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全自动快换装置精准对接技术
汤志东1, 贠超2     
1. 北京航空航天大学 机械工程及自动化学院, 北京 100083;
2. 北京航空航天大学 机器人研究所, 北京 100083
摘要: 当抢险救援机器人腕部的全自动快换装置(full-AQHCD)自动锁紧属具接口即下耦合件(LCP)时,要同步精准对接和自动接通下耦合件的液压管路,为此,分别提出了数字量测量条件下和模拟量测量条件下精准对接理论(PDT),分别用于指导产品阶段和样机阶段的生产。产品阶段的精准对接理论是:把全自动快换装置视为被动目标,把下耦合件视为主动目标;通过4个耦合点实现全自动快换装置与下耦合件的连接;通过测量分别建立被动目标坐标系(X1O1Y1)、主动目标坐标系(X2O2Y2)与精准对接坐标系(XOY)之间的位姿关系;将被动目标对接点X1O1Y1坐标变换到XOY坐标,再变换到主动目标对接点X2O2Y2坐标;根据主动目标对接点X2O2Y2坐标对主动目标对接点进行调姿以实现精准对接被动目标对接点;最后固定主动目标对接点。样机阶段的精准对接理论是:把全自动快换装置视为被动目标,把下耦合件视为主动目标;不完工被动目标布线舱,从而暴露出工作舱类似扳手空间的操作空间;通过4个耦合点实现全自动快换装置与下耦合件的连接;另外布置油源,在操作空间中先"对接"液压管路,再"测量、调姿和最后固定"主动目标的液压管路;完工被动目标布线舱。对上述2种条件下理论进行了仿真验证。
关键词: 精准对接     坐标变换     全自动快换     属具     救援机器人    
Precise docking technology in full-automatic quick hitch coupling device
TANG Zhidong1, YUN Chao2     
1. School of Mechanical Engineering and Automation, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China;
2. Robot Institute, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China
Received: 2016-08-26; Accepted: 2016-11-25; Published online: 2016-12-15 18:03
Foundation item: National Key Technology Research and Development Program of China (2011BAF04B01)
Corresponding author. YUN Chao, E-mail:cyun18@vip.sina.com
Abstract: When the full-automatic quick hitch coupling device (full-AQHCD) of the rescue robot wrist automatically locks tightly the attachment interface, i.e., the lower coupling parts (LCP), it must synchronously dock precisely with and switch on the hydraulic pipelines of the LCP automatically, for this reason, the precise docking theory (PDT) based on digital measurement and the PDT based on analog measurement are proposed for guiding the manufacturing at the product stage and the prototype stage respectively. The PDT at product stage is:the full-AQHCD is regarded as a passive target, and the LCP is regarded as an active target; the full-AQHCD is connected with the LCP through 4 coupling points; the position-orientation relationships between the passive target coordinate system (X1O1Y1), the active target coordinate system (X2O2Y2) and the precise docking coordinate system (XOY) are established by measurement; the coordinates of docking points (CDPs) in X1O1Y1 are transformed to the CDPs in XOY, and then transformed to the CDPs in X2O2Y2; the postures of the docking points on the active target are adjusted according to their CDPs in X2O2Y2 to achieve the precise docking with the docking points on the passive target; finally, the docking points on the active target are fixed. The PDT at prototype stage is:the full-AQHCD is regarded as a passive target, and the LCP is regarded as an active target; the oil-lines cabin of the full-AQHCD is not constructed to expose the operation space (like wrench space) of the working cabin of the full-AQHCD; the full-AQHCD is connected with the LCP through 4 coupling points; the additional oil source is supplied for first "docking" hydraulic lines in the operation space, and then "measuring, posture adjusting and finally fixing" hydraulic lines of the active target; the oil-lines cabin of the full-AQHCD is completed. Regarding the above two theories under two conditions, simulation and verification are carried out.
Key words: precise docking     coordinate transformation     full-automatic quick hitch coupling     attachment     rescue robot    

与无自动快换装置相比,由于半自动快换装置不需要人工拆卸和装配连接销轴,而是通过自带独立的液压油缸驱动活动爪卡住属具上的固定轴相连接,极大地减轻了人工操作量,因此半自动快换装置至今已经得到大量的普及和应用。“双动力智能型双臂手系列化大型救援机器人[1]”作为国家“十二五”科技支撑计划项目(下文简称该项目),首次引入了全自动快换装置(full-Automatic Quick Hitch Coupling Device,full-AQHCD)的概念用于副臂分手腕部。全自动快换装置的“全自动”就是体现在不需要人为参与地完成锁紧或解锁属具的同时,同样不需要人为参与地完成属具油路的接通或断开。属具油路的接通或断开选用符合ISO国际标准[2]的国产ISO 16028快速接头[3]。全自动快换装置要满足频繁更换属具的使用要求,由于副臂分手腕部所配属具主要是各种型号的液压剪,不同型号的液压剪就会有不同的规格尺寸,如果直接与全自动快换装置相连接,就会出现尺寸不兼容的问题,因此,只有在全自动快换装置与属具之间专门设计尺寸统一的属具接口即下耦合件(LCP)来与全自动快换装置相连接才能解决这种尺寸不兼容的问题。也就是说,全自动快换装置的“全自动”实际上就变成了在不需要人为参与地完成锁紧或解锁下耦合件的同时,同样不需要人为参与地完成下耦合件油路的接通或断开,即ISO 16028快速接头在全自动快换装置上的阴接头与下耦合件上的阳接头之间连接的接通或断开。ISO 16028快速接头的自动对接是通过全自动快换装置上集成了2个小流量(30 L/min)和高压力(32 MPa)的带缓冲结构的双作用单活塞杆液压缸(HSG)的安装架来实现的,也就是说,锁紧或解锁下耦合件和接通或断开ISO 16028快速接头的连接都是由这2个HSG液压缸同步驱动的。经计算,这2个HSG液压缸在工作压力为32 MPa和最大压力为35 MPa时将产生80 384 N(约8.2吨力)的推力和87 920 N(约9吨力)的最大推力。ISO 16028快速接头精准对接的重要性主要体现在3个方面:① 轴线不对齐,由于ISO 16028快速接头的阴/阳接头轴线不能对齐重合造成的不精准的对接将会使这种ISO 16028快速接头在上文所述的2个HSG液压缸约8~9吨力的推力作用下严重变形甚至破坏并产生泄露,造成严重安全事故;② 欠位,虽然ISO 16028快速接头的阴/阳接头轴线对齐重合,但是2个HSG液压缸的活塞走到极限行程(即速度为零)时,阴/阳接头还没有插入到位造成的不精准的对接,将会使这种ISO 16028快速接头不能顺利导通油路,从而造成属具由于得不到正常液压的操纵和控制以致不能正常作业的严重故障;③ 过位,虽然ISO 16028快速接头的阴/阳接头轴线对齐重合,但是2个HSG液压缸的活塞还没有走到极限行程(即速度不为零)时,阴/阳接头就插入到位造成的不精准的对接,将会使这种ISO 16028快速接头继续在随后约8~9吨力的推力作用下产生巨大的接触应力,同样会严重变形甚至破坏并产生泄露,造成严重安全事故。需要强调的是,本文所述的精准对接问题是指在出厂之前的制造环节中必须解决的问题,也就是说,出厂之后就已经具备了精准对接的功能。如果采用各种测距和定位传感器,把2个HSG液压缸改为伺服液压缸,通过精密液控来解决上述精准对接问题不仅是得不偿失的,而且会使问题变得更加复杂,因为这种精密液控措施必须在出厂之后仍然存在和始终安全可靠。国内外飞机大部件对接[4-14]、深海潜器对接[15-18]、空中加油对接[19-23]和空间交会对接[24-28]都普遍采用了“测量、调姿[29-36]和最后固定[37-44]”的精准对接策略。“测量”包括模拟量测量和数字量测量[45],数字量测量主要有室内iGPS(indoor/infrared GPS,iGPS)、激光跟踪仪(Laser Tracker System,LTS)和激光雷达(Light laser Detection And Ranging,LiDAR)等测量手段,还有红外、GPS差分测量、超声雷达、微波雷达和基于视觉成像的测量敏感器等辅助测量手段。试图通过分别精准设计和分别精准制造2个部件而不通过“测量、调姿”就能实现这2个部件之间精准对接的技术路线是行不通的死路。ISO 16028快速接头精准对接问题应该采用上述精准对接策略来解决,因为出厂之后无需再“测量”和“调姿”,“最后固定”的是精准对接的结果。

1 精准对接 1.1 数字量测量条件下精准对接理论

1.1.1 精准对接过程

抢险救援机器人的全部副臂分手如图 1所示。全自动快换装置与下耦合件如图 2所示。全自动快换装置与下耦合件示意图, 如图 3所示。

图 1 抢险救援机器人的全部副臂分手 Fig. 1 Rescue robot's whole vice-arm with cutter
图 2 全自动快换装置与下耦合件 Fig. 2 Full-AQHCD and LCP
图 3 全自动快换装置与下耦合件示意图 Fig. 3 Schematic for full-AQHCD and LCP

图 3(a)中,H11H12为2个HSG液压缸,P11Q11P12Q12为2对ISO 16028快速接头的阴接头,P11P12为阴接头2个对接点,Q11Q12为阴接头2个安装点,F11F12为2个固定爪,M11M12为2个活动爪,G11G12为确保M11M12作直线往复运动的2个导向孔,C11C12D11D12为与下耦合件连接的4个耦合点,X1O1Y1为被动目标坐标系(左手定则)。

图 3(b)中,P21Q21P22Q22为2对ISO 16028快速接头的阳接头,P21P22为阳接头2个对接点,Q21Q22为阳接头2个安装点,A21A22为与全自动快换装置锁紧/解锁的2根轴,A21F11F12锁紧/解锁,A22M11M12锁紧/解锁,C21C22D21D22为与全自动快换装置连接的4个耦合点,X2O2Y2为主动目标坐标系(左手定则)。

理论设计的精准对接过程分为以下3步。

第1步 C11C21耦合(即C11=C21)、C12C22耦合(即C12=C22),如图 2所示,对应示意图如图 4所示。

图 4 精准对接第1步示意图 Fig. 4 Schematic for the 1st step of precise docking

第2步 以C11C12为回转轴线,θr为回转角度,朝逐渐缩小θr方向回转全自动快换装置,直到D11D21耦合(即D11=D21)、D12D22耦合(即D12=D22),如图 5所示。

图 5 数字量测量条件下精准对接第2步示意图 Fig. 5 Schematics for the 2nd step of precise docking under condition of digital measurement

第3步 M11M12分别沿G11G12A22方向伸出直到极限行程Lmax时停止,此时A22M11M12S1S2处锁紧,并导致A21F11F12锁紧,即全自动快换装置无法再以C11C12为回转轴线,θr为回转角度,朝逐渐增大θr反方向回转,也就是说,全自动快换装置与下耦合件已经处于全锁紧状态(除非M11M12分别沿G11G12A21反方向缩回直到A22M11M12S1S2处解锁,才能解除这种全锁紧状态),更重要的是,与此同时,P11P12分别与P21P22在这种全锁紧状态下也同步实现精准对接,即P11=P21P12=P22,如图 6所示。

图 6 精准对接第3步示意图 Fig. 6 Schematic for the 3rd step of precise docking

4个耦合点C11C12D11D12类似4腿桌与地面的4个接触点,2个对接点P11P12类似4腿桌距地面高度为h的桌面上的2点,如图 7所示。当4腿桌中1条腿D12处与地面存在间隙ε时,4腿桌就会以C12D11这两对角点的连线为轴线回转产生偏斜,偏斜角度θ由间隙ε和回转半径r决定,同时2点P11P12也会以C12D11这两对角点的连线为轴线回转相同偏斜角度θ偏离原来位置,偏离程度即位移弧长s1s2由回转半径r1r2决定,由式(1) 给出。

图 7 4腿桌与桌面上2点示意图 Fig. 7 Schematic of 4-leg table and 2 points on desktop
(1)

由式(1) 可以看出,如果r1>rr2>r,则s1>εs2>ε,即2点P11P12偏离原来位置的程度会被放大,而不是缩小。

上述精准对接过程中,l=177.50 mm,w=440 mm,m=328.50 mm,h=32.50 mm,n1=276 mm,n2=164 mm;4对耦合点中C11C21C12C22实际上对应轴孔配合的间隙配合ϕ50F8/h7(间隙为0.025~0.089 mm),D11D21D12D22实际上对应轴孔配合的间隙配合ϕ65F8/h7(间隙为0.030~0.106 mm),因此取耦合点处定形尺寸偏差ε1=0.1 mm;4对耦合点实际上通过热加工焊接定位,国家标准[46]规定的A级(最高级)焊接精度是±1 mm,因此取耦合点之间定位尺寸偏差ε2=1 mm;当C11=C21C12=C22D11=D21D12=D22时实际上对应轴孔的圆柱面相切接触,不再有轴孔配合的间隙存在,否则4对耦合点中就会有悬空,造成全自动快换装置与下耦合件之间连接晃动不稳固,带来安全隐患,因此,4对耦合点必须全部成功对接,即全部都要相切接触,不能有任何间隙存在,特别是4对耦合点存在制造上的定形尺寸偏差ε1和定位尺寸偏差ε2,当4对耦合点全部成功对接之后,全自动快换装置与下耦合件之间的相对位姿关系已经不再是理论设计时的相对位姿关系,取ε=ε1+ε2=1.1 mm,由式(1) 计算得r=164.610 4 mm、r1=203.995 1 mm、r2=245.451 5 mm、s1=1.363 2 mm、s2=1.640 2 mm,P11P12的真实位置已经偏离理论设计位置最大超过1.5 mm,如果P21P22仍然按照P11P12的理论设计位置实施对接,必然造成精准对接失败。即使把4对耦合点中C11C21C12C22D11D21D12D22之间存在25 mm的高度差考虑在内,计算得r=166 mm、r1=201.78 mm、r2=243.95 mm、s1=1.337 1 mm、s2=1.616 5 mm,P11P12的真实位置仍然偏离理论设计位置最大超过1.5 mm,因为是按A级(最高级)焊接精度计算得出的结论,所以实际情况会更严重。

通常是热加工焊接之后再进行机加工来获得更高的定位精度,但是4对耦合点处的轴孔配合如果是热加工焊接之后再进行机加工,则轴的加工已经没有相对刀具的回转空间而无法进行;在上述精准对接失败的源头消除间隙实际上只是将偏斜固定,防止被动目标与主动目标之间晃动,而不是纠偏,所以要在精准对接失败的末端通过“调姿”将偏就偏做精度改善。由于全自动快换装置结构比下耦合件复杂得多,“调姿”比下耦合件更困难,因此,把全自动快换装置视为被动目标,把下耦合件视为主动目标,按照左手定则建立精准对接坐标系(XOY),把4对耦合点全部成功对接之后P11P12在极限行程Lmax时的真实位置X1O1Y1坐标变换到XOY坐标,再变换到X2O2Y2坐标,在X2O2Y2坐标系下对P21P22进行“调姿”,直到满足在XOY坐标系下P11=P21P12=P22,才能“最后固定”P21P22的真实位置。用同样的方法对Q21Q22进行“调姿”,直到满足在XOY坐标系下方向矢量重合、方向矢量重合,才能“最后固定”Q21Q22的真实位置。

A22M11M12S1S2处锁紧实际上对应轴的圆柱面与斜平面之间的相切接触,同样必须在2个耦合点S1S2处全部成功对接,即全部都要相切接触,不能有任何间隙存在。如何实现4对耦合点C11C21C12C22D11D21D12D22以及2个耦合点S1S2全部成功对接,同样也必须通过“测量、调姿和最后固定”的程序,但是不需要精准对接,只需要消除全部间隙,确保全部相切接触即可,因此该程序不在本文中阐述。

1.1.2 坐标变换过程

理论设计的精准对接过程中,被动目标坐标系X1O1Y1与主动目标坐标系X2O2Y2的坐标轴对应平行,即O1X1//O2X2O1Y1//O2Y2O1Z1//O2Z2,如1.1.1节所述,当4对耦合点C11C21C12C22D11D21D12D22全部成功对接之后,这种坐标轴对应平行关系就被破坏了,即X1O1Y1X2O2Y2之间的相对位姿关系发生了改变,这种改变只有在同一个参考坐标系,即精准对接坐标系XOY下,通过测量才能计算出来。X1O1Y1X2O2Y2XOY中的真实位姿可以认为是它们从与XOY完全重合的位姿开始,先绕OZ轴旋转γ1γ2角、再绕OY轴旋转β1β2角、再绕OX轴旋转α1α2角,然后平移到O1O2点处产生的。O1O2点在XOY中的坐标O1(t1x, t1y, t1z)和O2(t2x, t2y, t2z)可以通过测量直接得到,但是α1α2β1β2γ1γ2很难通过测量直接得到,为此,在X1O1Y1X2O2Y2上分别选取3个标定点,即(u1, 0, 0) 和(u2, 0, 0)、(0, v1, 0) 和(0, v2, 0)、(0, 0, w1)和(0, 0, w2),分别测量出它们在XOY下的坐标,即(u1x, u1y, u1z)和(u2x, u2y, u2z)、(v1x, v1y, v1z)和(v2x, v2y, v2z)、(w1x, w1y, w1z)和(w2x, w2y, w2z),然后通过旋转平移矩阵间接计算出α1α2β1β2γ1γ2

先绕OZ轴旋转γ1γ2、再绕OY轴旋转β1β2、再绕OX轴旋转α1α2,然后平移到O1O2点处对应的旋转平移矩阵分别由式(2)~式(5) 给出。

(2)
(3)
(4)
(5)

旋转组合矩阵由式(6) 给出。

(6)

X1O1Y1X2O2Y2上分别选取3个标定点组成的坐标矩阵由式(7) 给出。

(7)

分别测量出3个标定点在XOY下的坐标组成的矩阵由式(8) 给出。

(8)

由3个标定点建立的X1O1Y1X2O2Y2XOY之间的相对位姿关系由式(9) 给出。

(9)

由式(9) 可以计算出旋转组合矩阵式(10)。

(10)

式中:

实际上X1O1Y1X2O2Y2XOY之间相对位姿关系的改变是小幅度的,不会出现β1β2等于±π/2这种极端相对位姿关系,因此,由式(6) 和式(10) 可以求出α1α2β1β2γ1γ2,如式(11) 所示。

(11)

根据被动目标上2个对接点P11P12和2个安装点Q11Q12X1O1Y1坐标P11(x1P11, y1P11, z1P11)、P12(x1P12, y1P12, z1P12)、Q11(x1Q11, y1Q11, z1Q11)、Q12(x1Q12, y1Q12, z1Q12)就可以计算出它们的XOY坐标P11(xP11, yP11, zP11)、P12(xP12, yP12, zP12)、Q11(xQ11, yQ11, zQ11)、Q12(xQ12, yQ12, zQ12),如式(12) 所示。

(12)

由式(13) 就可以确定主动目标上2个对接点P21P22XOY坐标P21(xP21, yP21, zP21)、P22(xP22, yP22, zP22)。

(13)

由式(14) 就可以确定主动目标上2个对接点P21P22的“调姿”坐标,即X2O2Y2坐标P21(x2P21, y2P21, z2P21)、P22(x2P22, y2P22, z2P22)。

(14)

主动目标上2个安装点Q21Q22必须满足在XOY坐标系下方向矢量重合、方向矢量重合。在方向矢量和方向矢量与XOY坐标系的坐标轴都不平行的一般情况下(特殊情况下更易求解,故不再阐述),由式(15)、式(16) 就可以确定Q21Q22XOY坐标Q21(xQ21, yQ21, zQ21)、Q22(xQ22, yQ22, zQ22)。

(15)
(16)

由式(17) 就可以确定主动目标上2个安装点Q21Q22的“调姿”坐标,即X2O2Y2坐标Q21(x2Q21, y2Q21, z2Q21)、Q22(x2Q22, y2Q22, z2Q22)。

(17)
1.2 模拟量测量条件下精准对接理论

1.2.1 精准对接过程

在不具备构建数字化测量场的条件下,模拟量测量不可能精准定位被动目标上的2个对接点P11P12和2个安装点Q11Q12,更不可能精准定位方向矢量重合、方向矢量重合,只能另辟蹊径,反其道而行之,也就是说,让“精准对接”这个“最后固定”的结果变成前提,即先“对接”,然后围绕这个前提,再“测量、调姿和最后固定”。

理论设计的精准对接过程分为如下3步。

第1步 C11C21耦合(即C11=C21)、C12C22耦合(即C12=C22),如图 2所示,对应示意图如图 4所示。

第2步 以C11C12为回转轴线,θr为回转角度,朝逐渐缩小θr方向回转全自动快换装置,直到D11D21耦合(即D11=D21)、D12D22耦合(即D12=D22),然后P11P12分别与P21P22实现精准对接,即P11=P21P12=P22,并且,同步实现方向矢量重合、同步实现方向矢量重合,如图 8所示。

图 8 模拟量测量条件下精准对接第2步示意图 Fig. 8 Schematic for the 2nd step of precise docking under condition of analog measurement

第3步 M11M12分别沿G11G12A22方向伸出直到极限行程Lmax时停止,此时A22M11M12S1S2处锁紧,并导致A21F11F12锁紧,即全自动快换装置无法再以C11C12为回转轴线,θr为回转角度,朝逐渐增大θr反方向回转,也就是说,全自动快换装置与下耦合件已经处于全锁紧状态(除非M11M12分别沿G11G12A21反方向缩回直到A22M11M12S1S2处解锁,才能解除这种全锁紧状态),在这种全锁紧状态下通过“测量、调姿和最后固定”2个安装点Q21Q22,如图 6所示。

但是,上述精准对接过程中,要实现第2步的先“对接”,必须有类似扳手空间的操作空间,而被动目标如图 2所示在完整形态下是全封闭的,只能将其变成类似主动目标的敞开式,把操作空间暴露出来,也就是说,被动目标只能处于非完整形态下,待第3步完成之后,再将被动目标和主动目标分离,然后单独将被动目标尚未完成的制造环节彻底完工。

1.2.2 数字量测量条件下能否适用

那么,数字量测量条件下,是否也可以采用先“对接”,再“测量、调姿和最后固定”?如果被动目标处于全封闭完整形态下,那么耦合连接之后就不会有先“对接”的操作空间,因此只能在耦合连接之前先“对接”,然后把4对耦合点全部成功对接之后Q21Q22在极限行程Lmax时的真实位置X1O1Y1坐标变换到XOY坐标,再变换到X2O2Y2坐标,再用同样的方法对P21P22进行“调姿”,直到满足在XOY坐标系下方向矢量重合、方向矢量重合,才能在X2O2Y2坐标系下“最后固定”Q21Q22的真实位置。可以看出,此过程并不比1.1.1节和1.1.2节简便。

2 仿真验证 2.1 数字量测量条件下仿真验证

2.1.1 仿真验证过程

将SolidWorks建模环境作为数字化测量场,将SolidWorks评估测量工具作为数字化测量设备,对坐标变换进行仿真验证。

图 9(a)所示为被动目标坐标系X1O1Y1和精准对接坐标系XOY,以及被动目标上标定点的X1O1Y1坐标U1(u=300, 0, 0)、V1(0, v=200, 0)、W1(0, 0, w=100) 和对接点的X1O1Y1坐标P1(xP1=300, yP1=200, zP1=100);如图 9(b)所示为被动目标坐标系X1O1Y1的坐标原点O1XOY坐标(xt=-30, yt=20, zt=-10)。

图 9 被动目标坐标系与精准对接坐标系 Fig. 9 Passive target coordinate system and precise docking coordinate system

图 10(a)所示为数字化测量测得O1X1轴上标定点U1(u=300, 0, 0) 在XOY坐标系下的坐标U(xU=264.32, yU=-31.90, zU=16.15);如图 10(b)所示为数字化测量测得O1Y1轴上标定点V1(0, v=200, 0) 在XOY坐标系下的坐标V(xV=-12.83, yV=16.97, zV=-209.24);如图 10(c)所示为数字化测量测得O1Z1轴上标定点W1(0, 0, w=100) 在XOY坐标系下的坐标W(xW=-12.64, yW=118.48, zW=-10)。

图 10 数字化测量X1O1Y1上标定点 Fig. 10 Digital measurement of X1O1Y1 calibration points

由式(2)~式(12) 编写MATLAB计算程序的流程图如图 11所示。

图 11 坐标变换MATLAB计算程序流程图 Fig. 11 Flow chart for MATLAB calculation program for coordinate transformation

计算得到被动目标X1O1Y1相对XOY的位姿关系:γ1=-5°、β1=10°、α1=-90°。

计算得到被动目标上对接点P1XOY坐标:P(298.850 2, 63.573 2, -183.086 5),并与如图 12所示数字化测量测得的被动目标上对接点P1XOY坐标P(298.85, 63.56, -183.09) 一致,证明坐标变换过程正确。

图 12 数字化测量X1O1Y1上对接点 Fig. 12 Digital measurement of X1O1Y1 docking point

由式(13)~式(17) 将被动目标上对接点P1XOY坐标变换到主动目标上对接点P2X2O2Y2坐标(即“调姿”坐标)的坐标变换计算过程类似,不再阐述。

2.1.2 优缺点

需要构建数字化测量场,但是构建之后可以重复使用。被动目标与主动目标先耦合连接,在耦合连接状态下进行数字量测量,测量之后分离,然后单独对主动目标进行“调姿”,由图 2可以看出,主动目标是敞开式的,存在类似扳手空间的“调姿”空间,便于操作,精准对接之前,被动目标可以完整形态制造出来,精准对接之后,尚未完成的制造环节都集中在主动目标上,因此更适合产品阶段的批量生产。但是该项目处于20、40和60 t样机研制阶段,受实际条件限制,因此上述理论在短期内尚不具备构建数字化测量场的条件进行验证,难免还会存在尚未发现的不足之处。

2.2 模拟量测量条件下仿真验证

2.2.1 仿真验证过程

图 13(a)J10为5通道旋转接头供油系统,其中2条小流量(30 L/min)和高压力(32 MPa)通道是给2个HSG液压缸(如图 3(a)H11H12所示)供油,2条大流量(160 L/min)和高压力(32 MPa)通道要借助ISO 16028快速接头(如图 3P11Q11P21Q21P12Q12P22Q22所示)精准对接给属具供油,再加1条备用通道;上板J11与回转装置连接;如图 13(b)中2个侧板J12J14、中隔板J13与上板J11构成封闭布线舱,专门放置J10的5通道油路的5根液压管线,特别是给2个HSG液压缸供油的2根液压管线要随它们作直线往复运动时一起伸展或缩回,给属具供油的2根液压管线也如此,因此布线舱要保证这4根液压管线必须有宽松的运动空间,不能彼此之间发生缠绕;中隔板J13下部分为工作舱,锁紧/解锁属具、接通/断开属具油路这2个功能都在工作舱中进行。可以看出,布线舱和工作舱分工明确,布线舱不是可有可无的,而是必需的。

图 13 全自动快换装置与下耦合件耦合中 Fig. 13 Full-AQHCD coupling with LCP

但是,先“对接”,就必须有类似扳手空间的操作空间,因此,只能先暂时不完工布线舱和不安装J10,把工作舱暴露出来,如图 14所示,另外布置油源给2个HSG液压缸供油以实现它们作直线往复运动。

图 14 全自动快换装置与下耦合件先“对接” Fig. 14 Full-AQHCD docking with LCP at first

在实现精准对接之后,再将全自动快换装置和下耦合件分离,单独完工全自动快换装置的布线舱和安装J10,如图 15所示,其中下耦合件快速接头安装架K20与轴A22之间借助4个固定架K21K22K23K24实现“测量、调姿和最后固定”。

图 15 快速接头与下耦合件“最后固定” Fig. 15 Quick coupling "finally fixing" with LCP

按照上述模拟量测量条件下精准对接理论和仿真验证实现精准对接的全自动快换装置和下耦合件实物如图 16所示。

图 16 全自动快换装置与下耦合件实物 Fig. 16 Real object for full-AQHCD and LCP

全套副臂分手腕部实物如图 17所示。

图 17 副臂分手腕部实物 Fig. 17 Real object for vice-arm cutter wrist

2.2.2 优缺点

不需要构建数字化测量场,被动目标与主动目标先耦合连接,在耦合连接状态下先进行对接,被动目标不可以完整形态制造出来,精准对接之后,尚未完成的制造环节都集中在被动目标上,因此更适合样机阶段的单件生产。此理论已通过该项目40 t和60 t样机的研制得到验证。但是最大的不足就是生产效率低下,类似手工作坊式,并且精准对接过程中,被动目标处于不完整形态,液压管路暴露在外,热加工焊接环节较多,存在易燃易爆的安全隐患。

3 结论

1) 被动目标与主动目标之间4对耦合点处小间隙与4腿桌与地面之间小间隙会使桌面与地面之间发生偏斜类似,会使被动目标与主动目标之间发生偏斜,小间隙会被放大,从而加剧偏斜程度,这是精准对接失败的主要原因。

2) 在精准对接失败的源头即4对耦合点处消除间隙只是将偏斜固定,防止被动目标与主动目标之间晃动,而不是纠偏,还应该在精准对接失败的末端通过“调姿”将偏就偏做精度改善。

3) 精准对接一定是通过动态“调姿”到静态“最后固定”的过程来实现的,动态“调姿”依据的是“测量”。

4) “测量”包括模拟量测量、数字量测量和模拟量、数字量融合测量,需要根据制造现场是否具备数字量测量的实际条件进行选择,比如航空企业基本上都已经构建了先进的数字化测量场,飞机大部件对接都采用了数字量测量为主、模拟量测量为辅的融合测量,否则就只能选择传统模拟量测量。

5) 动态“调姿”包括有人参与手控调姿、无人参与自控调姿和手控、自控融合调姿,也需要根据制造现场是否具备先进数控调姿设备和高素质技工队伍的实际条件进行选择,比如航空企业都具有自主研发先进数控调姿设备的实力,飞机大部件对接都采用了自控调姿为主、手控调姿为辅的融合调姿,否则就只能选择传统手控调姿。

6) 精准对接是“最后固定”的结果,必须把此结果对应的精准形位尺寸保留下来,以备将来精准对接一旦受到破坏之后,可以按照此精准形位尺寸迅速恢复,而无需再通过“测量、调姿、最后固定”的程序重走一遍。

7) 精准对接的被动目标和主动目标是成对的,也就是说,2对精准对接的被动目标和主动目标之间没有互换性,即该对的被动目标未必能与另一对的主动目标精准对接。

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http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0688
北京航空航天大学主办。
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文章信息

汤志东, 贠超
TANG Zhidong, YUN Chao
全自动快换装置精准对接技术
Precise docking technology in full-automatic quick hitch coupling device
北京航空航天大学学报, 2017, 43(9): 1859-1872
Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronsutics, 2017, 43(9): 1859-1872
http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0688

文章历史

收稿日期: 2016-08-26
录用日期: 2016-11-25
网络出版时间: 2016-12-15 18:03

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