空心圓柱體艙段柔性對接裝置設計

摘 要：目前國內(nèi)空心圓柱體艙段在對接過程中有很多問題，例如艙段對接面定位、特征復雜、艙段質(zhì)量大、多采用手工操作、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品合格率不高等。因此本文提出了一種空心圓柱體艙段自動柔性對接裝置以及工程實現(xiàn)方法。利用視覺測量裝置、姿態(tài)調(diào)整裝置，保證圓柱體艙段一次對接成功。根據(jù)實際對接裝配的結(jié)果反饋，在使用該對接裝置后，對接精度更高，對接過程更方便，速度更快，可有效提高圓柱體艙段對接的效率和產(chǎn)品合格率。

關鍵詞：艙段對接；姿態(tài)調(diào)整；視覺測量

中圖分類號：V 26" 文獻標志碼：A

空心圓柱體艙段的產(chǎn)品常采用分段模塊化制造，再將各分段模塊進行精確對接，為使裝配對接過程精確高效，在裝配前會對兩個需要的對接的艙段進行位姿調(diào)整，因此艙段對接工序是這類產(chǎn)品在總裝過程中最重要的工序。在滿足安全生產(chǎn)和裝配質(zhì)量的前提下，提高產(chǎn)能的重點是提高各站位的效率，實現(xiàn)關鍵工序的自動化。本文以國內(nèi)某型圓柱體艙段產(chǎn)品的實際生產(chǎn)為例進行研究，其產(chǎn)品是由多個艙段對接組合而成，其中部分艙段會出現(xiàn)質(zhì)量過大，配合端的對接面特征復雜等情況，在裝配的過程中主要通過人工搬運艙段至轉(zhuǎn)運車，然后手動調(diào)整輔助工裝來保持艙段的空間位置及姿態(tài)達到可對接的要求后，人工推動轉(zhuǎn)運車移動并適時調(diào)整以完成對接。

但是這種對接方法對作業(yè)員的技術操作水準要求高，同時存在安全隱患，且在對接的過程中均由人工操作，勞動強度大，工作效率低，難以保證對接精度，容易出現(xiàn)配合尺寸超差的問題，產(chǎn)品合格率低，直接影響生產(chǎn)裝配效率和質(zhì)量。

針對上述問題，本文設計了一種空心圓柱體艙段對接裝置，可以實現(xiàn)產(chǎn)品總裝對接過程中的艙段自動對接，同時具有對接效率高，造價成本低等優(yōu)勢。

1 柔性對接裝置原理設計

某空心圓柱體艙段的對接任務主要是完成制導引信艙、ZD部對接，產(chǎn)品艙段對接端均采用軸孔的間隙配合，在端面的一圈有一組定位銷與銷槽，如圖1所示。

在產(chǎn)品對接的過程中，通常將一段產(chǎn)品固定作為對接開始的基準，另一段由作業(yè)人員手動放置到合適的位置，然后設備根據(jù)測量數(shù)據(jù)反饋伺服控制系統(tǒng)開始自動調(diào)整，調(diào)整完畢后進行自動對接，整個過程基本不需要人工操作，全部靠設備自動運行。為實現(xiàn)此自動過程，需要解決以下兩個主要問題。1）精確測量兩個需要對接的艙段之間的空間相對位置，找到各自艙段的圓心點和兩個艙段上各自對應的銷釘與銷槽孔，使其中一個艙段可繞其軸線旋轉(zhuǎn)并調(diào)整，完成銷釘與銷槽孔的精確對位[1]。2）設計調(diào)整機構可以達到與作業(yè)員手動操作時相同的靈活性，利用電機驅(qū)動直線機構可以使艙段在X、Y、Z軸移動，電機旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)對接所需偏角。

2 柔性對接裝置結(jié)構設計

柔性對接裝置主要結(jié)構是由對接平臺基座、多軸調(diào)節(jié)裝置、視覺測量裝置、旋轉(zhuǎn)調(diào)整裝置組成，如圖2所示。

作業(yè)人員先利用吊裝設備將制導引信艙放到旋轉(zhuǎn)調(diào)整裝置上，再將ZD部放到多軸調(diào)節(jié)裝置，設備啟動，用視覺測量裝置對兩個需要對接艙段端面進行掃描測量，測得數(shù)據(jù)后反饋控制系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)調(diào)整裝置自動調(diào)整制導引信艙角度，調(diào)整完畢后繼續(xù)測量，多軸調(diào)節(jié)裝置開始X、Y、Z三軸移動調(diào)整，最終使制導引信艙與ZD部精確對接[2]。

2.1 旋轉(zhuǎn)調(diào)整裝置

根據(jù)前面對接過程中需要調(diào)整制導引信艙的旋轉(zhuǎn)需求，設計旋轉(zhuǎn)調(diào)整裝置，整體由防爆伺服電機（作為動力驅(qū)動）、旋轉(zhuǎn)抱箍（用于固定產(chǎn)品）、抱箍旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置組成，如圖3所示。

旋轉(zhuǎn)調(diào)整裝置安裝在直線導軌上，可根據(jù)不同艙段的尺寸自動調(diào)整兩組裝置之間的間距，適用于多種型號產(chǎn)品支撐，旋轉(zhuǎn)抱箍由三段式分體結(jié)構組成一個環(huán)形，內(nèi)部與產(chǎn)品接觸部分是具有一定彈性的聚氨酯支撐塊，可有效保護產(chǎn)品，同時可以保證旋轉(zhuǎn)調(diào)整時產(chǎn)品與機構之間不會產(chǎn)生相對滑動，可以根據(jù)產(chǎn)品型號，調(diào)整更換其內(nèi)部的聚氨酯支撐塊，其適用于多種產(chǎn)品固定，具備一定的柔性化。

抱箍旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置內(nèi)部主要是由多組齒輪組與兩個摩擦輪組成，動力驅(qū)動兩個摩擦輪同向轉(zhuǎn)動，在底部以及凹槽兩側(cè)增加多組限位機構，可限定旋轉(zhuǎn)抱箍的軸向和上下竄動。

通過以上設計，可以對旋轉(zhuǎn)抱箍帶動產(chǎn)品進行角度調(diào)整。

2.2 視覺測量裝置

針對對接過程中的艙段圓心以及銷槽孔與銷釘?shù)亩ㄎ恍枨螅芯吭O計了視覺測量裝置，該裝置使相機和光源具有Z軸、Y軸、R軸調(diào)節(jié)功能，可達到最佳拍攝測量位置，裝置如圖4所示。

測量系統(tǒng)先用blob分析做粗定位，建立ROI基準，通過輪廓分別提取銷槽孔和銷釘?shù)娜瓮鈭A輪廓，再擬合圓得到圓心。用找直線和幾何關系求出缺口和銷釘?shù)闹行狞c，再用各自擬合圓圓心和銷槽孔的中心點、銷釘?shù)闹行狞c所在的直線分別與垂直軸做夾角，計算銷釘旋轉(zhuǎn)到缺口所需的角度，并反饋控制系統(tǒng)。

相機拍照圓弧3個位置擬合圓心，計算圓柱與基準圓柱水平、垂直方向偏差。

目前單像素精度0.0244mm，特征邊緣有3～4個過度像素，因此視覺定位精度為±0.0976mm，可滿足±0.5mm安裝定位的精度要求，實現(xiàn)自動對接。

2.3 多軸調(diào)節(jié)裝置

多軸調(diào)節(jié)裝置如圖5所示，主要由固定基座、X軸調(diào)節(jié)、Y軸調(diào)節(jié)、Z軸調(diào)節(jié)、R軸調(diào)節(jié)、輔助偏角調(diào)整、力矩監(jiān)測裝置組成。

X軸調(diào)節(jié)采用高精度直線滑軌配合滾珠絲杠作為自動對接的進給驅(qū)動，由底部的防爆伺服電機提供動力，整體安裝在下部的固定基座上[3]，如圖6所示。

力矩監(jiān)測裝置如圖6安裝位置，其內(nèi)部含力矩傳感器，可以用于實時監(jiān)控對接時的力矩，當對接時力矩值超過設定的保護值時，對接停止，人工介入，確定調(diào)整后再進行對接任務，保障自動對接過程的安全。

在豎直直線滑軌上安裝Z軸調(diào)節(jié)移動部分，固定端安裝在X軸調(diào)節(jié)板上，由滾珠絲杠配合電機驅(qū)動Z向移動，如圖7所示。

Y軸調(diào)節(jié)移動部分與X軸的驅(qū)動類似，采用高精度直線滑軌作為導向，電機提供輸入動力，整體安裝在Z軸調(diào)節(jié)的滑動端，可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)裝置上部分的Y向移動，如圖8所示。

采用同步帶和齒形輪設計R軸旋轉(zhuǎn)部分，由伺服電機根據(jù)視覺測量裝置測測量數(shù)據(jù)，將其反饋到伺服機構，旋轉(zhuǎn)控制角度偏轉(zhuǎn)，如圖9所示。

采用配重砝碼和傾角調(diào)整擺桿作為輔助偏角調(diào)整裝置，模擬人工對接時的晃動調(diào)整，使整體對接更為順暢，接近真實對接情況，如圖10所示。

3 對接驗證及結(jié)果

為了驗證本文設計的裝置是否滿足自動對接以及對接的要求[4]，在設計好的柔性對接裝置上進行試驗，對接過程包括調(diào)整兩個需要對接艙段的圓心基準、調(diào)整銷釘與銷槽孔的對位、完成柔性自動對接。

在完成對接艙段的圓心基準調(diào)整后，使用標準測量儀器進行基準測量，得出兩個艙段的基準偏差，重復進行10次測量，數(shù)據(jù)見表1，由表1結(jié)果可知，最大的圓心基準偏差值為0.143mm，遠低于0.5mm的最大值，滿足自動調(diào)整的需求。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知，對3個產(chǎn)品進行9次艙段對接試驗，9次的平均對接時間為5.44min，成功率為100%。與人工對接時長（7.56min）相比，時間縮短28%，不僅提高了工作效率，還減少了相應人力成本、降低了作業(yè)員勞動強度。

4 結(jié)論

為解決現(xiàn)有空心圓柱體艙段對接過程中出現(xiàn)的問題，本文提出一種可提高自動化程度的空心圓柱體艙段自動對接的工程實現(xiàn)方法，基于視覺測量系統(tǒng)配合自動柔性對接裝置，設計了一套完整的圓柱體艙段自動對接系統(tǒng)，通過多批次、重復的樣品測試和工程驗證，證明該對接系統(tǒng)具有高效性、準確性、可靠性，也可應用于同種類似產(chǎn)品對接，為未來更多小型空心圓柱體艙段對接工作提供了技術支持。

參考文獻

[1]許家忠，陳繼元，黃成.筒類艙段主動柔順對接策略[J].電機與控制學報，2021（9）：140-146.

[2]代衛(wèi)兵，胡瑞欽，易旺民.航天器大型艙段柔性對接技術研究[J].航天器環(huán)境工程，2014（6）：584-588.

[3]易旺民，段碧文，高峰，等. 大型艙段裝配中的水平對接技術[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2015，21（9）：2354-2360.

[4]仇原鷹，李耕，趙澤，等.圓柱形艙段對接裝置：CN103737310A[P].2014-04-23.

基金項目：2024年度上海市促進產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展專項先導產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展（人工智能專題）“基于大模型的質(zhì)量管理平臺研發(fā)及在航天領域關鍵流程全場景應用項目”（項目編號：2024-GZL-RGZN-01029）。