一種高精度電連接器自動化裝配質(zhì)量控制研究*

李 明，孔祥龍

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039）

引 言

在雷達(dá)電子裝備中，電連接器在器件與器件、組件與組件、系統(tǒng)與系統(tǒng)間進(jìn)行電氣連接和信號傳遞，是構(gòu)成一個完整雷達(dá)系統(tǒng)必需的基礎(chǔ)元件[1]。盲插電連接器的普遍使用既提高了電子設(shè)備的集成度，又增強(qiáng)了各組件或部件的互換性和可維修性。顯然，電連接器的盲插裝配質(zhì)量對確保整個電子設(shè)備的可靠性十分重要，任何一個電連接器的失效都可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)失效。

目前，盲插電連接器的裝配主要以手工操作為主，完全自動化裝配難度較大，仍處在探索階段。從表面看，手工裝配成本低廉，但缺點也很明顯：1）裝配效率低；2）裝配一致性較差，裝配質(zhì)量難以保證。為推進(jìn)盲插電連接器的自動化裝配，文獻(xiàn)[2]研究了航天電連接器的智能識別技術(shù)和裝配引導(dǎo)技術(shù)，識別準(zhǔn)確率達(dá)90%；文獻(xiàn)[3]研究了基于視覺技術(shù)的連接器孔位識別與定位裝配技術(shù)。不難發(fā)現(xiàn)，目前的電連接器自動化裝配研究均缺乏對裝配質(zhì)量的在線實時監(jiān)控。

智能制造技術(shù)的快速發(fā)展為電連接器的完全自動化裝配以及裝配質(zhì)量的實時監(jiān)控提供了可能[4-5]。其中機(jī)器視覺技術(shù)與柔性機(jī)械手技術(shù)可以實現(xiàn)不同產(chǎn)品的智能識別、定位和裝配，是解決傳統(tǒng)機(jī)器人裝配前必須示教編程問題的有效途徑；智能傳感器技術(shù)可以實現(xiàn)裝配過程的實時感知與監(jiān)控，是自動化裝配過程中質(zhì)量控制的有效手段。

為提高電子設(shè)備中電連接器的裝配效率和裝配質(zhì)量，滿足電子設(shè)備快速研制和高可靠性要求，本文針對一種高精度射頻同軸電連接器進(jìn)行了自動化裝配工藝分析；根據(jù)分析結(jié)果搭建了自動化裝配試驗平臺，開展電連接器自動化裝配測試，得到該電連接器自動化裝配的位移（裝配深度）-壓裝力曲線、最大壓裝力分布圖等；基于測試分析結(jié)果，給出了該電連接器自動化裝配過程在線實時監(jiān)控的關(guān)鍵措施，實現(xiàn)了對該電連接器自動化裝配過程的控制。

1 電連接器裝配工藝分析

本文研究的電連接器是一種直式雙陰頭射頻同軸電連接器，其外形如圖1（a）所示，對應(yīng)的安裝光孔如圖1（b）所示。電連接器主要由絕緣子、插孔、殼體等組成。殼體兩端的接觸頭采用漲口工藝，具體為四槽簧片結(jié)構(gòu)。插孔采用收口工藝，具體為兩槽簧片結(jié)構(gòu)。對應(yīng)的安裝光孔內(nèi)有插針。裝配時，電連接器接觸頭裝入安裝孔內(nèi)，且插針必須插入電連接器的插孔內(nèi)，不得出現(xiàn)彎針等現(xiàn)象。

圖1 電連接器裝插結(jié)構(gòu)示意圖

從圖1可知，采用手工裝配時，電連接器主要依靠安裝孔前半部分的直徑為Φ3.61的孔導(dǎo)向裝配，手可以根據(jù)導(dǎo)向孔自動調(diào)整，所以只要電連接器裝入安裝光孔內(nèi)，裝配基本都合格。

不同于手工裝配，完全自動化裝配時，一般機(jī)械手的剛性較好，可以根據(jù)導(dǎo)向孔自動調(diào)整的浮動量很小，所以電連接器自動化裝配對裝配精度的要求更高。根據(jù)圖1中電連接器的結(jié)構(gòu)特點，假定機(jī)械手為完全剛性結(jié)構(gòu)，要保證自動化裝配合格，就必須滿足以下2個條件：

1）定位精度達(dá)到±0.01 mm。由圖1可知，要保證電連接裝配合格，安裝光孔內(nèi)的插針就必須準(zhǔn)確插入電連接器的插孔內(nèi)。經(jīng)過公差計算，自動化裝配定位精度要達(dá)到±0.01 mm。

2）裝配深度達(dá)到（2.7±0.04）mm。由圖1可知，電連接器自動化裝配的最佳深度是電連接器正好裝到安裝光孔底部，對應(yīng)圖1（b）中的(2.79±0.05) mm尺寸。為防止電連接器損壞，按負(fù)公差計算，裝配深度最大為2.74 mm。在保證裝配質(zhì)量條件下，考慮實際裝配等綜合因素，將電連接器自動化裝配深度定為(2.7±0.04)mm。

2 自動化裝配試驗平臺搭建

為實現(xiàn)電連接器自動化裝配，基于上述裝配工藝分析結(jié)果，搭建了如圖2所示的自動化裝配試驗平臺。該平臺由六自由度機(jī)器人、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)等組成。為實現(xiàn)對電連接器裝配過程的壓裝力實時檢測，在末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)上搭載了高精度壓力傳感器和接觸式位移傳感器。

圖2 電連接器自動化裝配試驗平臺

整個試驗步驟分為以下2部分：

1）進(jìn)行電連接器自動化裝配，獲取裝配過程的位移（連接器裝入深度）-壓裝力曲線；

2）通過外觀檢查、電測等方法對自動化裝配的連接器進(jìn)行檢驗，判斷是否合格。

3 自動化裝配試驗結(jié)果分析

通過搭建的自動化裝配試驗平臺，開展電連接器自動化裝配試驗，得到電連接器合格裝配的位移-壓裝力曲線，如圖3所示。將該曲線和安裝光孔的尺寸進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)該位移-壓裝力曲線具有明顯的規(guī)律。在安裝光孔允許的尺寸公差內(nèi)，圖中A，B，C，D，E，F(xiàn)點和曲線中的A′，B′，C′，D′，E′，F(xiàn)′點一一對應(yīng)。

從圖3可知，電連接器壓裝力的大幅增加基本是從C點開始的，在AC段的壓裝力很小。這是因為AC段的孔徑較大，而從C點開始，安裝光孔的直徑逐漸縮小，導(dǎo)致電連接器裝配受到的阻力顯著增加。另外，在D點壓裝力有一個突然減小的躍變。為分析原因，對D點前后電連接器所受阻力進(jìn)行受力分析，如圖4所示。顯然，在D點之前即CD段，連接器插入所受阻力F1為摩擦力f1和支持力FN1的合力，而在D點之后即DE段，連接器所受阻力F2僅為摩擦力f2（因支持力FN2對阻力沒有影響），由于斜面的消失，由支持力FN1直接產(chǎn)生的插裝阻力FN1sinθ瞬間消失，因此在D點壓裝力突然減小。

圖3 電連接器典型位移-壓裝力曲線分析

圖4 D點前后電連接器所受阻力分析示意圖

此外，從圖3可以發(fā)現(xiàn)，在E點之后，壓裝力再次快速增加。這是因為光孔內(nèi)的插針接觸到電連接器的插孔，插裝阻力增加，而且隨著電連接器插入深度的增加，電連接器與光孔之間的摩擦阻力也不斷增加。但當(dāng)插入深度達(dá)到一定值時，光孔對電連接器起到一定的扶正導(dǎo)向作用，加上自動化裝配平臺的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)也并非完全剛性（由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的原因，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)自帶一定的柔性），隨著光孔的導(dǎo)向作用，電連接器的插入位置也在進(jìn)行一定程度的微調(diào)，從而導(dǎo)致壓裝力在EF段之間出現(xiàn)一些上下跳動的現(xiàn)象。

圖5給出了445組電連接器裝配的最大壓裝力分布圖。從圖5可知，此次用來試驗的連接器最大壓裝力范圍為4～17 N，最大壓裝力為16.66 N，最小壓裝力為4.86 N，平均壓裝力為9.76 N。最大壓裝力之所以會出現(xiàn)如此大的差別，是因為影響自動化裝配壓裝力的因素很多，比如定位精度、連接器外觀尺寸精度、連接器接觸面的表面粗糙度和表面摩擦系數(shù)等。在一般情況下，定位越準(zhǔn)，最大壓裝力就越??；連接器和安裝光孔間的實際配合間隙越大，最大壓裝力就越小。另外，自動化裝配的瞬間壓裝速度對最大壓裝力也有影響。通過試驗發(fā)現(xiàn)，壓裝速度慢一些，最大壓裝力也會小一些。

圖5 最大壓裝力分布圖

圖6給出了該445組電連接器最大壓裝力的分布柱狀圖。從圖6可知：最大壓裝力F ＜6 N的占比為7.87%，共35組；6 N≤F ＜8 N的占比為24.72%，共110組，是占比最大的區(qū)間；8 N≤F ＜10 N的占比為23.60%，共105組；10 N≤F ＜12 N的占比為19.10%，共85組；12 N≤F ＜14 N的占比為15.51%，共69組；最大壓裝力F ≥14 N的占比為9.21%，共41組。

圖6 最大壓裝力區(qū)間統(tǒng)計柱狀圖

另外，通過電連接器自動化裝配試驗，發(fā)現(xiàn)一旦出現(xiàn)電連接器裝配失效（如定位偏差過大、電連接器本身質(zhì)量不合格等），不但壓裝深度無法達(dá)到規(guī)定的自動化壓裝深度，壓裝力也將遠(yuǎn)大于正常裝配的壓裝力。

4 自動化裝配質(zhì)量控制措施

基于上述試驗分析結(jié)果得到的電連接器自動化裝配的質(zhì)量控制措施如下：

1）通過大量試驗，確定一個最大壓裝力上限值。對于本文的裝配條件，可以將最大壓裝力設(shè)置為18 N。

2）通過壓力、位移傳感器，實時監(jiān)控連接器壓裝過程中的位移-壓裝力曲線，實時判斷裝配位移是否到位，壓裝力是否超過設(shè)定的上限值。如壓裝力達(dá)到上限值，就立即停止該連接器裝配，以保護(hù)連接器。

3）通過對裝配連接器的位移-壓裝力曲線和文中圖3的曲線進(jìn)行對比，就可以判斷該連接器裝配是否合格。若不合格，找出初步失效的原因。

5 結(jié)束語

本文針對一種高精度電連接器進(jìn)行自動化裝配試驗，重點對電連接器自動化裝配的關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行研究，得到該型連接器自動化裝配時的位移-壓裝力變化趨勢圖，并基于該試驗結(jié)果，得到連接器自動化裝配的質(zhì)量控制措施。

目前該質(zhì)量控制措施已在實際產(chǎn)品中得到初步應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明該質(zhì)量控制措施簡單有效，保證了該型連接器自動化裝配高的合格率。