沙歐

（中國(guó)科學(xué)研究院長(zhǎng)春光機(jī)所光電技術(shù)研發(fā)中心，吉林長(zhǎng)春　130033）

標(biāo)尺光柵自動(dòng)化裝配關(guān)鍵技術(shù)研究及設(shè)備的研制

沙歐

（中國(guó)科學(xué)研究院長(zhǎng)春光機(jī)所光電技術(shù)研發(fā)中心，吉林長(zhǎng)春130033）

光柵尺是數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的核心部件，論文對(duì)標(biāo)尺光柵的安裝工藝與過(guò)程作了深入調(diào)研，對(duì)當(dāng)前的人工裝配工藝的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。結(jié)合人工裝配過(guò)程的優(yōu)勢(shì)，提出了標(biāo)尺光柵的自動(dòng)化裝配方案，該方案能夠完成待裝配工件的傳送、預(yù)裝配、高精度裝配以及恒壓保持等完整的裝配工序。在此基礎(chǔ)上，論文進(jìn)行了工藝實(shí)驗(yàn)并完成了標(biāo)尺光柵自動(dòng)化裝配線的設(shè)計(jì)。

光柵尺；標(biāo)尺光柵；裝配；點(diǎn)膠

0　引言

光柵尺是一種高精度位移傳感器，是根據(jù)光柵原理設(shè)計(jì)而成的位置測(cè)量裝置，一般用于數(shù)控機(jī)床的伺服控制系統(tǒng)中。光柵尺主要由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩大部分組成，機(jī)床工作時(shí)帶動(dòng)標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，讀數(shù)頭內(nèi)的傳感器對(duì)光柵條紋進(jìn)行檢測(cè)和判讀，從而確定出標(biāo)尺光柵和讀數(shù)頭的相對(duì)位置，即可確定機(jī)床的位置信息。光柵尺位置檢測(cè)精度目前已達(dá)到0.5μm，由于光柵尺屬于高精度的光機(jī)電產(chǎn)品，其測(cè)量精度受到各種因素的影響較大，主要有：光柵部件的制造與安裝精度、機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工質(zhì)量以及電子器件的可靠性等。

光柵尺標(biāo)尺光柵的裝配是光柵尺生產(chǎn)環(huán)節(jié)的重要一步，其過(guò)程是將檢測(cè)合格的標(biāo)尺光柵粘接到尺殼的粘接面上，要求粘接劑涂抹均勻，粘接劑凝固后粘接層厚度一致，且粘接質(zhì)量可靠。目前，光柵尺標(biāo)尺光柵的裝配主要由人工完成，這對(duì)工人操作技能和經(jīng)驗(yàn)要求較高，受工人操作技能的限制，也容易出現(xiàn)裝配質(zhì)量參差不齊的情況。本文對(duì)人工裝配工藝和流程做了深入調(diào)研，結(jié)合人工裝配工藝的優(yōu)勢(shì)，提出了標(biāo)尺光柵的自動(dòng)化裝配方案，并在此基礎(chǔ)上完成了自動(dòng)裝配線的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)工作。

1　人工裝配方案

目前，光柵尺標(biāo)尺光柵的裝配主要由熟練工人借助簡(jiǎn)易工具進(jìn)行操作，裝配過(guò)程一般為：工人首先在尺殼的粘接面上均勻涂抹專用粘接劑，然后手持標(biāo)尺光柵的兩端將其放置到粘接面位置，再用竹片壓緊標(biāo)尺光柵并往復(fù)滑動(dòng)數(shù)次，使標(biāo)尺光柵與粘接面緊密貼合，最后根據(jù)尺殼的不同截面形狀，將裝配好光柵尺以不同的角度放置24小時(shí)以上等待粘結(jié)劑凝固即可。上述過(guò)程中最為關(guān)鍵的步驟是涂膠和壓緊，涂膠時(shí)要求涂抹均勻，否則會(huì)由于膠層厚度不一致引起測(cè)量誤差；在壓緊時(shí)要求用力適度且均勻，否則也會(huì)造成膠層厚度的變化。一般情況下，量程較短的光柵尺，人工裝配可以達(dá)到較高的精度，當(dāng)量程超過(guò)500mm時(shí)，工人在操作時(shí)必然會(huì)出現(xiàn)停頓，這會(huì)導(dǎo)致出膠量和壓緊力的變化，從而帶來(lái)誤差。

人工裝配標(biāo)尺光柵具有較強(qiáng)的靈活性，可隨時(shí)應(yīng)對(duì)不同規(guī)格的光柵尺裝配要求，這是人工裝配的優(yōu)勢(shì)。然而裝配高精度、大量程的光柵尺，人工裝配則難以保證所需精度，因此，要制造高精度大量程的光柵尺，就需要對(duì)當(dāng)前的裝配工藝進(jìn)行改進(jìn)。

2　自動(dòng)化裝配方案

如上所述，鑒于標(biāo)尺光柵的人工裝配工藝中出膠量和壓緊力的不均勻性，難以生產(chǎn)出更高精度的光柵尺，本文參照人工裝配過(guò)程，結(jié)合自動(dòng)化裝配設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，提出了光柵尺標(biāo)尺光柵的自動(dòng)化裝配方案。

2.1自動(dòng)化裝配工藝流程設(shè)計(jì)

自動(dòng)化裝配工藝流程設(shè)計(jì)：①尺殼進(jìn)料并裝夾固定；②標(biāo)尺光柵同時(shí)進(jìn)料，用吸盤(pán)吸附固定；③尺殼正向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)點(diǎn)膠機(jī)在粘接面上涂膠，標(biāo)尺光柵也同步進(jìn)入尺殼內(nèi)腔；④吸盤(pán)小角度擺動(dòng)后將標(biāo)尺光柵放置到尺殼粘接面上并初步壓緊；⑤吸盤(pán)放氣并反向擺動(dòng)退回原位，尺殼與標(biāo)尺光柵已粘接為一體；⑥尺殼與標(biāo)尺光柵同步反向進(jìn)給，壓緊模塊進(jìn)入尺殼內(nèi)腔并與內(nèi)腔配合，進(jìn)行完全壓緊操作，此步驟可根據(jù)情況反復(fù)若干次；壓緊模塊進(jìn)入尺殼使，將保壓軟管帶入；⑦反向進(jìn)給完成后，對(duì)軟管充氣，軟管膨脹將標(biāo)尺光柵與粘接面壓緊，保壓24小時(shí)；⑧帶粘接劑凝固后，取出軟管，裝配完成。

該裝配流程是在人工裝配基礎(chǔ)上的改進(jìn)。手持標(biāo)尺光柵兩端進(jìn)行裝配時(shí)，光柵由于自重會(huì)彎曲，引入誤差，自動(dòng)化裝配方案中采用了吸盤(pán)多點(diǎn)夾持的方式，大大降低了光柵的彎曲程度。尺殼正向勻速進(jìn)給與點(diǎn)膠機(jī)勻速出膠保證了點(diǎn)膠均勻一致，而改進(jìn)后的點(diǎn)膠針頭能夠更好地將粘接劑分散到粘接面上。尺殼反向進(jìn)給時(shí)，壓緊模塊特有的形狀與尺殼內(nèi)腔配合能夠均勻施力將光柵壓緊到尺殼上，避免了人工壓緊施力不均勻的情況，而通過(guò)變換壓緊模塊能夠調(diào)整壓緊力大小。軟管充氣膨脹可保持一定壓力壓緊光柵，相對(duì)于人工裝配后的彈簧片保壓，施力均勻而且可控。

2.2工藝實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證上述方案的可行性并確定相關(guān)設(shè)備與部件的型號(hào)規(guī)格，進(jìn)行了相關(guān)的工藝實(shí)驗(yàn)，包括：點(diǎn)膠設(shè)備實(shí)驗(yàn)、吸盤(pán)吸附實(shí)現(xiàn)、壓緊模塊實(shí)驗(yàn)。

（1）點(diǎn)膠設(shè)備實(shí)驗(yàn)。點(diǎn)膠設(shè)備實(shí)驗(yàn)的目的首先是驗(yàn)證點(diǎn)膠方案的可行性，進(jìn)而根據(jù)粘接面積確定進(jìn)給速度與出膠量最佳配合值，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)點(diǎn)膠針頭進(jìn)行改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)器材有：標(biāo)準(zhǔn)尺殼、各種規(guī)格針頭若干、點(diǎn)膠機(jī)一臺(tái)及伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)如圖1所示。

圖1　點(diǎn)膠機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Experiment of gluing machinery

（2）吸盤(pán)吸附實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證標(biāo)尺光柵吸盤(pán)吸附方案的可行性，進(jìn)而確定吸盤(pán)尺寸與真空壓力的大小。實(shí)驗(yàn)室更換不同規(guī)格的吸盤(pán)并改變吸盤(pán)分布方式，觀察吸附光柵作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，認(rèn)為吸盤(pán)吸附方案具有可行性，同時(shí)確定了較好的吸盤(pán)尺寸和分布方式。

（3）壓緊模塊實(shí)驗(yàn)。壓緊模塊是根據(jù)尺殼內(nèi)腔截面加工的專用模塊，模塊分為三部分：楔形前段用于使模塊準(zhǔn)確與尺殼內(nèi)腔配合；中段尺寸與內(nèi)腔尺寸相配合，用于壓緊光柵；尾段稍長(zhǎng)，使模塊與尺殼緩慢分離，保證壓緊質(zhì)量。壓緊實(shí)驗(yàn)的目的是驗(yàn)證該方案可行性并確定模塊與尺殼的最佳相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。壓緊模塊如圖2、圖3所示。

圖2　壓緊模塊Fig.2 Clamp module

圖3　壓緊模塊與尺殼配合示意圖Fig.3 A clamp module matches a scale shell

標(biāo)尺光柵自動(dòng)化裝配繼承了人工裝配工藝的優(yōu)勢(shì)，并通過(guò)可靠的控制和執(zhí)行機(jī)構(gòu)大大降低了裝配誤差，提高了裝配精度和質(zhì)量。通過(guò)工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述方案的可行性并確定了相關(guān)的設(shè)備規(guī)格與技術(shù)參數(shù)，為標(biāo)尺光柵的自動(dòng)化裝配線的研制提供了依據(jù)。

3　自動(dòng)裝配線設(shè)計(jì)

3.1自動(dòng)化裝配線的組成

圖4　整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The whole machine structure

自動(dòng)化裝配線的整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示。根據(jù)自動(dòng)化裝配工藝和流程，本文設(shè)計(jì)完成了自動(dòng)化裝配線。裝配線主要組成部分：①運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)：滑臺(tái)、導(dǎo)軌、夾具、伺服電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等，負(fù)責(zé)尺殼的正反向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；②機(jī)械手：載物臺(tái)、自盤(pán)支架、吸盤(pán)及其附件等，負(fù)責(zé)吸附和運(yùn)送標(biāo)尺光柵；③定位壓緊機(jī)構(gòu)：專用壓緊模塊、真空軟管、輔助運(yùn)動(dòng)部件，用于裝配標(biāo)尺光柵后壓緊，是定位可靠；④點(diǎn)膠機(jī)：根據(jù)控制系統(tǒng)指令點(diǎn)膠。

3.2工藝流程

圖5　自動(dòng)化裝配流程圖Fig.5 The flow of automated assembly

自動(dòng)化裝配線的工作流程如下：①標(biāo)尺光柵經(jīng)輸送機(jī)構(gòu)到達(dá)初始位置，吸盤(pán)機(jī)械手吸起標(biāo)尺光柵到達(dá)預(yù)定工位；②送料機(jī)構(gòu)將尺殼裝夾到工作滑臺(tái)上，滑臺(tái)帶動(dòng)尺殼正向（向標(biāo)尺光柵的方向）運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中點(diǎn)膠機(jī)在尺殼的粘接面上點(diǎn)膠，到達(dá)與標(biāo)尺光柵重合的位置之后保持靜止；③吸盤(pán)放氣，使標(biāo)尺光柵落到尺殼的粘接面上，兩端的限位機(jī)構(gòu)對(duì)標(biāo)尺光柵限位，保持其和尺殼的相對(duì)靜止；④壓緊模塊到達(dá)與尺殼配合的工位；⑤滑臺(tái)反向進(jìn)給，標(biāo)尺光柵隨尺殼反向運(yùn)動(dòng)，壓緊模塊對(duì)標(biāo)尺光柵作精確定位壓緊；⑥在反向進(jìn)給時(shí)，在標(biāo)尺光柵和尺殼間由壓緊模塊引入一根抽真空的硅膠軟管，壓緊模塊將標(biāo)尺光柵壓緊完畢后，對(duì)軟管充氣，軟管膨脹壓緊標(biāo)尺光柵，在凝固期間起定位壓緊的作用；⑦卸載完成粘接的尺殼，即完成本次裝配，進(jìn)行下一工作循環(huán)。

3.3設(shè)備兼容性

該設(shè)計(jì)方案對(duì)以下兩種情況具有良好的兼容性：①直接兼容：尺殼長(zhǎng)度變化而型腔不變時(shí)，可直接兼容，僅需在控制系統(tǒng)中設(shè)定長(zhǎng)度參數(shù)即可；②調(diào)整夾具：尺殼型腔變化不大時(shí)，需要調(diào)整夾具的工作間距；③一般情況下，當(dāng)尺殼形狀變化較大時(shí)，通過(guò)更換專用夾具后亦可兼容。

4　結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)已成為世界的制造大國(guó)，然而并非制造強(qiáng)國(guó)，制造水平的提升亟需大力研發(fā)高檔數(shù)控機(jī)床，光柵尺作為機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的核心功能部件，其研發(fā)生產(chǎn)能力對(duì)工業(yè)發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。長(zhǎng)春光機(jī)所在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了光柵尺和絕對(duì)式光柵尺的研制工作，取得了一系列的成果，然而在高精度光柵尺的研制方面還有欠缺。我所開(kāi)展光柵尺研究較早，目前所用的設(shè)備部分已經(jīng)老化，為進(jìn)一步提升光柵尺制造能力，開(kāi)展了新一代裝備的研制工作。

標(biāo)尺光柵自動(dòng)化裝配設(shè)備是光柵尺自動(dòng)化生產(chǎn)線的一個(gè)重要組成部分，負(fù)責(zé)將檢測(cè)合格的標(biāo)尺光柵裝配到尺殼中，本文深入調(diào)研了當(dāng)前的人工裝配工藝，提出了標(biāo)尺光柵自動(dòng)化裝配并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了認(rèn)真分析研究和相關(guān)工藝實(shí)驗(yàn)，完成了標(biāo)尺光柵自動(dòng)化裝配線的設(shè)計(jì)與研制。

［1］孫強(qiáng).高精度絕對(duì)式光柵尺研究進(jìn)展及技術(shù)難點(diǎn)［J］.世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)，2012，5.

［2］呂桂志，任工昌，丁濤，等.基于TRIZ技術(shù)進(jìn)化分析點(diǎn)膠機(jī)的演進(jìn)［J］.工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2008，5.

［3］Asymtek Nordson Company.Control Coat Dispenser Wide Pattern Conformal Coating Capability［EB/OL］.Asymtek Nordson Company，［2009-09-17］.www.asymtek.com.

［4］深圳市世椿自動(dòng)化設(shè)備有限公司.桌面型點(diǎn)膠機(jī)SEC-500EDY［EB/OL］.深圳市世椿自動(dòng)化設(shè)備有限公司首頁(yè)/產(chǎn)品中心，［2014-9-16］.http://www.second-auto.com/desktop-dispenser/145.html.

［5］馬俊.四自由度點(diǎn)膠機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與路徑規(guī)劃研究［D］.合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.

Research of the Key Techniques and Design of the Liner Scale Automated Assembly

SHA Ou
（Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun Jilin 130033，China）

Liner scale is the core component of NC machine tool control system.In this paper，the research of a scale grating installation technology and process is conducted.Advantages and disadvantages of the current manual assembly process are briefly analyzed.Combined with the advantages of manual assembly process，the scale grating automated assembly plan is put forward.The scheme can complete the complete assembly processes such as transmission of artifacts for assembled，prefabrication，high precision assembly，constant pressure to keep and so on. On this basis，this paper carried a series of experiments of the scheme，and completed the design of a scale grating automated assembly line.

liner scale；scale grating；assembly；gelatinizing

TP27

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.06.048

1002-6673（2015）06-133-03

2015-10-19

沙歐（1985-），男，助理研究員。研究方向：光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)計(jì)。研究課題：①三維掃描儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；②光柵尺自動(dòng)化裝配工藝研究；③光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。已發(fā)表論文一篇。