標尺光柵自動化裝配關鍵技術研究及設備的研制

沙歐

（中國科學研究院長春光機所光電技術研發中心，吉林長春　130033）

標尺光柵自動化裝配關鍵技術研究及設備的研制

沙歐

（中國科學研究院長春光機所光電技術研發中心，吉林長春130033）

光柵尺是數控機床控制系統的核心部件，論文對標尺光柵的安裝工藝與過程作了深入調研，對當前的人工裝配工藝的優勢與缺點進行了簡要分析。結合人工裝配過程的優勢，提出了標尺光柵的自動化裝配方案，該方案能夠完成待裝配工件的傳送、預裝配、高精度裝配以及恒壓保持等完整的裝配工序。在此基礎上，論文進行了工藝實驗并完成了標尺光柵自動化裝配線的設計。

光柵尺；標尺光柵；裝配；點膠

0　引言

光柵尺是一種高精度位移傳感器，是根據光柵原理設計而成的位置測量裝置，一般用于數控機床的伺服控制系統中。光柵尺主要由標尺光柵和光柵讀數頭兩大部分組成，機床工作時帶動標尺光柵和光柵讀數頭作相對運動，讀數頭內的傳感器對光柵條紋進行檢測和判讀，從而確定出標尺光柵和讀數頭的相對位置，即可確定機床的位置信息。光柵尺位置檢測精度目前已達到0.5μm，由于光柵尺屬于高精度的光機電產品，其測量精度受到各種因素的影響較大，主要有：光柵部件的制造與安裝精度、機械結構的加工質量以及電子器件的可靠性等。

光柵尺標尺光柵的裝配是光柵尺生產環節的重要一步，其過程是將檢測合格的標尺光柵粘接到尺殼的粘接面上，要求粘接劑涂抹均勻，粘接劑凝固后粘接層厚度一致，且粘接質量可靠。目前，光柵尺標尺光柵的裝配主要由人工完成，這對工人操作技能和經驗要求較高，受工人操作技能的限制，也容易出現裝配質量參差不齊的情況。本文對人工裝配工藝和流程做了深入調研，結合人工裝配工藝的優勢，提出了標尺光柵的自動化裝配方案，并在此基礎上完成了自動裝配線的設計與實驗工作。

1　人工裝配方案

目前，光柵尺標尺光柵的裝配主要由熟練工人借助簡易工具進行操作，裝配過程一般為：工人首先在尺殼的粘接面上均勻涂抹專用粘接劑，然后手持標尺光柵的兩端將其放置到粘接面位置，再用竹片壓緊標尺光柵并往復滑動數次，使標尺光柵與粘接面緊密貼合，最后根據尺殼的不同截面形狀，將裝配好光柵尺以不同的角度放置24小時以上等待粘結劑凝固即可。上述過程中最為關鍵的步驟是涂膠和壓緊，涂膠時要求涂抹均勻，否則會由于膠層厚度不一致引起測量誤差；在壓緊時要求用力適度且均勻，否則也會造成膠層厚度的變化。一般情況下，量程較短的光柵尺，人工裝配可以達到較高的精度，當量程超過500mm時，工人在操作時必然會出現停頓，這會導致出膠量和壓緊力的變化，從而帶來誤差。

人工裝配標尺光柵具有較強的靈活性，可隨時應對不同規格的光柵尺裝配要求，這是人工裝配的優勢。然而裝配高精度、大量程的光柵尺，人工裝配則難以保證所需精度，因此，要制造高精度大量程的光柵尺，就需要對當前的裝配工藝進行改進。

2　自動化裝配方案

如上所述，鑒于標尺光柵的人工裝配工藝中出膠量和壓緊力的不均勻性，難以生產出更高精度的光柵尺，本文參照人工裝配過程，結合自動化裝配設備的優勢，提出了光柵尺標尺光柵的自動化裝配方案。

2.1自動化裝配工藝流程設計

自動化裝配工藝流程設計：①尺殼進料并裝夾固定；②標尺光柵同時進料，用吸盤吸附固定；③尺殼正向運動，同時點膠機在粘接面上涂膠，標尺光柵也同步進入尺殼內腔；④吸盤小角度擺動后將標尺光柵放置到尺殼粘接面上并初步壓緊；⑤吸盤放氣并反向擺動退回原位，尺殼與標尺光柵已粘接為一體；⑥尺殼與標尺光柵同步反向進給，壓緊模塊進入尺殼內腔并與內腔配合，進行完全壓緊操作，此步驟可根據情況反復若干次；壓緊模塊進入尺殼使，將保壓軟管帶入；⑦反向進給完成后，對軟管充氣，軟管膨脹將標尺光柵與粘接面壓緊，保壓24小時；⑧帶粘接劑凝固后，取出軟管，裝配完成。

該裝配流程是在人工裝配基礎上的改進。手持標尺光柵兩端進行裝配時，光柵由于自重會彎曲，引入誤差，自動化裝配方案中采用了吸盤多點夾持的方式，大大降低了光柵的彎曲程度。尺殼正向勻速進給與點膠機勻速出膠保證了點膠均勻一致，而改進后的點膠針頭能夠更好地將粘接劑分散到粘接面上。尺殼反向進給時，壓緊模塊特有的形狀與尺殼內腔配合能夠均勻施力將光柵壓緊到尺殼上，避免了人工壓緊施力不均勻的情況，而通過變換壓緊模塊能夠調整壓緊力大小。軟管充氣膨脹可保持一定壓力壓緊光柵，相對于人工裝配后的彈簧片保壓，施力均勻而且可控。

2.2工藝實驗

為驗證上述方案的可行性并確定相關設備與部件的型號規格，進行了相關的工藝實驗，包括：點膠設備實驗、吸盤吸附實現、壓緊模塊實驗。

（1）點膠設備實驗。點膠設備實驗的目的首先是驗證點膠方案的可行性，進而根據粘接面積確定進給速度與出膠量最佳配合值，最后通過實驗對點膠針頭進行改進。實驗器材有：標準尺殼、各種規格針頭若干、點膠機一臺及伺服運動平臺，實驗如圖1所示。

圖1　點膠機實驗臺Fig.1 Experiment of gluing machinery

（2）吸盤吸附實驗。實驗目的是驗證標尺光柵吸盤吸附方案的可行性，進而確定吸盤尺寸與真空壓力的大小。實驗室更換不同規格的吸盤并改變吸盤分布方式，觀察吸附光柵作進給運動時的運動穩定性，認為吸盤吸附方案具有可行性，同時確定了較好的吸盤尺寸和分布方式。

（3）壓緊模塊實驗。壓緊模塊是根據尺殼內腔截面加工的專用模塊，模塊分為三部分：楔形前段用于使模塊準確與尺殼內腔配合；中段尺寸與內腔尺寸相配合，用于壓緊光柵；尾段稍長，使模塊與尺殼緩慢分離，保證壓緊質量。壓緊實驗的目的是驗證該方案可行性并確定模塊與尺殼的最佳相對運動速度。壓緊模塊如圖2、圖3所示。

圖2　壓緊模塊Fig.2 Clamp module

圖3　壓緊模塊與尺殼配合示意圖Fig.3 A clamp module matches a scale shell

標尺光柵自動化裝配繼承了人工裝配工藝的優勢，并通過可靠的控制和執行機構大大降低了裝配誤差，提高了裝配精度和質量。通過工藝實驗驗證了上述方案的可行性并確定了相關的設備規格與技術參數，為標尺光柵的自動化裝配線的研制提供了依據。

3　自動裝配線設計

3.1自動化裝配線的組成

圖4　整機結構示意圖Fig.4 The whole machine structure

自動化裝配線的整機結構如圖4所示。根據自動化裝配工藝和流程，本文設計完成了自動化裝配線。裝配線主要組成部分：①運動滑臺：滑臺、導軌、夾具、伺服電機、傳動機構等，負責尺殼的正反向進給運動；②機械手：載物臺、自盤支架、吸盤及其附件等，負責吸附和運送標尺光柵；③定位壓緊機構：專用壓緊模塊、真空軟管、輔助運動部件，用于裝配標尺光柵后壓緊，是定位可靠；④點膠機：根據控制系統指令點膠。

3.2工藝流程

圖5　自動化裝配流程圖Fig.5 The flow of automated assembly

自動化裝配線的工作流程如下：①標尺光柵經輸送機構到達初始位置，吸盤機械手吸起標尺光柵到達預定工位；②送料機構將尺殼裝夾到工作滑臺上，滑臺帶動尺殼正向（向標尺光柵的方向）運動，在運動過程中點膠機在尺殼的粘接面上點膠，到達與標尺光柵重合的位置之后保持靜止；③吸盤放氣，使標尺光柵落到尺殼的粘接面上，兩端的限位機構對標尺光柵限位，保持其和尺殼的相對靜止；④壓緊模塊到達與尺殼配合的工位；⑤滑臺反向進給，標尺光柵隨尺殼反向運動，壓緊模塊對標尺光柵作精確定位壓緊；⑥在反向進給時，在標尺光柵和尺殼間由壓緊模塊引入一根抽真空的硅膠軟管，壓緊模塊將標尺光柵壓緊完畢后，對軟管充氣，軟管膨脹壓緊標尺光柵，在凝固期間起定位壓緊的作用；⑦卸載完成粘接的尺殼，即完成本次裝配，進行下一工作循環。

3.3設備兼容性

該設計方案對以下兩種情況具有良好的兼容性：①直接兼容：尺殼長度變化而型腔不變時，可直接兼容，僅需在控制系統中設定長度參數即可；②調整夾具：尺殼型腔變化不大時，需要調整夾具的工作間距；③一般情況下，當尺殼形狀變化較大時，通過更換專用夾具后亦可兼容。

4　結束語

我國已成為世界的制造大國，然而并非制造強國，制造水平的提升亟需大力研發高檔數控機床，光柵尺作為機床數控系統的核心功能部件，其研發生產能力對工業發展有著至關重要的作用。長春光機所在國內率先開展了光柵尺和絕對式光柵尺的研制工作，取得了一系列的成果，然而在高精度光柵尺的研制方面還有欠缺。我所開展光柵尺研究較早，目前所用的設備部分已經老化，為進一步提升光柵尺制造能力，開展了新一代裝備的研制工作。

標尺光柵自動化裝配設備是光柵尺自動化生產線的一個重要組成部分，負責將檢測合格的標尺光柵裝配到尺殼中，本文深入調研了當前的人工裝配工藝，提出了標尺光柵自動化裝配并對關鍵技術進行了認真分析研究和相關工藝實驗，完成了標尺光柵自動化裝配線的設計與研制。

［1］孫強.高精度絕對式光柵尺研究進展及技術難點［J］.世界制造技術與裝備市場，2012，5.

［2］呂桂志，任工昌，丁濤，等.基于TRIZ技術進化分析點膠機的演進［J］.工程設計學報，2008，5.

［3］Asymtek Nordson Company.Control Coat Dispenser Wide Pattern Conformal Coating Capability［EB/OL］.Asymtek Nordson Company，［2009-09-17］.www.asymtek.com.

［4］深圳市世椿自動化設備有限公司.桌面型點膠機SEC-500EDY［EB/OL］.深圳市世椿自動化設備有限公司首頁/產品中心，［2014-9-16］.http://www.second-auto.com/desktop-dispenser/145.html.

［5］馬俊.四自由度點膠機器人控制系統設計與路徑規劃研究［D］.合肥：中國科學技術大學，2009.

Research of the Key Techniques and Design of the Liner Scale Automated Assembly

SHA Ou
（Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun Jilin 130033，China）

Liner scale is the core component of NC machine tool control system.In this paper，the research of a scale grating installation technology and process is conducted.Advantages and disadvantages of the current manual assembly process are briefly analyzed.Combined with the advantages of manual assembly process，the scale grating automated assembly plan is put forward.The scheme can complete the complete assembly processes such as transmission of artifacts for assembled，prefabrication，high precision assembly，constant pressure to keep and so on. On this basis，this paper carried a series of experiments of the scheme，and completed the design of a scale grating automated assembly line.

liner scale；scale grating；assembly；gelatinizing

TP27

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.06.048

1002-6673（2015）06-133-03

2015-10-19

沙歐（1985-），男，助理研究員。研究方向：光機結構設計，機械設計。研究課題：①三維掃描儀結構設計；②光柵尺自動化裝配工藝研究；③光機結構設計。已發表論文一篇。