一种基于机器视觉与自适应对中的紧固连接系统及方法与流程

本发明属于航天大型结构件智能制造装配，具体涉及一种基于机器视觉与自适应对中的紧固连接系统及方法。

背景技术：

1、航天领域的部件装配往往筒段尺寸大、螺栓孔位多，螺栓数量多达上百个，安装和对准需要大量人工成本，且多螺栓的协同拧紧也是一大难题，此外拧紧过程中缺乏筒段的实时位姿反馈，重复定位精度差导致大尺寸筒段多螺栓因装配不当引起的结构变形、预紧力不均匀等问题，为航天器服役可靠性带来隐患。

2、对于螺孔视觉定位，目前主要由四达公司的大部件对接系统采用激光跟踪与ccd视觉识别，定位精度高，但成本高昂依赖稳定光源，在筒段曲面反射场景下误检率升高（朱永国等，基于激光跟踪仪和机器视觉的飞机翼身对接装配偏差动态综合修正，机械工程学报， 2019， 55（24）：10）；此外在商用航空发动机装配中应用环形相机，但缺乏实时位姿反馈和筒段的位姿调整。

3、对于多螺栓拧紧技术，以航空工业沈飞在ag600机身装配中采用多轴同步拧紧，但仅能实现单一扭矩值加载，缺乏应力均衡控制，导致密封失效；此外另有气悬浮对接平台解决了装配摩擦问题，但未集成螺栓加载功能，依赖人工干预（一种螺栓紧固件连接结构装配应力确定方法，cn115031873b；一种基于气浮技术的全自动装配对接方法， cn106862908b） 。

4、对于数字化装配平台技术，现有的工艺仿真技术与现场执行脱节，难以实际的大尺寸筒段多螺栓装配；模块化快拆结构能够实现快拆，但是仅限于小型结构，未解决大尺寸筒段装配变形。现有技术主要存在如下问题：螺孔视觉定位技术：环境适应性差、实时性不足、无法实现对大尺寸筒段位姿实时反馈及位姿调整；多螺栓拧紧技术：扭矩控制粗放、无分区梯度策略，难以实现“预紧-均衡-终拧”的分级加载；单一装配平台技术：缺少可重构模块化设计，以解决大尺寸筒段的装配扩展性问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于机器视觉与自适应对中的紧固连接系统及方法，通过多维度位姿调控，多螺栓分级协同加载，解决大尺寸舱段多螺栓装配过程中对中精度低、应力分布不均、位姿调控缺失及平台扩展性差等问题。

2、本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

3、一种基于机器视觉与自适应对中的紧固连接系统，用于装配连接下筒段和上筒段的螺栓，包括光学平台、回转平台、第一承载台、xy轴位移台、第二承载台、升降台、旋转台、吊具和机械臂拧紧单元，所述回转平台安装在光学平台上，第一承载台安装在回转平台上，通过回转平台带动第一承载台旋转，xy轴位移台安装在第一承载台上，第二承载台安装在xy轴位移台上，下筒段安装在第二承载台上，通过xy轴位移台带动下筒段平移，升降台与第一承载台固连，旋转台与升降台固连，通过吊具将上筒段安装在旋转台上，通过升降台带动上筒段升降，通过旋转台带动上筒段旋转，通过机械臂拧紧单元完成螺栓的拧紧。

4、所述机械臂拧紧单元包括伺服电机、扭矩传感器和螺栓套筒，通过伺服电机提供拧紧动力，通过扭矩传感器实时记录拧紧扭矩变化曲线，通过螺栓套筒完成拧紧。

5、还包括环形阵列视觉相机和分光棱镜，所述环形阵列视觉相机安装在升降台上，用于采集下筒段和上筒段螺栓孔图像，分光棱镜用于辅助环形阵列视觉相机成像，环形阵列视觉相机焦点和分光棱镜中心点在同一水平线上。

6、通过环形阵列视觉相机和分光棱镜对下筒段和上筒段的螺栓孔定位完成后，分光棱镜回缩，防止干涉下筒段和上筒段的装配动作，环形阵列视觉相机对装配过程进行实时监控。

7、所述光学平台、回转平台、第一承载台、xy轴位移台和第二承载台为可拆卸模块化单元，采用标准化机械接口与快换连接结构连接。

8、还包括姿态调整控制系统，通过所述姿态调整控制系统驱动xy轴位移台、升降台和旋转台，实现四自由度的姿态调整。

9、一种基于机器视觉与自适应对中的紧固连接方法，采用上述的装配系统，具体包括以下步骤：

10、（1）、控制升降台，将上筒段定位至距离下筒段安全高度处；

11、（2）、根据下筒段和上筒段螺栓孔位置，调整xy轴位移台、升降台和旋转台，对正后控制升降台下降，将上筒段放置在下筒段上，拆卸吊具；

12、（3）、控制机械臂拧紧单元进行拧紧。

13、所述步骤（2）中，采用视觉处理算法解算孔位中心和筒段中心坐标，与目标位姿阵列进行比对，进行偏差判断，根据所述偏差判断进行位姿调整后，再进行复核评判，若复核评判未通过，则重复进行偏差判断和位姿调整，直至复核评判通过。

14、所述步骤（3）中，采用多级递进式方法进行拧紧，具体如下：

15、（31）、机械臂拧紧单元按照设定顺序依次对全部螺栓施加初始扭矩，使螺栓初步贴合，建立初始预紧力；

16、（32）、将全部螺栓按区域分成螺栓组，按照设定顺序分区施加中间梯度扭矩，逐步均衡螺栓预紧力分布，减小预紧力离散度；

17、（33）、按目标扭矩值完成最终拧紧，确保全部螺栓达到设计预紧力要求。

18、螺栓端部集成超声波应变片，实时监测拧紧过程中预紧力变化，通过同步获取的拧紧扭矩t与预紧力f，结合螺栓公称直径d，实时计算并记录每一颗螺栓的拧紧系数k，根据所述拧紧系数k，实时调整预紧力f。

19、本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：

20、（1）、本发明提出了面向大尺寸舱段的可重构模块化平台架构。区别于仅适用于小型结构件的快拆方案，本发明针对大尺寸筒段的特殊装配需求，将光学平台、回转平台、承载台、位移台等核心功能单元进行标准化模块化设计，可根据筒段直径与长度的变化快速重构平台布局，使一套平台可覆盖多型号产品的装配任务，从根本上解决了传统专用装配设备重复开发成本高、换型周期长的行业难题。

21、（2）、本发明实施例优选构建了“视觉感知→位姿解算→多轴驱动”的闭环自适应对中体系。区别于传统开环定位或单一视觉识别方案，本发明将环形阵列视觉相机、视觉反馈系统与多自由度姿态调整机构深度耦合，形成完整的闭环控制回路，实现大尺寸筒段在x、y、z平移及绕z轴旋转等多个自由度上的高精度自动对中与动态位姿调控，识别与定位精度达到0。01mm级，从根本上解决了大尺寸筒段人工对中精度低、一致性差的技术痛点。

22、（3）、本发明实施例优选建立多螺栓“预紧→均衡→终拧”分级协同加载策略与实时力学感知能力。本发明突破了传统单一扭矩值加载的粗放模式，通过多组独立伺服驱动的机械臂拧紧单元，结合分区梯度策略与多级递进加载工艺，实现了上百颗螺栓在全装配流程中的应力均匀分布。更为关键的是，系统通过扭矩传感器与超声波应变片的协同工作，可同步实时测量每一颗螺栓的预紧力、拧紧扭矩动态变化曲线及拧紧系数值，构建了完整的“扭矩-预紧力-拧紧系数”三参数装配过程数据追溯链，填补了当前大尺寸筒段多螺栓装配过程中关键力学参数“不可测、不可控、不可追溯”的技术空白。

23、（4）、本发明实施例优选实现了装配过程“力-位-形”多物理量的协同感知与动态调控。本发明将拧紧过程中的力学参数（预紧力、扭矩、拧紧系数）与结构形变参数（筒段径向变形量）纳入统一的实时监测与反馈控制框架，以形变感知数据动态修正拧紧策略，以力学反馈数据闭环控制扭矩输出，形成了“感知→判断→调节”的智能决策闭环，从源头上抑制了大尺寸薄壁筒段因装配应力不均导致的结构变形与连接失效风险。