楊 波，何瑩瑩，趙海洋

（上海航天精密機(jī)械研究所，上海 210160）

發(fā)射筒前蓋定量涂膠工藝裝備研究

楊 波，何瑩瑩，趙海洋

（上海航天精密機(jī)械研究所，上海 210160）

針對(duì)發(fā)射筒前蓋涂膠效率低、涂膠質(zhì)量參差不齊的問題，在分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和定量涂膠機(jī)理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一臺(tái)自動(dòng)化涂膠工藝裝備，實(shí)現(xiàn)了涂膠過程的自動(dòng)化以及涂膠量的全過程實(shí)時(shí)控制。初步工藝試驗(yàn)表明，工藝裝備在總體結(jié)構(gòu)、涂膠效率、涂膠質(zhì)量等方面均滿足使用要求。

定量涂膠；工藝裝備；涂膠效率

0 引言

發(fā)射筒是某航天產(chǎn)品發(fā)射前的貯存裝置，發(fā)射前筒內(nèi)充滿惰性氣體，以保證某航天產(chǎn)品處于適宜的溫度濕度環(huán)境中，有利于延長(zhǎng)航天產(chǎn)品的貯存壽命[1,2]。發(fā)射筒的各部件連接處的氣密性是評(píng)價(jià)發(fā)射筒性能的重要指標(biāo)。因采用膠粘工藝，發(fā)射筒前蓋是氣密性最薄弱的部位之一，而且膠粘過程屬于特殊工藝過程，如果前蓋涂膠量不均勻，則與蓋環(huán)粘結(jié)過程容易產(chǎn)生氣泡，降低膠粘的氣密性指標(biāo)。

目前大部分發(fā)射筒前蓋的膠粘過程均采用手工涂膠方式（前蓋膠粘如圖1所示），現(xiàn)有的膠粘結(jié)過程為：兩個(gè)操作工同時(shí)操作，其中一個(gè)手扶著蓋環(huán)回轉(zhuǎn)，另一個(gè)用注射器吸膠后對(duì)準(zhǔn)蓋環(huán)邊沿進(jìn)行噴膠注射，注射后，將前蓋體和蓋環(huán)刻線對(duì)齊并稍微壓緊，并將溢出在蓋環(huán)四周的膠量刮除，最終將對(duì)接好的前蓋放在壓緊工裝上進(jìn)行膠固化。手工涂膠方式存在以下問題：

圖1 前蓋膠結(jié)圖

1）涂膠工藝不具有可量化性，同批次產(chǎn)品膠粘質(zhì)量參差不齊。注膠由工人憑靠自己經(jīng)驗(yàn)控制，受人的影響程度大，出膠量不可控，導(dǎo)致前蓋膠粘的氣密性質(zhì)量不穩(wěn)定。

2）生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度較低，不適應(yīng)日益增長(zhǎng)的航天產(chǎn)品批產(chǎn)需求。一方面，點(diǎn)膠過程需兩個(gè)工人共同操作；另一方面，在實(shí)際的粘接過程中，通常為了保證前蓋的氣密和粘接強(qiáng)度，點(diǎn)膠量較多，使得需要增加刮膠操作，降低了生產(chǎn)效率。

為滿足航天產(chǎn)品批產(chǎn)需求，達(dá)到提高產(chǎn)品膠粘效率和膠粘質(zhì)量的目的，本文在分析膠量均勻性控制方法的基礎(chǔ)上，提出了自動(dòng)化涂膠工藝裝備的總體方案，并進(jìn)行了大量的工藝試驗(yàn)。

1 自動(dòng)化涂膠原理分析

由上述前蓋膠粘存在的問題可知，自動(dòng)化涂膠工藝裝備主要涉及軌跡規(guī)劃和膠量定量控制兩個(gè)功能。根據(jù)前蓋外形特征和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)條件約束，工藝裝備采用運(yùn)動(dòng)軌跡圓弧插補(bǔ)技術(shù)和低壓氣源壓力閉環(huán)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)涂膠過程的準(zhǔn)確定量控制。

1.1 涂膠軌跡控制原理

涂膠軌跡控制技術(shù)此設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，數(shù)字積分法是目前應(yīng)用最廣泛的圓弧插補(bǔ)方法，它具有運(yùn)算速度快、脈沖分配均勻、易于實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)[3,4]。

本文采用4段圓弧擬合的方式規(guī)劃整個(gè)圓環(huán)軌跡。以第一象限逆圓為例（如圖2所示），起始點(diǎn)在A（X0,Y0）,圓弧半徑為R，B（Xi,Yi）為圓弧上的任意一點(diǎn)，則圓方程為：

圖2 逆圓示意圖

設(shè)B點(diǎn)的移動(dòng)速度為V，分速度分別為VX，VY。

單位時(shí)間內(nèi)，X、Y方向的位移量分別為：

速度恒定不變時(shí)，B（Xi,Yi）坐標(biāo)為：

逆圓在每個(gè)象限內(nèi)插補(bǔ)函數(shù)的符號(hào)如表1所示。

表1 每個(gè)象限內(nèi)坐標(biāo)軸增量符號(hào)表

1.2 膠量壓力閉環(huán)控制原理

假設(shè)氣體壓力控制器出口壓力為P，針筒出膠速度為V1，針筒的橫截面積為S，膠的密度為ρ，如圖3所示。則氣體壓力作用在膠上的力為：

圖3 針筒膠控制示意圖

忽略摩擦力做功，根據(jù)能量守恒，單位時(shí)間內(nèi)氣體對(duì)膠做功等于針頭處膠的動(dòng)能：

由上式可知，出膠速度與針筒內(nèi)的氣體壓力成一定的比例關(guān)系，而出膠速度代表出膠量的均勻性。膠量壓力閉環(huán)控制可保證涂膠量的均勻性，提高膠粘的質(zhì)量。

2 自動(dòng)化涂膠工藝裝備總體設(shè)計(jì)

通過分析涂膠軌跡圓形軌跡擬合方法以及膠量定量控制原理，進(jìn)一步明確了自動(dòng)化涂膠工藝裝備的功能需求[5]，本文設(shè)計(jì)了一套基于微型數(shù)控系統(tǒng)的自動(dòng)化涂膠工藝裝備，如圖4所示。

圖4 自動(dòng)化涂膠工藝裝備

2.1 三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂

三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂有X軸、Y軸、Z軸三個(gè)運(yùn)動(dòng)方向，Z軸可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)膠針筒的上下調(diào)節(jié)，X/Y軸機(jī)械臂插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)圓形軌跡點(diǎn)膠。根據(jù)膠粘產(chǎn)品的尺寸，X軸、Y軸機(jī)械臂的有效行程至少為300mm，Z軸機(jī)械臂的高度調(diào)節(jié)滿足凸臺(tái)涂膠需求。本設(shè)計(jì)選用線性模組（圖5）作為機(jī)械臂的主要組件，線性模組采用絲杠傳動(dòng)，導(dǎo)軌采用精密線性滑塊導(dǎo)軌，X軸、Z軸機(jī)械臂型號(hào)為WN410TA，Y軸機(jī)械臂型號(hào)為WN420TA。其機(jī)械參數(shù)如表2所示。

圖5 三軸機(jī)械臂線性模組

表2 三軸機(jī)械臂線性模組參數(shù)

2）針筒安裝定位夾具

如圖6所示，針筒安裝定位夾具用于安裝固定點(diǎn)膠針筒。針筒的安裝的穩(wěn)定性對(duì)涂膠質(zhì)量有很大影響，主要體現(xiàn)在兩方面：

圖6 針筒安裝定位夾具

（1）上下?lián)醢迮c夾具平板的垂直度影響出膠針頭的運(yùn)動(dòng)軌跡，垂直度偏差過大會(huì)導(dǎo)致涂膠過程中膠嘴超出蓋環(huán)凸臺(tái)范圍，膠體落在蓋環(huán)外表面。

（2）上下?lián)醢鍖?duì)針筒的定位穩(wěn)定性影響涂膠質(zhì)量。三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的涂膠是以膠頭出膠點(diǎn)的坐標(biāo)為基準(zhǔn)進(jìn)行軌跡規(guī)劃的，如果針筒定位不牢固，會(huì)導(dǎo)致出膠頭位置不固定，甚至膠頭在運(yùn)動(dòng)過程中與蓋環(huán)發(fā)生物理干涉。

本設(shè)計(jì)要求上下?lián)醢迮c夾具平板的平面垂直度控制在0.005mm，并且采用上下?lián)醢骞潭ǖ姆绞?，選擇固定型號(hào)的針筒和針頭，下?lián)醢迤鹣尬还潭ㄗ饔茫蠐醢宥ㄎ豢鬃骰鶞?zhǔn)定位，保證涂膠過程出膠針頭坐標(biāo)位置誤差控制在合理范圍內(nèi)。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化涂膠工藝裝備的控制系統(tǒng)主要分為兩部分，一部分是三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂的聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，一部分是點(diǎn)膠機(jī)系統(tǒng)的膠量定量控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能主要有：

1）自動(dòng)化涂膠工藝裝備應(yīng)用對(duì)象是圓環(huán)類產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)對(duì)圓環(huán)產(chǎn)品的涂膠。控制系統(tǒng)具備圓弧插補(bǔ)、參數(shù)可調(diào)、自動(dòng)/手動(dòng)運(yùn)行、離線編程等功能。

2）膠量定量控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)出膠量的穩(wěn)定輸出，可實(shí)時(shí)調(diào)整出膠量。

本設(shè)計(jì)采用如圖7所示的控制架構(gòu)。主控制器選用TC55C系列四軸運(yùn)動(dòng)控制器，控制精度為0.001mm，具有四軸直線插補(bǔ)聯(lián)動(dòng)功能，二軸圓弧插補(bǔ)功能；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選用安川公司的高精度伺服驅(qū)動(dòng)器和高響應(yīng)速度伺服電機(jī)，與三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂的技術(shù)參數(shù)匹配。

膠量定量控制系統(tǒng)選用HYD-2000點(diǎn)膠控制器，系統(tǒng)配置氣體壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)膠量壓力閉環(huán)控制。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)置真空回路控制系統(tǒng)，可以在針筒內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，放置膠料漏滴。

3 涂膠工藝試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證工藝裝備的可適用性，本文進(jìn)行了初步的涂膠工藝摸索。試驗(yàn)配置了實(shí)際產(chǎn)品使用的專用膠，確定了涂膠工藝運(yùn)動(dòng)軌跡，通過不同氣體壓力和運(yùn)動(dòng)速度的組合，使用工藝蓋環(huán)進(jìn)行了大量的工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)情況如圖8所示。

圖7 控制系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖8 壓力一定條件下出膠量與移動(dòng)速度關(guān)系

從圖中可以看出，在固定的移動(dòng)速度條件下，隨著氣體壓力的增大，出膠量也會(huì)隨之增大，這驗(yàn)證了工藝裝備的出膠量是可控的，后續(xù)試驗(yàn)過程中將進(jìn)一步摸索合適的工藝參數(shù)，使量化的膠量參數(shù)符合實(shí)際生產(chǎn)需要。

以移動(dòng)速度為600mm/min，壓力為0.4MPa和移動(dòng)速度500mm/min，壓力為0.3MPa條件下的涂膠試驗(yàn)為例，試驗(yàn)效果實(shí)物圖如圖9所示。

圖9 工藝試驗(yàn)實(shí)物圖

從上圖可以看出，在移動(dòng)速度為600mm/min，壓力為0.4MPa和移動(dòng)速度500mm/min，壓力為0.3MPa條件下膠體均勻的分布在蓋環(huán)凸臺(tái)上，蓋環(huán)圓周表面整潔，減小了涂膠完成后刮膠工作量，提高了涂膠質(zhì)量一致性和涂膠效率。

4 結(jié)束語

針對(duì)現(xiàn)有的涂膠工藝存在的問題，本文詳細(xì)分析了定量涂膠原理和運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃原理，得出了對(duì)自動(dòng)化工

【】【】藝裝備的技術(shù)要求，最終設(shè)計(jì)了一臺(tái)自動(dòng)化定量涂膠工藝裝備。工藝試驗(yàn)表明，工藝裝備可以實(shí)現(xiàn)圓環(huán)路徑規(guī)劃和定量涂膠功能。相對(duì)于手工涂膠，自動(dòng)化涂膠方式涂膠均勻性和涂膠效率有了大幅提高。

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The research of quantitative gumming technology equipment of barrel front cover

YANG Bo, HE Ying-ying, ZHAO Hai-yang

TH16

A

1009-0134(2016)12-0097-04

2016-07-29

楊波（1988 -），男，山東濰坊人，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)榉菢?biāo)工藝裝備設(shè)計(jì)。