由 博，王曉東

（1.吉林化工學(xué)院 航空工程學(xué)院，吉林 吉林 132102；2.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

1 引言

銜鐵組件具有控制精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器、船舶等領(lǐng)域使用的核心元件中，該組件各零件的加工精度和最終壓裝精度直接影響其所在系統(tǒng)性能的可靠性和穩(wěn)定性，因此不僅對(duì)銜鐵組件中各零件的加工精度提出了很高的要求，也對(duì)它的壓裝提出了很高的要求。但是長(zhǎng)期以來，銜鐵組件的壓裝一直由經(jīng)過訓(xùn)練的操作工人，在壓裝夾具等工裝的輔助下，依靠個(gè)人技能和經(jīng)驗(yàn)完成裝配作業(yè)。因此，手動(dòng)壓裝的勞動(dòng)強(qiáng)度大、對(duì)工人的技能要求高、裝配效率低，并且隨著生產(chǎn)批量的增加，裝配質(zhì)量一致性明顯下降，這就迫切需要研發(fā)自動(dòng)化精密壓裝設(shè)備，從而提高產(chǎn)品的壓裝質(zhì)量及其一致性。

現(xiàn)在，壓裝技術(shù)普遍應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、航空航天、船舶制造、兵器工業(yè)等領(lǐng)域[1]，因此國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者們進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[2]對(duì)加速度計(jì)中擺組件的重要組成部分—撓性片的壓裝過程進(jìn)行了仿真研究，并在仿真研究的基礎(chǔ)上研制了一套基于機(jī)器視覺和激光位移傳感器的微裝配系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過工控機(jī)控制激光位移傳感器采集裝配過程中撓性片的位移，實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)的位移控制精度優(yōu)于2μm。文獻(xiàn)[3]針對(duì)壓裝技術(shù)在機(jī)載傳感器相關(guān)組件壓裝方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究，綜合運(yùn)用微小型零件的夾持、精密定位、顯微視覺和在線測(cè)量等關(guān)鍵技術(shù)研制了光纖陀螺、加速度計(jì)的壓裝系統(tǒng)，提高了裝配精度及其質(zhì)量一致性。文獻(xiàn)[4-5]等針對(duì)平板類微小零件的裝配，研制了由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、真空夾持系統(tǒng)、顯微觀測(cè)系統(tǒng)和承載系統(tǒng)組成的微裝配系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)在裝配過程中出現(xiàn)的零件相對(duì)位置調(diào)整誤差、控制策略和軟件架構(gòu)進(jìn)行分析，說明了該系統(tǒng)中滿足使用要求。文獻(xiàn)[6]為了提高微裝配系統(tǒng)中光柵尺的測(cè)量精度，提出了時(shí)空轉(zhuǎn)換法，將對(duì)空間位移的測(cè)量轉(zhuǎn)換為對(duì)信號(hào)瞬時(shí)周期的測(cè)量，并通過實(shí)驗(yàn)證明了該方法的測(cè)量精度為±0.2581μm，優(yōu)于微裝配作業(yè)對(duì)位移測(cè)量精度的要求。文獻(xiàn)[7]針對(duì)微小孔軸類零件的裝配，研制了基于機(jī)器視覺和被動(dòng)柔順機(jī)構(gòu)的微裝配系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了微小孔軸類零件的自動(dòng)化裝配，提高了裝配效率和質(zhì)量，保證了裝配的穩(wěn)定性和可靠性。文獻(xiàn)[8]為了解決微裝配過程中存在的待壓裝零件結(jié)構(gòu)差異大、并行裝配等問題，研制了一套基于機(jī)器視覺的多機(jī)械手微裝配機(jī)器人系統(tǒng)，并使用該系統(tǒng)進(jìn)行微裝配實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以滿中既定的裝配要求。文獻(xiàn)[9]通過對(duì)點(diǎn)火靶半腔套裝工藝要求的分析，制定了裝配系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)并研制了微裝配系統(tǒng)樣機(jī)，利用該樣機(jī)對(duì)半腔套裝實(shí)驗(yàn)件進(jìn)行了裝配，組件裝配后同軸度為8μm、軸向與徑向夾角小于0．5°，從而證明了該系統(tǒng)可以滿足使用要求。文獻(xiàn)[10-11]等研制了銜鐵組件的精密自動(dòng)化壓裝設(shè)備，并在該設(shè)備進(jìn)行壓裝實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，裝配效率有明顯提高，但是采用該設(shè)備進(jìn)行壓裝作業(yè)時(shí)，零件間的對(duì)準(zhǔn)是人工完成的，就是降低了組件壓裝后的精度。

綜上所述，微小組件裝配作業(yè)普遍針對(duì)于各零件間為間隙配合的情況，所以需要測(cè)量和控制的是側(cè)向偏差和角度偏差，以避免裝配過程出現(xiàn)卡阻和楔緊現(xiàn)象，從而保證裝配作業(yè)能夠順利進(jìn)行。但對(duì)于軸孔類微小零件件過盈聯(lián)接的裝配，不僅要對(duì)上述兩項(xiàng)偏差進(jìn)行控制，還要對(duì)位移進(jìn)行精確地測(cè)量與控制。因此，如何保證裝配后組件的精度能夠滿足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求，從而保證精密微小組件過盈聯(lián)接的裝配質(zhì)量是亟待解決的問題。通過對(duì)目研究情況的分析，根據(jù)銜鐵組件過盈聯(lián)接的壓裝技術(shù)指標(biāo)要求，研制了一套自動(dòng)化精密壓裝設(shè)備，該設(shè)備基于機(jī)器視覺對(duì)準(zhǔn)方法，采用相關(guān)控制策略，實(shí)現(xiàn)了銜鐵組件的自動(dòng)化精密壓裝作業(yè)，同時(shí)保證了壓裝后組件的精度能夠滿足要求。

2 銜鐵組件精密壓裝設(shè)備

2.1 銜鐵組件結(jié)構(gòu)及壓裝要求

待壓裝銜鐵組件是電液伺服閥的核心部件，由銜鐵、彈簧管和反饋桿三個(gè)零件組成，各零件結(jié)構(gòu)，如圖1所示。銜鐵和彈簧管之間的過盈聯(lián)接基本尺寸是5mm，過盈量范圍是（12～14）μm；反饋桿和彈簧管之間過盈聯(lián)接基本尺寸是3mm，過盈量范圍是（5～8）μm。組件壓裝完成后，應(yīng)滿足的精度要求如下：銜鐵壓裝平行度≤±0．008mm，銜鐵壓裝高度≤±0．01mm 范圍內(nèi)，反饋桿壓裝高度≤±0．01mm范圍內(nèi)，具體情況，如圖2所示。

圖1 銜鐵組件壓裝Fig．1 The Press-Mounting Work of Armature Component

圖2 銜鐵組件壓裝精度要求Fig．2 The Press-Mounting Requests of Armature Component

2.2 精密壓裝設(shè)備設(shè)計(jì)

根據(jù)銜鐵組件壓裝要求，研制了一套自動(dòng)化精密壓裝設(shè)備，如圖3所示。該設(shè)備主要由直線推桿、機(jī)器視覺裝置、壓裝夾具裝置、光柵尺、力傳感器、XY位移平臺(tái)、回轉(zhuǎn)平臺(tái)等部分組成。為保證壓裝過程中的導(dǎo)向精度，壓裝設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)是以4根導(dǎo)向軸作為導(dǎo)向和支撐，移動(dòng)橫梁通過直線軸承與導(dǎo)向軸聯(lián)接，保證壓裝過程中高導(dǎo)向精度；力傳感器固定于光學(xué)平臺(tái)上，并與下橫梁相連；下橫梁通過直線軸承導(dǎo)向軸配合，處于上下浮動(dòng)狀態(tài)，壓裝力可以完全施加到壓力傳感器上，保證了壓裝力的測(cè)量；設(shè)備采用光柵尺測(cè)量壓裝位移，讀數(shù)頭固定于移動(dòng)橫梁上，光柵尺外殼通過型材固定，型材下端固定于下橫梁上，上端通過導(dǎo)向結(jié)構(gòu)緊靠在上橫梁上，處于上下浮動(dòng)狀態(tài)，避免壓裝過程中由于下橫梁產(chǎn)生微小位移引起額外應(yīng)力，并影響測(cè)量精度；機(jī)器視覺裝置用于檢測(cè)被壓裝零件對(duì)準(zhǔn)時(shí)的位置和姿態(tài)偏差；XY位移平臺(tái)和回轉(zhuǎn)平臺(tái)用于調(diào)整壓裝零件位置及姿態(tài)偏差；直線推桿將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，在壓裝過程中施加壓力。壓裝夾具裝置包括上、下兩部分，實(shí)現(xiàn)零件的夾持和定位。

圖3 銜鐵組件精密自動(dòng)化壓裝設(shè)備Fig．3 The Precise Automotive Press-Mounting Device of Armature Component

3 壓裝關(guān)鍵技術(shù)研究

通過對(duì)銜鐵組件壓裝精度要求分析可知，壓裝設(shè)備應(yīng)具備零件的偏擺抑制和壓裝位移的檢測(cè)功能，因此對(duì)實(shí)現(xiàn)上述功能的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

3.1 零件的偏擺抑制

壓裝設(shè)備中，移動(dòng)橫梁通過直線軸承與導(dǎo)向軸配合，在直線推桿的作用下沿導(dǎo)向軸上下移動(dòng)，完成壓裝作業(yè)。導(dǎo)向柱直徑30mm，直線度誤差為 0．01mm/100mm，尺寸公差為 g6（-0．007～-0．020），導(dǎo)向軸在購(gòu)買后，對(duì)其直線度進(jìn)行精度測(cè)量，并嚴(yán)格挑選，因此直線度誤差可控制在0．005mm/100mm，直線軸承內(nèi)徑公差（0～-0．010），最大間隙量為 0．01mm，考慮到受力變形等情況，間隙量取0．012mm，由于采用4根導(dǎo)向軸，故由間隙引起的誤差具有補(bǔ)償效果，通過測(cè)量軸承與導(dǎo)向軸之間的間隙可知，實(shí)際間隙為0．002mm，因此壓裝過程中的導(dǎo)向誤差為0．0054mm。根據(jù)銜鐵壓裝壓裝偏擺誤差的仿真結(jié)果可知，在不考慮零件本身因素的前提條件下，要求壓裝后銜鐵的平行度誤差小于0．01mm，需保證壓頭壓裝面平行度為16μm、銜鐵內(nèi)孔垂直度為1．5μm，而定位半圓套的頂圓環(huán)面與壓頭壓裝面之間的平行度在設(shè)備裝調(diào)時(shí)進(jìn)行修整，并將其控制在3μm之內(nèi)完全可行，這其中同時(shí)考慮為零件留有一定的形位公差，因此壓裝設(shè)備實(shí)現(xiàn)了偏擺抑制，從而保證銜鐵組件壓裝平行度。

3.2 壓裝位移的檢測(cè)

在組件壓裝過程中，設(shè)備需對(duì)施加的壓裝位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證壓裝穩(wěn)定性。壓裝位移檢測(cè)的功能是通過光柵尺對(duì)壓裝過程中移動(dòng)橫梁的位移進(jìn)行測(cè)量來實(shí)現(xiàn)的；與此同時(shí)，對(duì)壓裝過程中位移的有效控制也是通過它實(shí)現(xiàn)的。通過對(duì)壓裝位移的有效控制，保證了壓裝完成后零件間的相對(duì)位置關(guān)系滿足組件壓裝精度要求。光柵尺在實(shí)際使用過程中，安裝位置，如圖4所示。光柵尺讀數(shù)頭采用相應(yīng)的角鋁固定在移動(dòng)橫梁上，以保證在壓裝作業(yè)中，讀數(shù)頭與移動(dòng)橫梁同步運(yùn)動(dòng)。光柵尺安裝時(shí)，要注意與導(dǎo)向軸保持平行，這是保證光柵尺測(cè)量準(zhǔn)確的基本條件。安裝光柵尺的鋁合金型材與上橫梁之間用角鋁和墊片進(jìn)行固定，采用這種固定方式后，使鋁合金型材和上橫梁之間可以有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，避免由于壓裝過程中型材產(chǎn)生變形導(dǎo)致壓裝位移測(cè)量不準(zhǔn)確。由于光柵尺讀數(shù)頭與移動(dòng)橫梁相連，因此可以通過光柵尺實(shí)時(shí)反饋移動(dòng)橫梁的位置信息。而壓裝夾具（上部）安裝在移動(dòng)橫梁下表面，因此可以通過光柵尺反饋的位置信息控制壓裝夾具（上部）夾持零件運(yùn)動(dòng)到預(yù)期的壓裝位置。如果光柵尺反饋的位置信息不準(zhǔn)確，則壓裝后組件的高度尺寸精度無法保證，因此需要對(duì)光柵尺進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定工具有電感測(cè)微儀、磁性表座和量塊。標(biāo)定實(shí)物，如圖5所示。

圖4 光柵尺安裝位置Fig.4 The Assembly Location of Grating Ruler

圖5 光柵尺標(biāo)定Fig.5 The Calibration of Grating Ruler

標(biāo)定時(shí)首先將磁性表座固定在移動(dòng)橫梁下表面，將電感測(cè)微儀的測(cè)頭固定在磁性表座的表夾上，將一個(gè)1mm厚的量塊放在下橫梁的上表面，通過程序控制移動(dòng)橫梁向下運(yùn)動(dòng)，讓電感測(cè)微儀的測(cè)頭與量塊上表面，記錄此時(shí)的電感測(cè)微儀的數(shù)值A(chǔ)1和控制程序顯示的光柵尺讀數(shù)B1，再將量塊換成其他厚度（厚度值為D）的量塊，再通過程序控制移動(dòng)橫梁向下運(yùn)動(dòng)，使電感測(cè)微儀的側(cè)頭與量塊上表面接觸，記錄此時(shí)電感測(cè)微儀的數(shù)值A(chǔ)x和控制程序顯示的光柵尺讀數(shù)Bx。 因此移動(dòng)橫梁走的實(shí)際距離是：

通過比較L1和L2即可以得到光柵尺測(cè)得的距離和實(shí)際距離之間的差值。標(biāo)定中分別用1mm，2mm，3mm，4mm，5mm和10mm的量塊進(jìn)行標(biāo)定結(jié)果，如表1所示。將表1中的數(shù)據(jù)分別帶入到上兩式中，通過計(jì)算得到光柵尺的測(cè)量距離和實(shí)際距離，并得到二者之間的差值，具體結(jié)果，如表2所示。通過表中的數(shù)值可以看到移動(dòng)橫梁運(yùn)行9mm范圍內(nèi)光柵尺測(cè)得的距離與實(shí)際距離之間的差值都小于3μm，明顯小于壓裝后組件高度尺寸的精度要求±0.01mm。

表1 光柵尺標(biāo)定數(shù)據(jù)Tab.1 The Calibration Data of Grating Ruler

表2 光柵尺測(cè)量誤差數(shù)據(jù)Tab.2 The Detection Error Data of Grating Ruler

4 壓裝實(shí)驗(yàn)研究

利用上述研制的壓裝設(shè)備對(duì)10套銜鐵組件進(jìn)行壓裝實(shí)驗(yàn)，壓裝完成后對(duì)銜鐵壓裝平行度、銜鐵壓裝高度、反饋桿壓裝高度進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)上述精度指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果判斷壓裝質(zhì)量是否合格，具體結(jié)果，如表3所示。

表3 銜鐵組件壓裝精度檢測(cè)結(jié)果Tab.3 The Detection Results of Armature Component Press-Mounting Precision

5 結(jié)論

針對(duì)銜鐵組件的壓裝精度指標(biāo)要求，研制了相應(yīng)的精密自動(dòng)化壓裝設(shè)備。通過研究壓裝位移的檢測(cè)、零件在壓裝過程中的偏擺抑制，使壓裝設(shè)備滿足了銜鐵組件的壓裝精度指標(biāo)要求。對(duì)10套銜鐵組件進(jìn)行了壓裝實(shí)驗(yàn)，壓裝結(jié)果表明：銜鐵壓裝平行度≤（±0.008）mm、銜鐵壓裝高度＜（±0.01）mm、反饋桿的壓裝高度≤（±0.01）mm。組件壓裝精度滿足使用要求，壓裝設(shè)備能夠完成銜鐵組件高精度壓裝作業(yè)。

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