加速度計(jì)慣性組件裝配設(shè)備的控制策略及軟件實(shí)現(xiàn)*

李 偉 ，任同群 ，2，錢(qián)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024）

0 引言

加速度計(jì)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(jì)的核心組件，其裝配精度對(duì)加速度計(jì)性能至關(guān)重要。目前懸絲擺式加速度計(jì)慣性組件裝配主要采用人工操作，對(duì)工人的技術(shù)水平要求高、裝配精度低、廢品率高且耗時(shí)較長(zhǎng)[3]，已不能滿足生產(chǎn)需求，因此亟待開(kāi)發(fā)一套懸絲擺式加速度計(jì)慣性組件自動(dòng)裝配控制系統(tǒng)。

目前，一些國(guó)內(nèi)外學(xué)者在微小型機(jī)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(duì)熱核試驗(yàn)反應(yīng)堆而設(shè)計(jì)制定的加工裝配機(jī)器人的新型觸覺(jué)界面和位置控制和感知策略。法國(guó)的FEMTO-ST研究所[5]開(kāi)發(fā)了一套用于自動(dòng)裝配微小光學(xué)零件控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了5個(gè)位移滑臺(tái)和轉(zhuǎn)臺(tái)，其中微夾鉗可實(shí)現(xiàn)4個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。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(duì)接自動(dòng)裝配實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。套件對(duì)接自動(dòng)裝配過(guò)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(duì)體系結(jié)構(gòu)層次設(shè)計(jì)的決策抽象和問(wèn)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(jì)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(guó)內(nèi)外尚沒(méi)有針對(duì)微型懸絲擺式加速度計(jì)慣性組件的自動(dòng)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(jué)檢測(cè)后再反饋調(diào)整的策略，則會(huì)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(gè)位置調(diào)整裝置，并需要兩個(gè)方向進(jìn)行觀測(cè)。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(gè)測(cè)量方向即可。這樣則會(huì)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(shí)現(xiàn)連續(xù)裝配某兩個(gè)零件，并可以隨時(shí)切換裝配模塊進(jìn)行另外兩個(gè)零件的裝配。

綜上所述，本文針對(duì)懸絲擺式加速度計(jì)慣性組件的特點(diǎn)和裝配要求，基于所研制的懸絲擺式加速度計(jì)慣性組件自動(dòng)裝配設(shè)備，制定了包含互相適應(yīng)思想的先看后動(dòng)反饋控制策略，以及工裝夾具保證+力覺(jué)/視覺(jué)反饋調(diào)整的精度控制策略。結(jié)合實(shí)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(xiě)了人機(jī)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(lè)[1]針對(duì)懸絲擺式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行了詳細(xì)闡述。本文針對(duì)文獻(xiàn)[1]中的加速度計(jì)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(duì)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(gè)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(gè)玻璃管內(nèi)，水平面對(duì)稱度為30μm；最后，將裝有懸絲的兩個(gè)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(jì)慣性組件自動(dòng)裝配設(shè)備。設(shè)備主體結(jié)構(gòu)包括4個(gè)模塊：上裝配調(diào)整模塊、下裝配調(diào)整模塊、視覺(jué)測(cè)量模塊、穿絲調(diào)心模塊。設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)，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(jī)和高精度渦流片夾具，渦流片裝配單元結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)渦流片的裝配任務(wù)。為使單相機(jī)實(shí)現(xiàn)裝配任務(wù)所要求的立體測(cè)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(dòng)平臺(tái)、下工裝、下工裝鎖緊氣缸等機(jī)構(gòu)構(gòu)成。旋轉(zhuǎn)微動(dòng)平臺(tái)可實(shí)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(shí)下工裝發(fā)生偏移，提高容錯(cuò)率。

視覺(jué)測(cè)量模塊主要基于相機(jī)、鏡頭和光源（同軸光源和環(huán)形光源）實(shí)現(xiàn)對(duì)待觀測(cè)零件的圖像采集功能，進(jìn)而獲取零件間相對(duì)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(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)。穿絲機(jī)構(gòu)由精密位移滑臺(tái)、直線電機(jī)遞送機(jī)構(gòu)、拉力傳感器、懸絲夾鉗構(gòu)成，微調(diào)機(jī)構(gòu)由左、右位移滑臺(tái)和懸絲調(diào)整夾鉗構(gòu)成。針對(duì)第3個(gè)子裝配任務(wù)，懸絲需要先后穿進(jìn)兩個(gè)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(shí)，僅懸絲頭部接觸引導(dǎo)槽，可較好地保護(hù)懸絲中間工作區(qū)域。

該設(shè)備實(shí)體圖如圖3所示。

圖3 裝配設(shè)備實(shí)體圖

2 慣性組件裝配控制策略及流程

懸絲擺式加速度計(jì)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(gè)滑臺(tái)、1個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)、2個(gè)氣缸、1個(gè)相機(jī)、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(gè)DS112控制器結(jié)合1個(gè)MPC08E運(yùn)動(dòng)控制卡配合控制的方案。用1個(gè)運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)、懸絲進(jìn)給直線電機(jī)控制，可減少使用1個(gè)DS112，又可實(shí)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(dòng)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(gè)懸絲擺式加速度計(jì)慣性組件裝配過(guò)程的第一步。若兩兩零件進(jìn)行裝配時(shí)，只調(diào)整一個(gè)零件進(jìn)行位姿的調(diào)整，硬件設(shè)計(jì)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(dòng)反饋控制策略。即相機(jī)先通過(guò)棱鏡“看”水平面接線片姿態(tài)，然后精密轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)“動(dòng)”裝有接線片的下工裝進(jìn)行角度補(bǔ)償，相機(jī)再通過(guò)棱鏡“看”水平面接線片位置，然后通過(guò)上工裝Y方向位移滑臺(tái)移“動(dòng)”，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(duì)準(zhǔn)裝配任務(wù)。

結(jié)合實(shí)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(jué)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(jué)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(guò)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(jué)/力覺(jué)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(gè)玻璃管同軸。考慮到玻璃管外徑不同，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(gè)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(duì)于懸絲在豎直面內(nèi)對(duì)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(duì)懸絲先張緊再調(diào)心，且懸絲易損傷，故張緊過(guò)程中需嚴(yán)格控制張力大小。因此，設(shè)計(jì)力覺(jué)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(jué)結(jié)構(gòu)單元

結(jié)合該單元，設(shè)計(jì)力反饋閉環(huán)控制回路，如圖7所示。拉力傳感器實(shí)時(shí)采集懸絲張力，并顯示于PT600數(shù)顯表，上位機(jī)通過(guò)RS-SPI通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)與數(shù)顯表通訊功能，并將獲取到的懸絲實(shí)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(shí)現(xiàn)力覺(jué)實(shí)時(shí)反饋控制。

懸絲于玻璃管內(nèi)水平面的對(duì)稱度由穿絲調(diào)心模塊來(lái)實(shí)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(dòng)視覺(jué)反饋控制策略。

在懸絲被左右?jiàn)A鉗夾持固定后，相機(jī)先通過(guò)棱鏡“看”水平面懸絲和玻璃管姿態(tài)，然后精密轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)“動(dòng)”裝有玻璃管的下工裝進(jìn)行調(diào)平行，相機(jī)再通過(guò)棱鏡“看”水平面懸絲和玻璃管位置，然后通過(guò)穿絲調(diào)心模塊中左右兩個(gè)Y方向位移滑臺(tái)移“動(dòng)”，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(wú)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(dòng)反饋控制策略。即相機(jī)先通過(guò)棱鏡觀測(cè)水平面兩零件，轉(zhuǎn)臺(tái)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(guò)移動(dòng)載有擺框架的上工裝Y向位移滑臺(tái)，從而將玻璃管處于對(duì)準(zhǔn)擺框架下端彎耳處。記錄下此時(shí)上工裝Y向位移滑臺(tái)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(tái)需前移后再退回。

在上述對(duì)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(shí)現(xiàn)

3.1 軟件架構(gòu)

該設(shè)備的控制軟件是基于Win32項(xiàng)目多線程編程技術(shù)，借助Visual Studio2013編譯工具，用C++語(yǔ)言編寫(xiě)而成。其功能采用分層軟件架構(gòu)和模塊化思想實(shí)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(hào)，確認(rèn)待操作任務(wù)，然后系統(tǒng)自動(dòng)配置相對(duì)應(yīng)的光源、位置、滑臺(tái)速度等文檔信息，構(gòu)造動(dòng)作序列，并將其傳入到策略層。

策略層用來(lái)接收任務(wù)層發(fā)來(lái)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(lái)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(lái)執(zhí)行由策略層傳來(lái)的具體動(dòng)作序列，包括DS112控制器控制的8個(gè)滑臺(tái)和MPC08E運(yùn)動(dòng)控制卡控制的2個(gè)直線電機(jī)、1個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)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(guò)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(shí)現(xiàn)慣性組件高精度自動(dòng)裝配?？刂栖浖譃?個(gè)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(gè)板卡、滑臺(tái)等硬件連接狀態(tài)及將運(yùn)動(dòng)裝置置零位，復(fù)位功能通過(guò)一特定標(biāo)志位實(shí)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(gè)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(jī)移動(dòng)至通過(guò)棱鏡可觀測(cè)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(jī)移動(dòng)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(shí)現(xiàn)渦流片和擺框架兩者裝配功能。由系統(tǒng)將各個(gè)滑臺(tái)自動(dòng)移至工業(yè)相機(jī)和渦流片對(duì)準(zhǔn)位置后可視化、自動(dòng)化裝配。

穿絲&玻璃管裝配控制模塊主要實(shí)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(gè)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(guò)程中可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(shí)，停止懸絲張緊動(dòng)作。由于PT600數(shù)顯表不能及時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)形/同軸光源的亮度調(diào)整，以及人工選點(diǎn)。由于零件加工誤差較大，環(huán)境變化較大，若完全自動(dòng)化裝配，不僅不會(huì)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(huì)受到一定影響。因此采用自動(dòng)裝配為主人工調(diào)整為輔的控制算法。

4 慣性組件裝配實(shí)驗(yàn)

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(shí)驗(yàn)。該設(shè)備自帶相機(jī)視場(chǎng)可覆蓋已裝配組件，通過(guò)該顯微視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)觀測(cè)，得到的裝配實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

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

表1 裝配實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于課題組所研制的專用懸絲擺式加速度計(jì)慣性組件自動(dòng)裝配設(shè)備，制定了包含互適應(yīng)的先看后動(dòng)反饋控制策略，以及工裝夾具保證+視覺(jué)/力覺(jué)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(yǔ)言開(kāi)發(fā)了懸絲擺式加速度計(jì)慣性組件自動(dòng)裝配控制軟件，該軟件通過(guò)任務(wù)層、策略層和行為層實(shí)現(xiàn)了所制定的控制策略要求。

對(duì)懸絲擺式加速度計(jì)慣性組件的5個(gè)零件進(jìn)行了裝配實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：慣性組件的平行度小于15μm，對(duì)稱度小于20μm，位置精度優(yōu)于15μm，滿足懸絲擺式加速度計(jì)使用要求。