玻璃燒結(jié)連接器電鍍掛綁工藝的研究和應(yīng)用

張波利　何溪　閆冰　申瑞

摘 要：文章通過對(duì)玻璃燒結(jié)連接器電鍍工藝的分析，研發(fā)出一種用于電鍍中銅絲掛綁工序的自動(dòng)化設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)該工序的自動(dòng)化。改進(jìn)后的電鍍工藝可提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的一致性，增強(qiáng)連接器的可靠性，滿足該產(chǎn)品在不同環(huán)境下的使用要求。

關(guān)鍵詞：玻璃燒結(jié)；工業(yè)自動(dòng)化；電鍍

中圖分類號(hào)：V442 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）15-0096-02

Abstract： Based on the analysis of the plating process of glass sintering connectors， a kind of automatic equipment for copper wire hanging and binding in electroplating has been developed， which can realize the automation of this process. The improved electroplating process can improve the production efficiency and product consistency， enhance the reliability of the connector， and meet the requirements of the product in different environments.

Keywords： glass sintering； industrial automation； electroplating

1 概述

玻璃燒結(jié)連接器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械強(qiáng)度良好，密封性能優(yōu)異，具有耐高溫、耐高壓、耐強(qiáng)輻射等性能，在航空、航天、海洋、石油等領(lǐng)域的復(fù)雜惡劣工況中得到了廣泛的應(yīng)用。生產(chǎn)中，為得到優(yōu)良電氣性能的玻璃燒結(jié)連接器，通常采用電鍍方式，對(duì)其接觸部分進(jìn)行鍍金處理，提高導(dǎo)電能力和可靠性。

在玻璃燒結(jié)連接器電鍍時(shí)，為了使每一根接觸件導(dǎo)電，采用細(xì)銅絲作為電鍍電源導(dǎo)線，人工繞在每一根插針或插孔的焊線端。由于連接器體積小，接觸件密度大，此工序一直存在生產(chǎn)效率低下、良品率低和工作量大的特點(diǎn)。本文提出了一種先進(jìn)的自動(dòng)化繞線解決方案，對(duì)連接器電鍍中的掛綁工藝進(jìn)行優(yōu)化。

2 電鍍掛榜工藝現(xiàn)狀和當(dāng)前問題

2.1 工藝現(xiàn)狀

某特種連接器產(chǎn)品主要運(yùn)用于航天、航空、海洋等壓力變化較大的工作環(huán)境，氣密條件要求高。該連接器在生產(chǎn)中常采用先玻璃燒結(jié)固定接觸體，密封絕緣體，然后再進(jìn)行電鍍的制造工藝。電鍍時(shí)，常采用細(xì)銅絲作為電鍍電源，將銅絲掛綁接觸件的方式使接觸體導(dǎo)通。電鍍前銅絲掛綁接觸體這一工序，目前靠工人手工掛綁完成。

2.2 當(dāng)前問題

（1）需求與生產(chǎn)力不匹配。電鍍掛綁工藝幾乎適用于所有先燒后鍍的連接器產(chǎn)品。但與其工藝使用廣泛性相比，生產(chǎn)中采用手工作業(yè)的模式，效率低下。

（2）難度高。該系列連接器具有種類繁多，接觸體密度大、總體數(shù)量多的特點(diǎn)，且產(chǎn)品小型化發(fā)展。某系列連接器接觸體數(shù)多達(dá)五十多，但其大小僅在兩平方厘米左右，空隙只有0.69mm，手工掛綁操作困難。

（3）良品率低。手動(dòng)作業(yè)中，各金屬針上纏繞細(xì)銅絲張力不具有一致性，接觸體與金屬絲之間的鍍層厚度無法控制，繞線高度也不能保證相同。手工作業(yè)中，人眼疲勞，漏針現(xiàn)象出現(xiàn)概率較高。

2.3 改良思路分析

結(jié)合連接器產(chǎn)品接觸件端面式分布的實(shí)情：連接器接觸體端面分布平整，間隙均勻，接觸件通常為插針，針與針之間有可操作空間。利用連接器的接觸件分布，把接觸件體視作點(diǎn)，將針體外徑考慮為繞線中需要走過模擬成繞線過程中行走的避障范圍，利用金屬絲張力控制器，使將掛綁過程的線纏繞，擬合成機(jī)械執(zhí)行末端的路徑動(dòng)作。在繞線方案設(shè)計(jì)中采用機(jī)械中路徑規(guī)劃的思想，考慮各繞線方案的可行性，使設(shè)計(jì)出的自動(dòng)化掛綁連接器設(shè)備滿足生產(chǎn)需要。

連接器具有大小不同，空隙有異的特點(diǎn)，執(zhí)行器末端需設(shè)計(jì)為可更換部分。繞針動(dòng)作為三維空間動(dòng)作，采用三軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案來保障運(yùn)動(dòng)可靠準(zhǔn)確。

3 綁掛路徑算法設(shè)計(jì)

3.1 路徑研究方案隔離

通過觀察生產(chǎn)線上工人實(shí)際掛綁操作，可大致分為以下兩種方式：

3.1.1 “S”型纏繞

如圖1示例為7X6矩陣孔位分布連接器，圖中黑色部分為連接器的金屬針?？紤]到繞線金屬絲的體積，外圈虛線為金屬絲纏繞一圈后達(dá)到的實(shí)際形狀，電鍍電源細(xì)銅絲如黑線所示，以“S”型纏繞的方式將各金屬針連接導(dǎo)通。

此綁繞方法的好處在于金屬絲線耗費(fèi)少，線與金屬針接觸面積小，因此對(duì)電鍍鍍層影響較小。但缺點(diǎn)也十分明顯。在排列有序的針與針之間通常以沿內(nèi)切線的“S”型繞線，使繞線完成后的金屬針上的細(xì)銅絲能維持一定的張力，不易脫落。然而在繞線部分抵達(dá)金屬針末端時(shí)，例如該圖上排最右端金屬針與下排最右端金屬針纏繞時(shí)，以“S”型纏繞，有漏針的風(fēng)險(xiǎn)存在。繞綁工序所針對(duì)的玻璃燒結(jié)連接器種類多、排針復(fù)雜。在設(shè)計(jì)掛綁路徑算法時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮算法的普適性，不可出現(xiàn)較多的特殊情況計(jì)算，以免增加算法的難度和程序編譯出現(xiàn)問題的風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.2 “O”型纏繞

纏繞方式如圖2。初始進(jìn)線端為任意點(diǎn)，在每根金屬針上繞有一圈以上兩圈以下的銅絲，出線端為兩圓的切線。由于細(xì)銅絲圍繞金屬針圓周角纏繞，無論哪點(diǎn)進(jìn)線都能保證細(xì)銅絲連接上金屬針，使各金屬針都能得以導(dǎo)通。

3.2 算法設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用“O”型掛綁方法來設(shè)計(jì)自動(dòng)掛綁設(shè)備。路徑算法以實(shí)現(xiàn)金屬針“O”型纏繞為目的。設(shè)計(jì)時(shí)，為了簡(jiǎn)單算法，本設(shè)計(jì)中將上個(gè)金屬針的出線點(diǎn)視為圓外一點(diǎn)，將金屬針及銅絲厚度視為圓，過點(diǎn)做圓的切線，將圓上切點(diǎn)做細(xì)銅絲的進(jìn)線端。在這種路徑算法下，吐絲針頭多走一段冗余路程，但路徑點(diǎn)的算法得到了簡(jiǎn)化，每根金屬針只用計(jì)算一次切點(diǎn)。

比較兩個(gè)切點(diǎn)與上個(gè)金屬針入線點(diǎn)之間的距離，選取長度較短的點(diǎn)為（Xa，Ya）。繞線圈上的路徑可根據(jù)圓的數(shù)學(xué)函數(shù)，采用插補(bǔ)的方法離散成路徑點(diǎn)，由此路徑上所有的點(diǎn)都為已知狀態(tài)。

4 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖3所示，該設(shè)備為了實(shí)現(xiàn)三維空間微小運(yùn)動(dòng)，是選用精度高的單軸驅(qū)動(dòng)器組合而成三軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備。引線針頭安裝在Z軸驅(qū)動(dòng)器上，連接器夾具安裝在X軸。X軸絲杠的導(dǎo)軌為6mm，Y軸絲杠的導(dǎo)軌為6mm，Z軸的絲杠導(dǎo)軌為2mm，運(yùn)動(dòng)精度為電機(jī)每轉(zhuǎn)脈沖絲杠運(yùn)動(dòng)0.01mm。

采用正交型單軸驅(qū)動(dòng)器組合，為了保障精度，設(shè)備裝配過程中要進(jìn)行打表操作。誤差會(huì)隨著單軸驅(qū)動(dòng)器的行程增加而變大，就產(chǎn)品的長寬和高度而設(shè)計(jì)，需要單軸驅(qū)動(dòng)器做的行程較短，要求X軸和Y軸誤差為0.003mm，Z軸為0.01mm。

在設(shè)備設(shè)計(jì)過程中，為了節(jié)約成本和便于后期管理維護(hù)，設(shè)備中應(yīng)該在控制成本的前提下盡量選用標(biāo)準(zhǔn)件。其絲線類張力控制器的產(chǎn)品十分成熟，因此選用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品進(jìn)行張力控制。絲線的張力調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)為：引線針頭的絲線繃緊但可拽動(dòng)，絲線在設(shè)備工作過程中不會(huì)發(fā)生崩斷和卡絲。張力計(jì)需要工程人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況做出調(diào)整。

5 設(shè)備生產(chǎn)值能與人工作業(yè)對(duì)比

此設(shè)備涉及一系列產(chǎn)品的金屬針數(shù)不同。產(chǎn)能對(duì)比中，選取針數(shù)貼近平均值的某一類25針產(chǎn)品進(jìn)行取樣。設(shè)備與人分別取樣3000件連接器進(jìn)行掛綁，收集數(shù)據(jù)。

人工每針用時(shí)1.5秒降低到0.8秒，良品率也從87.25%提升到97.36%，由此結(jié)果可知，設(shè)備掛綁的工作效率高于人工作業(yè)，其良品率得到了顯著提升。且通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可知，設(shè)備在繞線高度控制上有十分出色的表現(xiàn)，繞線高度基本一致，保證連接器在電鍍工藝中，電鍍完成后的產(chǎn)品彼此間電阻特性基本相同。

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