石 健，李建剛，張瑞鋒，王連春，王 順

（北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，北京 100094）

公司核電站數(shù)字化和睦系統(tǒng)中，板卡面板指示燈用于反饋電子組件的工作狀態(tài)。面板指示燈采用導(dǎo)光柱進(jìn)行導(dǎo)光，導(dǎo)光柱和面板通過(guò)熱鉚工藝及螺裝工藝裝配為成品，采用以上裝配工藝的板卡種類(lèi)占公司生產(chǎn)總量的80%以上。導(dǎo)光柱和面板結(jié)構(gòu)件是定制物料，當(dāng)前在手動(dòng)裝配過(guò)程中，導(dǎo)光柱安裝在熱鉚、面板安裝和螺裝工序之間周轉(zhuǎn)，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低的問(wèn)題比較突出。因此，解決手動(dòng)生產(chǎn)效率低的問(wèn)題顯得尤為重要。通過(guò)實(shí)現(xiàn)板卡熱鉚工藝和螺裝工藝的自動(dòng)裝配，以及同時(shí)操作兩個(gè)工序的方法研究，作為解決問(wèn)題的方向。

1 板卡面板裝配的現(xiàn)狀

當(dāng)前板卡手動(dòng)裝配操作過(guò)程，如圖1所示：①將導(dǎo)光柱放入板卡的通孔；②將板卡翻面平放在桌面上，用手指抵住導(dǎo)光柱，手持烙鐵將導(dǎo)光柱管腳熱鉚；③板卡螺孔與面板結(jié)構(gòu)件螺孔對(duì)齊；④將板卡翻面平放在桌面上，手扶保持狀態(tài)；⑤將螺釘放置在螺孔處，使用電批緊固螺釘。手動(dòng)操作步驟多，生產(chǎn)效率提升空間受限；熱鉚和螺裝的生產(chǎn)節(jié)拍不匹配，導(dǎo)致裝配存在周轉(zhuǎn)等待時(shí)間，且占用雙倍的人員配置。

圖1 手動(dòng)裝配示意圖Fig.1 Manual assembly sketch map

市場(chǎng)有龍門(mén)架結(jié)構(gòu)熱鉚和螺裝的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備不具備組合功能，無(wú)法有效解決遇到的問(wèn)題。通過(guò)設(shè)計(jì)一種實(shí)現(xiàn)板卡熱鉚工藝、螺裝工藝和工序周轉(zhuǎn)自動(dòng)裝配裝置，作為解決問(wèn)題的途徑。

2 面板自動(dòng)裝配裝置的設(shè)計(jì)

主要從板卡裝配自動(dòng)裝置的工作原理和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行闡述。

2.1 工作過(guò)程

自動(dòng)裝配裝置主要有5部分組成，如圖2所示。其中包含：工業(yè)計(jì)算機(jī)、PLC、4工位轉(zhuǎn)動(dòng)傳輸平臺(tái)[1]、導(dǎo)光柱熱鉚模組和面板螺裝模組。

圖2 工作原理示意圖Fig.2 Working principle sketch map

1）通過(guò)工業(yè)計(jì)算機(jī)選擇加工程序，按下啟動(dòng)按鈕后，PLC控制4工位轉(zhuǎn)動(dòng)傳輸平臺(tái)逆時(shí)針轉(zhuǎn)90°。

2）傳感器獲取到位信號(hào)，PLC控制導(dǎo)光柱熱鉚模組拍照定位，并完成熱鉚，傳感器反饋完成信號(hào)。

3）再次按啟動(dòng)按鍵，4工位轉(zhuǎn)動(dòng)傳輸平臺(tái)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，傳感器獲取到位信號(hào)，PLC控制螺裝模組緊固螺釘，傳感器反饋完成信號(hào)。

4）熱鉚模組與螺裝模組均設(shè)有傳感器，用于傳遞各模組作業(yè)狀態(tài)信號(hào)。

5）轉(zhuǎn)動(dòng)傳輸平臺(tái)分4個(gè)工位，每次轉(zhuǎn)動(dòng)后可同時(shí)進(jìn)行下一塊板卡和組件放置，按動(dòng)啟動(dòng)按鍵，PLC控制轉(zhuǎn)動(dòng)傳輸平臺(tái)依次經(jīng)過(guò)熱鉚模組和螺裝模組，第4站為空置位不操作，平臺(tái)回到上料工位將成品取下收納。

2.2 設(shè)計(jì)方案

自動(dòng)裝配裝置采用轉(zhuǎn)動(dòng)傳輸平臺(tái)，以上料、熱鉚和螺裝的節(jié)拍時(shí)間，平臺(tái)設(shè)計(jì)4個(gè)載具位置，最大化提高生產(chǎn)節(jié)拍；轉(zhuǎn)動(dòng)傳輸平臺(tái)為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，每次轉(zhuǎn)動(dòng)90°可上料，每4次1個(gè)循環(huán)，完成成品；4工位轉(zhuǎn)動(dòng)傳輸平臺(tái)工作順序：上料、熱鉚、螺裝和空工位（不操作），如圖3所示。上料工位用于安裝載具，以及待加工板卡和組件預(yù)裝，并收納加工后的成品；導(dǎo)光柱熱鉚模組采用一只4軸機(jī)械手?jǐn)y帶CCD視覺(jué)定位相機(jī)與熱鉚模塊。面板螺裝模組采用龍門(mén)架攜帶電動(dòng)螺絲刀，并搭配一套吸取螺釘供料器。裝置預(yù)留空工位用于橫向能力拓展，具備增加外觀檢查或增加功能操作的空間。

圖3 工位設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Station design sketch map

為防止裝置內(nèi)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)人身安全造成危害，除上料工位留有操作窗口外，整體采用封閉式設(shè)計(jì)，確保工作時(shí)與人隔離，如圖4所示。為方便后期維護(hù)兩側(cè)及后部留有門(mén)，門(mén)上有安全開(kāi)關(guān)，當(dāng)處于工作模式時(shí)，安全開(kāi)關(guān)處于使能狀態(tài)，打開(kāi)門(mén)，機(jī)械臂、轉(zhuǎn)盤(pán)等會(huì)停止工作；上料工位窗口兩側(cè)安裝紅外感應(yīng)器，裝置運(yùn)行中如感應(yīng)到人體進(jìn)入將停止一切動(dòng)作。

圖4 外形示意圖Fig.4 Outline sketch map

3 面板自動(dòng)裝配裝置的實(shí)現(xiàn)

3.1 載具設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

板卡按照EUROCARD標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，外形尺寸高度分為：3U和6U；外形尺寸深度分為：110mm、160mm和220mm；導(dǎo)光柱數(shù)量分為：1～13個(gè)數(shù)量不等。由于外形尺寸和導(dǎo)光柱數(shù)量存在的限制條件，載具設(shè)計(jì)要兼顧通用性和更換便捷性。

根據(jù)如上條件限制，載具設(shè)計(jì)首選條件是板卡高度定制3U和6U規(guī)格；次選條件板卡深度定制治具；最后，根據(jù)導(dǎo)光柱數(shù)量定制。將相同信息的板卡進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，保證載具的通用性。板卡預(yù)裝組件后翻面，為了防止板卡導(dǎo)光柱熱鉚后有可能抬高的風(fēng)險(xiǎn)，在導(dǎo)光柱正下方做硬支撐設(shè)計(jì)。

為方便載具的更換，載具采用4個(gè)圓柱形定位，定位銷(xiāo)頂部為梯形，便于載具定位孔與4個(gè)定位柱的安裝，如圖5所示。由一個(gè)下壓式卡口鎖定，防止載具使用中抬起。

圖5 載具設(shè)計(jì)示意圖Fig.5 Vehicle design sketch map

3.2 導(dǎo)光柱裝配的實(shí)現(xiàn)

4軸機(jī)械手法蘭攜帶視覺(jué)定位相機(jī)與熱鉚模塊，如圖6所示。通過(guò)PLC伺服控制器驅(qū)動(dòng)其完成X、Y、Z及R方向的運(yùn)動(dòng)，從而完成視覺(jué)定位與熱鉚接。

圖6 熱鉚模塊示意圖Fig.6 Hot riveting module sketch map

板卡基板是綠色，導(dǎo)光柱接插腳是黑色，兩者色差明顯，有利于CCD工業(yè)相機(jī)識(shí)別[2]。CCD首先匹配圓形特征和數(shù)量，然后CCD通過(guò)對(duì)程序設(shè)定區(qū)域進(jìn)行掃描識(shí)別導(dǎo)光柱黑色圓形接插腳坐標(biāo)，根據(jù)算法計(jì)算出熱鉚頭坐標(biāo)，機(jī)械手熱鉚頭移動(dòng)至定位處，定位精度在0.1mm以內(nèi)。舉例：方框代表熱鉚頭定位點(diǎn)，坐標(biāo)是（10，10），如圖7所示。圓圈代表CCD定位點(diǎn)，坐標(biāo)是（10，20）。當(dāng)在同一平面進(jìn)行熱鉚加工時(shí)，熱鉚模塊自動(dòng)到達(dá)指定位置上。熱鉚頭和CCD不同軸，但是同步移動(dòng)，在移動(dòng)過(guò)程中熱鉚頭和CCD坐標(biāo)是不同的，但兩者之間存在一個(gè)固定偏移值。偏移 =（10，20）-（10，10）=（0，10）。熱鉚頭的移動(dòng)坐標(biāo)根據(jù)CCD的坐標(biāo)加減得出。為保證熱鉚模塊的精度，一般熱鉚頭和CCD需要定期進(jìn)行自檢，保證兩者之間的偏移值在規(guī)定范圍內(nèi)，采用一個(gè)固定點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，熱鉚頭和CCD分次移動(dòng)至標(biāo)定點(diǎn)。當(dāng)熱鉚頭在標(biāo)定點(diǎn)時(shí)，通過(guò)公式計(jì)算CCD的坐標(biāo)應(yīng)在設(shè)定范圍內(nèi)。

圖7 CCD定位原理示意圖Fig.7 Charge-coupled device camera positioning sketch map

熱鉚頭采用銅材塊電加熱模式，銅材質(zhì)對(duì)比鋁合金材質(zhì)具備加熱快和散熱慢特點(diǎn)，有利于使用中快速加熱和回溫?？紤]到導(dǎo)光柱接插腳附近元器件、加熱治具按單組導(dǎo)光柱底固定腳數(shù)據(jù)定制，即在加熱治具頂端設(shè)計(jì)兩個(gè)熱熔觸點(diǎn)，其間距與導(dǎo)光柱底接插腳間距一致，觸點(diǎn)直徑略大于待熱熔的接插腳直徑，加熱模塊0℃～200℃可調(diào)。

3.3 面板裝配的實(shí)現(xiàn)

面板螺裝模組采用成熟的龍門(mén)架構(gòu)自動(dòng)設(shè)備，電動(dòng)螺絲刀固定在機(jī)頭后使用X、Y、Z三軸坐標(biāo)控制對(duì)指定位置進(jìn)行自動(dòng)螺裝，電動(dòng)螺絲刀扭力能力0.1Kgf.cm～20Kgf.cm，可通過(guò)軟件進(jìn)行預(yù)制調(diào)節(jié)；搭配自動(dòng)供螺絲釘裝置，M2.5盤(pán)頭螺釘更適用于吸取方式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)供釘[3]。

4 總論

面板結(jié)構(gòu)件自動(dòng)裝配裝置已應(yīng)用在和睦系統(tǒng)中主控板卡、網(wǎng)絡(luò)通信板卡、IO板卡和設(shè)備接口板卡的裝配。通過(guò)對(duì)導(dǎo)光柱熱鉚工藝和面板結(jié)構(gòu)件螺裝工藝的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)，以及工序之間快速周轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)，裝置具備同時(shí)完成雙工序的功能，裝配工序生產(chǎn)效率顯著提升；同時(shí)對(duì)裝置應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，優(yōu)化自動(dòng)化裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和軟件算法；自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)了橫向擴(kuò)展性，可根據(jù)優(yōu)化數(shù)據(jù)或工藝需求開(kāi)發(fā)空工位。