軸孔柔索水平裝配的實驗研究

張 建 ，朱思俊 ，謝 群

（1.沈陽理工大學 機械學院，遼寧 沈陽 110168；2.中國科學院 沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110016）

1 引言

軸孔類零件的精密裝配廣泛存在于各行各業，家電行業：壓縮機中曲軸和熱套轉子的裝配，汽車制造行業：汽車后橋主減速器與后橋殼體的裝配，航空航天領域：航空發動機中低壓渦輪長軸與核心機軸承孔的裝配等。近年來，隨著產品種類增加、市場周期縮短，使得能適應多品種，大小批量生產的自動化裝配系統也獲得了迅速發展。自動化裝配的目的在于減輕或者取代依賴人工技巧和判斷力進行各種復雜的裝配操作，它不僅提高了裝配作業的效率，而且使產品質量得到穩定和提高，同時也使產品設計與裝配策略密切結合起來?，F有的裝配方法有很多：從裝配的姿態來分，主要分為鉛垂方向裝配和水平方向裝配[1]。鉛垂方向裝配為傳統裝配方式，研究較多，理論較為成熟。

由于其重力所產生的擾動力與插裝力在同一軸線上，插裝過程容易控制，從技術上來考慮，這種裝配方式難度較小。水平方向裝配是一種較為新穎的裝配方式，由于其重力產生的擾動力與裝配力方向垂直，在插裝的過程中容易晃動，裝配難度相對較大。目前國內研究較少，在國外，美國的GE公司最早使用以水平裝配為核心的水平脈動裝配線來完成航空發動機主要部件的裝配任務，近年來，法國斯奈克瑪公司、德國漢莎公司等也相繼啟用這種生產線。

從控制方法來分，主要有阻抗控制方法、力/位混合控制方法[2]等。阻抗控制由Hogan[3]首次提出，通過調整機械手的阻抗參數，使力和位置滿足某種理想的動態關系。為獲得準確的阻抗參數，文獻[4]用手去示范機器人進行裝配實驗，從而辨識出阻抗參數，對控制器進行設置，但這種方法容易受到環境噪音的干擾。MaSon于1979最早提出同時控制力和位置的概念，Craig在其基礎上進行改進，提出了力/位混合控制方法，即通過雅可比矩陣將作業空間任意方向的力和位置分配到各個關節控制器上，但由于計算復雜，實施起來還是有些困難[5]。在學習了前人大量軸孔裝配[6-8]研究成果基礎上，提出了一種以上部柔索吊裝水平裝配系統為主體的水平柔性裝配方法。柔索吊裝長細軸，并由伺服電機驅動直線單元做進給運動，在裝配過程中通過相應傳感器數值，測量并分析裝配吊裝力，根據吊裝力的大小來調整并設置裝配工件的位置、姿態以及運動參數，進而指導裝配。

2 系統組成

2.1 裝配系統組成

裝配系統，如圖1所示。為滿足水平柔性裝配，主體采用鋁合金桁架結構，桁架四角各安裝踢腳關節，配合框式水平儀，調節關節的可調螺栓，可以對整體框架進行平衡處理。桁架頂部對中位置處，橫向搭有兩根鋁梁，用來固定支撐直線運動單元。桁架內部分左右兩部分，左邊為類盤狀孔件，其底座四角通過四個拉壓力傳感器固連在升降臺上，可隨升降臺上下左右移動，升降臺固連在桁架底部左邊的兩根鋁梁上。右邊是吊裝系統，其通過柔索吊裝在直線運動單元上，用于實現待安裝長細軸的吊掛、姿態及高度調整以及裝配進給運動。該吊裝系統主要由八角盤狀夾持件、重心調節平臺、一維拉力傳感器等組成。為模擬實際生產工況，試驗臺搭在清潔寬敞的實驗室，通過框式水平儀事先對安裝地面進行檢測，以保證大地的水平度。為減輕噪聲和振動等對傳感器信號的采集結果影響，實驗室周邊不允許有大型機械進行生產作業。溫度和壓強對實驗影響不大，故實驗室控制常溫常壓即可。

圖1 裝配系統樣機Fig.1 The Prototype of Assembly System

2.2 測量系統組成

測量系統主要由高度尺、可調角度規和框式水平儀組成。本實驗采用框式水平儀結合可調角度規的方法來測量長細軸的俯仰角度，可調角度規精度為10′，框式水平儀精度0.02mm/m，其測量原理，如圖2所示。

圖2 俯仰角度測量原理Fig.2 The Measurement Principle of Orientation

首先抬高框式水平儀，將其放在快要接近長細軸的位置，在框式水平儀的上表面放置已經標定好預定角度的角度規，通過在框式水平儀下表面左右墊加紙片的方式，將其調至水平位置姿態。通過重心調節平臺使軸與角度規斜面無限接近且平行的時候，長細軸的俯仰角度就等于角度規標定角度。位置信息則由高度尺來測量，高度尺在進行多次測量時，底座盡可能在固定位置不動，以減少由于測量工具本身位置變動帶來的誤差。

3 系統功能

系統工作流程，如圖3所示。裝配系統主要實現待裝配件的吊裝、位置與姿態的調整、柔性裝配以及裝配吊裝力的測量等，同時直線單元的控制器還可以設定待裝配件的進給速度、加速度、進給量等運動參數。測量系統主要實現長細軸和孔件之間的位置關系和姿態關系。

圖3 系統工作流程圖Fig.3 The Work Flowchart of the System

4 實驗測試

4.1 位置對裝配接觸力的影響

位置偏差主要考慮豎直方向上的高度偏差，待裝配長細軸吊裝在直線運動單元上，進行位置測量實驗時，調節鋼絲繩使其上升到預定高度，搖動升降臺的手柄，使得孔的中心線與軸的中心線在同一豎直面。基于測量系統，測量出長細軸的位置和姿態，利用重心調節平臺使其處于水平姿態。考慮到柔索吊裝的水平長細軸位置不好調節，這里采用長細軸位置不動，調節孔件相對位置的方法來進行實驗。將孔件高度盡量放低，進行試裝配，當無法裝配進去時，逐次將孔件調高0.1mm，同時用高度尺測量，直到長細軸剛好裝配到孔中為止，定義這點的高度位置為軸的可裝配最高點，繼續增加孔件高度，依然逐次遞增0.1mm，直到孔件太高無法裝配進去為止，定義此時的高度位置為軸的可裝配最低點。兩者高度差可以得到裝配高度位置可調節范圍。每次裝配過程中，同步采集柔索上的拉壓力傳感器信息并保存。

4.2 姿態對裝配力的影響

考慮到升降臺只能做上下左右移動，對俯仰姿態的調整不方便，我們將其精調到水平姿態，僅考慮長細軸的俯仰角度變化。根據位置實驗測試，把升降臺調整到最容易裝配進去的高度上，通過底座墊薄片的方式，將其調到水平姿態，并用框式水平儀檢測。旋轉重心調節平臺的精調旋鈕，通過絲杠傳動方式帶動配重塊左右移動，長細軸俯仰運動。重心調節平臺結構，如圖4所示。當配重塊位于偏中心位置，長細軸水平，逆時針轉動精調旋鈕，配重塊左移，長細軸呈仰式，順時針轉動精調旋鈕，配重塊右移，長細軸呈俯式。本實驗長細軸俯仰角度變化幅度較小，傳動絲杠行程足夠。當角度規的標定尺寸為10′時，重心調節平臺的精調旋鈕轉過180°，經多次實驗測量得出，精調旋鈕轉角與長細軸水平方向夾角近似成線性關系。為了得到更細小度數的調整，將180°平均分為 5 個刻度線 0°、45°、90°、135°、180°依次代表長細軸俯仰角 0°、2.5′、5′、7.5′、10′。每調整好一次角度，變換孔件高度，完成一組裝配，測量并記錄相應力傳感器數值。

圖4 重心調節平臺結構圖Fig.4 The Structure of the Centroid Adjustment System

4.3 運動學參數對裝配力的影響

本方案采用伺服電機驅動直線單元來做進給運動，進給量、速度、加速度等運動參數可以通過電機控制配套軟件來設置。根據產品工藝需求，裝配進給速度應該控制在（5～15）mm/s，將速度分別設定為5mm/s、10mm/s、15mm/s三個檔來進行實驗。

5 數據處理

在進行數據處理[10]時，對接高度代表軸（B件）相對于孔（A件）的高度，正值表示軸相對于孔有一個向上的位置偏差，負值代表軸相對于孔有一個向下的位置偏差。圖5中挑選九次變速度和位置的實驗數據作對比，

圖5 位置和速度對拉力影響二維圖Fig.5 The 2D Figure of Tension Affected by Position and Velocity

在裝配過程中，速度一定，對接高度為正時，軸件拉力傳感器有一個向上的跳躍值，且隨著對接高度的增加，跳躍值也越來越大，直到不能裝配進去。對接高度為負，拉力傳感器有一個向下的跳躍值，且隨對接高度的減小，跳躍值也越來越小。圖中在對接高度為+0.8mm時，進給速度為5mm/s、10mm/s、15mm/s拉力變化值分別為+0.8kgf、+1.1kgf、+0.9kgf，可見在同一高度處，改變裝配進給速度，拉力變化值趨于不變，但速度越大，跳躍曲線越抖。在進行位置和姿態對裝配效果綜合影響分析時，姿態每改變一次，變換對接高度，得出一組拉力隨對接高度變化的數據，依次變換姿態角度，可得到在多種姿態下拉力隨對接高度變化的拉力數據。在進行圖6所示實驗數據處理時，不在使用拉力的變化曲線，而是每個位置處，在裝配前后拉力差的變化曲線。顯然，當對接高度一定時，俯仰角變化，拉力差變化不大，對接高度為-0.2mm處，拉力差變化最大0.3kgf，對接高度+0.2mm處，拉力差變化最小0.05kgf。三維圖更直觀的再現了位置和姿態對拉力差的影響，如圖7所示。

圖6 位置和姿態對拉力影響二維圖Fig.6 The 2D Figure of Tension Affected by Position and Orientation

圖7 位置和姿態對拉力影響三維圖Fig.7 The 3D Figure of Tension Affected by Position and Orientation

6 結論

（1）軸件向下的可調節范圍約為1.2mm，大于其向上的可調節范圍約0.8mm。當向下調節時吊裝力變化更大，在可裝配最低點處達（-2.9）kgf，遠高于可裝配最高點的（+0.9）kgf；（2）在裝配過程中，俯仰角可調節范圍很小，在同一對接高度處，變換姿態，拉力變化最大0.3kgf，可見姿態對吊裝力影響不大，因此對接高度是影響裝配的更主要因素；（3）進給速度對裝配吊裝力差值影響不大，但當速度比較大時，吊裝力變化曲線更抖，因此取5mm/s為宜。

［1］辛彥秋，吳斌，蘇丹.民用航空發動機脈動裝配淺析［J］.航空制造技術，2013（20）：118-120.（Xin Yan-qiu，Wu Bin，Su Dan.Introduction of Pulse Line for Commercial Aeroengine Assembly［J］.Aeronautical Manufacturing Technology，2013（20）：118-120.）

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［4］KAIJI I，KAZUAKI H，TATSUYA S.Realization of the human skill in the peg_in_hole task using hybrid architecture［A］.IEEE Int Conference on Intelligent Robots and Systems［C］.Victoria：IEEE Computer Society Press，1998，995-1000.

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