瞄準鏡目鏡組件自動裝配單元設計與研究

叢祺楓，童一飛

(南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094)

在中國制造2025、由制造大國向制造強國轉變的宏觀局勢下，如何在新時代的競爭中把握自己的贏家地位并打敗同類型競爭對手，是企業(yè)不斷探索的方向。在當前的槍用瞄準鏡的產品加工制造行業(yè)，目鏡組件屬于標準化程度高、中小批量制造的部件，若仍采用傳統(tǒng)手工裝配，無論從精度上還是從效率上都已不能滿足當代企業(yè)的需求，所以企業(yè)需要一種可以滿足當代生產需求的瞄準鏡目鏡組件自動裝配設備[1]。本文以裝配規(guī)律相同、裝配量大的目鏡組件為研究對象，提出目鏡組件自動裝配機詳細設計方案，并利用可編程邏輯控制器設計了設備控制方案，以保證裝配過程的協(xié)調。

1 目鏡組件自動裝配機的方案設計

為設計目鏡組件裝配機，需要明確目標產品的生產工序，再根據工序的預期效果設計替代人工的機械單元。為保證機械部件的可靠性，設計過程中要注意工件定位、裝配速度等多方面因素[2]。

1.1 目鏡組件裝配工序分析

目鏡組(如圖1)的安裝過程為：先將橡膠圈安裝于目鏡筒內側并涂膠，以保障防塵、防污、防水需求，再依次安裝目鏡片1、擋圈、目鏡片2，最后將擋環(huán)與目鏡筒旋緊裝配。

1.2 機械結構方案構思

本文將目鏡組件自動化設備劃分為9個工序功能單元，自動裝配機結構示意圖如圖2所示。根據機械結構分為裝配臺主體、自動上料機構、自動裝配機構、點膠機構、校準機構5部分。整機結構設計方案確定為轉盤式結構，需裝配零件不同，則上料機構和裝配機構均不同，點膠機構和校準機構起到輔助作用。

圖1 目鏡組件結構示意圖

圖2 自動裝配機結構示意圖

2 自動裝配機結構設計

2.1 結構設計原則

機械結構設計的具體形式千差萬別，在制造工藝明確的基礎上，各單元機械結構設計的重點在于力學性能、裝配質量、人因學三方面。

1)機械結構的核心在于力的產生與傳遞，設計原則為：當過大的載荷施加于零件時，需要考慮分解載荷，從而避免零件發(fā)生變形或斷裂；引入平衡件和對稱安裝方式解決附加力；減少應力集中；利用筋板改善零件截面形狀，以提高零件剛度。

2)裝配質量直接影響設備整體性能，為便于裝配，設計原則為：具有相近結構的零件，要擴大其結構的不對稱性，以便于識別特征；留抓舉面；設計導向機構，便于定位；避免多個裝配面同時裝配；便于拆卸。

3)機械是為人服務的，因此要引入人因學因素：結構設計尺寸要符合人體工程學；減少使用者疲勞度；減少操作者觀察錯誤率；減少環(huán)境噪聲。

2.2 裝配臺主體

裝配臺主體如圖3所示，主要由底輪1、固定機架2、驅動機構3、主轉盤4和主動軸5組成。主轉盤考慮加工余量和功能需求，設計為12工位。

1—底輪；2—固定機架；3—驅動機構；4—主轉盤；5—主動軸

2.3 自動上料機構

根據元件特點的不同，自動上料機構需選擇不同的上料形式。如圖4所示，目鏡筒采用傳送帶上料形式上料，包括驅動機構1、皮帶2和型材支架3，確定皮帶運轉速率為60個/min，最小傳輸速度為2.4 m/min，電機最小轉速為19.1 r/min，具有適用范圍廣、運行平穩(wěn)、噪聲低等優(yōu)點。

1—驅動機構；2—皮帶；3—型材支架

擋環(huán)上料采用振動盤上料形式，上料速度為60個/min，旋向為逆時針，傳送帶長度為400 mm，為保障擋環(huán)定向排列，設計定向機構，如圖5所示。

圖5 擋環(huán)振動盤定向結構示意圖

橡膠圈采用彈夾式上料形式，如圖6所示，由導柱1、升降環(huán)2、升降氣缸3、底座4組成，導柱長度為150 mm，圓柱端直徑為32 mm。

1—導柱；2—升降環(huán)；3—升降氣缸；4—底座

擋圈也采用彈夾式上料形式，如圖7所示。原理為：擋圈豎直放置，受重力影響，第一個擋圈隨氣缸承料板下落至預設位置，其余擋圈受阻落元件阻礙不會下降，完成裝配。

1—擋圈容器；2—容器夾具；3—阻落元件；4—底部氣缸；5—氣缸底座；6—阻落氣缸

目鏡片上料機構結構設計較簡單，如圖8所示，其直接與校準機構配合，目鏡片受重力影響下落于校準機構上。目鏡片容器內徑分別設計為34 mm和36 mm，長度分別為312 mm和323 mm。為避免磨損，目鏡片之間設計EPS材質隔片，其直徑為20 mm，厚度為3 mm，呈圓柱形，當目鏡片上料時，隔片在吹氣孔吹出的氣流作用下脫離目鏡片，未吹出的隔片會順著孔洞下墜，被儲料盒回收，或被毛刷阻離。

圖8 目鏡片上料機構

2.4 自動裝配機構

因為零件的結構不同，所以對應的自動裝配機構的抓取和裝配設計要求也有所不同。目鏡筒裝配單元采用的自動抓取機構如圖9所示，原理為：驅動電機通過滾珠絲杠傳動實現水平方向位置變化，當光纖傳感器感應到夾爪在水平方向上到達預設位置，發(fā)出信號給控制系統(tǒng)，豎直方向的驅動電機驅動升降機構下降，到達零件上方時，夾爪完成抓取動作，升降機構移到夾具正上方后，夾爪下降并松開元件。

1—伺服電機；2—滾珠絲杠機構；3—導軌滑塊機構；4—支架；5—夾爪；6—升降機構

橡膠圈易發(fā)生柔性變形，這使得人工裝配時往往需要多次進行校準，所以如何減少柔性變形是橡膠圈裝配單元設計的難點。因此，設計了擬合性裝配爪部機構，如圖10所示，圓環(huán)形的爪部結構與上料機構配合設計，外側氣孔在裝配過程中通過改變內部氣體流向實現橡膠圈的吸取與裝配。

圖10 橡膠圈裝配爪部結構

針對擋圈零件采用了夾取式自動裝配機構，擋圈落到上料臺，自動裝配機構的抓取部分調整至合適高度后，沿水平方向運動，抓取擋圈。擋圈被運輸至目鏡筒的正上方后，夾爪松開，擋圈自然下落至目鏡筒內部。

按壓式裝配機構只需通過升降機構和長導桿型真空吸盤實現按壓裝配。真空吸盤工作原理圖如圖11所示，真空發(fā)生器工作原理圖如圖12所示，發(fā)生器原理為[3]：真空吸盤與真空發(fā)生器連接，壓縮空氣沿噴管產生卷吸流動，形成真空度，使吸盤形成負壓產生吸力，從而吸住鏡片，通過改變真空發(fā)生器氣流方向可改變內部氣壓，從而完成裝配[4]。

圖11 真空吸盤工作原理圖

圖12 真空發(fā)生器工作原理圖

2.5 點膠機構

接觸式點膠機常見的類型分為時間壓力型、螺桿型、活塞壓力型和蠕動型4種[5]。時間壓力型點膠機械手足以實現橡膠圈點膠要求，其結構可分為點膠裝置和升降機構，前者負責膠液的儲存與釋放，后者保障精確定位。需注意，由于易受膠體流變特性、針筒剩余膠量、針頭特性、溫度等多種因素影響，較難保證膠液釋放量的一致性[6]。

2.6 校準機構

為解決目鏡片的裝配問題，選用了多坐標機械手。但考慮到目鏡片的材質和防塵、防污要求，本文設計了目鏡片校準機構輔助實現目鏡片裝配。該機構與目鏡片彈夾式上料機構、按壓式真空機械手配合，實現目鏡片無塵裝配，保障安裝精度。目鏡片校準機構如圖13所示，包括校準轉盤1、校準滑道2、校準膠圈3、從動軸4和底座5。工作原理為：主動軸與從動軸通過齒輪傳動實現配合，校準轉盤設有12個承載位置，當校準轉盤轉動時，目鏡片逐個安裝至對應承載位置處，隔片被吹出或下落至儲料盒加以回收，最后在主轉盤預設工位正上方，按壓式真空機械手向下按壓，實現精準裝配。

1—校準轉盤；2—校準滑道；3—校準膠圈；4—從動軸；5—底座

校準滑道設有特殊形狀的凹槽，與目鏡片擬合，校準膠圈內側設有弧形凸起，保障只在受到按壓時目鏡片才會下落裝配于目鏡筒內。具體結構如圖14和圖15所示。

圖14 校準滑道示意圖 圖15 校準膠圈示意圖

2.7 整機模型

最終建立整機三維模型，如圖16所示。

1—轉盤式裝配臺主體；2—目鏡筒裝配單元；3—橡膠圈裝配單元；

3 精度保障方法

對于裝配精度，首先，要保障零件的制造精度。根據精確的圖紙，在裝配前對零件尺寸進行檢測，分析裝配工藝流程，瞄準鏡目鏡組件部分的裝配工序多為擰緊等無損工藝，沒有銼、磨等工藝。

其次，充分利用夾具保障零件的位置精度要求，如轉盤式裝配臺主體精度要求最高的部分是目鏡筒夾具的位置精度，因此設計了夾具固定槽，搭配可換式墊圈保障夾具的同心度，從而提高各工位與裝配機構之間的配合精度。而目鏡校準機構部分則通過校準轉盤實現目鏡片的定位，校準過程中校準轉盤和主轉盤通過同心定位的方式，保障目鏡片的定位精度。

最后，考慮引入三坐標測量技術，通過計算機建模，實現坐標定位，預計精度可達到0.02 mm。

4 橡膠圈硬度改善技術

目鏡組自動化裝配過程中，因為橡膠圈材質具有柔性，導致橡膠圈裝配難度較高，為減少柔性變形產生的誤差，考慮通過改善橡膠圈材料和采用低溫硬化技術適量提高橡膠圈的硬度。

目鏡組中的橡膠圈材質為丁腈橡膠，其彈性高、氣密性好、比重小，具備極佳的耐油性、耐熱性和耐堿性，抗壓縮、抗撕裂和抗腐蝕性能也很好，適用于各類惡劣環(huán)境，相關參數見表1。

表1 丁腈橡膠參數表

從改善材料方面考慮，適量增加炭黑和癸二酸二辛脂(DOS)的含量，以提升橡膠本身的硬度。橡膠一般適用溫度范圍為-40～90 ℃，邵氏硬度與溫度曲線圖如圖17所示。

圖17 硬度與溫度關系曲線圖

橡膠圈自動裝配前先通過降溫裝置，在-30 ℃的冷凍環(huán)境下通過液氮快速降溫5 min，冷卻后在室溫環(huán)境下能使橡膠圈重新軟化，從而保證其氣密性。

5 有限元分析技術

主轉盤設為直徑1 200 mm、厚度50 mm，12工位，模型簡化后，分析大氣壓值為0.4 MPa時主轉盤的極限受載狀況，主轉盤各工位均勻受力(豎直向下、3 N)，第四工位和第七工位額外受到7 N的下壓力，底座支撐板對主轉盤施加54 N、豎直向上的支撐力，分析結果如圖18、圖19所示。

圖18 應力云圖

圖19 總變形量

由圖可知，最大應力值4.354×104N/mm2?2.206×108N/mm2(屈服極限)，最大位移量3.953×10-4mm?0.05 mm(最大變形量)，符合要求。進一步優(yōu)化后模型如圖20所示。

圖20 優(yōu)化模型示意圖

優(yōu)化后最大應力值5.19×104N/mm2?2.206×108N/mm2(屈服極限)，最大位移量4.745×10-4mm?0.05 mm(最大變形量)，改善后模型減重18.487 kg，仍符合要求。

6 控制系統(tǒng)設計

6.1 氣動技術理論

氣動系統(tǒng)發(fā)展至今有半個世紀，主要由氣源設備、氣動執(zhí)行元件、氣動控制元件、輔助元件組成[7]。特點為：以壓縮空氣為能源，以氣缸、馬達等組件為執(zhí)行機構， 采用PLC控制來實現設計功能[8]。

6.2 氣動系統(tǒng)設計

氣動原理圖是系統(tǒng)氣動元件控制原理的體現，以擋圈裝配單元為例，原理圖如圖21所示。

圖21 擋圈裝配單元氣動原理圖

6.3 PLC技術理論

PLC是一種用來代替繼電器實現邏輯控制的可編程控制器，特點為：硬件設備高度標準化，控制可靠，抗環(huán)境干擾，易于維護，功耗小，性價比高，編程難度低，面向用戶設計[9]。

6.4 PLC控制系統(tǒng)設計

PLC程序實際的運行過程包括啟停兩種情況，運行狀態(tài)下，PLC依次重復進行內部處理、信息通信、I/O刷新、信息處理、I/O刷新等工作，直至轉化為停止狀態(tài)。擋圈裝配機構控制程序部分截圖如圖22所示。

圖22 擋圈裝配機構運行梯形圖截圖

7 創(chuàng)新成果

本文以瞄準鏡目鏡組件為研究對象，意在解決人工裝配過程中效率低下、可靠性差、無法大批量生產等問題。設計創(chuàng)新成果如下：

1)目前民用目鏡組件自動裝配機還尚未成型，本文設計了完整的目鏡組件自動裝配機，擇優(yōu)確定整機方案為轉盤式裝配機，進一步確定了包括目鏡筒裝配單元、橡膠圈裝配單元、點膠單元、目鏡片1裝配單元、擋圈裝配單元、目鏡片2裝配單元、擋環(huán)裝配單元、目鏡組下料單元8個部分工位單元的模塊劃分，并對各個部分進行了相關方案構思和詳細設計。

2)設計了目鏡片校準機構，通過校準轉盤和校準膠圈承載目鏡片，與主轉盤齒輪配合實現節(jié)拍控制，同時通過毛刷，吹氣裝置防塵防污。

3)分析了主轉盤受力情況，并進行了優(yōu)化減重，提出了橡膠圈硬度改善方法。

4)以擋圈裝配單元為案例，對氣動控制和電動控制進行了設計。

綜上所述，該自動裝配機降低了工作人員勞動強度，提高了生產效率，節(jié)約了人工成本，具有一定的應用前景。