一種基于激光測量的自動鉆孔系統(tǒng)研究

劉榮華

(江蘇自動化研究所，江蘇連云港 222001)

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)與工業(yè)的迅猛發(fā)展，機(jī)械制造行業(yè)的技術(shù)水平不斷提高，機(jī)械零件的復(fù)雜程度越來越高，對機(jī)械制造的精度和自動化程度要求也越來越高。特別是隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，以機(jī)器人自動鉆孔為代表的高端制造應(yīng)用越來越廣泛，它與傳統(tǒng)的手工鉆孔相比具有柔性高、鉆鉚質(zhì)量高、鉆孔效率高等優(yōu)點(diǎn)[1]。但是在國內(nèi)的彈藥裝配領(lǐng)域，普遍采用手工鉆孔、搖臂鉆床鉆孔、鉆床鉆孔等方式，沒有全部實(shí)現(xiàn)鉆孔工序的人機(jī)隔離以及自動鉆孔。但鉆孔時一旦鉆頭進(jìn)入發(fā)射藥過多，鉆頭與發(fā)射藥擠壓，可能引起發(fā)射藥燃燒甚至爆炸等嚴(yán)重的安全事故[2-3]。

激光測量技術(shù)是以激光作為信息載體進(jìn)行物理量測量的技術(shù)，由于激光具有單色性好、亮度高、方向性強(qiáng)的特點(diǎn)，已經(jīng)應(yīng)用到包括長度、角度、位移、電、磁、聲等多種參數(shù)測量[4]。其中最具有代表性的是激光位移傳感器。激光位移傳感器是一種新型的非接觸式測量工具，具有響應(yīng)深度快、測量精度高、價格適中等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于長度、位移以及三維形貌測量[5-15]等方面。

因此，基于激光位移測量技術(shù)研究一種彈藥殼體自動鉆孔系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)彈藥殼體制孔過程的人機(jī)隔離，對于保證操作人員安全、提高鉆孔質(zhì)量和鉆孔效率具有重要意義。

1 鉆孔位置激光測量方法

彈藥殼體等圓柱體工件表面鉆孔工藝有兩種形式：一種是無預(yù)制孔形式，即以工件接合面為軸向基準(zhǔn)，以固定軸向位移為偏差量確定鉆孔位置；另一種是有預(yù)制孔形式，即以工件接合面為軸向基準(zhǔn)，以固定軸向位移為偏差量存在一個預(yù)制孔，以該孔的中心位置作為鉆孔位置。該系統(tǒng)采用點(diǎn)激光測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)鉆孔位置的自動識別定位，工作原理如圖1所示。

圖1 工件表面鉆孔位置激光測量方法示意

對于無預(yù)制孔形式，通過圖1(a)軸向?qū)た追绞酱_定鉆孔位置。首先，點(diǎn)激光傳感器沿著工件軸線方向檢測到工件接合面(軸向基準(zhǔn))位置點(diǎn)A，點(diǎn)A空間坐標(biāo)記為A(X1,Y1)；其次，尋找工件圓周中心位置，點(diǎn)激光傳感器沿著工件軸線方向移動至某一標(biāo)定位置，沿著工件圓周方向分別逆時針轉(zhuǎn)動角度θ1、順時針轉(zhuǎn)動角度θ2，點(diǎn)激光傳感器檢測到最短距離點(diǎn)，即為工件中心位置點(diǎn)B，點(diǎn)B的空間坐標(biāo)記為B(X2,Y2)；根據(jù)工藝要求軸向移動XΔ固定位置后確定鉆孔位置點(diǎn)C，點(diǎn)C空間坐標(biāo)記為C(X1+XΔ,Y2)，鉆頭根據(jù)鉆孔位置進(jìn)行鉆孔。

對于有預(yù)制孔形式，除了按照無預(yù)制孔形式識別到點(diǎn)C以外，還需要精確檢測預(yù)制孔的中心位置。按照如下步驟完成預(yù)制孔中心位置精確測量：

(1)預(yù)制孔圓周方向中心位置測量。點(diǎn)激光傳感器在檢測到位置點(diǎn)C以后保持位置不變，工件圓周轉(zhuǎn)動，通過點(diǎn)激光識別到工件表面預(yù)制孔圓周方向的兩個突變點(diǎn)D(XD,YD)和E(XE,YE)，兩個突變點(diǎn)的空間坐標(biāo)計算公式為

XD=X1+XΔ

YD=Y2+YΔ1

XE=X1+XΔ

YE=Y2+YΔ2

(2)預(yù)制孔軸向方向中心位置測量。工件圓周方向保持不變，點(diǎn)激光傳感器沿著工件軸線方向移動，檢測預(yù)制孔軸線方向的兩個突變點(diǎn)F(XF,YF)和G(XG,YG)，兩個突變點(diǎn)的空間坐標(biāo)計算公式為

XF=X1+XΔ+XΔ1

XG=X1+XΔ+XΔ2

(3)根據(jù)識別的點(diǎn)F、點(diǎn)G，計算預(yù)制孔中心點(diǎn)H的空間坐標(biāo)H(XH,YH)，則點(diǎn)H的空間坐標(biāo)計算公式為

2 系統(tǒng)設(shè)計

自動鉆孔系統(tǒng)主要由桁架機(jī)械手、鉆孔機(jī)構(gòu)、測量機(jī)構(gòu)、監(jiān)控攝像頭、輸送小車、遠(yuǎn)程操作臺等部分組成，如圖2所示。

圖2 自動鉆孔系統(tǒng)組成示意

圖2中，桁架機(jī)械手伺服電機(jī)驅(qū)動齒輪傳動，實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)在空間位置范圍內(nèi)動作。桁架機(jī)械手末端安裝有鉆孔機(jī)構(gòu)、測量機(jī)構(gòu)和監(jiān)控攝像頭，其中鉆孔機(jī)構(gòu)采用整體式機(jī)床鉆孔主軸設(shè)計，整體內(nèi)置換刀裝卸部件，更換刀柄方便；測量機(jī)構(gòu)選擇點(diǎn)激光位移傳感器，用于圓柱體工件結(jié)合基準(zhǔn)面以及預(yù)制孔中心位置的自動識別；監(jiān)控攝像頭用于在線監(jiān)控激光傳感器尋孔過程以及鉆孔過程，便于遠(yuǎn)程監(jiān)控。運(yùn)輸小車用于工件在桁架機(jī)械手外部空間和內(nèi)部作業(yè)空間之間的往返運(yùn)輸。遠(yuǎn)程操作臺用于操作人員遠(yuǎn)程控制鉆孔系統(tǒng)動作，實(shí)現(xiàn)人機(jī)隔離。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

自動鉆孔系統(tǒng)采用PLC控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和多伺服電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)桁架機(jī)械手、鉆頭機(jī)構(gòu)、輸送小車等各機(jī)構(gòu)的作業(yè)動作，系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

圖3 自動鉆孔系統(tǒng)控制系統(tǒng)硬件框圖

在圖3中，PLC控制器通過Profinet總線與觸摸屏、小車行走電機(jī)驅(qū)動器、鉆頭機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動器、機(jī)械手X軸電機(jī)驅(qū)動器、機(jī)械手Y軸電機(jī)驅(qū)動器、機(jī)械手Z軸電機(jī)驅(qū)動器連接；通過開關(guān)量輸入(DI)信號與安全急停開關(guān)按鈕、伺服使能開關(guān)按鈕、鉆孔進(jìn)開關(guān)按鈕、鉆孔退開關(guān)按鈕、尋位開關(guān)按鈕、系統(tǒng)啟動開關(guān)按鈕、手動自動切換旋鈕連接；通過模擬量輸入(AI)信號與激光位移傳感器連接。觸摸屏一方面用于接收PLC控制器發(fā)送過來的各開關(guān)按鈕、傳感器以及電機(jī)驅(qū)動器的狀態(tài)信息以及設(shè)備故障信息，另一方面通過人工觸摸屏界面軟件按鈕實(shí)現(xiàn)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。

3.2 軟件設(shè)計

(1)主程序軟件流程

主程序軟件采用模塊化功能設(shè)計，軟件流程如圖4所示。

圖4鉆孔系統(tǒng)軟件主程序流程

圖4中，參數(shù)初始化模塊完成各執(zhí)行機(jī)構(gòu)起始位置以及傳感器標(biāo)定參數(shù)的讀取功能；輸送小車功能模塊完成驅(qū)動運(yùn)輸小車在多個位置之間的轉(zhuǎn)運(yùn)以及極限位置的控制功能；激光測量功能模塊完成預(yù)制孔中心位置識別定位功能；鉆孔深度功能模塊根據(jù)激光測量功能模塊識別的鉆孔位置中心位置進(jìn)行自動鉆孔深度實(shí)時測量。

(2)激光尋位功能模塊流程

激光尋位功能模塊軟件流程如圖5所示。

圖5 激光尋位軟件流程

圖5中，首先桁架機(jī)械手Z軸移動到預(yù)先設(shè)置的激光尋位高度，根據(jù)當(dāng)前鉆孔工件的工藝要求判斷是否有預(yù)制孔。如果工藝要求沒有預(yù)制孔，機(jī)械手?jǐn)y帶點(diǎn)激光傳感器沿著工件軸向方向(X軸方向)移動，點(diǎn)激光傳感器檢測工件接合面位置，將此位置作為工件軸線方向的基準(zhǔn)位置；激光傳感器以此基準(zhǔn)點(diǎn)軸向移動固定距離處停止，記錄當(dāng)前位置為鉆孔位置。如果工藝要求有預(yù)制孔，則激光傳感器除了需要識別工件結(jié)合基準(zhǔn)位置以外，還需要識別和計算預(yù)制孔中心位置，并以此位置為鉆孔位置。

(3)鉆孔深度功能模塊軟件流程

鉆孔過程中的深度控制實(shí)際上是鉆孔主軸升降移動位移的控制，控制變量為鉆孔主軸升降位移，軟件流程如圖6所示。

圖6 鉆孔深度控制流程

圖6中：首先，PLC控制器通過激光傳感器檢測鉆孔主軸升降位移的實(shí)際測量值，目標(biāo)值根據(jù)工件的工藝要求確定；其次，PLC控制器計算升降位移的實(shí)際測量值與目標(biāo)值的偏差，并根據(jù)偏差值控制機(jī)械手Z軸電機(jī)轉(zhuǎn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鉆孔主軸的升降位移變化。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證激光測量方法及鉆孔系統(tǒng)方案的可行性，設(shè)計龍門式自動鉆孔系統(tǒng)試驗(yàn)平臺，實(shí)物如圖7所示。

圖7 自動鉆孔系統(tǒng)試驗(yàn)平臺

試驗(yàn)平臺的鉆孔機(jī)構(gòu)選擇FKS1206機(jī)床主軸作為鉆孔主軸，主軸轉(zhuǎn)速10 000 r/min。桁架機(jī)械手選擇Parker防爆伺服電機(jī)驅(qū)動RV減速機(jī)，通過齒輪齒條傳動技術(shù)實(shí)現(xiàn)橫梁在直線導(dǎo)軌上滑行。測量機(jī)構(gòu)選擇KEYENCE品牌的LK-H150點(diǎn)激光位移傳感器，測量范圍為±40 mm，用于工件接合面位置、預(yù)制孔中心位置等特征識別及鉆孔深度的參數(shù)測量。

基于圖7所示鉆孔試驗(yàn)平臺進(jìn)行鋼管預(yù)制孔激光測量精度試驗(yàn)和鋼管表面鉆孔深度精度試驗(yàn)。

4.1 鋼管預(yù)制孔激光測量精度試驗(yàn)

為了更好地測試激光測量預(yù)制孔中心位置的精度，激光測量精度試驗(yàn)分為單孔多次測量試驗(yàn)和多孔多次測量試驗(yàn)。

(1)單孔多次測量試驗(yàn)

通過點(diǎn)激光位移傳感器針對鋼管上同一預(yù)制孔中心進(jìn)行多次測量，計算測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差，測量結(jié)果如圖8所示。

圖8 同一預(yù)制孔中心位置測量結(jié)果

在圖8中，對同一預(yù)制孔中心進(jìn)行10次重復(fù)性測量，誤差很小，具體數(shù)值如表1所示。

表1 同一預(yù)制孔中心位置重復(fù)性測量結(jié)果 單位：mm

在表1中，點(diǎn)激光傳感器針對同一預(yù)制孔的中心位置(軸向方向和圓周方向)進(jìn)行10次重復(fù)性測量，軸向方向位置標(biāo)準(zhǔn)差為0.02 mm；圓周方向位置標(biāo)準(zhǔn)差為0.02 mm。

(2)多孔多次測量試驗(yàn)

通過激光位移傳感器對鋼管上的4個預(yù)制孔中心位置進(jìn)行多次測量(包括軸向位置和圓周位置)，分別計算每個預(yù)制孔中心位置測量值的標(biāo)準(zhǔn)差，測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 四個預(yù)制孔中心位置測量結(jié)果

在圖9中，預(yù)制孔1、預(yù)制孔2、預(yù)制孔3和預(yù)制孔4中心位置多次測量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差很小，對應(yīng)的數(shù)值如表2所示。

表2 四個預(yù)制孔中心位置重復(fù)性測量結(jié)果 單位：mm

表2中，通過點(diǎn)激光位移傳感器針對4個預(yù)制孔中心位置進(jìn)行測量識別，預(yù)制孔中心軸向位置最大標(biāo)準(zhǔn)差為0.017 mm，預(yù)制孔中心圓周位置最大標(biāo)準(zhǔn)差為0.019 mm。

4.2 鉆孔深度精度測試

設(shè)定預(yù)制鉆孔深度目標(biāo)值為3.5 mm，PLC采用點(diǎn)激光位移傳感器測量鉆孔深度值，通過PID控制算法實(shí)現(xiàn)機(jī)械手Z軸升降動作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鉆孔主軸升降位移變化，控制結(jié)果如圖10所示。

圖10 鉆孔深度測試結(jié)果

在圖10中，鉆孔深度誤差很小，誤差最大值為0.136 mm，如表3所示。

表3 鉆孔深度測試結(jié)果 單位：mm

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)利用激光測量技術(shù)自動識別預(yù)制孔中心位置，具有測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)；桁架機(jī)械手末端安裝鉆孔機(jī)構(gòu)、測量機(jī)構(gòu)、監(jiān)控攝像頭等多功能執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用多軸伺服電機(jī)控制，具有重復(fù)定位精度高、柔性好、擴(kuò)展能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過試驗(yàn)證明：該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，預(yù)制孔識別精度高，鉆孔深度控制準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)彈藥殼體鉆孔的人機(jī)隔離，滿足生產(chǎn)工藝要求。