基于光纤传感的自动化装配轨迹校正系统设计

王春霞,刘云朋,张 利

(1.焦作大学机电工程学院,河南 焦作 454000;2.焦作大学信息工程学院,河南 焦作 454000)

1 引 言

自动化装配技术是当前智慧工厂与智能车间的研究重点[1],而实现自动化智能装配的核心是装配工装可以根据装配状态进行自适应调节装配路径。

现有的自动化智能装配在线调整方法主要有激光扫描法和图像匹配法,激光扫描设备包括采用iGPS(indoor Global Position System,室内全域定位系统)、NDI(Non-Destructive Inspection,无损检测)等[2]设备,图像匹配法包括采用双面测量仪[3]、三目测量仪[4]等。美国波音公司在777MAX飞行器上采用了智能装配技术,其中大部件对接就采用了iGPS与AGV(Automated Guided Vehicle,自动导引运输车)联动技术,大大缩短了装配时间和提高了装配精度[5]。德国EcoPositioner系统开发的模块化定位技术,为飞行器大部件装配提供了高精度在线校正保障,其采用激光定位技术获得实时装配体位置信息[6]。我国上海飞机制造有限公司研制的国内首套智能装配生产线在部分装配车间实现了无人化装配[7]。

激光雷达[8-10]与图像匹配技术在都存在受视场可达性限制及易受环境干扰的问题[11]。由此,基于光纤的柔性感知方式应运而生。2019年,Sidney等人[12]提出采用特殊FBG在航空航天复合材料中永久埋入式测量,波长偏移测试精度0.5 nm,位置演算精度优于0.6 mm。2021年,Raoul R等人[13]在主旋翼叶片上安装分布式FBG传感网络,获得在线装配数据,其应力测试精度达±20 με。刘智超等人[14]将光纤传感网络应用大型结构件装配,应变测试精度5 με左右。。

为了在装配过程中可以直接获取装配状态信息,从而实现在线校正,并且可以通过简单滤波等方式有效抑制环境干扰,最终达到适用于各个装配领域的目的。光纤传感技术成为了解决开敞性差、装配步骤多以及环境干扰强问题的一个新兴研究方向。本文设计了基于光纤光栅(FBG,Fiber Bragg grating)传感的自动化装配轨迹校正系统,采用工装分布传感网络解决视觉盲区问题,采用差分校正解决环境干扰问题,为拓展智能装配领域提供了新的思路。

2 工作原理

自动化装配过程中装配工装需要将工件移动至适合的位置上,过程中往往会受到预设轨迹与实际装配轨迹误差的影响,例如平移误差、位姿误差等都会造成装配不到位、过盈装配或装配干涉等问题。为了实现大型结构工件自动化装配过程中的自适应校正,获取装配过程中工件的实时装配状态信息就显得十分必要。通过光纤传感技术获取工件工装上的应力场分布可以完成装配轨迹的实时校正,则任意FBG的回波偏移量[15]可以表示为:

ΔλB=λB·[(1-Pε)·ε+(αf+ξ)ΔT

(1)

其中,λB表示FBG的中心波长初始值;α表示热膨胀系数;ξ表示热光系数;ΔT表示温度变化量;ε是应变;Pε表示弹光系数。由于温度对FBG的影响可以通过在相同工作环境中进行温度补偿实现,所以上式中温度项可以采用常系数C代替。在整个工装上按照可能产生显著变化的敏感位置上粘贴足够数量的FBG传感器,就能一次获取整个工装的应力场分布。再通过应力场分布的差异,完成对装配偏差的解析,并根据该差异进行装配轨迹的校正。由胡克定律可知,工件上任意位置的应力值有

(2)

其中,x为对应的位置;l为构建微元的尺寸;I为惯性矩;E为弹性模量;ε为应变值;λC为由温度标定得到的波长偏移补偿系数。由于l、E和I都是常量,而x是对应测试的位置,可以作为输入量,所以当把(2)式代入(3)式时,所有对应x位置上FBG的波长变化就成为了应力值计算的唯一变量,即可以通过波长矩阵获取应力场分布矩阵。由于测试位置P的矩阵乘以轨迹补偿矩阵可以得到理论轨迹位置,所以受应力场影响的轨迹补偿矩阵C可以表示为测试位置矩阵P与波长偏移量就是所有测试值与波长偏移量ΔλB的积,有:

(3)

其中,x,y分别表示在z为常数时,工件标记点的二维坐标,通过对任意时刻二维坐标对应的轨迹补偿矩阵参数的计算,完成自动化装配的实时校正。

3 系统结构设计

基于光纤传感的自动化装配轨迹校正系统由三个核心模块组成:(a)传感阵列,将大量FBG传感器分布设置自动化装配工装上,从而实时获取装配时的工件状态信息；(b)数据处理与分析模块,通过光纤传感解调模块和数据处理模块组成,获取FBG阵列的测试数据,并且根据预设的应力场-位置偏移模型对装配状态进行分析,从而提供装配轨迹校正参数；(c)自动轨迹控制模块,在获取轨迹校正参数后,控制自动化机械臂结构完成装配体的轨迹控制。整体系统结构设计如图1所示。

图1 光纤传感的自动化装配轨迹校正系统Fig.1 Automated assembly trajectory correction system for optical fiber sensing

由系统结构图中可知,调频激光器通过耦合器将调制激光发射至FBG阵列,当装配过程中存在异常受力时,如图中箭头位置。当FBG阵列的波长响应信号发生大幅改变,测试数据由解调仪进入CPU,处理模块会结合现有装配结构的位置信息分析装配异常的原因,并且给出校正的补偿参数。补偿参数通过控制模块完成对机械臂轨迹的调整,从而实现自动化装配的轨迹校正。

4 仿真计算与分析

为了模拟光纤传感在自动化装配过程中对装配位置校正的可行性,通过ANSYS软件[16]仿真分析了常见的轮轴装配关系,对轴体存在不同程度变形条件下装配结构的应力分布进行了模拟。一方面,通过模拟应力场分布,为FBG分布位置提供了依据,从而在仿真图中标注了FBG阵列的拟铺设位置；另一方面,通过对不同程度变形量化了应力分布与FBG波长变化的关系,从而给装配轨迹校正提供了可靠的补偿数据。设置模拟工件为45号钢,密度7.85 g/cm3,泊松比0.271,杨氏模量2.09×105GP。对轮轴结构离散化网格划分,如图2所示。轮轴装配位置的应力分布如图3所示。

图2 模拟装配结构网格图Fig.2 Grid diagram of simulated assembly structure

(a)500 N

(b)1000N图3 不同外部应力作用条件下应力变化Fig.3 Stress changes under different external stress conditions

在轮轴上施加不同大小的外部应力,可以模拟轮轴结构装配异常时连接处的受力分布。对于装配中的异常应力而言,可以将作用力分解为与轴向平行的分量和垂直于轴向平面上的分量。由于平面圆盘是对称的,所以只要能够分析一个介于两个FBG传感器之间的应力,那么就能够对任意垂直于轴向平面上的力进行分析。由此,以FBG4和FBG5及FBG12和FBG13之间的应力为例,测试结果图3所示。当应力为500 N时,最大形变值为0.04826 με,当应力为1000 N时,最大形变值为0.06985 με。应变值变化量较小的原因是为了模拟大型结构(如汽车轴承、火车车轮等),仿真采用的是厚度较大的钢体结构,其变化规律是一致的。可以看出,当外部受力不断增大时,对接底盘上的应力场呈放射性分布,在图3(a)中FBG12和FBG13之间可以看出,受外部应力造成的两端扩散状应力等势线,而到图3(b)后其变化更为明显。由此可知,采用FBG阵列可以很好的检测装配结构体上异常受力的大小及分布范围,通过波长变化和对应的FBG序号,就能将异常的位置与程度反馈给处理系统,从而完成自动化装配的在线校正。

5 实 验

5.1 标定测试

在完成装配位置应力采集前,最重要的是对FBG阵列的应力测试进行标定。测试主要完成温度补偿数据的测试和应力与波长变化规律的测试,应力测试采用经典的悬臂梁结构,如图4(a)所示。作用有效距离为5.0 cm,FBG长度3.0 mm,材料为钢,弹性模量6.79×1010Pa,膨胀系数22.3 μm/mK[15]。外部施力值从0 N增加至200 N,每20 N记录一次测试数据,测试结果如图4(b)所示。

(a)标定实验结构

(b)应力测试曲线图4 标定测试实验及其结果Fig.4 Stress test experiment and its test results

测试过程中,温度漂移补偿采用温度测量FBG传感器实现,该FBG不受应力影响。当温度变化时,波长变化量作为应变测量FBG传感器的温度补偿参数。在完成温漂补偿后,应力测试结果如图4(b)所示,波长增长量关于应力的变化关系约为0.0008 nm/N,可以看出在0～200N范围内其线性度很好。为了提高系统应用测试范围,可以采用校正数据库的方式对测试点的应变值进行标定,从而使其适用于符合弹性变形的更大应力响应范围。

5.2 轨迹校正测试

为了验证光纤传感系统能够为自动化装配控制模块提供轨迹校正数据,采用Polyga公司的R1X-Mono型三维扫描仪的测试数据作为标准测试数据,其视距45.5 cm,精度115 μm,可以精确反映装配结构的位置轨迹。在装配结构上粘贴用于对比位置信息的靶标点,从而分析本方法的位置轨迹测试精度。测试采用的结构件厚度为10.0 mm,轮轴直径20.0 mm,相比仿真体要小一些,所以考虑到其结构承受能力,避免塑性变形,测试时采用的施力强度从10～200 N,测试结果偏差程度如表1所示。

表1 位置及轨迹校正测试Tab.1 Position and trajectory correction test

由表1的测试数据可知,当外部施力逐渐增大时,测试位置的最大位置偏移量也随之增大,通过线性拟合可知,其函数为

y=0.0127x+0.2307

(4)

其中,x表示施力值,y表示测试点最大形变偏移量。由此可见,在0～200 N范围内,形变偏移量与施力之间满足0.0127 mm/N的变化关系。采用本系统的测试误差绝对值均值为0.081 mm,相对误差最大值为6.83 %,均值为5.27 %。并且从测试数据分布可以看出,随着受力程度的增大,测试误差明显减小,分析认为这是由于测试应力增大使信号能量增强,相比基础白噪声而言,总体信噪比提升造成的。有测试数据可以看出,平均相对误差约为5.27 %,符合设计需求。

6 结 论

本文利用光纤传感网络尺寸小、灵敏度高、抗电磁干扰的特性,将其应用于自动化装配的轨迹校正领域。设计了对应装配结构的传感阵列,仿真分析了不同装配异常状态下的应力分布。实验对比了光纤传感与光学扫描的位移偏差程度,实验结果显示,本系统的位置偏移精度与标准测试数据的平均相对误差接近,符合设计要求。该系统在自动化装配的轨迹校正中具有一定的应用前景。