氣體過(guò)濾器自動(dòng)裝配技術(shù)在某宇航型號(hào)的應(yīng)用

顧 鄉(xiāng)，陳思麒，王淮雨，丁大江，李文英

（北京長(zhǎng)征天民高科技有限公司，北京 100023）

0 引言

氣體過(guò)濾器作為各路供氣過(guò)濾防護(hù)多余物的最后屏障，大量應(yīng)用于地面供氣系統(tǒng)，整體生產(chǎn)需求量很大。公司近年供配氣系統(tǒng)任務(wù)增長(zhǎng)較快，估算未來(lái)交付過(guò)濾器數(shù)量將達(dá)到1500～2000 件/年?，F(xiàn)階段主要由人工對(duì)氣體過(guò)濾器進(jìn)行安裝，由于產(chǎn)品對(duì)潔凈度、氣密性、可追溯性等方面要求較高，現(xiàn)在人工裝配工藝由于人為因素多，不容易實(shí)現(xiàn)有效的多余物控制。另外產(chǎn)品采用的金屬墊圈密封結(jié)構(gòu)，需要的安裝力矩較大，沒(méi)有相應(yīng)的工具，裝配工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率較低。過(guò)濾器批量小、種類多、更新?lián)Q代快是航天產(chǎn)品的主要特點(diǎn)之一。通過(guò)研究的自動(dòng)裝配工藝方法，不僅可以對(duì)氣體過(guò)濾器進(jìn)行更好的工藝質(zhì)量控制，還提升了裝配效率和一致性，對(duì)氣體過(guò)濾器自動(dòng)裝配進(jìn)行的工藝技術(shù)研究具有重要的價(jià)值。

1 裝配工藝及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 裝配流程介紹

氣體過(guò)濾器一般由殼體、過(guò)濾元件、密封墊3 種主要零件組成的。其中密封墊為扁長(zhǎng)形的圈，殼體、過(guò)濾元件屬于長(zhǎng)軸類的組件。裝配順序一般為：首先固定殼體，然后對(duì)密封墊進(jìn)行涂油處理，將涂好油密封墊放在殼體的上表面，之后將過(guò)濾元件與殼體進(jìn)行螺紋預(yù)裝，最后對(duì)螺紋處加長(zhǎng)力臂保證密封性。產(chǎn)品主要工藝特點(diǎn)為：組件精度高，零部件配合面裝有徑向密封結(jié)構(gòu)，為了防止損傷密封圈，殼體與過(guò)濾元件裝配過(guò)程中，孔與軸的同心度要求高。

1.2 自動(dòng)裝配關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配，需攻克以下關(guān)鍵技術(shù)：①柔性工裝及夾持技術(shù)。組件外形尺寸差異較大，要在同一臺(tái)設(shè)備上完成7 種零部件的壓裝工作，夾具及裝夾工裝的通用性要求較高；此外，零部件配合面間有密封圈，在裝配的過(guò)程中，使夾持件能夠?qū)崟r(shí)感受到裝配件的受力情況并進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)夾具智能化；②裝配可靠性技術(shù)。要保證密封圈在裝配過(guò)程的可靠性和質(zhì)量，需要解決裝配過(guò)程中的裝配力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和保護(hù)問(wèn)題，需設(shè)計(jì)高精度壓力傳感器和軟件壓力限位，保證裝配可靠性；③密封圈力矩技術(shù)。氣體過(guò)濾器組件裝配，密封結(jié)構(gòu)裝配是重要環(huán)節(jié)，量化裝配力矩至關(guān)重要。

2 自動(dòng)裝配設(shè)備的研制

過(guò)濾器自動(dòng)化裝配設(shè)備，采用三軸正交機(jī)械手帶動(dòng)氣動(dòng)手爪抓取過(guò)濾器殼體、過(guò)濾器濾芯、過(guò)濾器墊圈進(jìn)行組裝。

設(shè)備包含控制單元和操作實(shí)行單元。其中控制單元由伺服電機(jī)、編碼器、PLC、工控機(jī)等元器件組成，控制單元的主要功能是運(yùn)行裝配控制程序，監(jiān)測(cè)并記錄閥件自動(dòng)裝配過(guò)程中情況。操作執(zhí)行單元由碼垛托盤、正交頂置三軸機(jī)械手、雙升降氣缸、雙抓取手、激光掃描測(cè)量裝置、機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，操作執(zhí)行單元的實(shí)現(xiàn)的功能有自動(dòng)識(shí)別零件編號(hào)、抗介質(zhì)潤(rùn)滑脂涂抹機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)涂膠、旋擰組裝機(jī)實(shí)現(xiàn)旋擰力矩閉環(huán)檢測(cè)、墊片供料裝載、保護(hù)堵蓋組裝。自動(dòng)裝備設(shè)備實(shí)物如圖1 所示。

圖1 自動(dòng)裝備設(shè)備實(shí)物

設(shè)備分為以下4 個(gè)功能模塊：

（1）物料抓取模塊。通過(guò)升降氣爪抓取3 種物料，通過(guò)三軸正交機(jī)械手將物料進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)放置。

（2）物料周轉(zhuǎn)供應(yīng)模塊。設(shè)置工件放置和成品放置的位置、來(lái)料設(shè)置等，一共有兩種料框；墊片架用于裝載墊圈并自動(dòng)供應(yīng)墊圈至抓取位置。

（3）核心工藝模塊。實(shí)現(xiàn)過(guò)濾器裝配的各個(gè)工藝要求，主要包括：①以殼體外圓面為基準(zhǔn)固定，將密封墊套入安裝在殼體密封底面位置；②對(duì)過(guò)濾元件外螺紋位置（前兩扣螺紋除外）涂抹一薄層抗化學(xué)潤(rùn)滑脂，涂抹均勻，要求無(wú)堆積；③記錄過(guò)濾器裝配關(guān)系：殼體和過(guò)濾元件零件編號(hào)；④以過(guò)濾器殼體外六方為基準(zhǔn)固定，將過(guò)濾元件旋入過(guò)濾器殼體螺紋孔中，并旋緊。

（4）工作管理記錄模塊。實(shí)現(xiàn)裝配及工作過(guò)程的記錄，做到生產(chǎn)有記錄可以查詢，有問(wèn)題能進(jìn)行追溯。

所有功能模塊均由統(tǒng)一的控制器系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)接及控制，所有模塊均安裝并集成在同一個(gè)機(jī)架上，組成一個(gè)整體。在控制器的控制下，各模塊能統(tǒng)一協(xié)調(diào)的實(shí)現(xiàn)工作目標(biāo)。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)架設(shè)計(jì)

機(jī)架用于安裝所有的子系統(tǒng)，總體尺寸2000 mm×1200 mm×160 mm（圖2）。設(shè)備所有的部件、附件均安裝于機(jī)架上。機(jī)架主體機(jī)構(gòu)采用鋁型材組裝而成，包含可支撐腳輪、可轉(zhuǎn)角操作箱，前面有防護(hù)門，左側(cè)、右側(cè)、后側(cè)均有透明半防護(hù)板，內(nèi)有雙LED 機(jī)床專用防爆照明燈、蜂鳴器，配置有手持脈沖發(fā)生器。臺(tái)面采用不銹鋼304 材料。臺(tái)面上的擋條采用尼龍材質(zhì)。臺(tái)面上的走線槽采用鋁合金線槽。設(shè)備的操作盒用鋁合金制作，表面陽(yáng)極氧化處理。安裝于可轉(zhuǎn)角機(jī)架上，可根據(jù)需要調(diào)整操作角度。

圖2 機(jī)架效果圖

3.2 三軸機(jī)械手設(shè)計(jì)

三軸正交機(jī)械手用于帶動(dòng)升降氣爪進(jìn)行物料轉(zhuǎn)運(yùn)，機(jī)械手采用高精度雙導(dǎo)軌滾珠絲杠直線模組，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有堅(jiān)固耐用，高精度，適用于工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合。其結(jié)構(gòu)形式采用伺服電機(jī)+聯(lián)軸器+滾珠絲杠+雙直線導(dǎo)軌+直線導(dǎo)軌專用鋁合金型材。機(jī)械手如圖3 所示。

圖3 機(jī)械手

3.3 升降氣爪設(shè)計(jì)

升降氣爪包括升降滑臺(tái)氣缸、薄型滑臺(tái)手指氣缸和V形爪組成（圖4），具有升降和夾持物品的能力。氣爪位置傳感器用于檢測(cè)氣缸的位置，在自動(dòng)組裝工序中，通過(guò)檢測(cè)氣缸位置，可以幫助判斷工序中的異常狀態(tài)。參數(shù)包括：①升降氣缸升降行程75 mm。最大升降重量15 kg；②氣爪開合行程32 mm，最大抓取力12 kg；③升降氣缸及氣爪速度可調(diào)；④氣爪分為輕抓取和重抓取，輕抓取用于抓取銅墊圈防止變形；⑤最終執(zhí)行部位為V 形爪，不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)嵌有防滑膠墊；⑥氣爪位置傳感器，氣缸到位檢測(cè)；⑦防止誤動(dòng)作，工序過(guò)程中有誤動(dòng)作時(shí)能報(bào)警；⑧防止低氣壓，工作開始時(shí)發(fā)現(xiàn)氣壓過(guò)低會(huì)報(bào)警。

圖4 升降氣爪

3.4 螺紋擰緊設(shè)計(jì)

螺紋擰緊機(jī)用于將過(guò)濾器和殼體按照設(shè)定的扭矩等工藝要求組裝在一起（圖5）。實(shí)現(xiàn)的功能包括旋擰、夾持濾芯、檢測(cè)旋擰力矩、檢測(cè)旋擰螺紋長(zhǎng)度等。螺絲機(jī)擰緊機(jī)包括旋擰機(jī)，夾頭升降機(jī)。結(jié)構(gòu)形式：由旋擰機(jī)+夾頭升降機(jī)組成。旋擰機(jī)包括伺服電機(jī)、行星減速機(jī)、扭矩傳感器、聯(lián)軸器、旋擰頭等。夾頭升降機(jī)包括直線導(dǎo)軌和底板、伺服電機(jī)、滾珠絲杠及上夾頭等。擰緊機(jī)構(gòu)操作界面如圖6 所示。

圖5 擰緊機(jī)構(gòu)

圖6 擰緊機(jī)構(gòu)操作界面

3.5 激光測(cè)距設(shè)計(jì)

通過(guò)激光測(cè)距檢測(cè)直線距離，判斷是否存在，判斷濾芯料框的高度、底板高度、殼體料框的高度、底板高度、墊圈的高度、墊片架墊板的高度、墊片架圓柱的高度，通過(guò)墊片的高度和墊片架的高度計(jì)算出墊片的數(shù)量，根據(jù)墊片架墊板的高度確定墊片架的最高行程限值，測(cè)量涂油機(jī)的初始位置，通過(guò)殼體零件的高度判斷殼體零件的高度，通過(guò)殼體零件的高度和料框底板的高度確定殼體零件的抓取位置和抓取順序，通過(guò)濾芯的高度判斷濾芯的型號(hào)，根據(jù)濾芯的型號(hào)確定濾芯零件的抓住位置和順序。

3.6 料框設(shè)計(jì)

料框用于裝需要裝配的殼體和濾芯部件，所有部件均由不銹鋼制作而成，和零件接觸的部分均經(jīng)過(guò)噴砂和除油處理，防止刮傷零件表面，料框如圖7 所示。

圖7 料框

3.7 工業(yè)相機(jī)及圖像識(shí)別設(shè)計(jì)

利用軟件進(jìn)行字母及數(shù)字識(shí)別，圖像采集包括工業(yè)相機(jī)+鏡頭+光源+相機(jī)支架，用于識(shí)別殼體的產(chǎn)品型號(hào)及產(chǎn)品編號(hào)，識(shí)別濾芯的編號(hào)（圖8）。利用涂油機(jī)定位殼體和濾芯六方處，旋轉(zhuǎn)定位槽至特定角度，自動(dòng)識(shí)別零件激光刻字的型號(hào)、編號(hào)。

圖8 圖像識(shí)別

4 應(yīng)用效果

過(guò)濾器自動(dòng)裝配設(shè)備滿足了7 種某宇航型號(hào)過(guò)濾器的裝配需求，實(shí)現(xiàn)了柔性裝配。經(jīng)某宇航型號(hào)過(guò)濾器共計(jì)670 件的裝配及試驗(yàn)驗(yàn)證，零件編號(hào)識(shí)別及裝配關(guān)系記錄的正確率達(dá)到100%，裝配后高壓氣密性合格率100%。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)過(guò)濾器自動(dòng)裝配設(shè)備研究，解決過(guò)濾器裝配過(guò)程中一致性低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)零件自動(dòng)抓取、組裝，產(chǎn)品型號(hào)及批號(hào)識(shí)別，外螺紋自動(dòng)涂油，濾芯及殼體旋擰力矩精度可控、參數(shù)記錄及判斷，殼體型號(hào)及濾芯型號(hào)記錄、可存檔調(diào)用，提高產(chǎn)品的制造精度和一致性，提高生產(chǎn)效率。過(guò)濾器自動(dòng)裝配工裝研發(fā)成功的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其他產(chǎn)品自動(dòng)裝配工裝的開發(fā)具有指導(dǎo)意義。