人机协同动力缸装配生产线数字孪生系统研究

作     者：杨郑杰 

作者单位：北方工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：阎红娟;马利平

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0826[工学-兵器科学与技术] 

主      题：人机协同动力缸总成装配 半自动产线 数字孪生 数字化装配 定向拧紧 

摘      要：装甲车辆的悬挂系统中动力缸总成的装配过程主要可分为动力缸合装与管路装配两大步骤,分别由两台半自动装配工作站进行人机协同装配。相对于全自动无人生产线而言,半自动产线上复杂的人工行为以及传感器数量的缺失,导致产线数据无法被合理的整合和利用,因此,如何对离散的装配过程进行全过程管控,减少因人为原因造成的质量一致性差、生产质量不稳定等问题,是当前动力缸总成人机协同装配生产线面临的难题。通过现场调研、跟产试验、问题排查等,发现缸筒压装与管接头定向拧紧是导致产品质量问题的两个关键环节。首先,缸筒压装过程中,内外缸筒经人工放置后,无法满足内外缸筒保持高同轴度的装配要求,导致在压装过程中内缸筒的橡胶密封圈与外缸筒内壁发生挤压损坏。其次,在管路装配过程中,由于内外螺纹起始点存在随机性,对于不同组合的内外螺纹,达到拧紧力矩并保证密封性的同时,无法精确控制螺纹最终方向。 本文主要研究数字孪生技术在人机协同动力缸产线的应用,数字孪生技术的有效应用必须建立在对生产各个环节的全要素覆盖基础上。因此,本文解决了动力缸总成人机协同装配生产线中缸筒压装与管接头定向拧紧两个关键环节无法定量监控的难题,在此基础上提出以装配工艺知识库为核心驱动的数字孪生系统构建方案。主要研究内容包括: (1)为定量检测压装过程内外缸筒姿态的偏差,提出一种基于双目视觉的缸筒相对姿态测量算法。通过对圆柱缸筒边缘直线进行提取并解算其在相机坐标系下的平面的法向量,双目视觉系统对于任一圆柱缸筒在空间中具有四组相切平面,根据其各自法向量可以由主成分分析算法唯一确定该圆柱缸筒在相机坐标系下的方向向量。根据内外缸筒的方向向量,使用六自由度机械臂对缸筒偏差进行姿态修正以保证装配过程中高同轴度的要求,但对于人机协作场景,机械臂工作空间可能处于动态受限的情况,根据生产需求,提出了一种基于向量场的机械臂动态规划算法,并在仿真器中进行了实验。 (2)提出了一种结合实验数据和人工神经网络模型预测内外螺纹连接间垫片的厚度的方法,在管接头装配环节通过精准选取垫片厚度以控制最终方向。为获得高质量的螺纹图像,设计了一套可以对螺纹进行拍摄的实验系统,对经滤波处理后的图像使用列文伯格-马夸尔特算法进行数据点最小二乘拟合从而提取特征,然后使用伺服拧紧装置对不同接头进行定向拧紧实验,以当前垫片厚度和相对相位作为输入,以当前垫片是否满足定向拧紧力矩区间作为标签训练分类人工神经网络。通过采集324组实验数据,划分为300组训练集与24组测试集,成功的证明了经小样本数据集良好训练的网络,对于随机选择的垫片产生的定向拧紧结果预测较为准确,预测准确率可达95.83%。 (3)面向人机协同产线提出了一种以装配工艺知识库为核心驱动的数字孪生系统。构建该系统主要分为三步:第一步,结合可装配性设计规则,建立以装配动作为结构化序列的知识库;第二步,利用传感信息与虚拟碰撞建立装配动作序列转换的控制节点;第三步,根据节点信息变化控制装配动作转化,实现数字孪生。最后,利用Unity开发平台建立动力缸合装装配站与管路装配站数字孪生系统,验证了该方法的可行性。