1、书书书智能感知与仪器仪表测控技术2023 年第 42 卷第 1 期收稿日期:2022 03 03引用格式:张祥，梅韬，张然，等 阻尼环自动注汞位置定位技术研究 J 测控技术，2023，42(1):45 50ZHANG X，MEI T，ZHANG，et al esearch on Positioning Technology of Automatic Mercury Injection Position of Damping ing J Measurement Control Technology，2023，42(1):45 50阻尼环自动注汞位置定位技术研究张祥1，2*，梅韬1，2，张然1，2
2、，陈稀1，2，高云霞1，2，符德华1，2(1 上海航天控制技术研究所，上海201109;2 中国航天科技集团公司红外探测技术研发中心，上海201109)摘要:针对阻尼环自动注汞过程中注汞口难以精确识别的难题，设计了阻尼环自动注汞位置定位技术方案，实现了阻尼环注汞口的精确定位。通过阻尼环自动充汞检测系统显示界面与试验，验证了阻尼环精确定位方案的可行性与有效性，对攻破阻尼环自动注汞瓶颈具有重要的意义。关键词:阻尼环;位置定位;自动注汞;精确识别中图分类号:TP271+4;V461文献标志码:A文章编号:1000 8829(2023)01 0045 06doi:10 19708/j ckjs 202
3、3 01 008esearch on Positioning Technology of Automatic Mercury InjectionPosition of Damping ingZHANG Xiang1，2*，MEI Tao1，2，ZHANG an1，2，CHEN Xi1，2，GAO Yun-xia1，2，FU De-hua1，2(1 Shanghai Aerospace Control Technology Institute，Shanghai 201109，China;2 CASC Infrared Detection Technology esearch Developmen
4、t Center，Shanghai 201109，China)Abstract:Aiming at the problem that the mercury injection port is difficult to accurately identify during the au-tomatic mercury injection process of the damping ring，a technical scheme for the location of the automatic mer-cury injection position of the damping ring i
5、s designed，and the precise positioning of the mercury injection portof the damping ring is realized Through the display interface and test of the damping ring automatic mercuryfilling detection system，the feasibility and effectiveness of the accurate positioning scheme of the damping ringare verifie
6、d，which is of great significance for breaking the bottleneck of the automatic mercury filling of thedamping ringKey words:damping ring;location positioning;automatic mercury injection;precise identification阻尼环是动力陀螺位标器的重要部件，其质量的好坏直接影响着位标器的性能1 2。目前阻尼环部件的注汞方式采用人工使用注射器进行注汞，存在着注汞效率低、产品质量一致性差等缺点。且汞具有挥发性，是
7、一种有毒有害物质，对环境和操作人员的职业健康有着重要的影响3。因此，亟待研制自动化设备实现注汞动作自动化4 5，代替人工方式注汞，解决对人及环境的危害，实现阻尼环产品制造过程中的绿色制造。CCD 技术不断发展，广泛应用于工业领域，借助CCD 检测技术实现零部件位置的定位成为可能。国内外学者和机构对 CCD 技术的应用进行了研究。齐鸿等6 重点研究了 CCD 技术在钢轨外形尺寸测量上的应用，并得出面阵 CCD 技术与线阵 CCD 技术在尺寸测量上的优缺点。徐航等7 将线阵 CCD 技术应用于轴类零件直径的测量，且拥有 8 m 的测量精度。王亚军等8 实现了 CCD 技术测量炮弹同轴度公差，经过修
8、正后的测量精度高于 0 05 mm。Fan 等9 运用CCD 技术成功研制用于薄板零件的尺寸测量系统。Shan 等10 利用 CCD 技术，并基于最小二乘法对轮廓边缘进行精确定位。阻尼环自动注汞位置定位技术是研制阻尼环自动54充汞检测系统的关键技术之一。人工注汞采用人眼识别的方式，准确找到阻尼环注汞口，采用自动注汞，必须解决阻尼环注汞口的识别、位置定位和工装夹紧等难点。目前国内外学者对 CCD 技术的应用有着深度的研究，并能实现很高的测量精度与定位精度，但未实现对阻尼环注汞口位置的精确定位。针对自动注汞位置定位的技术难点，设计定位工装，研究注汞口精确识别技术，并通过软件实现注汞口位置的可视化，
9、对研制自动注汞技术具有重要的工程应用价值。1基本原理战术武器位标器上的阻尼环零件采用环状结构，通过注汞口向内部填充汞介质，注汞口通过填充塞并使用胶进行密封。阻尼环形式有金属充液式和非金属充液式，非金属材质常采用有机玻璃形式。根据陀螺原理，陀螺在运动中会产生章动运动，采用阻尼环内部填充汞产生阻尼力矩形式抑制陀螺在矢量空间的章动11 12。阻尼环内部汞填充物在陀螺高速运动时与阻尼环壳体零件产生摩擦，会在阻尼环零件上产生摩擦力与离心力。摩擦力与离心力的合力作用在阻尼环上产生阻尼环力矩，从而消除陀螺的章运动13 14，阻尼力矩产生示意图如图 1 所示。图 1阻尼力矩产生示意图陀螺在高速旋转时产生章动运
10、动，当汞齐在 O1A线的下侧时，摩擦力 F 与离心力 F12、F22方向相反，汞齐转动速度慢，致使在该侧汞齐停留时间长，由离心力F21产生的力矩 M 使章动收敛。F=F离+f摩(1)M=FL(2)式中:F 为合力;F离为作用在阻尼环零件上离心力;f摩为阻尼环壳体上摩擦力;M 为阻尼环产生的阻尼力矩;L 为合力的作用线到转动轴的垂直距离。若汞齐在 O1A 线的上侧时，摩擦力 F 和离心力F12、F22方向相同，汞齐转动速度快，在该侧汞齐停留时间短，由离心力 F21产生的力矩 M 使章动发散。2实现方法为实现阻尼环注汞口的精确识别，保证注汞口与注射器一一对准，提高注汞口的识别率，需对识别方法、定位
11、方法和执行机构进行研究。自动注汞位置定位技术研究方案如图 2 所示。图 2自动注汞位置定位技术研究方案自动注汞位置定位识别方法采用基于 CCD 相机的机器视觉识别方式，涉及光学部件的选型。工装定位采用限位工装实现对阻尼环基准位置定位，涉及夹持工装与针头校准工装的研究。执行机构采用机械手抓取方式，涉及机械手机构的选型、上料工装与机械手动作研究。2 1机器视觉识别基于面阵 CCD 原理的机器视觉识别技术广泛应用于测量领域15。利用机器视觉技术，通过工业相机光学成像，对阻尼环自动注汞位置实现二维平面定位。通过背光拍照亚像素提取技术，基于注汞位置口与阻尼环壳体的不同，对黑白工业相机采集的图像进行处理。
12、系统首先根据设定好的程序定位到阻尼环，然后通过注汞位置口灰度的不同计算出注汞位置口，再根据均值计算出注汞位置口的中间点，以此作为该平面上注汞位置口，实现对阻尼环径向位置的定位。依据阻尼环零件尺寸、目标视野的大小、图像识别的精度要求和产品的光学成像特征等信息，对相机、镜头和光源等进行选型并设定其工作距离。阻尼环的直径大约为 40 mm，视野基于产品最大直径 2 倍设计，因此视野设计为长、宽 80 mm，在此视野范围内按照0.1%的定位精度假设，相机分辨率达到 0 08 mm/像素，即可满足常规的定位要求，视觉识别结构示意图如图 3 所示。图 3视觉识别结构示意图背光源与测试产品的工作距离取决于被
13、测件尺寸的大小。由于阻尼环零件的最大外径尺寸为 40 mm，64测控技术 2023 年第 42 卷第 1 期为保证机械手运动时有足够的活动空间，即阻尼环零件姿态为水平方向的自适应调整，工作距离应不小于40 mm，考虑机械手臂运动余量，工作距离设计成 50mm，可满足使用要求。镜头与被测件的工作距离与相机视角和视场大小有关。视场大小一定的情况下，相机视角越小，其镜头工作距离越大。根据相机选型，视角大小为 40，视场长、宽为 80 mm。经计算，镜头工作距离为 110 mm时，可满足使用要求。硬件选型如下。光源工作距离:50 mm。镜头工作距离:110 mm。d=F2cot2=40 cot2011
14、0(3)式中:d 为镜头工作距离;F 视野大小;为视角大小。视场 Fov:80 mm 80 mm。光学分辨率:0.039 mm。p=D2048=8020480 039(4)式中:p 为光学分辨率;D 为视野直径。角度分辨率:0 11。=p2r360=0 0392 3 14 203600 11(5)式中:为角度分辨率;p 为光学分辨率。2 2工装定位基于 CCD 视觉的识别技术要求视觉系统检测的产品必须在固定的工作距离内16，因此需要设计工装稳定可靠的夹持阻尼环产品，且注射器需要安装在固定位置上。并需要设计针头校准工装，解决因装夹注射器而导致的针头位置的改变。2 2 1夹持工装研究有机玻璃形式的
15、阻尼环其表面光滑，夹取过程中必须要保证阻尼环产品在工装内保持相对固定，不能在注汞口识别过程中发生相对位置变动。故产品夹持工装采用 V 型槽设计，可以起到阻尼环定心及防止移动的作用。夹持工装结构示意图如图 4 所示。图 4夹持工装结构示意图2 2 2针头校准工装研究阻尼环注射器的容量有限，在更换注射器针头时，其位置会发生相应变化。在实际使用过程中，阻尼环触碰到针头致使其发生弹性变形而无法实现注射针头插入注汞口，且使用机械手校准注射器针头位置，会增加机械手动作的复杂度并提高使用成本，因此需单独设计针头校准工装。针头校准工装主要是由阻尼环工装和夹持机构组成。该校准工装能够模拟机械手臂夹持阻尼环产品在
16、空间中调整后的姿态。为防止注汞过程中发生泄漏，注汞口沿圆周方向顺时针偏转一定的角度，此时注射器针头需向右侧呈弯折状态。当注射器中的汞量不足需要更换时，需重新安装注射器于固定平台上。为了保证弯折的注射针头能准确插入注汞口，使用针头校准工装，调整夹持注射器的位置，使注射针头与注汞口沿阻尼环径向保持在同一个平面内。校准后的注射针头在正式产品注汞时，机械手臂只需沿阻尼环轴向调整角度即可实现精准位置定位，从而实现成功注射。针头校准工装结构示意图如图5 所示。图 5针头校准工装结构示意图2 3执行机构执行机构将阻尼环产品从上料工装上夹取，移动至相机视野中，经过光学 CCD 识别后进行注汞操作，因此必须选择可靠的执行机构，可放置阻尼环产品的上料工装和设计执行机构注入孔动作，保证阻尼环产品成功注汞。2 3 1机械手及上料工装执行机构夹取阻尼环产品移动至相机视野过程中，执行多个复杂动作，因此采用六轴机械手。该机械手有效载荷为 3 kg，行程 0 58 m，重复定位精度可达0 01 mm。六轴机械手实物图如图 6 所示。图 6六轴机械手实物图为了保证阻尼环上料点位的有效性和一致性，设计制作上料工装，由操作