一种基于激光测量的自动钻孔系统研究

刘荣华

(江苏自动化研究所，江苏连云港 222001)

0 前言

随着科学技术与工业的迅猛发展，机械制造行业的技术水平不断提高，机械零件的复杂程度越来越高，对机械制造的精度和自动化程度要求也越来越高。特别是随着机器人技术的发展，以机器人自动钻孔为代表的高端制造应用越来越广泛，它与传统的手工钻孔相比具有柔性高、钻铆质量高、钻孔效率高等优点[1]。但是在国内的弹药装配领域，普遍采用手工钻孔、摇臂钻床钻孔、钻床钻孔等方式，没有全部实现钻孔工序的人机隔离以及自动钻孔。但钻孔时一旦钻头进入发射药过多，钻头与发射药挤压，可能引起发射药燃烧甚至爆炸等严重的安全事故[2-3]。

激光测量技术是以激光作为信息载体进行物理量测量的技术，由于激光具有单色性好、亮度高、方向性强的特点，已经应用到包括长度、角度、位移、电、磁、声等多种参数测量[4]。其中最具有代表性的是激光位移传感器。激光位移传感器是一种新型的非接触式测量工具，具有响应深度快、测量精度高、价格适中等优点，广泛应用于长度、位移以及三维形貌测量[5-15]等方面。

因此，基于激光位移测量技术研究一种弹药壳体自动钻孔系统，实现弹药壳体制孔过程的人机隔离，对于保证操作人员安全、提高钻孔质量和钻孔效率具有重要意义。

1 钻孔位置激光测量方法

弹药壳体等圆柱体工件表面钻孔工艺有两种形式：一种是无预制孔形式，即以工件接合面为轴向基准，以固定轴向位移为偏差量确定钻孔位置；另一种是有预制孔形式，即以工件接合面为轴向基准，以固定轴向位移为偏差量存在一个预制孔，以该孔的中心位置作为钻孔位置。该系统采用点激光测量技术实现钻孔位置的自动识别定位，工作原理如图1所示。

图1 工件表面钻孔位置激光测量方法示意

对于无预制孔形式，通过图1(a)轴向寻孔方式确定钻孔位置。首先，点激光传感器沿着工件轴线方向检测到工件接合面(轴向基准)位置点A，点A空间坐标记为A(X1,Y1)；其次，寻找工件圆周中心位置，点激光传感器沿着工件轴线方向移动至某一标定位置，沿着工件圆周方向分别逆时针转动角度θ1、顺时针转动角度θ2，点激光传感器检测到最短距离点，即为工件中心位置点B，点B的空间坐标记为B(X2,Y2)；根据工艺要求轴向移动XΔ固定位置后确定钻孔位置点C，点C空间坐标记为C(X1+XΔ,Y2)，钻头根据钻孔位置进行钻孔。

对于有预制孔形式，除了按照无预制孔形式识别到点C以外，还需要精确检测预制孔的中心位置。按照如下步骤完成预制孔中心位置精确测量：

(1)预制孔圆周方向中心位置测量。点激光传感器在检测到位置点C以后保持位置不变，工件圆周转动，通过点激光识别到工件表面预制孔圆周方向的两个突变点D(XD,YD)和E(XE,YE)，两个突变点的空间坐标计算公式为

XD=X1+XΔ

YD=Y2+YΔ1

XE=X1+XΔ

YE=Y2+YΔ2

(2)预制孔轴向方向中心位置测量。工件圆周方向保持不变，点激光传感器沿着工件轴线方向移动，检测预制孔轴线方向的两个突变点F(XF,YF)和G(XG,YG)，两个突变点的空间坐标计算公式为

XF=X1+XΔ+XΔ1

XG=X1+XΔ+XΔ2

(3)根据识别的点F、点G，计算预制孔中心点H的空间坐标H(XH,YH)，则点H的空间坐标计算公式为

2 系统设计

自动钻孔系统主要由桁架机械手、钻孔机构、测量机构、监控摄像头、输送小车、远程操作台等部分组成，如图2所示。

图2 自动钻孔系统组成示意

图2中，桁架机械手伺服电机驱动齿轮传动，实现末端执行机构在空间位置范围内动作。桁架机械手末端安装有钻孔机构、测量机构和监控摄像头，其中钻孔机构采用整体式机床钻孔主轴设计，整体内置换刀装卸部件，更换刀柄方便；测量机构选择点激光位移传感器，用于圆柱体工件结合基准面以及预制孔中心位置的自动识别；监控摄像头用于在线监控激光传感器寻孔过程以及钻孔过程，便于远程监控。运输小车用于工件在桁架机械手外部空间和内部作业空间之间的往返运输。远程操作台用于操作人员远程控制钻孔系统动作，实现人机隔离。

3 控制系统设计

3.1 硬件设计

自动钻孔系统采用PLC控制器进行数据采集和多伺服电机控制，实现桁架机械手、钻头机构、输送小车等各机构的作业动作，系统硬件框图如图3所示。

图3 自动钻孔系统控制系统硬件框图

在图3中，PLC控制器通过Profinet总线与触摸屏、小车行走电机驱动器、钻头机构电机驱动器、机械手X轴电机驱动器、机械手Y轴电机驱动器、机械手Z轴电机驱动器连接；通过开关量输入(DI)信号与安全急停开关按钮、伺服使能开关按钮、钻孔进开关按钮、钻孔退开关按钮、寻位开关按钮、系统启动开关按钮、手动自动切换旋钮连接；通过模拟量输入(AI)信号与激光位移传感器连接。触摸屏一方面用于接收PLC控制器发送过来的各开关按钮、传感器以及电机驱动器的状态信息以及设备故障信息，另一方面通过人工触摸屏界面软件按钮实现各执行机构动作。

3.2 软件设计

(1)主程序软件流程

主程序软件采用模块化功能设计，软件流程如图4所示。

图4钻孔系统软件主程序流程

图4中，参数初始化模块完成各执行机构起始位置以及传感器标定参数的读取功能；输送小车功能模块完成驱动运输小车在多个位置之间的转运以及极限位置的控制功能；激光测量功能模块完成预制孔中心位置识别定位功能；钻孔深度功能模块根据激光测量功能模块识别的钻孔位置中心位置进行自动钻孔深度实时测量。

(2)激光寻位功能模块流程

激光寻位功能模块软件流程如图5所示。

图5 激光寻位软件流程

图5中，首先桁架机械手Z轴移动到预先设置的激光寻位高度，根据当前钻孔工件的工艺要求判断是否有预制孔。如果工艺要求没有预制孔，机械手携带点激光传感器沿着工件轴向方向(X轴方向)移动，点激光传感器检测工件接合面位置，将此位置作为工件轴线方向的基准位置；激光传感器以此基准点轴向移动固定距离处停止，记录当前位置为钻孔位置。如果工艺要求有预制孔，则激光传感器除了需要识别工件结合基准位置以外，还需要识别和计算预制孔中心位置，并以此位置为钻孔位置。

(3)钻孔深度功能模块软件流程

钻孔过程中的深度控制实际上是钻孔主轴升降移动位移的控制，控制变量为钻孔主轴升降位移，软件流程如图6所示。

图6 钻孔深度控制流程

图6中：首先，PLC控制器通过激光传感器检测钻孔主轴升降位移的实际测量值，目标值根据工件的工艺要求确定；其次，PLC控制器计算升降位移的实际测量值与目标值的偏差，并根据偏差值控制机械手Z轴电机转动，进而实现钻孔主轴的升降位移变化。

4 试验验证

为了验证激光测量方法及钻孔系统方案的可行性，设计龙门式自动钻孔系统试验平台，实物如图7所示。

图7 自动钻孔系统试验平台

试验平台的钻孔机构选择FKS1206机床主轴作为钻孔主轴，主轴转速10 000 r/min。桁架机械手选择Parker防爆伺服电机驱动RV减速机，通过齿轮齿条传动技术实现横梁在直线导轨上滑行。测量机构选择KEYENCE品牌的LK-H150点激光位移传感器，测量范围为±40 mm，用于工件接合面位置、预制孔中心位置等特征识别及钻孔深度的参数测量。

基于图7所示钻孔试验平台进行钢管预制孔激光测量精度试验和钢管表面钻孔深度精度试验。

4.1 钢管预制孔激光测量精度试验

为了更好地测试激光测量预制孔中心位置的精度，激光测量精度试验分为单孔多次测量试验和多孔多次测量试验。

(1)单孔多次测量试验

通过点激光位移传感器针对钢管上同一预制孔中心进行多次测量，计算测量结果的标准差，测量结果如图8所示。

图8 同一预制孔中心位置测量结果

在图8中，对同一预制孔中心进行10次重复性测量，误差很小，具体数值如表1所示。

表1 同一预制孔中心位置重复性测量结果 单位：mm

在表1中，点激光传感器针对同一预制孔的中心位置(轴向方向和圆周方向)进行10次重复性测量，轴向方向位置标准差为0.02 mm；圆周方向位置标准差为0.02 mm。

(2)多孔多次测量试验

通过激光位移传感器对钢管上的4个预制孔中心位置进行多次测量(包括轴向位置和圆周位置)，分别计算每个预制孔中心位置测量值的标准差，测试结果如图9所示。

图9 四个预制孔中心位置测量结果

在图9中，预制孔1、预制孔2、预制孔3和预制孔4中心位置多次测量结果标准差很小，对应的数值如表2所示。

表2 四个预制孔中心位置重复性测量结果 单位：mm

表2中，通过点激光位移传感器针对4个预制孔中心位置进行测量识别，预制孔中心轴向位置最大标准差为0.017 mm，预制孔中心圆周位置最大标准差为0.019 mm。

4.2 钻孔深度精度测试

设定预制钻孔深度目标值为3.5 mm，PLC采用点激光位移传感器测量钻孔深度值，通过PID控制算法实现机械手Z轴升降动作，进而实现钻孔主轴升降位移变化，控制结果如图10所示。

图10 钻孔深度测试结果

在图10中，钻孔深度误差很小，误差最大值为0.136 mm，如表3所示。

表3 钻孔深度测试结果 单位：mm

5 结束语

该系统利用激光测量技术自动识别预制孔中心位置，具有测量精度高、抗干扰能力强等特点；桁架机械手末端安装钻孔机构、测量机构、监控摄像头等多功能执行机构，采用多轴伺服电机控制，具有重复定位精度高、柔性好、扩展能力强等优点。经过试验证明：该系统运行稳定，预制孔识别精度高，钻孔深度控制准确，实现弹药壳体钻孔的人机隔离，满足生产工艺要求。