李 偉 ，任同群 ，2，錢志龍 ，王曉東 ，2

（1.大連理工大學(xué)遼寧省微納米技術(shù)及系統(tǒng)重點實驗室，遼寧大連 116024;2.大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧大連 116024）

0 引言

加速度計是慣性導(dǎo)航和慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的核心敏感元件，被廣泛用于航空、航天等領(lǐng)域的導(dǎo)航系統(tǒng)[1-2]。而慣性組件是加速度計的核心組件，其裝配精度對加速度計性能至關(guān)重要。目前懸絲擺式加速度計慣性組件裝配主要采用人工操作，對工人的技術(shù)水平要求高、裝配精度低、廢品率高且耗時較長[3]，已不能滿足生產(chǎn)需求，因此亟待開發(fā)一套懸絲擺式加速度計慣性組件自動裝配控制系統(tǒng)。

目前，一些國內(nèi)外學(xué)者在微小型機電零部件裝配控制領(lǐng)域已經(jīng)取得了大量的成果。芬蘭拉彭蘭塔工業(yè)大學(xué)[4]提出了針對熱核試驗反應(yīng)堆而設(shè)計制定的加工裝配機器人的新型觸覺界面和位置控制和感知策略。法國的FEMTO-ST研究所[5]開發(fā)了一套用于自動裝配微小光學(xué)零件控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了5個位移滑臺和轉(zhuǎn)臺，其中微夾鉗可實現(xiàn)4個自由度的運動。哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄒宇、榮偉彬等[6]提出一種套件精密對接自動裝配實驗系統(tǒng)。套件對接自動裝配過程中采用了位置控制、力控制等控制方式。北京大學(xué)崔曉峰等[7]提出針對體系結(jié)構(gòu)層次設(shè)計的決策抽象和問題分解原則，以及基于該原則的以決策為中心的軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。南京航空航天大學(xué)黃燦、卜林森[8]提出了一種基于組件和配置文件技術(shù)的裝配系統(tǒng)控制軟件。上述微小型裝配控制系統(tǒng)所面臨的待裝配零件尺寸較為接近，裝配任務(wù)較少。

目前國內(nèi)外尚沒有針對微型懸絲擺式加速度計慣性組件的自動裝配設(shè)備。由于待裝配零件復(fù)雜，裝配任務(wù)較多，若所有裝配功能完全依靠系統(tǒng)視覺檢測后再反饋調(diào)整的策略，則會增加裝配自由度及控制復(fù)雜度，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性大幅下降。以穿絲調(diào)心裝配功能為例，若要保證懸絲位于玻璃管內(nèi)的同軸度要求，水平面和豎直面均需2個位置調(diào)整裝置，并需要兩個方向進(jìn)行觀測。若將懸絲在某一面內(nèi)的位置精度依靠工裝夾具進(jìn)行保證，則僅需1個測量方向即可。這樣則會減少硬件數(shù)量，降低控制系統(tǒng)復(fù)雜度，提高裝配控制可靠性和穩(wěn)定性。結(jié)合慣性組件的制造和裝配工藝流程，控制軟件需要實現(xiàn)連續(xù)裝配某兩個零件，并可以隨時切換裝配模塊進(jìn)行另外兩個零件的裝配。

綜上所述，本文針對懸絲擺式加速度計慣性組件的特點和裝配要求，基于所研制的懸絲擺式加速度計慣性組件自動裝配設(shè)備，制定了包含互相適應(yīng)思想的先看后動反饋控制策略，以及工裝夾具保證+力覺/視覺反饋調(diào)整的精度控制策略。結(jié)合實際裝配及制造工藝流程，基于分層架構(gòu)和模塊化的思想編寫了人機交互控制軟件，統(tǒng)籌兼顧組件復(fù)雜度和環(huán)境變化的影響，融合硬件、操作者于軟件，提高裝配精度和效率。

1 裝配任務(wù)及設(shè)備結(jié)構(gòu)

重慶大學(xué)路永樂[1]針對懸絲擺式加速度計結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行了詳細(xì)闡述。本文針對文獻(xiàn)[1]中的加速度計慣性組件進(jìn)行了裝配技術(shù)研究，參照其中慣性組件結(jié)構(gòu)，對零件和裝配后的慣性組件進(jìn)行集中示意描述，如圖1所示。

圖1 慣性組件與裝配示意圖

根據(jù)裝配要求，依次分為4個子裝配任務(wù)。首先，將接線片裝配到擺框架下端兩彎耳之間居中位置，并保證接線片中心線與擺框架下端中心線平行度在20μm以內(nèi)；其次，將渦流片裝配到擺框架左側(cè)彎耳上，保證渦流片和擺框架位置精度小于100μm；然后，將懸絲穿入到兩個玻璃管內(nèi)，水平面對稱度為30μm；最后，將裝有懸絲的兩個玻璃管分別放入擺框架下端的彎耳內(nèi)，且居中。

基于裝配任務(wù)，研制了懸絲擺式加速度計慣性組件自動裝配設(shè)備。設(shè)備主體結(jié)構(gòu)包括4個模塊：上裝配調(diào)整模塊、下裝配調(diào)整模塊、視覺測量模塊、穿絲調(diào)心模塊。設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

上裝配調(diào)整模塊主要負(fù)責(zé)上工裝定位、吸附和移動，其中上工裝集成有渦流片裝配單元、擺框架夾具、45°反射棱鏡三大功能結(jié)構(gòu)。基于工業(yè)相機和高精度渦流片夾具，渦流片裝配單元結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)渦流片的裝配任務(wù)。為使單相機實現(xiàn)裝配任務(wù)所要求的立體測量功能，特將棱鏡嵌于擺框架夾具內(nèi)。

下裝配調(diào)整模塊主要由旋轉(zhuǎn)微動平臺、下工裝、下工裝鎖緊氣缸等機構(gòu)構(gòu)成。旋轉(zhuǎn)微動平臺可實現(xiàn)接線片、玻璃管姿態(tài)調(diào)整功能，下工裝主要集成有專式玻璃管夾具、接線片夾具，采用下工裝鎖緊氣缸防止在調(diào)整接線片、玻璃管姿態(tài)時下工裝發(fā)生偏移，提高容錯率。

視覺測量模塊主要基于相機、鏡頭和光源（同軸光源和環(huán)形光源）實現(xiàn)對待觀測零件的圖像采集功能，進(jìn)而獲取零件間相對位姿的調(diào)整量。

穿絲調(diào)心模塊負(fù)責(zé)將懸絲穿入玻璃管，且調(diào)整至玻璃管中心位置，從而該模塊可細(xì)分為穿絲機構(gòu)、微調(diào)機構(gòu)。穿絲機構(gòu)由精密位移滑臺、直線電機遞送機構(gòu)、拉力傳感器、懸絲夾鉗構(gòu)成，微調(diào)機構(gòu)由左、右位移滑臺和懸絲調(diào)整夾鉗構(gòu)成。針對第3個子裝配任務(wù)，懸絲需要先后穿進(jìn)兩個玻璃管內(nèi)，由于是在非封閉空間下進(jìn)行穿絲裝配，因此采用引導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行引導(dǎo)干預(yù)的穿絲方式。因懸絲軟且具有撓性，穿進(jìn)時，僅懸絲頭部接觸引導(dǎo)槽，可較好地保護懸絲中間工作區(qū)域。

該設(shè)備實體圖如圖3所示。

圖3 裝配設(shè)備實體圖

2 慣性組件裝配控制策略及流程

懸絲擺式加速度計慣性組件構(gòu)成零件多，裝配任務(wù)復(fù)雜，并且該設(shè)備涉及到9個滑臺、1個轉(zhuǎn)臺、2個氣缸、1個相機、1套同軸/環(huán)形光源等硬件控制。因此，制定合理、高效的硬件控制原理、零件裝配策略和流程尤為重要。其中，控制系統(tǒng)原理如圖4所示。采用4個DS112控制器結(jié)合1個MPC08E運動控制卡配合控制的方案。用1個運動控制卡來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺、懸絲進(jìn)給直線電機控制，可減少使用1個DS112，又可實現(xiàn)兩路氣路控制。

圖4 控制系統(tǒng)原理圖

基于本文設(shè)備結(jié)構(gòu)和裝配任務(wù)要求，制定了包含互適應(yīng)的先看后動反饋控制策略，以及工裝夾具保證+反饋調(diào)整的精度控制策略。

2.1 接線片裝配控制策略

接線片裝配是整個懸絲擺式加速度計慣性組件裝配過程的第一步。若兩兩零件進(jìn)行裝配時，只調(diào)整一個零件進(jìn)行位姿的調(diào)整，硬件設(shè)計難度較大，可靠性較低。因此采用的是基于互適應(yīng)的先看后動反饋控制策略。即相機先通過棱鏡“看”水平面接線片姿態(tài)，然后精密轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)“動”裝有接線片的下工裝進(jìn)行角度補償，相機再通過棱鏡“看”水平面接線片位置，然后通過上工裝Y方向位移滑臺移“動”，調(diào)整被吸附的裝有擺框架的上工裝夾具位置，完成接線片和擺框架中心線對準(zhǔn)裝配任務(wù)。

結(jié)合實際裝配工藝流程，制定了接線片裝配流程圖，如圖5所示。

圖5 接線片裝配流程圖

2.2 渦流片裝配控制策略

基于渦流片裝配任務(wù)和集成要求，采用工裝夾具保證+視覺反饋調(diào)整的精度控制策略。具體為，渦流片裝配中平行度指標(biāo)是由渦流片夾具平面與擺框架基座平面的平行度保證，至于渦流片和擺框架的位置精度是基于視覺反饋的人工控制方法保證。這是綜合考慮設(shè)備功能性結(jié)構(gòu)集成要求和裝配精度要求而制定的硬件和控制策略的結(jié)果。

2.3 懸絲、玻璃管裝配控制策略

懸絲和玻璃管的裝配任務(wù)處于所有裝配過程中的第三四步，其中穿絲調(diào)心是最復(fù)雜、最核心的一步?；趹医z和玻璃管裝配任務(wù)，采用工裝夾具保證+視覺/力覺反饋調(diào)整的精度控制策略。

在穿絲之前，首先需要保證兩個玻璃管同軸?？紤]到玻璃管外徑不同，因此選擇柔性V型夾鉗作為玻璃管的夾持單元，并保證兩個玻璃管的同軸度滿足使用要求。采用懸絲夾鉗夾持右端懸絲推送進(jìn)玻璃管后，左端夾鉗夾持固定。對于懸絲在豎直面內(nèi)對稱度的裝配要求，前文已有所提及，亦是由左右懸絲夾鉗高度保證。以上是由工裝夾具精度保證。

懸絲材質(zhì)較軟，需對懸絲先張緊再調(diào)心，且懸絲易損傷，故張緊過程中需嚴(yán)格控制張力大小。因此，設(shè)計力覺結(jié)構(gòu)單元，即將微型拉力傳感器與懸絲終端夾持裝置相集成，如圖6所示。

圖6 力覺結(jié)構(gòu)單元

結(jié)合該單元，設(shè)計力反饋閉環(huán)控制回路，如圖7所示。拉力傳感器實時采集懸絲張力，并顯示于PT600數(shù)顯表，上位機通過RS-SPI通訊協(xié)議實現(xiàn)與數(shù)顯表通訊功能，并將獲取到的懸絲實際張力與張力閾值相比較，作出懸絲是否已張緊的判斷。由此可實現(xiàn)力覺實時反饋控制。

懸絲于玻璃管內(nèi)水平面的對稱度由穿絲調(diào)心模塊來實現(xiàn)。該模塊的調(diào)整控制思路是包含互適應(yīng)的先看后動視覺反饋控制策略。

在懸絲被左右夾鉗夾持固定后，相機先通過棱鏡“看”水平面懸絲和玻璃管姿態(tài)，然后精密轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)“動”裝有玻璃管的下工裝進(jìn)行調(diào)平行，相機再通過棱鏡“看”水平面懸絲和玻璃管位置，然后通過穿絲調(diào)心模塊中左右兩個Y方向位移滑臺移“動”，調(diào)整懸絲位置至玻璃管中心處，人工堵膠，從而完成懸絲調(diào)心裝配任務(wù)。

圖7 力反饋閉環(huán)控制回路

圖8 懸絲和玻璃管裝配流程圖

至此，需要完成最后一步玻璃管的裝配任務(wù)。考慮到玻璃管材質(zhì)易碎，無法采用操縱玻璃管捕捉擺框架進(jìn)行位姿調(diào)整的方案，而采用基于兩兩零件互適應(yīng)的先看后動反饋控制策略。即相機先通過棱鏡觀測水平面兩零件，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)裝有玻璃管的下工裝，從而使其與擺框架處于平行姿態(tài)。然后通過移動載有擺框架的上工裝Y向位移滑臺，從而將玻璃管處于對準(zhǔn)擺框架下端彎耳處。記錄下此時上工裝Y向位移滑臺位置，以便為采集豎直面玻璃管和彎耳的位置信息，上工裝Y向位移滑臺需前移后再退回。

在上述對待裝配組件分析和控制策略的基礎(chǔ)上，建立懸絲和玻璃管裝配流程圖，如圖8所示。

3 軟件架構(gòu)及實現(xiàn)

3.1 軟件架構(gòu)

該設(shè)備的控制軟件是基于Win32項目多線程編程技術(shù)，借助Visual Studio2013編譯工具，用C++語言編寫而成。其功能采用分層軟件架構(gòu)和模塊化思想實現(xiàn)，如圖9所示，由任務(wù)層、策略層和行為層構(gòu)成，提升了軟件復(fù)用性。

圖9 裝配控制軟件架構(gòu)

任務(wù)層相當(dāng)于所繪制軟件窗口界面，操作者需人工輸入相應(yīng)工裝號，確認(rèn)待操作任務(wù)，然后系統(tǒng)自動配置相對應(yīng)的光源、位置、滑臺速度等文檔信息，構(gòu)造動作序列，并將其傳入到策略層。

策略層用來接收任務(wù)層發(fā)來的任務(wù)單元，并將要執(zhí)行的任務(wù)單元分步驟傳給行為層。這里還需操作者根據(jù)由行為層傳來的圖像采集和擬合效果質(zhì)量，判斷軟件執(zhí)行流是流向任務(wù)層還是行為層。

行為層用來執(zhí)行由策略層傳來的具體動作序列，包括DS112控制器控制的8個滑臺和MPC08E運動控制卡控制的2個直線電機、1個轉(zhuǎn)臺及繼電器控制的真空吸附頭和鎖緊氣缸。行為層可改變同軸和環(huán)形光源的亮度，保證圖像采集和邊緣擬合效果。行為層還能讀取微力傳感器數(shù)顯表數(shù)值，通過懸絲拉力閉環(huán)反饋控制保證懸絲處于張緊而又不拉傷的狀態(tài)。

3.2 控制軟件及其核心算法介紹

控制軟件的主要功能是實現(xiàn)慣性組件高精度自動裝配。控制軟件分為5個模塊，分別是系統(tǒng)初始化和復(fù)位模塊、接線片裝配控制模塊、渦流片裝配控制模塊、穿絲&玻璃管裝配控制模塊、人工操作模塊?？刂平缑嫒鐖D10所示。

系統(tǒng)初始化模塊中初始化即檢查各個板卡、滑臺等硬件連接狀態(tài)及將運動裝置置零位，復(fù)位功能通過一特定標(biāo)志位實現(xiàn)重復(fù)當(dāng)前步驟功能。

圖10 控制軟件界面

接線片裝配控制模塊主要完成第一個子裝配任務(wù)。順序調(diào)整水平面上接線片姿態(tài)、擺框架位置及豎直面上擺框架位置。首先工業(yè)相機移動至通過棱鏡可觀測水平面接線片和擺框架位姿的位置，調(diào)整完畢之后，工業(yè)相機移動至直接采集豎直面接線片和擺框架彎耳位置信息位置進(jìn)行作業(yè)。

渦流片裝配控制模塊主要實現(xiàn)渦流片和擺框架兩者裝配功能。由系統(tǒng)將各個滑臺自動移至工業(yè)相機和渦流片對準(zhǔn)位置后可視化、自動化裝配。

穿絲&玻璃管裝配控制模塊主要實現(xiàn)第三四步子裝配任務(wù)。其中懸絲穿入玻璃管環(huán)節(jié)，使用了多線程編程技術(shù)，在重復(fù)功能里新建一個執(zhí)行線程，將Task穿絲子任務(wù)封裝為該線程的線程函數(shù)，這樣穿絲過程中可實現(xiàn)實時退回再重復(fù)穿絲功能。懸絲拉直控制算法是懸絲拉力達(dá)到力閾值時，停止懸絲張緊動作。由于PT600數(shù)顯表不能及時將拉力反饋回控制系統(tǒng)，因此，采取的算法為分速率分階段拉直，即在達(dá)到力閾值之前，張緊速率為10 pulse/s。之后，速率降為3 pulse/s。這樣既保證了懸絲拉力精準(zhǔn)控制，又能提高懸絲拉直效率。

人工操作模塊主要實現(xiàn)對環(huán)形/同軸光源的亮度調(diào)整，以及人工選點。由于零件加工誤差較大，環(huán)境變化較大，若完全自動化裝配，不僅不會提升效率，反而大幅提升結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，從而系統(tǒng)可靠性、成本、效率會受到一定影響。因此采用自動裝配為主人工調(diào)整為輔的控制算法。

4 慣性組件裝配實驗

用控制軟件分別進(jìn)行了接線片、渦流片、懸絲、玻璃管和擺框架的裝配實驗。該設(shè)備自帶相機視場可覆蓋已裝配組件，通過該顯微視覺測量系統(tǒng)觀測，得到的裝配實驗結(jié)果如表1所示。

其中慣性組件的平行度小于15μm，對稱度小于20μm，位置精度優(yōu)于15μm，各項裝配功能全部實現(xiàn)。

表1 裝配實驗測量結(jié)果

5 結(jié)束語

本文基于課題組所研制的專用懸絲擺式加速度計慣性組件自動裝配設(shè)備，制定了包含互適應(yīng)的先看后動反饋控制策略，以及工裝夾具保證+視覺/力覺反饋調(diào)整的精度控制策略，提高了裝配效率和系統(tǒng)可靠性。采用C++編程語言開發(fā)了懸絲擺式加速度計慣性組件自動裝配控制軟件，該軟件通過任務(wù)層、策略層和行為層實現(xiàn)了所制定的控制策略要求。

對懸絲擺式加速度計慣性組件的5個零件進(jìn)行了裝配實驗，實驗結(jié)果表明：慣性組件的平行度小于15μm，對稱度小于20μm，位置精度優(yōu)于15μm，滿足懸絲擺式加速度計使用要求。