阻尼環自動注汞位置定位技術研究

張 祥, 梅 韜, 張 然, 陳 稀, 高云霞, 符德華

(1.上海航天控制技術研究所，上海 201109；2.中國航天科技集團公司紅外探測技術研發中心，上海 201109)

阻尼環是動力陀螺位標器的重要部件，其質量的好壞直接影響著位標器的性能[1-2]。目前阻尼環部件的注汞方式采用人工使用注射器進行注汞，存在著注汞效率低、產品質量一致性差等缺點。且汞具有揮發性，是一種有毒有害物質，對環境和操作人員的職業健康有著重要的影響[3]。因此，亟待研制自動化設備實現注汞動作自動化[4-5]，代替人工方式注汞，解決對人及環境的危害，實現阻尼環產品制造過程中的綠色制造。

CCD技術不斷發展，廣泛應用于工業領域，借助CCD檢測技術實現零部件位置的定位成為可能。國內外學者和機構對CCD技術的應用進行了研究。齊鴻等[6]重點研究了CCD技術在鋼軌外形尺寸測量上的應用，并得出面陣CCD技術與線陣CCD技術在尺寸測量上的優缺點。徐航等[7]將線陣CCD技術應用于軸類零件直徑的測量，且擁有8 μm的測量精度。王亞軍等[8]實現了CCD技術測量炮彈同軸度公差，經過修正后的測量精度高于0.05 mm。Fan等[9]運用CCD技術成功研制用于薄板零件的尺寸測量系統。Shan等[10]利用CCD技術，并基于最小二乘法對輪廓邊緣進行精確定位。

阻尼環自動注汞位置定位技術是研制阻尼環自動充汞檢測系統的關鍵技術之一。人工注汞采用人眼識別的方式，準確找到阻尼環注汞口，采用自動注汞，必須解決阻尼環注汞口的識別、位置定位和工裝夾緊等難點。目前國內外學者對CCD技術的應用有著深度的研究，并能實現很高的測量精度與定位精度，但未實現對阻尼環注汞口位置的精確定位。針對自動注汞位置定位的技術難點，設計定位工裝，研究注汞口精確識別技術，并通過軟件實現注汞口位置的可視化，對研制自動注汞技術具有重要的工程應用價值。

1 基本原理

戰術武器位標器上的阻尼環零件采用環狀結構，通過注汞口向內部填充汞介質，注汞口通過填充塞并使用膠進行密封。阻尼環形式有金屬充液式和非金屬充液式，非金屬材質常采用有機玻璃形式。

根據陀螺原理，陀螺在運動中會產生章動運動，采用阻尼環內部填充汞產生阻尼力矩形式抑制陀螺在矢量空間的章動[11-12]。阻尼環內部汞填充物在陀螺高速運動時與阻尼環殼體零件產生摩擦，會在阻尼環零件上產生摩擦力與離心力。摩擦力與離心力的合力作用在阻尼環上產生阻尼環力矩，從而消除陀螺的章運動[13-14]，阻尼力矩產生示意圖如圖1所示。

圖1 阻尼力矩產生示意圖

陀螺在高速旋轉時產生章動運動，當汞齊在O1A線的下側時，摩擦力F與離心力F12、F22方向相反，汞齊轉動速度慢，致使在該側汞齊停留時間長，由離心力F21產生的力矩M使章動收斂。

F=F離+f摩

(1)

M=FL

(2)

式中：F為合力；F離為作用在阻尼環零件上離心力；f摩為阻尼環殼體上摩擦力；M為阻尼環產生的阻尼力矩；L為合力的作用線到轉動軸的垂直距離。

2 實現方法

為實現阻尼環注汞口的精確識別，保證注汞口與注射器一一對準，提高注汞口的識別率，需對識別方法、定位方法和執行機構進行研究。自動注汞位置定位技術研究方案如圖2所示。

圖2 自動注汞位置定位技術研究方案

自動注汞位置定位識別方法采用基于CCD相機的機器視覺識別方式，涉及光學部件的選型。工裝定位采用限位工裝實現對阻尼環基準位置定位，涉及夾持工裝與針頭校準工裝的研究。執行機構采用機械手抓取方式，涉及機械手機構的選型、上料工裝與機械手動作研究。

2.1 機器視覺識別

基于面陣CCD原理的機器視覺識別技術廣泛應用于測量領域[15]。利用機器視覺技術，通過工業相機光學成像，對阻尼環自動注汞位置實現二維平面定位。通過背光拍照亞像素提取技術，基于注汞位置口與阻尼環殼體的不同，對黑白工業相機采集的圖像進行處理。系統首先根據設定好的程序定位到阻尼環，然后通過注汞位置口灰度的不同計算出注汞位置口，再根據均值計算出注汞位置口的中間點，以此作為該平面上注汞位置口，實現對阻尼環徑向位置的定位。

依據阻尼環零件尺寸、目標視野的大小、圖像識別的精度要求和產品的光學成像特征等信息，對相機、鏡頭和光源等進行選型并設定其工作距離。阻尼環的直徑大約為40 mm，視野基于產品最大直徑2倍設計，因此視野設計為長、寬80 mm，在此視野范圍內按照0.1%的定位精度假設，相機分辨率達到0.08 mm/像素，即可滿足常規的定位要求，視覺識別結構示意圖如圖3所示。

圖3 視覺識別結構示意圖

背光源與測試產品的工作距離取決于被測件尺寸的大小。由于阻尼環零件的最大外徑尺寸為40 mm，為保證機械手運動時有足夠的活動空間，即阻尼環零件姿態為水平方向的自適應調整，工作距離應不小于40 mm，考慮機械手臂運動余量，工作距離設計成50 mm，可滿足使用要求。

鏡頭與被測件的工作距離與相機視角和視場大小有關。視場大小一定的情況下，相機視角越小，其鏡頭工作距離越大。根據相機選型，視角大小為40°，視場長、寬為80 mm。經計算，鏡頭工作距離為110 mm時，可滿足使用要求。

硬件選型如下。

① 光源工作距離：50 mm。

② 鏡頭工作距離：110 mm。

(3)

式中：d為鏡頭工作距離；F視野大小；θ為視角大小。

③ 視場Fov：80 mm×80 mm。

④ 光學分辨率：0.039 mm。

(4)

式中：p為光學分辨率；D為視野直徑。

⑤ 角度分辨率：0.11°。

(5)

式中：θ′為角度分辨率；p為光學分辨率。

2.2 工裝定位

基于CCD視覺的識別技術要求視覺系統檢測的產品必須在固定的工作距離內[16]，因此需要設計工裝穩定可靠的夾持阻尼環產品，且注射器需要安裝在固定位置上。并需要設計針頭校準工裝，解決因裝夾注射器而導致的針頭位置的改變。

2.2.1 夾持工裝研究

有機玻璃形式的阻尼環其表面光滑，夾取過程中必須要保證阻尼環產品在工裝內保持相對固定，不能在注汞口識別過程中發生相對位置變動。故產品夾持工裝采用V型槽設計，可以起到阻尼環定心及防止移動的作用。夾持工裝結構示意圖如圖4所示。

圖4 夾持工裝結構示意圖

2.2.2 針頭校準工裝研究

曾鳴：中臺化現在成為一個比較時髦的趨勢了。阿里是非常早，大概在2013年就提出了中臺化的思路，2015年正式成立了中臺事業部。

阻尼環注射器的容量有限，在更換注射器針頭時，其位置會發生相應變化。在實際使用過程中，阻尼環觸碰到針頭致使其發生彈性變形而無法實現注射針頭插入注汞口，且使用機械手校準注射器針頭位置，會增加機械手動作的復雜度并提高使用成本，因此需單獨設計針頭校準工裝。

針頭校準工裝主要是由阻尼環工裝和夾持機構組成。該校準工裝能夠模擬機械手臂夾持阻尼環產品在空間中調整后的姿態。為防止注汞過程中發生泄漏，注汞口沿圓周方向順時針偏轉一定的角度，此時注射器針頭需向右側呈彎折狀態。當注射器中的汞量不足需要更換時，需重新安裝注射器于固定平臺上。為了保證彎折的注射針頭能準確插入注汞口，使用針頭校準工裝，調整夾持注射器的位置，使注射針頭與注汞口沿阻尼環徑向保持在同一個平面內。校準后的注射針頭在正式產品注汞時，機械手臂只需沿阻尼環軸向調整角度即可實現精準位置定位，從而實現成功注射。針頭校準工裝結構示意圖如圖5所示。

圖5 針頭校準工裝結構示意圖

2.3 執行機構

執行機構將阻尼環產品從上料工裝上夾取，移動至相機視野中，經過光學CCD識別后進行注汞操作，因此必須選擇可靠的執行機構，可放置阻尼環產品的上料工裝和設計執行機構注入孔動作，保證阻尼環產品成功注汞。

2.3.1 機械手及上料工裝

執行機構夾取阻尼環產品移動至相機視野過程中，執行多個復雜動作，因此采用六軸機械手。該機械手有效載荷為3 kg，行程0.58 m，重復定位精度可達±0.01 mm。六軸機械手實物圖如圖6所示。

圖6 六軸機械手實物圖

為了保證阻尼環上料點位的有效性和一致性，設計制作上料工裝，由操作人員依次將阻尼環擺放到固定位置，每個位置之間行列間隔相等，并保持注射孔朝上，實現產品的徑向定位，保證產品放置狀態基本一致。注汞口位置經CCD識別判斷后，由機械手動作進行調整，即可實現注汞口的精確定位。上料工裝結構示意圖如圖7所示。

圖7 上料工裝結構示意圖

2.3.2 注汞動作

人工將阻尼環放置在上料工裝上，雖然注汞口朝上，但無法保證孔完全垂直，存在放置一致性較低的缺點。因此，機械手夾取的阻尼環，其注汞口朝向各不相同，必須經機械手角度調整后，方可將注射器針頭插入孔中。阻尼環自動注汞流程圖如圖8所示。

圖8 阻尼環自動注汞流程圖

阻尼環產品放置在上料工裝中，機械手夾取阻尼環產品移動至CCD光學相機位置。機器視覺系統CCD可實現注射孔偏斜角度的計算[17]，首先計算數值輸送到機械手控制器中，再由機械手進行角度的調整。六軸機械手可以實現保持阻尼環徑向平面不變的情況下，只進行繞軸線運動，將角度調整至垂直朝上。然后計算阻尼環的注射孔與針尖的位置，計算出偏差量，將數值輸出到機械手控制器，調整機械手平移，使針頭在保持位置不變的情況下，可以插入注射孔中。

3 試驗驗證

阻尼環自動注汞位置定位試驗平臺由CCD光學相機、六軸機械手、上料工裝、針頭校準工裝和夾持工裝等部分組成；試驗輔助材料由阻尼環、汞、注射器和醫用手套組成。試驗時首先搭建試驗平臺，使用針頭校準工裝校準注射器針頭，并手戴醫用手套在注射器中放入足量的汞，接著在上料工裝上按阻尼環注汞口位置朝上放置，最后在工控機上運行軟件系統。試驗過程在軟件系統中觀察注汞口識別情況和阻尼環注汞口角度偏差計算情況，過程中記錄阻尼環夾持情況、機械手臂姿態調整情況和注射器針頭插入注汞口情況。共進行20個阻尼環產品的自動注汞位置定位識別試驗，并通過軟件操作界面識別圖和記錄的數據驗證方案的可行性與有效性。

阻尼環自動注汞位置定位試驗軟件采用面向對象的可視化軟件平臺.NET4.0，開發語言為C#，開發平臺為Euresys公司的圖像處理軟件eVsion。eVision是一套用于工業機器視覺的工具軟件，適用于各種量的測量、特征的識別、標記的辨別以及表面分析等方面[18]。

試驗軟件分為登錄模塊、主界面、校準模塊、定位模塊、測量模塊、查詢模塊、打印模塊、統計模塊等。登錄模塊用于操作者登錄；主界面用于實時顯示CCD相機識別阻尼環注汞口位置的圖像信息；校準模塊用于注射器與注射針頭更換后的針頭校準操作；定位模塊用于識別阻尼環產品和注汞口位置；測量模塊用于計算注射孔偏斜角度；查詢模塊可實現對歷史產品注汞位置識別情況的查詢；打印模塊可打印出CCD光學鏡頭歷史識別狀況信息；統計模塊用于統計阻尼環產品注汞口精確識別的成功率。各個模塊相輔相成，共同實現阻尼環注汞口位置的精確識別、偏差角度計算、姿態調整、注汞等功能，如圖9所示。

圖9 試驗軟件控制框圖

對20個阻尼環產品進行注汞口位置定位識別試驗，基于面陣CCD原理的機器視覺識別系統充汞口位置檢測如圖10所示。

圖10 充汞口位置檢測圖

試驗過程中對20個產品的注汞口識別情況進行記錄，阻尼環自動注汞位置定位識別情況表如表1所示。

表1 阻尼環自動注汞位置定位識別情況表

由表1可知，放置在上料工裝中的阻尼環，其注汞口偏離垂直方向不大于±10°時，CCD相機準確識別到阻尼環注汞口位置后，軟件計算出角度偏差進行姿態調整。當偏離垂直方向大于±10°時，機械手臀姿態調整受機械結構和軟件控制程序的影響，無法將陽尼環注汞口位置調整到位。從而導致注汞口無法準確插入注射器針頭。因此，實際工程使用過程中，應避免注汞口位置偏離垂直方向過大。試驗過程中機械手夾持阻尼環過程中未發生掉落情況，驗證了夾持工裝和機械手臂的可靠性。通過更換機械手臂機械模塊和修改控制軟件程序可實現大角度偏差的姿態調整，故該阻尼環自動注汞位置定位方案具有重要的工程應用價值。

4 結束語

研制了基于面陣CCD原理的視覺識別系統，設計了夾持工裝和針頭校準工裝；研究了機械手注汞動作，實現了角度偏差自動糾正，設計了阻尼環產品上料工裝；開發了阻尼環注汞口精確識別軟件系統，可實時觀察阻尼環注汞口的識別情況；基于研制成果，開展了阻尼環注汞口精確識別試驗，驗證了方案的可行性與有效性，對突破阻尼環自動充汞技術瓶頸具有重要的工程應用價值。