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精密装配技术在微型产品制造领域的应用研究报告(2018)

     

精密装配技术在微型产品制造领域的应用一:惯性传感器装配线

何为惯性传感器?

飞行员在空中无法依赖视觉和感觉分辨何为水平方向,而要依赖飞行仪表。根据(FAA)的研究,人类定向系统具有复杂性,在地面上的表现极为出色,而一旦到空中,人体处于一种不熟悉的三维环境下,再加上缺少视觉定向参考,就难以或不可能管理空间(距离)方位。在此时,人类易受到空间定向障碍的影响,必须借助外部帮助才能实现良好的定位,惯性传感器为我们提供了解决方案。

惯性传感器是如何生产出来的?

为确保惯性传感器工作的可靠性,其生产工艺至关重要,装配精度、装配条件等均会影响传感器的整体特性,而一旦发生装配误差,惯性信号传达错误,可能影响飞机航路,在作战情况下更可能导致整场战斗的失利。虽然近些年国内对微型精密传感器的智能装配已有一定研究,但惯性传感器的生产与装配目前均为人工操作,由于产品零部件尺寸小、精度要求高,人工需要在放大镜下进行操作,产品一致性差,同时对人员素质有很高要求,而在此方面的精密装配技术仅有北钢联一家有长达数年的攻关研究。

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 1 惯性传感器示意图

惯性传感器智能装配线能做什么?

惯性传感器智能装配线,可实现各零件的自动输送、自动点胶、自动同轴装配、自动胶接等过程,提高了零部件装配的精准度、高效性及产品一致性。该线来料有3种:

1)零件1,直径9.4mm、厚度0.8mm;

2)零件2,直径9.4mm、厚度4mm,有预装环;

3)零件3,直径22mm、厚度7.6mm(根据型号不同可定制化)。

*为?;ぞっ孛?,所有部件均由代号表示

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2 惯性传感器装配线示意图

该线主要构成有零件1/2/3输送机、零件1/2/3输送盘、成品输送机、成品盘、视觉系统1/2/3、点胶机A/B、6轴机器人A/B、装配平台及控制系统构成,可实现零件的自动定位抓取、自动点胶装配、成品下料压紧等惯性传感器自动化胶接装配工序。

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3 装配工艺流程图

如何严丝合缝的保证装配精度?

真空吸盘,实现脆弱小尺寸零件装配的可行性。

惯性传感器需装配的零件尺寸最小为直径Φ9.4mm,厚度0.8m,常规的机械手无法进行抓取操作,且抓取过程易对零件产生损伤;此外需装配的零件因其产品特性,不能采用磁吸的方式进行操作。该线采用了小型真空吸盘,吸头直径Φ5mm,可以对零件进行平稳的吸取及转运,且在此过程中不会对零件造成损伤。

定制化抓手,实现自动分布式点胶。

人工操作点胶时,由于人工的不确定性,使得点胶位置、点胶量不能得到很好的保证,且零件中心及外圈点胶为两种不同成分的胶液,人工极易造成胶体混杂。6轴点胶机器人,使用了北钢联自行研制的定制化抓手,带有旋转分度,可根据预设点数及位置自动旋转配合点胶机实现分布式点胶,分度精度达5′,胶量精度达2μL。

锥型结构,实现装配零件高度同轴。

人工装配时,通过放大镜放大,肉眼识别+辅助工具控制装配同轴度,耗时长,且产品精度重复性差。新研制的生产线装配平台设置了锥型装配工装,通过锥型结构与机器人的锥型配合,可实现同轴度0.03mm的高精度要求,精度重复性高,同时显著提高其装配效率。

 

惯性传感器装配线落地前,人工操作产量为2000件(8小时),需技艺熟练的操作工10名。通过机器人配合视觉系统,PLC系统控制各设备有序运转,改造后的生产线每天产量达3000件,无需人员参与生产,实现了人员的大幅节省。当下,我国对航空事业越来越重视,航空工业发展迅猛,基于工业机器人的智能装配系统将大大缩短产品生产周期,有力的促进国防军工事业飞速发展。


精密装配技术在微型产品制造领域的应用二:烟感探测器装配线

随着现代建筑用火、用电量的增加,火灾发生的频率越来越高,尤其在少人的房间内发生火灾,很容易出现扑救不及时、反应滞后、逃生迟缓等危险情况。烟感探测器是一种用于检测烟雾的传感器,一旦发生火灾危险,其内部的电子元件便能及时报警,将火灾损失降至最低。

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1 烟感探测器

由于烟感探测器的使用关乎大众生命财产安全,其生产过程控制必须严格。在传统的生产中,需要人工仔细的在小型线路板上按孔位准确的完成插接、点焊、翻转、剪切等工作,效率低下,同时存在焊口不牢、装配错误的情况,对人体体能也是极大的考验,易引起机体疲劳,并导致生产过程不可控。在极端的情况下,由于产品质量缺陷将引起探测器灵敏度降低乃至失灵等问题,具有较大的安全隐患。

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2 烟感具有复杂的内部结构

因此,我国的烟感制造业,急需一条烟感探测器智能装配线,以用来填补消防领域智能制造的技改空白,所以要求该线能实现线路板上所需电子元件准确插接、点焊、翻转、剪切、再翻转;抓取、装配、再插接、再翻转、焊接等一系列动作。随着智能装配技术的兴起,北钢联在精密、微型、高价值产品的装配领域以独特的先发优势处于行业领先地位,受消防主管部门、安监部门、产品制造商委托,北钢联为他们研制了一条满足实际使用需求的烟感探测器智能装配线。生产线的设计充分满足产品质量、产能要求,确保工艺及各项技术参数的实现,并力求实用、安全、可靠,能有效控制及提高产品装配精度。

 

首先利用装配专机,将线路板固定于特制夹具上,两个震动盘分别将晶振、电解电容顺序排在指定位置,由机器人将其抓取,按编程要求放入相应位置,并对电解电容作相应弯曲;抓手提起时工作平台移动到焊接机器人焊枪处,在编程程序的驱动下将八个焊点一次性焊完。当焊接机器手提起时,工件与夹具一移回到起始位置,并自动翻转,由左边特制的剪刀机械手修剪相应电子引脚(均按程序进行)。

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3 生产线的结构示意

当剪刀机械手提起时,工件与夹具移动线路板抓取位置,抓手下降,松开线路板的压板,并通过柔性抓取,移动到下一工序。在震动盘的作用下,迷宫零件按装配所需顺序排列,同时线体下部设有抽风装置对迷宫进行吸尘。抓手取迷宫,按编程程序放置在另一个特制的夹具上,并用弹簧板加以固定。上工序的抓手将线路板安放在迷宫卡爪中,当抓手提起,夹具与线路板一起翻转。随后被送到插件工位,左边机械手抓取两个振动盘送出的发射管和卡罩,并按程序插接在迷宫的相应位置上。

 

左边机械手归位后,右边的机械手抓取三个振动盘送出的接收管、档片及屏蔽罩,按程序插接。在右边的机械手归位后,夹具翻面,运行到另一台焊接机器人处,焊接发光二极管、接收管、屏蔽罩。当机器人焊枪收起时,迷宫与夹具一起被送到迷宫装夹的初始位置,并由另一台剪刀机械手修剪电子引脚。

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4 装配工艺流程图

另一组振动盘将迷宫罩、导光柱送到相应位置,抓手同时抓取两个零件,按既定动作,先装罩、后装导光柱。之后由另一边的抓手抓取迷宫,机械手自身旋转180°,并传输至下一工位。随后机械手抓取大底盘,按要求放置,螺丝拧紧机械手将导电板固定。悬臂机械人抓取底盘上的台,将此组装件安放到烟感外罩上,由另一台螺丝拧紧机械手固定另外螺丝。最后,悬臂机械手将装配完的烟感探测器成品放置传送装置上,将其送入检验和喷漆工序。

 

烟感探测器智能生产线,充分考虑工艺流程系统的合理性,设备的先进性,生产节拍由115s/个提高至85s/个,效率提升26%,更为突出的是机器生产大大增强了产品可靠性,在保证产品灵敏度的基础上,还能实现不同规格传感器装配的频繁切换。该线中所使用精密装配技术,具有潜在的开发价值,可应用于例如:PCBA线路板、电气电子配件、小型精密件的装配与生产。



精密装配技术在微型产品制造领域的应用三:采样圈生产线

前言

智能水表是一种利用现代微电子技术、现代传感技术、智能IC卡技术对用水量进行计量并进行用水数据传递及结算交易的新型水表。远传、自动抄读系统技术是智能水表发展的一个方向。它从问世至今,已有20余年的历史,然而它的普及力度远远低于一般高科技产品,在大部分地区仍然使用人工抄表的方式进行水费结算。

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1 智能水表配件——采样圈

工艺现状

究其原因,是我国产品的生产模式及检测工艺还存有缺陷,诸多生产细节需要完善,尤其是核心信号采集部件——采样圈的生产中??上驳氖?,我国的水表厂家并没有急功近利的将产品大规模推向市场,因为采样圈人工生产存在致命问题,例如钉工艺,尺寸值在2mm左右,易引起视觉、机体疲劳;灌胶工艺,胶量全凭人工控制难以保证质量。总之,目前生产模式,效率不高,精度不佳,特别是有些隐形损伤(工厂检测未出现问题,经过运输、安装在使用现场才出现故障),效率、质量均难以满足巨大的市场需求。

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2 采样圈人工生产场景

解决思路

为解决智能水表的规?;侍?,国家仪器仪表相关研究机构委托北钢联,希望通过自动化手段改变采样圈产品的生产模式,在无需人员干预的情况下,将采样圈产量提升3-4倍,同时保证产品合格率。若该产品的装配生产线研制成功,未来还将上线智能水表总装线。接到此任务后,北钢联工程师团队深入生产现场,掌握第一手生产资料,并调研国外发达国家的生产工艺,凭借自身智能装配技术的积累,成功研制出智能水表采样圈自动化生产线。该线具有以下特色:

 

A.环料自动排序上料

B.双侧孔自动注胶

C.三销钉同步压装


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3 采样圈生产线示意图

产线描述

自动上料部分

1、采样圈上料:使用振动盘将采样圈按所需位置输出,然后由六轴机器人抓取,准确放入定位夹具中,环形输送链将定位夹具送到三针自动上料压装联合机处,一次性将三颗销钉同时压入采样圈的三孔内;

2、销钉上料:首先通过振动盘上料,在出料口设一套自动理料机构,准确将销钉实现三针同时上料;

 

打钉机构

在三针联合机中,集一套气动压装机构,采样圈由分度盘准确转位到气动压装机位置,销钉通过自动理料机构上的两个气缸将销钉转向,并进入各自的定位孔内,在传感器的指令下,由气动压装机构将三根销钉同时压入采样圈中,完成销钉装配。

 

双头自动打胶机

完成上述工序后,环形输送链将采样圈送到双头打胶机位置,两个胶枪在伺服电机的作用下,同时向采样圈打胶孔移动,到位后,自动进行打胶,一边打胶一边后退,直至符合要求。后,打胶枪返回到原位,完成打胶任务。

 

自动转运工位

施胶完毕的采样圈,通过环形输送链顶起机构,上部的机械手迅速将采样圈抓取,并分两边放在输送皮带机上;由特制工装配合机械臂对采样圈进行穿线,压装入槽;完成后摆放在定距环形输送链的夹具上(分两条线各自独立运行);准确将采样圈送入自动注胶位置。

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4 采样圈的生产工艺

自动注胶机和双向点胶机

当采样圈随循环输送线移动到注胶机,注胶机自动下行,电动推杆将齿条推定弧夹具,带动齿轮作一定角度的圆弧运动,达到圆弧注胶目的。注胶完成后,注胶机停止并向上运动,电动推杆后,定弧夹具回位。循环输送线前移至双向点胶机位置停止,双向点胶机对相应点胶处进行点胶,完成全部工序。

 

下料部分

采样圈随输送线运动到下料位置,底部的顶出机构将采样圈顶出,由机械手抓取,并在存料托盘中进行码放。

 

采样圈自动化生产线成功研制,解决了制约产品产业化的瓶颈问题,为智能水表的生产模式奠定了方向,它将采样圈生产效率提高至4000件/天,产品一致性大大加强,合格率达99.5%,获得了使用单位的高度认可。随着智能水表的普及,在未来还将兴建更多的智能水表配件生产线,在条件具备的情况下,将彻底取代机械水表,实现远程抄表,在线运维,对构建智慧城市物联网有诸多益处,大大丰富消费者的科技生活水平。

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