劉海波，李 猛，王 新，王永青，馬玉勇，李蘭柱

(1．大連理工大學(xué)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(jìn)的航天用大型筒段往往采用高比強度復(fù)合材料筒體與金屬端框的組合結(jié)構(gòu)，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(jīng)驗反復(fù)試裝的常規(guī)方法將無法滿足該類結(jié)構(gòu)快速、精確對裝要求。

研究表明，把在機/在線測量技術(shù)與傳統(tǒng)制造過程相集成，通過質(zhì)量關(guān)聯(lián)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(rèn)可，并實際應(yīng)用［2－3］。針對大尺度測量問題，國內(nèi)外學(xué)者和研究機構(gòu)基于光學(xué)原理先后發(fā)展了多種測量方法與系統(tǒng)，如激光跟蹤儀、室內(nèi)GPS(indoor Global Positioning System，iGPS)、激光雷達(dá)和多經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)等，為大型零部件的精密制造提供了關(guān)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(gòu)建了一套基于iGPS的輔助飛機裝配系統(tǒng)［5］;Williams等［6］提出了位姿信息驅(qū)動的飛機大部件位姿調(diào)控方法，利用激光跟蹤儀、定位器和驅(qū)動單元構(gòu)建了專用位姿自動調(diào)控系統(tǒng);邾繼貴等［7］提出了一種面向現(xiàn)場環(huán)境的大尺度多站組合測量方法，實現(xiàn)了全局測量控制網(wǎng)與終端測量站的優(yōu)化配置;Paoli等［8］針對大型船體裝配質(zhì)量檢測問題，構(gòu)建了基于視覺測量與激光跟蹤相組合的測量系統(tǒng);王永青等［9］提出了基于在機測量的大型液體火箭發(fā)動機噴管冷卻通道數(shù)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(tǒng)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(dǎo)系統(tǒng)快速對準(zhǔn)精度。王保豐等［11］利用編碼標(biāo)志CCD測量實現(xiàn)了自主交會對接最后逼近階段的測量與控制任務(wù)。然而，基于在線測量的大型筒體－端框?qū)ρb技術(shù)仍鮮有針對性研究。

1 基于在線測量的大型筒體－端框?qū)ρb方法

大型筒體－端框?qū)ρb幾何模型如圖1所示［12］。

圖1 筒體－端框?qū)ρb幾何模型Fig．1 Butt assembly geometrical model of cylinder and end-frame

由于大型筒體與端框?qū)友b配過程個性化顯著，必須依據(jù)實際對裝狀態(tài)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈蛔苏{(diào)控，使得二者對裝縫隙均勻，以確保對裝效率和質(zhì)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(guān)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(jù)圓跳動數(shù)據(jù)實時反饋分別進(jìn)行筒體和端框的圓度強制校形;根據(jù)對裝縫隙周向?qū)嶋H分布狀態(tài)反算出姿態(tài)調(diào)整量，通過控制分布式調(diào)整輪實現(xiàn)位姿調(diào)整;完成筒體與端框?qū)友b配及對裝精度檢測。

2 多參量在線測量系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)大型筒體－端框的對裝特點，設(shè)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(tǒng)的硬件由多傳感在線檢測機構(gòu)、測量控制與通信系統(tǒng)等組成;軟件主要由人機交互界面(Human Machine Interface，HMI)、傳感器標(biāo)定、數(shù)據(jù)分析與顯示等功能部分組成。

2．1多傳感在線檢測機構(gòu)

多傳感在線檢測機構(gòu)是保證大型筒體－端框?qū)ρb狀態(tài)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(qū)動機構(gòu)兩部分組成。

圖2 在線檢測機構(gòu)及其系統(tǒng)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(guān)系為:1)準(zhǔn)直后的兩激光傳感器發(fā)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(biāo)定傳感器測量參考面至同一被測面的距離來實現(xiàn)。為便于調(diào)節(jié)三個傳感器之間的位置關(guān)系，基板上的安裝孔設(shè)計成鍵槽形。位置調(diào)整結(jié)束后，將多傳感器組合測頭安裝至專用檢測機構(gòu)執(zhí)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(qū)動機構(gòu)集成在對接工裝中心軸上，其主要包括回轉(zhuǎn)運動單元、直流伺服驅(qū)動單元和測量裝置轉(zhuǎn)接桿等?；剞D(zhuǎn)運動單元采用了行星齒輪結(jié)構(gòu)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(gòu)回轉(zhuǎn)精度和測量可靠性。為實現(xiàn)精確的速度控制，選用直流伺服控制模式完成回轉(zhuǎn)測量動作控制。直流伺服驅(qū)動單元的內(nèi)置編碼器用于反饋機構(gòu)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)。

2．2測量控制與通信

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

圖4 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig．4 Communication system architecture

首先，測控系統(tǒng)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(qū)動多傳感器組合測量裝置繞對接工裝中心軸旋轉(zhuǎn)，并在同一采集周期內(nèi)進(jìn)行運動位置坐標(biāo)、運動方向、激光和圖像的傳感數(shù)據(jù)的信息采集。然后，ARM單元通過異步收發(fā)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(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以用于誤差分析與位姿調(diào)整量的解算。

2．3數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計

采用模塊化設(shè)計手段，利用VC++在上位機開發(fā)出對裝數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)，其主要包括HMI模塊、傳感器標(biāo)定模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊等。

HMI模塊主要實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示與存儲等功能。參數(shù)設(shè)置界面包括傳感器選擇和采集頻率、電機轉(zhuǎn)動方向和速度測量等基本參數(shù)，以及采集數(shù)據(jù)文件保存路徑等設(shè)置。數(shù)據(jù)顯示包括激光和圖像測量數(shù)據(jù)的實時顯示，以及數(shù)據(jù)分析曲線的非實時顯示量部分。傳感器標(biāo)定模塊主要完成激光傳感器LS1和LS2的非線性標(biāo)定與補償、LS1和LS2回轉(zhuǎn)及對稱標(biāo)定、圖像傳感器縫隙識別標(biāo)定與補償?shù)裙δ埽M(jìn)而建立傳感坐標(biāo)系之間及其與套裝系統(tǒng)坐標(biāo)系的變換關(guān)系?？紤]到激光和圖像兩類傳感器不同的應(yīng)用要求，在數(shù)據(jù)采集模塊，需完成兩項任務(wù):一是在套裝坐標(biāo)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(tài)，建立分布函數(shù)f(δ，θ)，其中δ為對裝縫隙寬度，θ為測量轉(zhuǎn)角。

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

數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，進(jìn)行圓跳動計算，進(jìn)而采用最小包容區(qū)域法評估圓輪廓，為筒體和端框圓度校正提供數(shù)據(jù)依據(jù)。通過圖像邊緣銳化處理，獲得圖像的高頻分量，進(jìn)而提取對裝縫隙寬度。

為便于問題描述，建立圖像局部坐標(biāo)系，即像素坐標(biāo)系，如圖5(a)所示。對RGB圖像進(jìn)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(biāo)點(u，v)對應(yīng)的灰度值和RGB值，b和a分別為當(dāng)前圖幅內(nèi)各像素點RGB值的上、下邊界。

分別沿u像素線g(u)對v對應(yīng)灰度值進(jìn)行求和處理，即壓縮處理;對一維分布的灰度數(shù)據(jù)進(jìn)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(biāo)uR和uL對應(yīng)的灰度梯度峰值;α和β均為映射參數(shù)，需預(yù)先標(biāo)定。

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

3 筒體－端框?qū)ρb調(diào)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(fù)合材料筒體和金屬端框圓跳動數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行多點內(nèi)撐方式的強制校形，以保證順利對裝。內(nèi)撐點Si(θi)(i=1，…，n)均勻地分布在內(nèi)撐裝置上，位于同一截面，n為內(nèi)撐點數(shù)量，θi為第i個內(nèi)撐點的角度位置?？紤]到內(nèi)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(luò)圓輪廓曲線，則包絡(luò)圓內(nèi)的各內(nèi)撐點均需要調(diào)整。通過半徑差獲得各內(nèi)撐點的調(diào)整量di。

3．2筒體位姿調(diào)整

筒體位姿調(diào)整主要完成兩個任務(wù):筒體調(diào)正與端框同軸調(diào)整。基本調(diào)整過程為:

1)將校形后的筒體和端框運動至預(yù)裝位置，并啟動在線測量系統(tǒng)，進(jìn)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(shù)據(jù)，計算筒體相對于端框偏心距離，通過調(diào)整筒體前端支撐，完成同軸位姿的粗調(diào)整;

3)再次測量對裝縫隙與圓輪廓，根據(jù)對裝縫隙分布和筒體尺寸計算姿態(tài)偏差，進(jìn)而解算出后端支撐調(diào)整量;

4)轉(zhuǎn)入步驟1)，需滿足對裝精度要求。

4 應(yīng)用校驗:復(fù)合材料筒體－金屬端框?qū)ρb

以某型號大型筒段為典型零件，進(jìn)行應(yīng)用校驗。該筒段由一個復(fù)合材料筒體和兩個鋁合金金屬端框裝配而成?；诙鄥⒘吭诰€反饋的大型筒體－端框?qū)ρb工藝流程如圖6所示。

具體步驟如下:

1)把復(fù)合材料筒體和金屬端框吊裝至對裝系統(tǒng)，完成零件找正和裝夾;

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

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

4)膠粘固化、鉚接，完成對裝。

經(jīng)檢測，大尺寸復(fù)合材料筒體與鋁合金端框?qū)ρb縫隙誤差可有效控制在0．15 mm范圍內(nèi)，滿足了對裝精度要求。相對于傳統(tǒng)的人工經(jīng)驗調(diào)整、試湊對裝，采用本文提出的方法，單個筒段的筒體與端框?qū)ρb效率提高了2～3倍，產(chǎn)品一次合格率100%。

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

5 結(jié)論

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

［1］ 傅德彬，姜毅．用動網(wǎng)格方法模擬導(dǎo)彈發(fā)射過程中的燃?xì)馍淞髁鲌觯跩］．宇航學(xué)報，2007，28(2):423－426．［Fu Debin，Jiang Yi．Simulation of jet flow during missile launching with dynamic mesh［J］．Journal of Astronautics，2007，28(2):423－426．］

［2］Kunzmann H，Pfeifer T，Schmitt R，et al．Productive metrologyadding value to manufacture［J］．CIRP Annals-Manufacturing Technology，2005，54(2):155－168．

［3］Mears L，Roth J T，Djurdjanovic D，et al．Quality and inspection of machining operations:CMM integration to the machine tool［J］．ASME，Journal of Manufacturing Science and Engineering，2009，131(5):1－13．

［4］Estler W T，Edmundson K L，Peggs G N，et al．Large-scale metrology-an update［J］．CIRP Annals-Manufacturing Technology，2002，51(2):587－609．

［5］Zou J．Indoor global positioning measurement system application for the aircraft flexible joint assembly［C］．SAE 2010 Aerospace Manufacturing and Automated Fastening Conference＆Exhibition，Wichita，USA，September 28－30，2010．

［6］Williams G，Chalupa E，Rahhal S．Automated positioning and alignment systems［C］．SAE 2000 Aerospace Manufacturing and Automated Fastening Conference＆Exhibition，New Orleans，USA，September 20－22，2000．

［7］ 邾繼貴，郭磊，葉聲華．現(xiàn)場條件下大空間三維精密定位原理與方法［J］．光學(xué)學(xué)報，2009，29(7):1872－1876．［Zhu Jigui，Guo Lei，Ye Sheng-hua．Principle and implementation method of three-dimensional precision position in large field working space［J］．Acta Optica Sinica．2009，29(7):1872－1876．］

［8］Paoli A，Razionale A V．Large yacht hull measurement by integrating optical scanning with mechanical tracking-based methodologies［J］．Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2012，28:592－601．

［9］ 王永青，劉海波，李護(hù)林，等．大型液體火箭發(fā)動機噴管數(shù)字化銑槽加工系統(tǒng)［J］．宇航學(xué)報，2012，33(9):1327－1333．［Wang Yong-qing，Liu Hai-bo，Li Hu-lin，et al．Digital machining system for nozzle cooling channel of large liquid rocket engine［J］．Journal of Astronautics，2012，33(9):1327－1333．］

［10］ 高偉熙，繆玲娟，倪茂林．一種引入陀螺角速度信息的快速對準(zhǔn)方法［J］．宇航學(xué)報，2010，31(6):1596－1601．［Gao Wei-xi，Miu Ling-juan，Ni Mao-lin．A fast initial alignment method with gyro angular rate information［J］．Journal of Astronautics，2010，31(6):1596－1601．］

［11］ 王保豐，李廣云，于志堅，等．飛行器自主交會對接逼近階段單臺CCD測量方法研究［J］．宇航學(xué)報，2007，28(1):22－27．［Wang Bao-feng，Li Guang-yun，Yu Zhi-jian，et al．Using single CCD to measure the position and pose of aircrafts in the close phase of rendezvous and docking［J］．Journal of Astronautics，2007，28(1):22－27．］

［12］ 高明坤．導(dǎo)彈發(fā)射裝置構(gòu)造［M］．北京:國防工業(yè)出版社，1985．