向時(shí)FBG1,FBG3,FBG5,FBG6的斜率分別為0.0045,0.0044,-0.0082,0.0084，擬合后的R值分別是0.9891,0.9891,0.9948,0.9813。可見，在整個(gè)測(cè)試范圍內(nèi)能夠很好地反映施力與結(jié)構(gòu)位置變形程度的關(guān)系。同時(shí)，根據(jù)其正負(fù)分布規(guī)律也能夠看出其結(jié)構(gòu)的拉伸與壓縮狀態(tài)，該結(jié)果驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可行性。

4 結(jié) 論

本文中針對(duì)裝配過程中實(shí)時(shí)獲取裝配件狀態(tài)信息從而完成修正參數(shù)設(shè)置的問題，提出了一種基于FBG組網(wǎng)的裝配修正系統(tǒng)。系統(tǒng)通過在裝配工裝的合適位置上黏貼適量的FBG傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)裝配工裝應(yīng)力場(chǎng)的實(shí)時(shí)獲取。利用FBG回波波長(zhǎng)與應(yīng)變之間的線性關(guān)系，完成了對(duì)裝配件形變程度的準(zhǔn)確描述。仿真分析了不同裝配問題導(dǎo)致的應(yīng)力場(chǎng)分布及FBG響應(yīng)關(guān)系具有明顯的標(biāo)志性。實(shí)驗(yàn)通過與光學(xué)掃描方法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示本系統(tǒng)在100N施力條件下，x軸和y軸對(duì)應(yīng)的最大偏移量分別為0.86mm和0.69mm。在x軸和y軸上的形變量平均誤差分別優(yōu)于4.7%和3.9%，線性度平均值均優(yōu)于0.98。驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，體現(xiàn)了其在智能裝配領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。