和明軍

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院,洛陽(yáng) 471009)

0 引言

觸發(fā)開(kāi)關(guān)是機(jī)電觸發(fā)引信中廣泛使用的一類(lèi)開(kāi)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(wú)線電引信中,用于引信近炸功能失效、落地后備發(fā)火的導(dǎo)通[2]。這類(lèi)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便,裝配前可在離心試驗(yàn)裝置上模擬測(cè)試閉合過(guò)載[3]。為避免觸發(fā)開(kāi)關(guān)在使用中發(fā)生振動(dòng),防止鍍金層和鍍鈀層出現(xiàn)嚴(yán)重磨損,導(dǎo)致觸發(fā)開(kāi)關(guān)失效[4-6],應(yīng)加強(qiáng)工藝和質(zhì)量控制,增加觸發(fā)開(kāi)關(guān)批次例試考核,加強(qiáng)觸發(fā)開(kāi)關(guān)生產(chǎn)過(guò)程中的測(cè)試。

隨著自動(dòng)化裝配技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的調(diào)測(cè)和裝配生產(chǎn)任務(wù)走向信息化和智能化[7-8]。自動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題[9-10]。通過(guò)將裝配過(guò)程和調(diào)測(cè)過(guò)程有效結(jié)合,形成一套高度集成的調(diào)測(cè)系統(tǒng),可保證生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)有效和高質(zhì)進(jìn)行。

本文針對(duì)觸發(fā)開(kāi)關(guān)裝調(diào)系統(tǒng)各個(gè)單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提高觸發(fā)開(kāi)關(guān)裝配生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。為檢測(cè)觸發(fā)開(kāi)關(guān)抗負(fù)載能力,提出一種過(guò)載檢測(cè)方法,實(shí)現(xiàn)過(guò)載測(cè)試的自主學(xué)習(xí)。同時(shí),結(jié)合機(jī)器視覺(jué)和圖像分析技術(shù)對(duì)開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵部件進(jìn)行視覺(jué)缺陷檢測(cè),及時(shí)對(duì)不合格的產(chǎn)品進(jìn)行處理。

1 觸發(fā)開(kāi)關(guān)裝調(diào)工藝流程

觸發(fā)開(kāi)關(guān)的生產(chǎn)調(diào)配流程由多個(gè)環(huán)節(jié)組成,每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)指定的系統(tǒng)單元,觸發(fā)開(kāi)關(guān)自動(dòng)化裝調(diào)系統(tǒng)需要完成所有常閉式觸開(kāi)關(guān)裝配、檢測(cè)、調(diào)測(cè)、灌封和固化任務(wù)。其中重點(diǎn)關(guān)注的是裝配和調(diào)測(cè)工藝,裝配工藝完成零件表面檢測(cè)、合件自動(dòng)化鉚接和裝配,調(diào)測(cè)工藝對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢查、靜態(tài)電阻測(cè)量、動(dòng)作過(guò)載調(diào)測(cè)試。在裝調(diào)過(guò)程中要重點(diǎn)解決兩個(gè)問(wèn)題:

(1)裝配好的產(chǎn)品是否合格,為此需要經(jīng)過(guò)調(diào)測(cè)系統(tǒng)的進(jìn)一步測(cè)試,如采用過(guò)載測(cè)試的方法檢測(cè)彈簧合件能否經(jīng)受住過(guò)載環(huán)境下的考驗(yàn),保證產(chǎn)品在實(shí)際使用過(guò)程中的安全穩(wěn)定。

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

同時(shí)為保證某個(gè)單元發(fā)生故障時(shí)也可進(jìn)行不間斷生產(chǎn),各組成部分不僅具備聯(lián)合運(yùn)行的功能,也可獨(dú)立運(yùn)行。

2 自動(dòng)裝調(diào)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

觸發(fā)開(kāi)關(guān)裝調(diào)系統(tǒng)主要包括7個(gè)部分,分別是主控單元、人工工位、裝配單元、調(diào)測(cè)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(zhǔn)備、產(chǎn)品打標(biāo)、配套信息維護(hù)和裝調(diào)結(jié)果確認(rèn),維護(hù)產(chǎn)品配套信息,并將準(zhǔn)備好的配套件放入相應(yīng)的治具盤(pán)中。裝配單元負(fù)責(zé)主要的零部件組裝任務(wù),主要由簧片鉚接機(jī)構(gòu)、電路板合件裝配機(jī)構(gòu)和萬(wàn)字槽埋頭螺釘上料裝置組成,能夠?qū)Ξa(chǎn)品信息和裝配過(guò)程進(jìn)行記錄。裝配好的產(chǎn)品需要進(jìn)行動(dòng)作過(guò)載測(cè)試,調(diào)測(cè)單元由調(diào)測(cè)單元1和調(diào)測(cè)單元2組成,能夠?qū)Ξa(chǎn)品調(diào)測(cè)結(jié)果進(jìn)行記錄,同時(shí)調(diào)測(cè)單元2能夠完成動(dòng)作過(guò)載自主調(diào)試和內(nèi)六角圓柱頭螺釘灌封。裝配并調(diào)測(cè)完成的產(chǎn)品進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié),灌封單元主要完成觸發(fā)開(kāi)關(guān)殼體點(diǎn)膠灌封、加壓固定等操作,并對(duì)產(chǎn)品灌封情況進(jìn)行記錄。最后的固化單元負(fù)責(zé)提供觸發(fā)開(kāi)關(guān)固化所需的環(huán)境,能夠自動(dòng)完成常溫與高溫轉(zhuǎn)換,對(duì)完成殼體灌封并加壓固定的產(chǎn)品進(jìn)行16 h常溫和2 h高溫(65 ℃)固化。本文將主要針對(duì)裝配單元系統(tǒng)和調(diào)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 裝配單元系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝配單元主要由簧片鉚接機(jī)構(gòu)、電路板合件裝配機(jī)構(gòu)和萬(wàn)字槽埋頭螺釘上料裝置組成,能夠?qū)Ξa(chǎn)品信息和裝配過(guò)程進(jìn)行記錄,并向主控單元反饋任務(wù)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(biāo)準(zhǔn)方管焊接而成,臺(tái)面采用整塊鋼板加工而成,可保證加工精度。簧片鉚接機(jī)構(gòu)主要由伺服鉚壓裝置、定位轉(zhuǎn)置、上下料機(jī)器人、視覺(jué)檢測(cè)設(shè)備、夾具和吸盤(pán)組成。其中鉚壓裝置的伺服電機(jī)控制鉚壓頭,沿導(dǎo)軌下行,定位準(zhǔn)確,并且可準(zhǔn)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(jī)器人、安裝模具、擰緊裝置、視覺(jué)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(jī)器人依次抓取輕(重)塊夾、簧片、輕(重)慣性塊,先到計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)機(jī)構(gòu)下檢查外觀,然后放到鉚接胎具上,機(jī)器人夾爪移開(kāi),旋轉(zhuǎn)夾緊氣缸動(dòng)作,將工件輔助壓緊,壓緊后,伺服鉚壓機(jī)下行,帶動(dòng)鉚壓壓頭對(duì)工件進(jìn)行鉚接,鉚壓機(jī)達(dá)到設(shè)定的壓力值后,停止下行,壓機(jī)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(jī)器人將夾塊用吸盤(pán)吸起,放到合件模具上,然后合件裝配抓取機(jī)器人再到過(guò)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(jī)器人移開(kāi),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(dòng)上料裝置,將萬(wàn)字螺釘沿輸送管,送到最前端鴨嘴處,氣缸帶動(dòng)擰緊頭和螺釘鴨嘴下移擰緊螺釘。然后擰緊頭抬起,后移,對(duì)準(zhǔn)另一個(gè)螺絲口,重復(fù)擰緊動(dòng)作。擰緊完成,形成電路板合件。

2.2 調(diào)測(cè)單元系統(tǒng)設(shè)計(jì)

調(diào)測(cè)單元由調(diào)測(cè)單元1和調(diào)測(cè)單元2組成。調(diào)測(cè)單元1主要完成對(duì)電路板合件靜態(tài)電阻的初測(cè)和復(fù)測(cè),對(duì)電路板合件進(jìn)行動(dòng)作過(guò)載測(cè)試。如圖4所示,單元機(jī)構(gòu)由上下料機(jī)器人,伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)一套,回轉(zhuǎn)裝置,控制系統(tǒng),報(bào)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(cè)單元1,由機(jī)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(tái)旋轉(zhuǎn)90°,將下一個(gè)電路板合件放到固定胎具上,在調(diào)測(cè)臺(tái)上擺滿4個(gè)工件。伺服轉(zhuǎn)臺(tái)按照設(shè)定的條件旋轉(zhuǎn),進(jìn)行過(guò)載檢測(cè)。

圖4 調(diào)測(cè)單元1機(jī)構(gòu)組成

調(diào)測(cè)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(zhǎng)度進(jìn)行檢測(cè),記錄、反饋調(diào)測(cè)信息和故障信息,并對(duì)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(tái),工裝夾具,電阻檢測(cè)裝置,過(guò)載檢測(cè)裝置,過(guò)載調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)和涂膠機(jī)構(gòu)。人工將部件放到調(diào)測(cè)單元2內(nèi),由機(jī)器人抓取工件,放到轉(zhuǎn)盤(pán)的胎具上,將開(kāi)關(guān)固定,首先檢測(cè)靜態(tài)電阻,4件同時(shí)進(jìn)行。然后轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn),進(jìn)行過(guò)載檢測(cè),經(jīng)過(guò)調(diào)測(cè)合格的開(kāi)關(guān),利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)螺釘外部長(zhǎng)度,復(fù)測(cè)檢測(cè)結(jié)果。

3 觸發(fā)開(kāi)關(guān)自動(dòng)過(guò)載檢測(cè)方法

為保證觸發(fā)開(kāi)關(guān)能夠經(jīng)受極端載荷等特殊場(chǎng)景,在產(chǎn)線中應(yīng)提前做好過(guò)載檢測(cè)工作。如圖6所示,在過(guò)載檢測(cè)過(guò)程中,離心機(jī)的轉(zhuǎn)速可以測(cè)得,離心機(jī)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(huì)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(guò)上述各因素之間的關(guān)聯(lián),可以得出離心機(jī)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(guò)載檢測(cè)各因素關(guān)系

采用仿真的方式來(lái)模擬調(diào)測(cè)過(guò)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(kāi)關(guān)的三維模型導(dǎo)入到Ansys軟件中,進(jìn)行應(yīng)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(cè)螺釘端面與簧片之間設(shè)置為接觸。對(duì)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(duì)簧片合件進(jìn)行受力分析。如圖7所示,在施加螺釘壓力的過(guò)程中,根據(jù)力的傳遞方式可知,發(fā)生作用的兩個(gè)位置為調(diào)測(cè)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(pán)產(chǎn)生,根據(jù)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)盤(pán)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(yù)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(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。

圖7 離心旋轉(zhuǎn)時(shí)受力圖

4 基于機(jī)器視覺(jué)的關(guān)鍵件缺陷檢測(cè)

在裝配單元中,簧片合件鉚接工序前,需要對(duì)輕(重)慣性塊觸頭表面進(jìn)行計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)。輕(重)慣性塊觸頭表面主要需要檢測(cè)黑點(diǎn)、和劃痕等缺陷。采用2000 W像素相機(jī)、遠(yuǎn)心鏡頭,并搭配穹頂型光源進(jìn)行圖像采集。將輕(重)慣性塊觸頭表面采集的圖像進(jìn)行局部放大,只保留球面部分,對(duì)該部分圖像進(jìn)行預(yù)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(xué)操作簡(jiǎn)化圖像數(shù)據(jù),并除去不相干的結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)處理后的圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè),分析灰度值變化較大的像素點(diǎn)集合。用梯度表示灰度值的變化程度和方向,可以通過(guò)點(diǎn)乘一個(gè)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(guò)以下公式計(jì)算梯度值和梯度方向。

(2)

(3)

對(duì)處理后的圖像進(jìn)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(xì)微的特征,從中提取角二階矩、對(duì)比度、熵、面積和周長(zhǎng)等,式(4)和式(5)分別為特征面積和周長(zhǎng)提取表達(dá)式。

(4)

L=∑(x,y∈R)1

(5)

通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)缺陷的篩選工作,根據(jù)劃痕輪廓面積和周長(zhǎng)進(jìn)行缺陷篩選,篩選掉小的噪聲點(diǎn),并用矩形框選出劃痕缺陷位置,目標(biāo)輸出結(jié)果如圖9所示,最外層大方框?yàn)榇龣z測(cè)區(qū)域,內(nèi)部多個(gè)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(lái)源于篩選精度的不同。

圖9 慣性塊觸頭缺陷檢測(cè)

5 結(jié)論

為提高觸發(fā)開(kāi)關(guān)生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量和效率,本文設(shè)計(jì)了一套觸發(fā)開(kāi)發(fā)自動(dòng)裝配與調(diào)測(cè)系統(tǒng),并對(duì)其中的裝配和調(diào)測(cè)單元進(jìn)行了詳細(xì)介紹,實(shí)現(xiàn)了觸發(fā)開(kāi)發(fā)自動(dòng)裝配、鉚接、檢測(cè)、調(diào)測(cè)、灌封和固化。同時(shí),采用仿真和模型計(jì)算結(jié)合的自主裝調(diào)算法對(duì)簧片合件進(jìn)行了過(guò)載測(cè)試,保證開(kāi)關(guān)裝配件的產(chǎn)品質(zhì)量。采用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)方法對(duì)慣性塊觸頭表面的微小缺陷進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè),進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的智能化程度。