面向干涉量控制的鉚釘智能選配技術(shù)研究

石雙江，陳文亮，王子昱

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

飛行過(guò)程中飛機(jī)發(fā)生的強(qiáng)度問(wèn)題80%以上是由疲勞破壞造成的，而疲勞破壞多發(fā)生于鉚接件的連接處，因此飛機(jī)鉚接件的疲勞壽命在一定程度上決定飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)的疲勞壽命[1]。鉚釘連接是飛機(jī)結(jié)構(gòu)連接的重要形式之一，干涉鉚接作為一種提高疲勞壽命的連接方式，與普通鉚接相比疲勞壽命可提高2～9倍[2]。田冬鳳等[3]在研究影響鉚接結(jié)構(gòu)抗疲勞強(qiáng)度工藝的基礎(chǔ)上，分析墩頭高度對(duì)干涉量、受力均勻性及孔周應(yīng)力的影響，進(jìn)一步討論鐓頭高度對(duì)鉚接結(jié)構(gòu)抗疲勞性的影響。陳允全等[4]通過(guò)試驗(yàn)研究鈦合金結(jié)構(gòu)的干涉配合鉚接對(duì)疲勞性能的影響，得出干涉鉚接能降低鉚接件周邊的應(yīng)力，提高連接件的疲勞壽命，此外，發(fā)現(xiàn)釘孔間隙對(duì)疲勞壽命有較大的影響。方俊等[5]提出對(duì)鈦合金結(jié)構(gòu)件采用干涉鉚接工藝的方法，通過(guò)普通錘鉚試驗(yàn)，研究不同直徑鉚釘?shù)耐馍炝亢歪斂组g隙等工藝參數(shù)與干涉量的關(guān)系，并得出控制理想干涉量的最佳釘孔間隙和鉚釘外伸量。Jiang等[6]提出通過(guò)選擇釘桿長(zhǎng)度和壓鉚力來(lái)控制干涉量的方法，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。符文科等[7]在分析普通鉚接不足之處的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套鈦合金鉚接的專(zhuān)用夾具，解決鉚釘桿偏移、墩頭形狀尺寸不合格和干涉量不均勻等問(wèn)題，提高干涉鉚接的質(zhì)量。

由上文可知，鉚釘和锪窩孔配合精度是準(zhǔn)確控制干涉量的前提，而目前鉚釘和锪窩孔的尺寸測(cè)量多數(shù)采用人工抽檢的方式，其測(cè)量效率低，易受人的主觀影響，難以達(dá)到測(cè)量精度要求。為提高鉚釘測(cè)量的精度和效率，馬鑫晟等[8]研制了一套基于機(jī)器視覺(jué)的鉚釘外形尺寸測(cè)量系統(tǒng)，利用LabVIEW完成圖像處理工作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步保存、數(shù)據(jù)分析和報(bào)表等功能。郭全民等[9]使用機(jī)器視覺(jué)對(duì)鉚釘進(jìn)行測(cè)量，采用改進(jìn)的最大類(lèi)間方差法（OTSU）、Blob分析和輪廓跟蹤等算法提高鉚釘?shù)臏y(cè)量精度和降低誤檢率。丁力平[10]在對(duì)CCD相機(jī)的采集圖像清晰度分析的基礎(chǔ)上，提出一種適合不同類(lèi)型鉚釘尺寸測(cè)量的自動(dòng)調(diào)焦方法。

在保證鉚釘尺寸測(cè)量精度的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制釘孔間隙，可以使鉚接的干涉量處在最佳范圍內(nèi)。而控制釘孔間隙，需要根據(jù)锪窩孔直徑合理地選擇相應(yīng)直徑的鉚釘。在研究釘孔選配問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出基于果蠅算法的鉚釘自動(dòng)分組方法，通過(guò)測(cè)量獲得锪窩孔尺寸，采用智能選配方法，對(duì)鉚釘進(jìn)行合理的分組，減少鉚接時(shí)鉚釘選擇的工作量，最大限度滿(mǎn)足鉚釘和锪窩孔的間隙處在理想的范圍內(nèi)，使鉚接后的干涉量滿(mǎn)足工藝要求。同時(shí)，研制一套能夠自動(dòng)調(diào)焦的柔性化鉚釘尺寸快速測(cè)量系統(tǒng)。

1 基于視覺(jué)的鉚釘尺寸快速測(cè)量方法

1.1 鉚釘尺寸快速測(cè)量系統(tǒng)工作原理

鉚釘尺寸快速測(cè)量系統(tǒng)的工作原理如下：首先選擇待測(cè)鉚釘?shù)男吞?hào)，啟動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)始測(cè)量，步進(jìn)電機(jī)調(diào)整CCD相機(jī)到合適的位置，同時(shí)振動(dòng)盤(pán)開(kāi)始啟動(dòng)上料，鉚釘經(jīng)過(guò)振動(dòng)盤(pán)和直振器后以一定的排列方式輸送到測(cè)量平臺(tái)上。

光纖傳感器感應(yīng)到鉚釘，發(fā)出信號(hào)使相機(jī)進(jìn)行拍照，圖像信息發(fā)送至圖像采集卡，圖像采集卡將圖像信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)發(fā)送至工控機(jī)，事先編寫(xiě)好的軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理和判斷，將不合格的鉚釘送入廢品類(lèi)，合格的鉚釘按公差進(jìn)行二次分類(lèi)。工控機(jī)的顯示屏實(shí)時(shí)顯示測(cè)量的結(jié)果。鉚釘尺寸快速測(cè)量系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 鉚釘尺寸快速測(cè)量系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of quick measurement for rivet

1.2 鉚釘輪廓特征提取

圖像傳感器在采集的過(guò)程中，由于受到傳感器本身的屬性、電路結(jié)構(gòu)和外部工作環(huán)境的影響，會(huì)造成各種噪聲，如高斯噪聲和均值噪聲等。而在圖像處理中，需要根據(jù)噪聲的特征和邊緣特點(diǎn)等，選擇合適的濾波算法，常用的濾波算法有均值濾波、中值濾波和高斯濾波。中值濾波對(duì)噪聲有良好的濾除作用，優(yōu)點(diǎn)是在濾除圖像噪聲的同時(shí)，不影響圖像的邊緣信息，使圖像不會(huì)變得模糊，所以選擇中值濾波作為濾波方法。此外，中值濾波的算法較為簡(jiǎn)單，易于通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)。中值濾波的公式如式（1）所示。

圖像二值化在數(shù)字圖像處理中占有突出的地位。圖像二值化是將圖像中像素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為255或0，將圖像轉(zhuǎn)化為仍能夠反映目標(biāo)整體與細(xì)節(jié)特征的黑白二值圖的過(guò)程。最大類(lèi)間方差法（OTSU）是常用的圖像二值化處理方法。OTSU法的基本思想是先根據(jù)一個(gè)初始的閾值，將圖像暫時(shí)分為兩類(lèi)，計(jì)算兩類(lèi)圖像之間的方差，依據(jù)所得方差更新閾值后，依據(jù)所得的閾值再將圖像分為兩類(lèi)，重新計(jì)算兩類(lèi)之間的方差，如此往復(fù)直到該方差變?yōu)樽畲?，即認(rèn)為此時(shí)的閾值為最佳閾值。其基本公式如式（2）所示。

式中，μA和μB為圖像A和圖像B的像素平均值，NA和NB為圖像A和圖像B中像素個(gè)數(shù)，f（i，j）為圖像表達(dá)式，σ為圖像的類(lèi)間方差，Th為二值化閥值。

在飛機(jī)鉚釘尺寸快速測(cè)量過(guò)程中，需要將鉚釘輪廓特征提取出來(lái)，減少圖像處理的數(shù)據(jù)量，并在輪廓的基礎(chǔ)上進(jìn)行尺寸測(cè)量。常用的邊緣提取算子有Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子、Lapacian算子和Canny算子。Canny算子在一階微分算子上改進(jìn)后，提高邊緣的定位精度，減少漏檢率，邊緣較為連續(xù)。比較后采用Canny算子對(duì)圖像進(jìn)行邊緣提取，Canny算子效果圖如圖2所示。

圖2 鉚釘輪廓提取Fig.2 Extraction of rivet contour

最終鉚釘尺寸自動(dòng)測(cè)量算法流程圖如圖3所示，鉚釘圖像信息在傳遞到工控機(jī)上后，經(jīng)過(guò)中值濾波消除噪聲、OTSU二值化使鉚釘對(duì)象更明顯、Canny算子提取邊緣特征后，再對(duì)提取的邊緣特征進(jìn)行尺寸測(cè)量，最后得到鉚釘?shù)尼敆U直徑、釘帽直徑、釘帽高度和鉚釘長(zhǎng)度參數(shù)，之后依據(jù)裝配需要，選擇相應(yīng)的參數(shù)對(duì)鉚釘進(jìn)行分類(lèi)。

圖3 鉚釘尺寸自動(dòng)測(cè)量算法流程Fig.3 Process of rivet automatic detection algorithm

1.3 鉚釘尺寸快速測(cè)量平臺(tái)搭建

按照前文的鉚釘尺寸快速測(cè)量系統(tǒng)的工作原理對(duì)飛機(jī)鉚釘尺寸快速測(cè)量設(shè)備進(jìn)行硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。飛機(jī)鉚釘尺寸自動(dòng)測(cè)量設(shè)備由鉚釘自動(dòng)上料模塊、旋轉(zhuǎn)測(cè)量平臺(tái)、圖像測(cè)量模塊和自動(dòng)分揀模塊組成。鉚釘通過(guò)自動(dòng)上料模塊被傳送到玻璃盤(pán)組成的運(yùn)動(dòng)測(cè)量平臺(tái)上，運(yùn)動(dòng)測(cè)量平臺(tái)將鉚釘移動(dòng)到各個(gè)測(cè)量位置，圖像測(cè)量模塊判斷鉚釘是否合格，若鉚釘合格則對(duì)其進(jìn)行二次分類(lèi)，再將鉚釘移動(dòng)到對(duì)應(yīng)的料倉(cāng)口，通過(guò)氣嘴吹氣將鉚釘送入料倉(cāng)。

圖4 飛機(jī)鉚釘尺寸快速測(cè)量設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)Fig.4 Hardware structure of fast measuring equipment for aircraft rivet

自動(dòng)上料模塊由振動(dòng)盤(pán)和直振器組成。設(shè)定振動(dòng)盤(pán)控制器的電壓和頻率，振動(dòng)盤(pán)以一定的頻率和振幅振動(dòng)，盤(pán)內(nèi)底部的鉚釘受到振動(dòng)沿螺旋軌道上升，上升過(guò)程中經(jīng)過(guò)篩選和調(diào)整，鉚釘能有序地排列，輸出到直振器。直振器通過(guò)振動(dòng)使鉚釘向前運(yùn)動(dòng)到運(yùn)動(dòng)測(cè)量平臺(tái)上，鉚釘在測(cè)量平臺(tái)上經(jīng)由糾偏裝置，以正確的位置運(yùn)動(dòng)到相機(jī)前方進(jìn)行拍照測(cè)量。

運(yùn)動(dòng)測(cè)量平臺(tái)由玻璃盤(pán)和伺服電機(jī)組成。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)玻璃盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，伺服電機(jī)受工控機(jī)控制轉(zhuǎn)速，能夠更加準(zhǔn)確和平穩(wěn)地運(yùn)行，結(jié)合自動(dòng)上料模塊，調(diào)節(jié)設(shè)備的測(cè)量速度，配合鉚釘?shù)纳a(chǎn)節(jié)拍。玻璃盤(pán)下裝有6個(gè)調(diào)整高度的旋鈕，方便調(diào)整玻璃盤(pán)的水平度，提高鉚釘尺寸的測(cè)量精度。

圖像測(cè)量模塊由電缸和相機(jī)組成，在選擇型號(hào)后，工業(yè)相機(jī)運(yùn)動(dòng)到預(yù)設(shè)的工作位置，保證鉚釘出現(xiàn)在畫(huà)面中央，圖像清晰。當(dāng)鉚釘運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)光纖傳感器時(shí)，光纖傳感器發(fā)送信號(hào)給工控機(jī)，觸發(fā)相機(jī)拍照，拍照所得的圖像信息經(jīng)由網(wǎng)線(xiàn)傳輸給圖像采集卡，工控機(jī)通過(guò)圖像算法計(jì)算出鉚釘?shù)闹睆?、高度、釘帽的高度、釘帽的直徑等參?shù)，依據(jù)合格鉚釘?shù)膮?shù)范圍，判斷鉚釘是否合格，合格的鉚釘按照釘身直徑再次分類(lèi)。

自動(dòng)分揀模塊由氣泵、過(guò)濾調(diào)壓閥、電磁閥、氣嘴等組成。氣泵輸氣經(jīng)由過(guò)濾調(diào)壓閥，調(diào)整氣壓并濾去氣體中的雜質(zhì)和水汽。依據(jù)圖像測(cè)量模塊對(duì)鉚釘?shù)姆诸?lèi)，電磁閥控制氣嘴吹氣的時(shí)間點(diǎn)，將鉚釘吹到不合格或是各公差段的料倉(cāng)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)鉚釘正廢品等類(lèi)別的分類(lèi)。

2 基于果蠅算法的鉚釘锪窩孔智能選配技術(shù)

2.1 鉚釘锪窩孔智能選配系統(tǒng)工作原理

基于果蠅算法的鉚釘锪窩孔智能選配系統(tǒng)的工作原理如下：首先制定當(dāng)前的生產(chǎn)任務(wù)，開(kāi)始锪窩制孔，制孔完成后對(duì)孔徑進(jìn)行測(cè)量。在已有的鉚釘數(shù)據(jù)庫(kù)里，選擇相應(yīng)類(lèi)型和規(guī)格的鉚釘，生成選配任務(wù)。根據(jù)锪窩制孔孔徑的分布，對(duì)孔徑分組的組數(shù)和上下限偏差進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算后判斷鉚釘?shù)膸?kù)存是否充足。若缺少鉚釘，則自動(dòng)生成相應(yīng)鉚釘?shù)那鍐?，補(bǔ)充鉚釘；若鉚釘庫(kù)存充足，則生成分組選配的方案，結(jié)束選配。鉚釘锪窩孔智能選配系統(tǒng)流程如圖5所示。

圖5 鉚釘锪窩孔智能選配系統(tǒng)流程Fig.5 Flow chart of intelligent matching system for rivet and countersink

2.2 基于果蠅算法的鉚釘選配

鉚釘锪窩孔裝配過(guò)程需要考慮兩個(gè)目標(biāo)：一個(gè)是裝配質(zhì)量Q，另一個(gè)是裝配成功率N，在分組過(guò)程中需要使這兩個(gè)目標(biāo)值盡可能提高。若將鉚釘分組匹配方案記為S，目標(biāo)函數(shù)記為F，則鉚釘分組選配的目標(biāo)函數(shù)公式為：

式中，F(xiàn)（S）為優(yōu)化目標(biāo)，Q（S）為裝配質(zhì)量函數(shù)，N（S）為裝配成功率函數(shù)。依據(jù)田口損失質(zhì)量模型，估算由于單個(gè)鉚釘锪窩孔的配合誤差導(dǎo)致的質(zhì)量損失的適應(yīng)度函數(shù)如式（6）所示。

式中，λ表示鉚釘锪窩孔的實(shí)際裝配公差落在裝配精度要求的上下限時(shí)的接受程度，T表示裝配要求的公差帶大小，α和β是大于0，和為1的系數(shù)，y表示實(shí)際裝配時(shí)鉚釘锪窩孔的裝配公差，O為裝配的理想公差值。在對(duì)單組鉚釘锪窩孔配對(duì)的基礎(chǔ)上，對(duì)生產(chǎn)任務(wù)中全部锪窩孔進(jìn)行配對(duì)，并對(duì)配對(duì)結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。將全部鉚釘锪窩孔匹配簡(jiǎn)化成單組鉚釘锪窩孔配對(duì)關(guān)系，再通過(guò)累加定義該批選配方案S的裝配質(zhì)量Q：

式中，ω為每對(duì)零件的權(quán)值。為充分利用庫(kù)存中的飛機(jī)鉚釘，盡可能與所有的锪窩孔配對(duì)，減少裝配過(guò)程中剩余的鉚釘數(shù)量，采用裝配成功率公式（式8）得到選配成功率：

式中，n1為已經(jīng)配對(duì)的零件個(gè)數(shù)，n為庫(kù)存零件的總個(gè)數(shù)。鉚釘和锪窩孔的選配過(guò)程，實(shí)際上是求解目標(biāo)函數(shù)最大值的過(guò)程，可以采用優(yōu)化算法對(duì)其求解。果蠅優(yōu)化算法是一種基于果蠅尋找食物的行為演變出全局尋優(yōu)的方法[11]，該算法具有計(jì)算量小和易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，所以比較適合解決工業(yè)生產(chǎn)中的問(wèn)題。

現(xiàn)在以一批锪窩孔和鉚釘為例，根據(jù)锪窩孔直徑對(duì)鉚釘進(jìn)行分組選配，以提高鉚釘锪窩孔裝配質(zhì)量。锪窩孔和飛機(jī)鉚釘?shù)某叽绶植既鐖D6所示。

圖6 锪窩孔和飛機(jī)鉚釘?shù)某叽绶植糉ig.6 Distribution of countersink and aircraft rivets

依據(jù)锪窩孔的尺寸分布，使用果蠅算法對(duì)鉚釘尺寸的分組進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算，配對(duì)質(zhì)量全局尋優(yōu)圖和果蠅覓食路線(xiàn)如圖7所示。從圖中可以看到果蠅算法收斂速度快，在迭代89次后便收斂，并取得較好的配對(duì)質(zhì)量。

圖7 果蠅算法迭代過(guò)程Fig.7 Iterative process of fruit fly optimization algorithm

通過(guò)測(cè)量加工完成的锪窩孔，對(duì)鉚釘分別采用傳統(tǒng)的等公差寬度分組和果蠅算法分組。各組的分組情況如表1所示。將分組后的鉚釘和锪窩孔進(jìn)行配對(duì)，計(jì)算匹配的成功率和配對(duì)質(zhì)量。通過(guò)使用果蠅算法將匹配的成功率從76.84%提高到90.85%，配對(duì)質(zhì)量從0.8927提高到0.9096。

表1 等公差分組與果蠅算法分組數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 Comparison of equal tolerance zone grouping and grouping based on fruit fly optimization algorithm

2.3 鉚釘锪窩孔選配系統(tǒng)搭建

為實(shí)現(xiàn)鉚釘锪窩孔自動(dòng)選配的功能，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套鉚釘锪窩孔選配系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為界面層、算法層、數(shù)據(jù)層3大部分，如圖8所示。

圖8 鉚釘锪窩孔選配系統(tǒng)框架Fig.8 Framework of matching system for rivet and countersink

數(shù)據(jù)層是整個(gè)鉚釘锪窩孔選配系統(tǒng)的根基，包含選配系統(tǒng)運(yùn)行中需要的各種數(shù)據(jù)，即鉚釘?shù)膸?kù)存、锪窩孔參數(shù)、裝配工藝要求和裝配歷史方案等。

算法是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，整個(gè)系統(tǒng)的搭建、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行都是圍繞著算法層來(lái)實(shí)現(xiàn)的，算法層包括鉚釘锪窩孔的數(shù)據(jù)輸入、選配任務(wù)的輸入、針對(duì)工藝要求的分組選配的參數(shù)設(shè)定、基于果蠅算法的分組選配、分組方案的輸出等。

界面層是用戶(hù)和選配系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交互的應(yīng)用窗口，用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)的各種操作都必須在界面上實(shí)現(xiàn)。用戶(hù)可以在界面制定生產(chǎn)任務(wù)，依據(jù)不同類(lèi)型的锪窩孔選擇合適的鉚釘型號(hào)，根據(jù)裝配工藝要求設(shè)置分組選配的參數(shù)，進(jìn)行分組選配的計(jì)算，記錄分組選配的結(jié)果等。

鉚釘锪窩孔選配系統(tǒng)的界面如圖9所示，界面分為4個(gè)部分：零件信息尺寸界面、工藝參數(shù)設(shè)置界面、選配參數(shù)界面和選配結(jié)果界面。零件信息尺寸界面可以顯示各類(lèi)型鉚釘?shù)某叽鐓?shù)信息和锪窩孔信息，可以對(duì)零件的類(lèi)型進(jìn)行添加和刪除；工藝參數(shù)設(shè)置界面對(duì)釘孔間隙的最佳取值范圍和理想值進(jìn)行設(shè)定；選配參數(shù)界面是對(duì)選配算法的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括種群數(shù)目、配對(duì)質(zhì)量和成功率要求；選配結(jié)果界面顯示各分組的上下限值、配對(duì)質(zhì)量和成功率。

圖9 鉚釘锪窩孔選配系統(tǒng)界面Fig.9 Interface of matching system for rivet and countersink

3 結(jié)論

（1）為提高干涉量控制的準(zhǔn)確度，本文從鉚釘尺寸快速測(cè)量入手，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)的方法，快速測(cè)量鉚釘?shù)某叽鐓?shù)，提高鉚釘測(cè)量工作的效率和精度。

（2）提出基于果蠅算法的鉚釘锪窩孔選配技術(shù)，通過(guò)測(cè)量到的鉚釘和锪窩孔尺寸數(shù)據(jù)，對(duì)鉚釘進(jìn)行分組。試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的分組方法相比，配對(duì)成功率從76.84%提升到90.85%，配對(duì)質(zhì)量從0.8927提高到0.9096。

（3）設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)鉚釘锪窩孔選配系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作方式簡(jiǎn)單，運(yùn)行速度快，選配的成功率和匹配質(zhì)量高，具有很好的應(yīng)用前景。