導彈自動化對接系統技術研究

王 樂

（非凡智能機器人有限公司，遼寧沈陽 110153）

導彈艙段對接是導彈制造總裝成導彈總體的后期階段。對接技術的可靠性影響著導彈總體性能，對試飛試驗的成敗有重要的影響，在導彈研制生產過程中起到極其重要的作用。

目前在對接過程中主要采用人工調整和部分輔助工裝，以及半自動化機械來對接組裝產品。這種對接方法對操作者技術水準要求較高，且存在安全隱患。整個對接過程都是人工完成，導致人員勞動強度大，易疲勞，生產效率低。難以保證對接精度，容易出現返工問題。

在數字化與智能化技術的推動下，針對導彈對接過程中存在的問題，設計出導彈自動化對接系統，實現對接過程無人化生產，消除了人員安全隱患。大幅度提高了生產效率和質量，同時還兼顧了生產線的柔性化，可擴展性。為軍工發展奠定了新基礎。

1 導彈自動化對接系統主要設備組成

系統主要由對接測量機器人、產品對接工作臺、擰緊涂膠機器人和電控系統組成。占地總長20 m，寬8 m，高4 m。設備組成如圖1所示。

圖1 設備組成

對接測量機器人用于導彈對接前對各艙段精準測量，測量結果用于虛擬仿真，便于整體組裝。

產品對接工作臺用于多自由度調姿臺無人自動化對接組裝各艙段，從而形成整體產品。

擰緊涂膠機器人用于對接后的產品擰緊螺栓和多個位置涂膠。

1.1 對接測量機器人

對接測量機器人主要由測量傳感器和測量機器人以及移動滑臺組成。

1.1.1 檢測識別算法

（1）對需要組裝的各工件作離線仿真，并設定匹配所需的坐標原點、線段和基準面（參考面）。

（2）利用工業相機和激光傳感器對工件端面進行拍照，并通過上位機算法對點云進行測量和計算，進而獲得端面與參考面之間的兩個偏離角。

（3）利用兩個偏離角算出后托輥Z與Y坐標需要調整的量（此時前托輥不動），并通過控制系統控制調整偏離角。

（4）完成第三步的調整后復測工件端面與參考面是否平行，如果到達平行度要求，則輸出端面的圓心坐標并進行下一步操作。如果沒有達到要求則繼續進行平行度檢測調整，直至達標后再輸出端面的圓心坐標。

（5）在完成第四步后，系統控制前后托輥同步運動，讓工件端面圓心坐標與參考面基準坐標重合。

（6）再次利用工業相機對工件端口附近工件殼體上的定位標定物進行拍照并通過匹配算法引導前后托輥同步滾動，使標定物轉至最高處并與系統設定的參考線重合；如果無法重合，則計算出其偏離角度和Z向位置差，并通過控制后托輥Z坐標與Y坐標方向微調以實現姿態調整，通過控制整個托輥裝置的升降實現位置高低的調整。

（7）在完成上述步驟后，系統控制托輥裝置向前運動，在距離前一個固定的對接工件3～5 mm 時停止。然后利用工業相機對兩個工件的位姿再次進行拍照計算，如果在允差范圍內則繼續對接，如果超差則結合檢測結果，對后續工件按照第六步的相似方法進行位姿調整，直至達標后開始進行兩個工件的對接。

（8）對接過程中力控系統實時監測兩個工件的受力狀況，如果壓力值達到設定值、定位標定物重合、插入深度也符合設定要求，則對接成功，系統保持對接狀態并啟動后續作業。如果壓力值達到設定值而定位標定物重合度超差或插入深度不符合設定要求，或兩者同時發生則對接失敗。此時系統啟動重新定位程序，兩個工件分離，并重新按照第（5）、（6）、（7）、（8）條步驟執行檢測、計算匹配和動作控制。

（9）如果連續對接兩次均不成功，系統保持對接不成功狀態并報警，請求人工處理。

1.1.2 測量機器人

機器人采用六自由度關節機器人，該種機器人具有高柔性、高精度和高成本效益的特點；一臺機器人坐在機器人滑臺上?？裳娱L機器人覆蓋范圍。

機器人最大工作半徑為2700mm，負載（指第6軸最前端負載）為300kg，動軸數為6，重復定位精度為0.1mm，本體質量為0525kg。機器人性能參數見表1。

表1 機器人工作范圍以及性能參數表

1.1.3 移動滑臺

移動滑臺主要由驅動機構、架體、托鏈組成。采用移動滑臺打破了機器人測量原有范圍的限制。節省了因測量多處位置帶來的成本增高。

1.2 產品對接工作臺

產品對接工作臺建設占地總長20 m，寬3 m，高4 m。

產品對接工作臺主要由多個自由度調姿臺組成。分別為防形裝載體支撐托架、裝載體支撐托架、后段裝載體夾緊機構、對接擰緊機構、支撐底座、控制系統組成。

1.2.1 防形裝載體支撐托架和裝載體支撐托架

防形裝載體支撐托架用于調整異型艙段位置偏差，主要由防形滾輪、導輪、絲杠升降機構、對中機構等組成。

防形裝載體支撐托架具有產品饒軸線旋轉、上下升降調節、左右平移、前后俯仰、產品自旋轉以及托架整體行走功能。各功能均由伺服電機控制完成。

1.2.2 對接擰緊機構

對接擰緊機構主要由卡盤夾緊軸、連接擰緊軸、仰俯調整軸、水平旋轉軸、升降調整軸、左右橫移軸、托架舉升軸、前后緩沖軸及行走移動軸組成。

卡盤夾緊軸是用于完成自動夾持及松開工件的動作。連接擰緊軸是用于完成沿軸向方向的轉動調整以及與艙段連接擰緊動作。

1.2.3 后段裝載體夾緊機構

后段裝載體夾緊機構用于艙段接過程中夾緊，防止因對接過程中產生的軸向力而使部件移位。具有行走功能和產品夾緊功能。行走功能是通過伺服電機驅動完成，產品夾緊通過氣缸完成。

1.2.4 支撐底座

支撐底座用于支撐裝載體、裝載架和各機構重量，支撐底座上裝配有導軌滑塊、齒條，以供其它機構在底座上水平移動，主要由焊接箱體、導軌、齒條、底座連接塊和調整地腳等組成。

1.3 擰緊涂膠機器人

擰緊涂膠機器人用于對接后的產品擰緊螺栓和部分位置涂膠工作。

擰緊機用于艙段對接后圓周方向和軸向方向擰緊。

擰緊工作流程：

（1）振動盤振動上料，分料器分出螺釘。

（2）擰緊模組的吸釘管吸取螺釘。

（3）擰緊工具帶動螺釘轉動，螺紋部涂抹螺紋膠。

（4）視覺拍照螺釘孔位置。

（5）對稱180°擰緊4組螺釘。

（6）順時針轉動20°，視覺拍照螺紋孔位置，對稱180°擰入其余2組螺釘。

（7）重復以上流程，圓周螺釘擰緊完成。

1.4 涂膠機

工作流程：

（1）機器人達到涂膠位置，電動工具帶動螺釘旋轉。

（2）點膠機啟動，點膠機沿螺釘上下軸線運動。

（3）涂膠完成，點膠機停止。

擰緊機器人和移動滑臺同對接測量機器人移動滑臺參數一致，不再敘述。

1.5 電控系統

根據項目總體設計要求，電控系統將本著自動化程度高，功能性強，容易操作，維修量小的原則設計。采用集中控制分工段管理的方式?？刂葡到y選用西門子可編程控制器（PLC）作為主站，作為整條生產線的主控，并通過主控觸摸屏顯示和查詢整個生產線的運行狀態和運行數據。各工段作為分站子系統可獨立控制，通過現場總線形式與主站系統進行數據交換。執行主站系統下發的指令，同時向主站系統反饋運行狀態。

生產線運行安全方面，根據設備對生產影響的程度以及對人員自身安全的危害程度，劃分出A、B、C，3類設備，不同類別的設備加裝的保護裝置不同。

2 電控系統的組成及功能

2.1 主站系統

主站系統包括可編程控制器和監控系統。

（1）可編程控制器。采用西門子S7-1500或同等級系列PLC，此類PLC 具有很高的數據處理能力及通信能力，同時具有電磁兼容性和抗沖擊性，耐震動性能強等特點，能夠滿足各種復雜的自動化任務。

（2）監控系統。HMI（觸摸屏）采用西門子彩色觸摸屏，通過觸摸屏可以對整個系統的運行狀態、故障進行實時監控，同時可以通過觸摸屏查找故障報警信息及故障點，方便維修人員進行故障查找和排除。

2.2 分站電氣控制系統

包括可編程控制器、監控系統。

（1）可編程控制器。分別采用西門子S7-300系列小型PLC，此類PLC 具有很高的數據處理能力及通信能力，同時具有電磁兼容性和抗沖擊性，耐震動性能強等特點，能夠滿足各種復雜的自動化任務。

（2）監控系統。HMI（觸摸屏）采用西門子彩色觸摸屏，通過觸摸屏可以對整個系統的運行狀態、故障進行實時監控，同時可以通過觸摸屏查找故障報警信息及故障點，方便維修人員進行故障查找和排除。

（3）伺服驅動系統。采用進口伺服系統，達到精確的進給速度控制，要求伺服電機在低速時有足夠大的輸出力矩且運行平穩，以便在與機械運動部分連接中盡量減少中間環節。

3 設備總體性能分析

3.1 互換性

工裝設計過程中，考慮工裝通用性，采用通過性設計，便于后續維修裝配，節約成本。如移動滑臺、產品組裝工作臺升降底座、支撐滾輪及滾輪座等。

電控系統采用模塊化分層設計，即現場層、設備層、監控層、控制層；提高了整個系統的組合化、系列化程度。

3.2 可擴展性

工裝具備一定的兼容性擴展性。

（1）直徑上可通過改變支撐工裝上滾輪間距適應不同直徑的產品。

（2）長度上可通過預設改變支撐工裝停放的初始位置。

3.3 安全可靠性設計

導彈自動化對接系統的可靠性從三個方面進行保障，機械方面、電氣方面和檢測方面。

（1）機械方面。采用高精度研磨齒條、高精度導軌導向，最大限度保證了工裝行走一致性，高精度伺服系統提供推力，保障了推進力的穩定。

（2）電氣方面。選用防爆型接近開關，堅固耐用，保證了工裝到位的穩定性。信號線、通信線等采用屏蔽式電纜，確保其通信時不受外界干擾，保證了系統通信的穩定性。

（3）檢測方面。使用激光測距代替人工測量，提高了測量精度，保證了在部件對接過程中位置的正確性，用壓力傳感器監控推進力的大小，保證了過程中的穩定。

3.4 維修設計

（1）簡化維修方法。降低對維修人員能力要求，縮短維修時間。維修以換件為主，修理為輔。

（2）良好的維修可達性。產品設計時會考慮留有適當的維修操作空間，包括工具的使用空間。提供便于觀察、檢測、維護和修理的通道。

（3）標準化和互換性。設計時會優先選用符合國際標準、國家標準，或專業設備、元器件、零部件和工具等軟件。同種產品之間在實體上、功能上相同，能用一個代替另一個。

4 結束語

本文對導彈自動化對接系統相關問題進行了研究，主要完成內容如下：

（1）根據導彈自身對接工藝并結合我國自動化對接裝配現狀，完成了導彈自動化對接系統結構設計。通過視覺掃描系統建立了基準艙段位置坐標。

（2）應用虛擬仿真技術模擬自由度調姿臺其運動學模型，得出對接應用路徑方案，通過上位機判斷取最優路徑解，得到位姿逆運動學解。

（3）根據上位機指令多軸協同聯動達到精準執行。同時配合機器人自動化擰緊技術，實現了導彈自動化對接。