和明軍

(中國空空導彈研究院,洛陽 471009)

0 引言

觸發(fā)開關(guān)是機電觸發(fā)引信中廣泛使用的一類開關(guān),主要用于控制引信爆炸序列中爆炸元件電路的工作狀態(tài)[1]。在無線電引信中,用于引信近炸功能失效、落地后備發(fā)火的導通[2]。這類開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便,裝配前可在離心試驗裝置上模擬測試閉合過載[3]。為避免觸發(fā)開關(guān)在使用中發(fā)生振動,防止鍍金層和鍍鈀層出現(xiàn)嚴重磨損,導致觸發(fā)開關(guān)失效[4-6],應加強工藝和質(zhì)量控制,增加觸發(fā)開關(guān)批次例試考核,加強觸發(fā)開關(guān)生產(chǎn)過程中的測試。

隨著自動化裝配技術(shù)的發(fā)展,越來越多的調(diào)測和裝配生產(chǎn)任務走向信息化和智能化[7-8]。自動加工裝配生產(chǎn)線可以解決人工裝配工作容易出現(xiàn)誤差和故障、生產(chǎn)效率低、勞動強度大等問題[9-10]。通過將裝配過程和調(diào)測過程有效結(jié)合,形成一套高度集成的調(diào)測系統(tǒng),可保證生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)有效和高質(zhì)進行。

本文針對觸發(fā)開關(guān)裝調(diào)系統(tǒng)各個單元進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,提高觸發(fā)開關(guān)裝配生產(chǎn)的自動化水平。為檢測觸發(fā)開關(guān)抗負載能力,提出一種過載檢測方法,實現(xiàn)過載測試的自主學習。同時,結(jié)合機器視覺和圖像分析技術(shù)對開關(guān)的關(guān)鍵部件進行視覺缺陷檢測,及時對不合格的產(chǎn)品進行處理。

1 觸發(fā)開關(guān)裝調(diào)工藝流程

觸發(fā)開關(guān)的生產(chǎn)調(diào)配流程由多個環(huán)節(jié)組成,每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)對應指定的系統(tǒng)單元,觸發(fā)開關(guān)自動化裝調(diào)系統(tǒng)需要完成所有常閉式觸開關(guān)裝配、檢測、調(diào)測、灌封和固化任務。其中重點關(guān)注的是裝配和調(diào)測工藝,裝配工藝完成零件表面檢測、合件自動化鉚接和裝配,調(diào)測工藝對產(chǎn)品進行檢查、靜態(tài)電阻測量、動作過載調(diào)測試。在裝調(diào)過程中要重點解決兩個問題:

(1)裝配好的產(chǎn)品是否合格,為此需要經(jīng)過調(diào)測系統(tǒng)的進一步測試,如采用過載測試的方法檢測彈簧合件能否經(jīng)受住過載環(huán)境下的考驗,保證產(chǎn)品在實際使用過程中的安全穩(wěn)定。

(2)裝配部件是否含有缺陷,如何快速對含有缺陷的部件進行篩查,為此使用機器視覺和圖像分析的方法可以篩查出不合格的部件,保證每一個部件符合產(chǎn)品質(zhì)量的要求。

同時為保證某個單元發(fā)生故障時也可進行不間斷生產(chǎn),各組成部分不僅具備聯(lián)合運行的功能,也可獨立運行。

2 自動裝調(diào)系統(tǒng)總體設(shè)計

觸發(fā)開關(guān)裝調(diào)系統(tǒng)主要包括7個部分,分別是主控單元、人工工位、裝配單元、調(diào)測單元、灌封單元、固化單元和存放單元,如圖1所示。

圖1 裝調(diào)系統(tǒng)各單元模塊

人工工位主要完成物料準備、產(chǎn)品打標、配套信息維護和裝調(diào)結(jié)果確認,維護產(chǎn)品配套信息,并將準備好的配套件放入相應的治具盤中。裝配單元負責主要的零部件組裝任務,主要由簧片鉚接機構(gòu)、電路板合件裝配機構(gòu)和萬字槽埋頭螺釘上料裝置組成,能夠?qū)Ξa(chǎn)品信息和裝配過程進行記錄。裝配好的產(chǎn)品需要進行動作過載測試,調(diào)測單元由調(diào)測單元1和調(diào)測單元2組成,能夠?qū)Ξa(chǎn)品調(diào)測結(jié)果進行記錄,同時調(diào)測單元2能夠完成動作過載自主調(diào)試和內(nèi)六角圓柱頭螺釘灌封。裝配并調(diào)測完成的產(chǎn)品進入下一個環(huán)節(jié),灌封單元主要完成觸發(fā)開關(guān)殼體點膠灌封、加壓固定等操作,并對產(chǎn)品灌封情況進行記錄。最后的固化單元負責提供觸發(fā)開關(guān)固化所需的環(huán)境,能夠自動完成常溫與高溫轉(zhuǎn)換,對完成殼體灌封并加壓固定的產(chǎn)品進行16 h常溫和2 h高溫(65 ℃)固化。本文將主要針對裝配單元系統(tǒng)和調(diào)測系統(tǒng)進行設(shè)計。

2.1 裝配單元系統(tǒng)設(shè)計

裝配單元主要由簧片鉚接機構(gòu)、電路板合件裝配機構(gòu)和萬字槽埋頭螺釘上料裝置組成,能夠?qū)Ξa(chǎn)品信息和裝配過程進行記錄,并向主控單元反饋任務執(zhí)行情況。

裝配單元外形圖如圖2所示,設(shè)備床身采用標準方管焊接而成,臺面采用整塊鋼板加工而成,可保證加工精度?；善T接機構(gòu)主要由伺服鉚壓裝置、定位轉(zhuǎn)置、上下料機器人、視覺檢測設(shè)備、夾具和吸盤組成。其中鉚壓裝置的伺服電機控制鉚壓頭,沿導軌下行,定位準確,并且可準確控制鉚壓力,提高鉚壓合格率,如圖3a所示。電路板合件裝置由上下料機器人、安裝模具、擰緊裝置、視覺系統(tǒng)組成,如圖3b所示。

圖2 裝配單元組成

(a) 鉚壓頭裝置 (b) 電路板合件裝置

該單元裝配步驟為:機器人依次抓取輕(重)塊夾、簧片、輕(重)慣性塊,先到計算機視覺檢測機構(gòu)下檢查外觀,然后放到鉚接胎具上,機器人夾爪移開,旋轉(zhuǎn)夾緊氣缸動作,將工件輔助壓緊,壓緊后,伺服鉚壓機下行,帶動鉚壓壓頭對工件進行鉚接,鉚壓機達到設(shè)定的壓力值后,停止下行,壓機返回,旋轉(zhuǎn)氣缸抬起,鉚接結(jié)束,形成簧片合件。

合件裝配抓取機器人將夾塊用吸盤吸起,放到合件模具上,然后合件裝配抓取機器人再到過渡胎具處,將簧片合件抓取,再將簧片合件套入合件模具上,然后合件裝配抓取機器人移開,推模具氣缸伸出,將胎具推到定位處,輔推氣缸伸出,靠緊工件,將工件定位。

振動上料裝置,將萬字螺釘沿輸送管,送到最前端鴨嘴處,氣缸帶動擰緊頭和螺釘鴨嘴下移擰緊螺釘。然后擰緊頭抬起,后移,對準另一個螺絲口,重復擰緊動作。擰緊完成,形成電路板合件。

2.2 調(diào)測單元系統(tǒng)設(shè)計

調(diào)測單元由調(diào)測單元1和調(diào)測單元2組成。調(diào)測單元1主要完成對電路板合件靜態(tài)電阻的初測和復測,對電路板合件進行動作過載測試。如圖4所示,單元機構(gòu)由上下料機器人,伺服電機及驅(qū)動一套,回轉(zhuǎn)裝置,控制系統(tǒng),報警系統(tǒng),防塵裝置,設(shè)備床身等組成。人工從裝配單元取出部件送到調(diào)測單元1,由機器人抓取電路板合件放到固定胎具上,將電路板合件固定,伺服轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)90°,將下一個電路板合件放到固定胎具上,在調(diào)測臺上擺滿4個工件。伺服轉(zhuǎn)臺按照設(shè)定的條件旋轉(zhuǎn),進行過載檢測。

圖4 調(diào)測單元1機構(gòu)組成

調(diào)測單元2能夠?qū)φ{(diào)試合格產(chǎn)品內(nèi)六角圓柱頭螺釘突出長度進行檢測,記錄、反饋調(diào)測信息和故障信息,并對故障件區(qū)分存放。如圖5所示,單元內(nèi)部包括伺服轉(zhuǎn)臺,工裝夾具,電阻檢測裝置,過載檢測裝置,過載調(diào)節(jié)機構(gòu)、計算機視覺檢測系統(tǒng)和涂膠機構(gòu)。人工將部件放到調(diào)測單元2內(nèi),由機器人抓取工件,放到轉(zhuǎn)盤的胎具上,將開關(guān)固定,首先檢測靜態(tài)電阻,4件同時進行。然后轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn),進行過載檢測,經(jīng)過調(diào)測合格的開關(guān),利用計算機視覺檢測螺釘外部長度,復測檢測結(jié)果。

3 觸發(fā)開關(guān)自動過載檢測方法

為保證觸發(fā)開關(guān)能夠經(jīng)受極端載荷等特殊場景,在產(chǎn)線中應提前做好過載檢測工作。如圖6所示,在過載檢測過程中,離心機的轉(zhuǎn)速可以測得,離心機產(chǎn)生的離心力與簧片慣性塊觸頭與電路板之間的接觸力存在著聯(lián)系;其次,慣性塊觸頭與電路板之間的接觸力又會受到內(nèi)六角圓柱頭螺釘給簧片壓力的影響;然后,內(nèi)六角圓柱頭螺釘給簧片的壓力可以反映于內(nèi)六角圓柱頭螺釘?shù)臄Q緊距離;最后,通過上述各因素之間的關(guān)聯(lián),可以得出離心機轉(zhuǎn)速與內(nèi)六角圓柱頭螺釘擰緊圈數(shù)之間的關(guān)系。

圖6 過載檢測各因素關(guān)系

采用仿真的方式來模擬調(diào)測過程中各種接觸力的變化,根據(jù)仿真結(jié)果建立關(guān)系式,將觸發(fā)開關(guān)的三維模型導入到Ansys軟件中,進行應力分析。將電路板設(shè)置為固定,簧片與電路板之間設(shè)置為固定,慣性塊觸頭與電路板之間設(shè)置為接觸,調(diào)測螺釘端面與簧片之間設(shè)置為接觸。對內(nèi)六角圓柱頭螺釘施加不同的力,得出內(nèi)六角圓柱頭螺釘?shù)臄Q緊圈數(shù)與螺釘給簧片的壓力之間的關(guān)系:

F=aX+b

(1)

式中:F為螺釘產(chǎn)生的力,N;X為螺釘?shù)臄Q緊距離,mm;a、b為常量。

對簧片合件進行受力分析。如圖7所示,在施加螺釘壓力的過程中,根據(jù)力的傳遞方式可知,發(fā)生作用的兩個位置為調(diào)測螺釘與簧片側(cè)端面接觸處,和慣性塊觸頭與電路板之間接觸處。離心力由轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生,根據(jù)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)盤半徑可以求得離心力大小。而離心力與螺栓的壓力和簧片的預緊力相平衡,從而求出螺釘擰緊產(chǎn)生的力大小。最后根據(jù)擰緊圈數(shù)和螺釘力的關(guān)系即可求出螺釘擰緊圈數(shù)與離心機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。

圖7 離心旋轉(zhuǎn)時受力圖

4 基于機器視覺的關(guān)鍵件缺陷檢測

在裝配單元中,簧片合件鉚接工序前,需要對輕(重)慣性塊觸頭表面進行計算機視覺檢測。輕(重)慣性塊觸頭表面主要需要檢測黑點、和劃痕等缺陷。采用2000 W像素相機、遠心鏡頭,并搭配穹頂型光源進行圖像采集。將輕(重)慣性塊觸頭表面采集的圖像進行局部放大,只保留球面部分,對該部分圖像進行預處理,如圖8所示。

(a) 圖像掩膜 (b) 圖像濾波 (c) 圖像差分 (d) 二值化處理

二值化處理的結(jié)果使用形態(tài)學操作簡化圖像數(shù)據(jù),并除去不相干的結(jié)構(gòu)。通過對處理后的圖像進行邊緣檢測,分析灰度值變化較大的像素點集合。用梯度表示灰度值的變化程度和方向,可以通過點乘一個sober或其他算子得到不同方向的梯度值gx(m,n),gy(m,n)。本文通過以下公式計算梯度值和梯度方向。

(2)

(3)

對處理后的圖像進一步采用特征提取,這里缺陷特征提取方法采用灰度共生矩陣?；叶裙采仃嚹軌蜢`活的描述紋理更為細微的特征,從中提取角二階矩、對比度、熵、面積和周長等,式(4)和式(5)分別為特征面積和周長提取表達式。

(4)

L=∑(x,y∈R)1

(5)

通過程序?qū)崿F(xiàn)對缺陷的篩選工作,根據(jù)劃痕輪廓面積和周長進行缺陷篩選,篩選掉小的噪聲點,并用矩形框選出劃痕缺陷位置,目標輸出結(jié)果如圖9所示,最外層大方框為待檢測區(qū)域,內(nèi)部多個小型方框表示金屬表面缺陷所在位置。兩圖像處理結(jié)果的不同來源于篩選精度的不同。

圖9 慣性塊觸頭缺陷檢測

5 結(jié)論

為提高觸發(fā)開關(guān)生產(chǎn)過程的質(zhì)量和效率,本文設(shè)計了一套觸發(fā)開發(fā)自動裝配與調(diào)測系統(tǒng),并對其中的裝配和調(diào)測單元進行了詳細介紹,實現(xiàn)了觸發(fā)開發(fā)自動裝配、鉚接、檢測、調(diào)測、灌封和固化。同時,采用仿真和模型計算結(jié)合的自主裝調(diào)算法對簧片合件進行了過載測試,保證開關(guān)裝配件的產(chǎn)品質(zhì)量。采用機器視覺檢測方法對慣性塊觸頭表面的微小缺陷進行自動檢測,進一步提高了系統(tǒng)的智能化程度。