吳 旻，胡賀南，王子航，田 威*，王長瑞，丁憶凡，李 可
（1.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016；
2.南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039）
信息化是現(xiàn)代信息戰(zhàn)爭發(fā)展的必然趨勢，信息化水平在提升電子裝備方面扮演著重要的角色。雷達(dá)作為重要的傳感器，在目標(biāo)識別、目標(biāo)跟蹤、制導(dǎo)等方面至關(guān)重要，因此被視為信息化的關(guān)鍵系統(tǒng)。傳統(tǒng)雷達(dá)一般由天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和處理系統(tǒng)組成，其中天線負(fù)責(zé)信號的發(fā)射與接收，其性能直接影響雷達(dá)系統(tǒng)的探測、定位和跟蹤能力，是雷達(dá)的核心部分。隨著高速飛行器的快速發(fā)展，飛行器對天線的需求也在不斷增加，但載體內(nèi)部的安裝空間相對有限。共形天線因具備與載體表面“共形”的優(yōu)點(diǎn)，能夠融入載體結(jié)構(gòu)，減少對飛行器氣動性能的影響，在高速飛行器如飛機(jī)、導(dǎo)彈和衛(wèi)星等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力[1–2]。
共形天線的應(yīng)用潛力受益于幾何外形的“特殊”，但其制造難度也受曲面特性的影響。共形天線表面電路的制造涉及任意自由曲面上的集成工藝，對附著于曲面外形的曲面電路的制作，可以借助平面電路制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)平面柔性電路的制造，再經(jīng)過轉(zhuǎn)印技術(shù)貼附到曲面上達(dá)到共形[3]。目前，通過打印[4–6]、噴印[7–9]、全息光刻[10]、微流控技術(shù)[11]以及絲網(wǎng)印刷[12]等技術(shù)，可以解決柔性電路加工的難點(diǎn)，但這些加工技術(shù)對材料要求很高且制作過程復(fù)雜，效率低。此外，對于大曲率外形結(jié)構(gòu)，當(dāng)平面柔性電路貼附于曲面后，對曲面電路進(jìn)行二次加工（如自動貼裝電阻、焊接）就變得尤為困難，需要借助定制的貼片機(jī)才能完成。目前，國際貼片機(jī)市場主要以太平洋科技集團(tuán)、雅馬哈、松下、環(huán)球?yàn)榇怼Ｆ渲校窖罂萍技瘓F(tuán)的SIPLACE XS機(jī)型具備CP20、CPP和TWIN三種創(chuàng)新貼裝頭，貼裝效率可達(dá)到75 000 片/h，且貼裝精度一直處于行業(yè)領(lǐng)先地位，可控制在±22 μm左右。深圳路遠(yuǎn)智能裝備公司研發(fā)的貼片機(jī)CPM–H3型號，采用直線電機(jī)驅(qū)動與光柵尺配置實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng)，最快貼片速度可達(dá)到82 000 片/h，貼片精度為±0.05 mm，已經(jīng)達(dá)到國內(nèi)貼片機(jī)市場的高水準(zhǔn)[13]。
這些主流廠家的貼片機(jī)設(shè)備均可實(shí)現(xiàn)“平面型”電路的高精度快速貼裝，并可適應(yīng)各種形狀的貼片電阻，但針對共形天線表面三維立體電路的智能組裝焊接，目前國內(nèi)外市場上還沒有可靠、成熟的設(shè)備，只能依靠手工進(jìn)行電阻的組裝焊接，操作難度大，批產(chǎn)一致性差，加工效率低，在質(zhì)量可靠性、穩(wěn)定性等方面無法滿足使用需求。隨著飛機(jī)、導(dǎo)彈和衛(wèi)星的不斷發(fā)展迭代，共形天線的市場需求巨大，其表面三維立體電路的自動化、智能化組裝焊接技術(shù)已經(jīng)成為制約共形天線發(fā)展的短板。因此，本文針對智能裝配設(shè)備和自動化加工工藝展開研究，以實(shí)現(xiàn)共形天線表面三維立體電路的自動化、智能化高精度加工。
1.1 曲面共形天線組成
共形天線可與裝備載荷平臺的外形保持一致，相較于傳統(tǒng)天線結(jié)構(gòu)，它可使電子裝備擁有更好的氣動布局、更強(qiáng)的適應(yīng)能力和打擊精度，其表面三維立體電路的高質(zhì)量加工可以保證高精密天線雷達(dá)實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的性能。以最新一代共形天線表面柔性電路為例，其平面展開和加工點(diǎn)位如圖1所示。綠色區(qū)域?yàn)榧庸c(diǎn)位，從上至下共14排加工點(diǎn)，2種加工角度（水平180?與垂直90?）。加工點(diǎn)位是輻射面相連處，面積不大于1.5 mm2，需要貼裝的電阻面積為0.125 mm2。整個柔性電路厚約0.1 mm，通過焊接工藝連接，實(shí)現(xiàn)電路功能，使天線在工作過程中擁有優(yōu)異的性能表現(xiàn)。
圖1 柔性三維立體電路部分示意圖
為了適應(yīng)載體外形，共形天線的橫截面通常呈現(xiàn)變曲率的幾何特征。受共形天線的曲面特性影響，當(dāng)三維立體電路貼附于共形天線曲面后，整體結(jié)構(gòu)為不規(guī)則的變曲率外形，如圖2所示。為實(shí)現(xiàn)共形天線的電性能，需要對柔性電路上的貼裝孔和插裝孔進(jìn)行噴涂焊膏、貼裝電阻、激光焊接等一系列加工，從而完成電路的組裝焊接，使共形天線在載體中充分發(fā)揮其服役性能。
圖2 共形天線外形特征示意圖
1.2 加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)共形天線表面三維立體電路完全依賴人工加工。為解決加工難度大、人員依賴度高、批產(chǎn)一致性差等難題，系統(tǒng)功能需分為焊膏噴涂、電阻貼裝和激光焊接3個功能模塊。為實(shí)現(xiàn)末端的高精度加工，引入融合灰度特征和圖像金字塔技術(shù)的多目標(biāo)識別算法，實(shí)現(xiàn)全部功能模塊高精度視覺引導(dǎo)與位置補(bǔ)償。基于全自動高精度噴涂技術(shù)，融合工藝數(shù)據(jù)庫參數(shù)，設(shè)計(jì)焊膏噴涂模塊，該模塊可對加工點(diǎn)位進(jìn)行自適應(yīng)焊膏量噴涂。為實(shí)現(xiàn)柔性電路的高質(zhì)量電阻貼裝，基于力/位耦合柔順運(yùn)動控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了電阻貼裝模塊，該模塊通過柔順控制實(shí)現(xiàn)電阻片的高質(zhì)量貼裝。基于激光焊接功率、光斑尺寸、加熱曲線等工藝參數(shù)的關(guān)聯(lián)評估模型，設(shè)計(jì)了激光焊接模塊，實(shí)現(xiàn)小尺寸加工點(diǎn)的高質(zhì)量焊接。考慮到實(shí)際加工工件與理論模型可能存在差異，引入視覺檢測模塊。該模塊的任務(wù)包括：1）在加工任務(wù)開始前對實(shí)際加工工件進(jìn)行三維重建，獲取實(shí)際加工點(diǎn)位坐標(biāo)；
2）在加工任務(wù)結(jié)束后對加工點(diǎn)位進(jìn)行拍照識別，實(shí)現(xiàn)焊后自動光學(xué)檢測（Automatic Optical Inspection, AOI）。這4部分主要功能模塊組成一套三維立體電路組裝焊接設(shè)備，整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)見圖3。
圖3 整體結(jié)構(gòu)模型圖
傳統(tǒng)的噴涂、貼片、焊接設(shè)備大多針對二維平面電路設(shè)計(jì)，平面印制電路板（Printed Circuit Board,PCB）的加工制作工藝成熟，加工質(zhì)量高，加工誤差小，通常不需要通過激光掃描或點(diǎn)云相機(jī)重建來補(bǔ)償理論電路與實(shí)際加工電路的誤差，而本文介紹的共形天線表面三維立體電路幾何特征復(fù)雜，加工制造過程存在一定程度的人員依賴性，部分型號需要考慮實(shí)際工件模型與理論工件模型存在的偏差。為了提高三維立體電路的加工精度，設(shè)計(jì)三維重建機(jī)構(gòu)模塊，通過基于面結(jié)構(gòu)光的三維曲面快速重建技術(shù)，獲知實(shí)際模型與理論模型偏差，基于曲面擬合技術(shù)，獲得曲面焊點(diǎn)法向量，為后續(xù)加工流程提供曲面法向找正的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
點(diǎn)云相機(jī)掃描效果如圖4所示。為補(bǔ)償理論模型與實(shí)際工件存在的明顯差異，利用點(diǎn)云模型與理論模型進(jìn)行配準(zhǔn)，可以得到工件理論模型和實(shí)際模型的精確偏差量，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行算法開發(fā)，可以在加工過程中直接補(bǔ)償實(shí)際工件的點(diǎn)位誤差。
圖4 掃描電路點(diǎn)云示意圖
三維點(diǎn)云可以直接給出全部待加工點(diǎn)的點(diǎn)位坐標(biāo)與空間法向量。在加工曲面共形天線時，需保證曲面上加工點(diǎn)的法向與末端執(zhí)行器方向平行。圖5為簡化后的加工點(diǎn)與法向量示意圖。
圖5 加工點(diǎn)與法向量示意圖
為生成自動化加工路徑，本文借助點(diǎn)云相機(jī)提供的加工點(diǎn)與法向量信息，結(jié)合旋轉(zhuǎn)軸空間位置信息，計(jì)算加工點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度與旋轉(zhuǎn)后的空間位置。本文以旋轉(zhuǎn)矩陣代替?zhèn)鹘y(tǒng)由軸–角表示的三維旋轉(zhuǎn)，簡化三維立體電路待加工點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)模型。圖6為空間內(nèi)任一點(diǎn)繞任意軸線旋轉(zhuǎn)示意圖。
圖6 空間內(nèi)任一點(diǎn)繞任意軸線旋轉(zhuǎn)示意圖
如圖6所示，在XY Z坐標(biāo)系下，三維空間任意一點(diǎn)P(px,py,pz)繞任意軸線旋轉(zhuǎn)角度α得到新點(diǎn)，軸線上單位方向的向量為n，即= 1，且經(jīng)過點(diǎn)Q(x0,y0,z0)的軸線的直線方程為：
式中，t為設(shè)定參數(shù)。
圓弧PP′所在平面的平面方程為：
根據(jù)式（1）和式（2），結(jié)合軸線上單位方向的向量，可以求得：
設(shè)圓弧PP′的圓心坐標(biāo)為(xc,yc,zc)，將式（3）中的t0代入式（1），得到圓心坐標(biāo)：
圓弧PP′的半徑r為：
如圖6所示，建立空間坐標(biāo)系x′y′z′，根據(jù)右手法則得：
坐標(biāo)系xyz與坐標(biāo)系x′y′z′的旋轉(zhuǎn)變換矩陣為：
點(diǎn)P′在坐標(biāo)系x′y′z′下的坐標(biāo)為：
根據(jù)齊次變換理論，將p′點(diǎn)在坐標(biāo)系x′y′z′下的坐標(biāo)變換到坐標(biāo)系xyz下的坐標(biāo)得：
化簡式（10）得：
式（11）可以展開寫成：
T4×4的表達(dá)式為：
式中：K=1-cosα；
M=n**0+nyy0+nzz0。
在點(diǎn)云相機(jī)掃描共形天線工件后，電腦顯示端會給出待加工點(diǎn)的坐標(biāo)和法向量，計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度時，需要根據(jù)待加工點(diǎn)法向量計(jì)算與目標(biāo)位姿的夾角，這里需要設(shè)定C軸的水平微調(diào)和A軸的旋轉(zhuǎn)調(diào)平順序，如圖7所示。
圖7 二維轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)順序示意圖
為提高加工效率，降低計(jì)算復(fù)雜程度，優(yōu)先進(jìn)行C軸的水平微調(diào)，再進(jìn)行A軸的旋轉(zhuǎn)調(diào)平，即C軸旋轉(zhuǎn)的優(yōu)先級更高。
A軸和C軸的旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算可以簡化為求任意方向空間向量與Z軸和X軸的夾角。空間內(nèi)任意向量與空間內(nèi)XOZ平面夾角γ的計(jì)算公式為：
如圖8所示，路徑生成算法的整體邏輯為：1）從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中讀取全部加工點(diǎn)的法向量與坐標(biāo)。2）通過加工點(diǎn)法向量計(jì)算C軸所需旋轉(zhuǎn)角度，代入旋轉(zhuǎn)矩陣計(jì)算函數(shù)得到旋轉(zhuǎn)矩陣所有參數(shù)，并將坐標(biāo)代入計(jì)算，得出C軸旋轉(zhuǎn)后的點(diǎn)位坐標(biāo)。3）計(jì)算A軸所需旋轉(zhuǎn)角度，代入旋轉(zhuǎn)矩陣計(jì)算函數(shù)得到旋轉(zhuǎn)矩陣所有參數(shù)，并將坐標(biāo)代入計(jì)算，得出A軸旋轉(zhuǎn)后的點(diǎn)位坐標(biāo)。4）將計(jì)算好的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)后的點(diǎn)位坐標(biāo)按上位機(jī)讀取格式輸出，并以A軸旋轉(zhuǎn)角度為判據(jù)，實(shí)現(xiàn)加工順序規(guī)劃。5）根據(jù)上文所述點(diǎn)云坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換公式，將加工點(diǎn)所需旋轉(zhuǎn)角度與旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至機(jī)床坐標(biāo)系下并輸出，供上位機(jī)讀取。整體算法采用VS2022進(jìn)行開發(fā)，所用語言為C++，為方便上位機(jī)開發(fā)，簡化對接流程。該算法不需導(dǎo)入第三方類庫，封裝后可直接調(diào)用。
圖8 路徑生成算法流程圖
利用上述設(shè)計(jì)的自動化加工設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成基于旋轉(zhuǎn)矩陣的共形天線加工路徑，最終完成三維立體電路的組裝焊接加工。加工設(shè)備與加工效果如圖9所示。
圖9 加工驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)圖
人工上料后，上位機(jī)執(zhí)行加工程序，設(shè)備調(diào)用工藝數(shù)據(jù)庫內(nèi)的噴涂數(shù)據(jù)、貼裝壓力數(shù)據(jù)和激光焊接數(shù)據(jù)，并由相應(yīng)末端執(zhí)行。自動化加工完成后的三維立體電路局部如圖10所示。由圖10可知，電阻對中準(zhǔn)確，貼合到位，無位置偏移和虛焊、漏焊現(xiàn)象。
圖10 自動化加工局部效果圖
為了驗(yàn)證加工效果是否滿足需求，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練判斷模型，通過焊后視覺檢測，判斷未加工、加工不合格、缺焊、漏焊點(diǎn)位占比，通過高靈敏度傳感器反饋力控精度，通過激光干涉儀與千分表測量機(jī)械運(yùn)動精度，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果全部符合加工要求，詳細(xì)檢測結(jié)果見表1。由焊接合格率、定位精度、力控精度等指標(biāo)可知，本文設(shè)計(jì)的自動化加工設(shè)備及提出的路徑生成方法，可完全替代傳統(tǒng)人工方式，高效精確地完成了三維立體電路的組裝焊接加工。
表1 實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果
本文提出一種用于共形天線表面柔性三維立體電路智能組裝焊接的一體化精密制造設(shè)備，突破了三維立體電路組裝焊接加工難度大、人員依賴度高、加工質(zhì)量可靠性差等一系列問題。針對理論模型與實(shí)際工件存在差異的問題，提出了一種基于三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的路徑生成方法，以旋轉(zhuǎn)矩陣代替?zhèn)鹘y(tǒng)由軸–角表示的三維旋轉(zhuǎn)，簡化三維立體電路待加工點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)模型，并基于法向矢量完成旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算，為路徑生成提供了更為高效和精確的計(jì)算方式。最后，通過實(shí)物加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了三維立體電路自動化組裝焊接效果。本文設(shè)計(jì)的自動化加工設(shè)備的成本與環(huán)保性能符合國家與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，適合批量生產(chǎn)使用。該研究成果可為雷達(dá)電子裝備領(lǐng)域自動化、智能化加工裝配設(shè)備設(shè)計(jì)集成提供一定的指導(dǎo)，從而提升電子戰(zhàn)裝備的生產(chǎn)效率，為我國電子對抗領(lǐng)域的發(fā)展做出較大貢獻(xiàn)。
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