CN109795128A - 一种面向蜂窝型芯孔的烧蚀材料自动灌注方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种面向蜂窝型芯孔的烧蚀材料自动灌注方法属于灌注技术领域，涉及一种面向蜂窝型芯孔的烧蚀材料自动灌注方法。该方法采用多种传感器技术，利用视觉传感器识别蜂窝芯孔轮廓特征信息，计算目标点位姿向量。提出了预判当前蜂窝芯孔灌注安全性及灌注质量的芯孔可填充性判别公式，用于给定调整填料管推进量的芯孔填充高度计算公式。提出填料管活塞推进控制方法和力位协同灌注控制模型，采用压力传感器实时跟踪力位信息，保证灌注高度；采用了基于工业机器人的自动灌注装置。该方法避免了低密度烧蚀材料性能的破坏及蜂窝件的损坏，实现了蜂窝型芯孔内低密度烧蚀材料的高质量、高效率自动灌注工艺。

Description

一种面向蜂窝型芯孔的烧蚀材料自动灌注方法
技术领域
本发明属于灌注技术领域，涉及一种面向蜂窝型芯孔的烧蚀材料自动灌注方法。
背景技术
在航天器发射升空时，为保护其内部科学仪器与零部件不受损害，必须在航天器表面附着一层防热层。球冠蜂窝防热层结构具有质量轻、弯曲刚度大、导热系数小等优点，非常适合应用于高温环境中工作。蜂窝芯材内灌注低密度烧蚀材料，能够起到良好的隔热保温作用，是航天器热防护系统的第一道防线。因此，低密度烧蚀材料的灌注质量直接决定着返回舱整体热防护性能。
低密度烧蚀材料中的基体苯基硅橡胶具有高粘性，导致其基本失去流动性，直接把低密度烧蚀材料注入蜂窝芯孔会在底部产生空隙。同时，过大的填充压力也会导致材料中中空微球的破裂以及蜂窝材料隔热性能的损坏。目前，工程上采用的大面积灌注方法虽然效率高，但无法精确控制灌注材料高度，尤其对双层隔热材料灌注需求失效；人工手持灌注枪单孔灌注方法存在效率低、灌注质量一致性差等问题。因此，亟需研究高效率、高质量的自动灌注方法。
国内外机构对不同领域的自动灌注技术进行了一定研究。2017年，杨会等人在《北京交通大学学报》第41卷第1期发表文章《一种新型并联灌注机器人运动学分析和多目标优化》，设计了一种3自由度混联灌注机器人，重点分析了机器人的本体特性，并未对灌注方法开展深入研究。2013年，王东爱等人在专利(CN103211499A)中提出了一种自动灌注饮水机及自动灌注控制方法。2014年，程永亮等人在专利(CN104460370A)中提出了一种混凝土灌注控制方法及灌注控制装置，基于控制规则表的PID方法调整灌注参数。然而，水、混凝土与烧蚀材料特性差异很大，灌注方法不同。
考虑到大型球冠蜂窝结构件芯孔数量众多、形状复杂、分布不均，以及低密度烧蚀材料高粘性、低流动性的特点，上述研究均未能解决低密度烧蚀材料在蜂窝芯孔中的可控灌注问题。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是克服现有方法的不足，针对蜂窝型芯孔的低密度烧蚀材料自动灌注方法存在的效率低、灌注质量差等问题，发明了一种面向蜂窝型芯孔的烧蚀材料自动灌注方法。该方法采用视觉传感器识别蜂窝芯孔轮廓特征信息，计算灌注目标点位姿向量；提出芯孔可填充性判别公式，预判当前蜂窝芯孔灌注安全性及灌注质量；提出基于离散化方法的芯孔填充高度计算公式，以调整填料管推进量；提出填料管活塞推进控制方法和力位协同灌注控制模型。该方法可以实现蜂窝型芯孔内低密度烧蚀材料的高质量、高效率自动灌注。
本发明采用的技术方案是一种面向蜂窝型芯孔的烧蚀材料自动灌注方法，该方法采用多种传感器技术，利用视觉传感器识别蜂窝芯孔轮廓特征信息、计算目标点位姿向量，提出了预判当前蜂窝芯孔灌注安全性及灌注质量的芯孔可填充性判别公式，用于给定调整填料管推进量的芯孔填充高度计算公式；提出填料管活塞推进控制方法和力位协同灌注控制模型，采用压力传感器实时跟踪力位信息，保证灌注高度；采用了基于工业机器人的自动灌注装置。方法的具体步骤如下：
第一步，基于视觉的蜂窝芯孔轮廓信息提取
先将蜂窝件8安装到安装底板9上，机械臂1带动末端灌注装置D从初始零位驱动至加工路径起点，采用视觉传感器5在离工件一定距离H0处拍摄局部蜂窝芯孔图像；
对采集的局部蜂窝芯孔图像依次采用Canny边缘检测算法、膨胀算法、腐蚀算法、骨骼提取算法进行处理，并应用多边形拟合算法，拟合出六边形芯孔形状，计算六个顶点坐标，由此，计算出芯孔的最大内切圆半径Rn及圆心坐标(xn,yn,zn)；
通过确定被测芯孔上3条间隔边中点P1、P2、P3的坐标，计算被测芯孔的局部平面法矢考虑到图像处理误差，故再取另外3条间隔边中点P1'、P2'、P3'，以同样方法求取另一法矢最后取平均值得到蜂窝芯孔法线方向
第二步，芯孔可填充性判别
填料管7是进入到蜂窝芯孔内部完成灌注操作的，考虑到蜂窝件8及末端灌注装置D的安全性及灌注效果，需要对蜂窝芯孔可填充性进行判别；如果芯孔可填充，则满足：
其中，Rt-填料管半径，Rn-蜂窝芯孔最大内切圆半径，St-填料管截面积，Sf-蜂窝芯孔截面积，δ2-蜂窝芯孔最大内切圆圆心与顶点之间距离方差，m-方差阈值，k-面积比阈值；
公式(1)能够确保填料管7可以顺利进入蜂窝芯孔内，并且灌注后材料与芯孔紧密贴合不留缝隙；如果公式(1)不满足，则说明芯孔变形较大，导致填料管7无法进入或难以保证灌注材料流动均匀；
第三步，材料灌注量估计
受邻近蜂窝挤压作用影响，蜂窝芯孔呈不规则形状；因此，为保证蜂窝芯孔填充高度一致，需要估计每个芯孔填充量，继而确定填料管活塞推进位移量；采用离散化方法得出芯孔填充量计算公式(2)，
其中，V为芯孔填充量，Nb为边界点的数目，H为芯孔填充高度，λ为转换系数，(xi,yi)为蜂窝芯孔轮廓像素坐标；
填料管活塞推进位移量为h：
第四步，填料管活塞推进控制
分析识别蜂窝芯孔图像后，如果满足公式(1)，则驱动机械臂1精确到达目标位姿，即填料管参考点P的坐标及填料管法矢方向C与圆心坐标(xn,yn,zn)及芯孔法线方向一致；然后，填料管7以一定速度沿蜂窝芯孔法矢方向C运动到蜂窝芯孔底部；最后，活塞6与填料管7协同运动，将材料推出填入芯孔内；如果不满足则停止灌注；
活塞6期望位移曲线满足公式(4)，活塞6能够在5s内以正切曲线规律完成推进位移量h，在此规律下能保证材料流动均匀；
其中，t为单个芯孔灌注时间，Xdm(t)为活塞期望位置；
采用基于PD的位置控制器控制活塞6的运动，其控制率为：
其中，取跟踪误差为e＝Xdm-Xm，Xdm为活塞期望位置，Xm为活塞位置，Kdm、Kpm分别表示PD控制参数；
通过分析人工专家灌注手法，采集灌注工艺数据，实验分析寻找最优的PD控制参数，保证材料能够快速稳定地流入芯孔；
第五步，力位协同灌注控制模型
为保证材料灌注均匀且不产生缝隙，提出了一种力位协同灌注控制模型来控制填料管7与活塞6的协同运动；压力传感器4用于实时采集低密度烧蚀材料灌注过程中所受的压力；
机械臂1末端期望位移曲线满足公式(6)，与活塞协同在5s内完成动作，其模型为：
其中，Xdr为填料管期望位置，h′为填料管目标位置，一般取h′＝H；
为保证灌注质量，实时反馈灌注力F，并跟踪给定期望灌注压力Fd；给定值Fd经大量试验选取，以保证灌注质量且不破坏材料隔热特性；
根据灌注力偏差，采用以下公式模型补偿当前灌注位置：
if Xe<0，则Xe＝0 (7)
其中，Xe为位置偏差，KpF，KdF分别表示比例调节系数和微分调节系数，ΔF为灌注力偏差，ΔF＝Fd-F，Fd为期望灌注压力，F为灌注力；
力位协同灌注控制模型协同考虑填料管7与工业机器人的力、位运动关系，通过位置和力的跟踪控制，有效控制灌注力和灌注高度，确保材料灌注质量。
一种面向蜂窝型芯孔的烧蚀材料自动灌注方法，其特征是，该方法采用基于工业机器人的自动灌注装置，自动灌注装置由工业机器人的机械臂1与末端灌注装置D连接；末端灌注装置D由末端转接件2、伺服电动缸3、压力传感器4、视觉传感器5、活塞6、填料管7组成；安装在末端转接件2中的伺服电动缸3向下依次连接压力传感器4、视觉传感器5、活塞6和填料管7。
本发明的效果是：一种面向蜂窝型芯孔的烧蚀材料自动灌注方法，采用于基于工业机器人的自动灌注装置，该方法采用视觉传感器识别蜂窝芯孔轮廓特征信息、计算目标点位姿向量，提出了预判当前蜂窝芯孔灌注安全性及灌注质量的芯孔可填充性判别公式，提出了用于给定调整填料管推进量的芯孔填充高度计算公式，提出填料管活塞推进控制方法和力位协同灌注控制模型。该方法基于多种传感器技术，实时跟踪力位信息，保证灌注高度，避免低密度烧蚀材料及蜂窝件的损坏，实现低密度烧蚀材料蜂窝自动灌注的高效率、高质量。
附图说明
附图1为基于工业机器人的自动灌注装置，其中：1-机器臂，2-末端转接件，3-伺服电动缸，4-压力传感器，5-视觉传感器，6-活塞，7-填料管，8-蜂窝件，9-安装底板，C-填料管法矢方向，D-自动灌注装置，填料管参考点P；
附图2为蜂窝结构件低密度烧蚀材料自动灌注控制方法流程图；
附图3为局部蜂窝芯孔图像；
附图4为蜂窝芯孔边缘的理论模型、最大内切圆及圆点位置绘制图；
附图5为蜂窝芯孔图像法矢计算图，其中：P1、P2、P3、P1'、P2'、P3'-间隔边中点，-局部平面法矢，-芯孔法线方向；
附图6为力位协同灌注控制模型框图，其中：Xdr-填料管期望位置，Xe-位置偏差，Xr-参考位置，Fd-期望灌注压力，F-灌注力，ΔF-灌注力偏差，X-机械臂实际位置，Xdm-活塞期望位置，Xm-活塞位置，e-跟踪误差。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图说明本发明的具体实施方式：面向蜂窝型芯孔的烧蚀材料自动灌注过程。
本发明采用基于工业机器人的自动灌注装置，如图1所示。其中，C为填料管法矢方向，D为自动灌注装置，P为填料管参考点。机械臂1选用KUKA公司的六自由度工业机器人，填料管7半径Rt为10mm，蜂窝件芯孔为不规则六边形的直孔，孔深为70mm，边长约10-12mm，要求下层材料填充高度H为30±1.75mm。
自动灌注方法的流程图如图2所示，方法的具体步骤如下：
第一步，基于视觉的蜂窝芯孔轮廓信息提取。
先将蜂窝件8安装到安装底板9上，机械臂1带动末端灌注装置D从初始零位驱动至加工路径起点，采用视觉传感器5在离工件H0＝200mm处拍摄局部蜂窝芯孔图像，如图3所示。
对采集的局部蜂窝芯孔图像进行处理，提取芯孔顶点，拟合出六边形芯孔形状，计算出芯孔的最大内切圆半径Rn及圆心坐标(xn,yn,zn)，如图4所示。
根据顶点坐标，确定被测芯孔上3条间隔边中点P1、P2、P3的坐标，计算被测芯孔的局部平面法矢：再取另外3条间隔边中点P1'、P2'、P3'，计算出另一法矢取平均值得蜂窝芯孔法线方向如图5所示。
第二步，芯孔可填充性判别。
设置方差阈值m、面积比阈值k，根据图像信息，计算蜂窝芯孔截面积和蜂窝芯孔最大内切圆圆心与顶点之间距离方差δ2，判断公式(1)是否满足。
第三步，材料灌注量估计。设置转换系数λ，芯孔填充高度H＝30mm，根据蜂窝芯孔图像计算芯孔填充量V和填料管活塞推进位移量h。
第四步，填料管活塞推进控制。如在第二步中计算的公式(1)成立，则驱动机械臂1精确到达目标点位姿，此时填料管参考点P的坐标为(xn,yn,zn)，填料管法矢方向C为芯孔法线方向然后，填料管7以速度v1沿蜂窝芯孔法矢方向运动到蜂窝芯孔底部，填料管7位移为65mm，距离蜂窝芯孔底部5mm；接着，设置PD控制参数Kdm、Kpm，活塞6采用基于PD的位置控制器按照公式(4)的期望位置移动，在5s内将材料以正切曲线规律将材料均匀地推进位移h。
第五步，力位协同灌注控制模型。
力位协同灌注控制模型如图6所示，根据试验设置期望灌注压力Fd，及补偿模型的比例调节系数KpF和微分调节系KdF，根据力位协同灌注控制模型，配合活塞6的运动，机械臂1按公式(6)的期望位置带动填料管7上移，同时压力传感器实时反馈灌注力F，根据公式(7)实时补偿填料管实际位置，使材料能以稳定的灌注压力均匀、无间隙地填入蜂窝芯孔中；最后，当填料管活塞推进位移量达到h时，停止灌注，机械臂1带动填料管7上移，活塞6复位，完成一次单芯孔灌注工艺。
机械臂1驱动末端灌注装置D脱离工件表面，移动至下一区域，开始下一个蜂窝芯孔的灌注。
本发明提出一种面向蜂窝型芯孔的烧蚀材料自动灌注方法，实现了蜂窝型芯孔低密度烧蚀材料的自动灌注，保证灌注质量与效率，避免材料隔热特性的破坏及蜂窝件的损坏。

Claims (2)

1.一种面向蜂窝型芯孔的烧蚀材料自动灌注方法，其特征是，该方法采用多种传感器技术，利用视觉传感器识别蜂窝芯孔轮廓特征信息、计算目标点位姿向量，提出了预判当前蜂窝芯孔灌注安全性及灌注质量的芯孔可填充性判别公式，用于给定调整填料管推进量的芯孔填充高度计算公式；提出填料管活塞推进控制方法和力位协同灌注控制模型，采用压力传感器实时跟踪力位信息，保证灌注高度；自动灌注方法的具体步骤如下：
第一步，基于视觉的蜂窝芯孔轮廓信息提取
先将蜂窝件(8)安装到安装底板(9)上，机械臂(1)带动末端灌注装置(D)从初始零位驱动至加工路径起点，采用视觉传感器(5)在离工件一定距离H0处拍摄局部蜂窝芯孔图像；
对采集的局部蜂窝芯孔图像依次采用Canny边缘检测算法、膨胀算法、腐蚀算法、骨骼提取算法进行处理，并应用多边形拟合算法，拟合出六边形芯孔形状，计算六个顶点坐标，由此，计算出芯孔的最大内切圆半径Rn及圆心坐标(xn,yn,zn)；
通过确定被测芯孔上3条间隔边中点P1、P2、P3的坐标，计算被测芯孔的局部平面法矢考虑到图像处理误差，故再取另外3条间隔边中点P1'、P2'、P3'，以同样方法求取另一法矢最后取平均值得到蜂窝芯孔法线方向
第二步，芯孔可填充性判别
填料管(7)是进入到蜂窝芯孔内部完成灌注操作的；考虑到蜂窝件(8)及末端灌注装置D的安全性及灌注效果，需要对蜂窝芯孔可填充性进行判别；如果芯孔可填充，则满足：
其中，Rt-填料管半径，Rn-蜂窝芯孔最大内切圆半径，St-填料管截面积，Sf-蜂窝芯孔截面积，δ2-蜂窝芯孔最大内切圆圆心与顶点之间距离方差，m-方差阈值，k-面积比阈值；
公式(1)能够确保填料管(7)可以顺利进入蜂窝芯孔内，并且灌注后材料与芯孔紧密贴合不留缝隙；如果公式(1)不满足，则说明芯孔变形较大，导致填料管(7)无法进入或难以保证灌注材料流动均匀；
第三步，材料灌注量估计
受邻近蜂窝挤压作用影响，蜂窝芯孔呈不规则形状；因此，为保证蜂窝芯孔填充高度一致，需要估计每个芯孔填充量，继而确定填料管活塞推进位移量；采用离散化方法得出芯孔填充量计算公式，
其中，V为芯孔填充量，Nb为边界点的数目，H为芯孔填充高度，λ为转换系数，(xi,yi)为蜂窝芯孔轮廓像素坐标；
填料管(7)中推动材料灌注的活塞(6)的位移量h为：
第四步，填料管活塞推进控制
分析识别蜂窝芯孔图像后，如果满足公式(1)，则驱动机械臂(1)精确到达目标位姿，即填料管参考点P的坐标及填料管法矢方向C与圆心坐标(xn,yn,zn)及芯孔法线方向一致；然后，填料管(7)以一定速度沿蜂窝芯孔法矢方向C运动到蜂窝芯孔底部；最后，活塞(6)与填料管(7)协同运动，将材料推出填入芯孔内；如果不满足则停止灌注；
活塞(6)能够在5s内以正切曲线规律完成推进位移h，在此规律下能保证材料流动均匀；因此，活塞(6)期望位移曲线应满足下式：
其中，t为单个芯孔灌注时间，Xdm为活塞期望位置；
采用基于PD的位置控制器控制活塞(6)的运动，其控制率为：
其中，取跟踪误差为e＝Xdm-Xm，Xdm为活塞期望位置，Xm为活塞位置，Kdm、Kpm分别表示PD控制参数；
通过分析人工专家灌注手法，采集灌注工艺数据，实验分析寻找最优的PD控制参数，保证材料能够快速稳定地流入芯孔；
第五步，力位协同灌注控制模型
为保证材料灌注均匀且不产生缝隙，提出了一种力位协同灌注控制模型来控制填料管(7)与活塞(6)的协同运动；压力传感器(4)，用于实时采集低密度烧蚀材料灌注过程中所受的压力；
机械臂(1)末端与活塞协同在5s内完成动作，其模型为：
压力传感器(4)实时反馈灌注力F，并跟踪给定期望灌注压力Fd；给定值Fd经大量试验选取，保证灌注质量不破坏材料隔热特性；
根据灌注力偏差，采用以下公式模型补偿当前灌注位置：
其中，Xe为位置偏差，KpF，KdF分别表示比例调节系数和微分调节系数，ΔF为灌注力偏差，ΔF＝Fd-F，Fd为期望灌注压力，F为灌注力；力位协同灌注控制模型协同考虑填料管(7)与工业机器人的力、位运动关系，通过位置和力的跟踪控制，有效控制灌注力和灌注高度，确保材料灌注质量。
2.如权利要求1所述的一种面向蜂窝型芯孔的烧蚀材料自动灌注方法，其特征是，该方法采用基于工业机器人的自动灌注装置，自动灌注装置由工业机器人的机械臂(1)与末端灌注装置(D)连接；末端灌注装置(D)由末端转接件(2)、伺服电动缸(3)、压力传感器(4)、视觉传感器(5)、活塞(6)和填料管(7)组成；安装在末端转接件(2)中的伺服电动缸(3)向下依次连接压力传感器(4)、视觉传感器(5)、活塞(6)和填料管(7)。
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