玻璃燒結連接器電鍍掛綁工藝的研究和應用

張波利　何溪　閆冰　申瑞

摘 要：文章通過對玻璃燒結連接器電鍍工藝的分析，研發出一種用于電鍍中銅絲掛綁工序的自動化設備，可以實現該工序的自動化。改進后的電鍍工藝可提高生產效率和產品的一致性，增強連接器的可靠性，滿足該產品在不同環境下的使用要求。

關鍵詞：玻璃燒結；工業自動化；電鍍

中圖分類號：V442 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）15-0096-02

Abstract： Based on the analysis of the plating process of glass sintering connectors， a kind of automatic equipment for copper wire hanging and binding in electroplating has been developed， which can realize the automation of this process. The improved electroplating process can improve the production efficiency and product consistency， enhance the reliability of the connector， and meet the requirements of the product in different environments.

Keywords： glass sintering； industrial automation； electroplating

1 概述

玻璃燒結連接器結構簡單，機械強度良好，密封性能優異，具有耐高溫、耐高壓、耐強輻射等性能，在航空、航天、海洋、石油等領域的復雜惡劣工況中得到了廣泛的應用。生產中，為得到優良電氣性能的玻璃燒結連接器，通常采用電鍍方式，對其接觸部分進行鍍金處理，提高導電能力和可靠性。

在玻璃燒結連接器電鍍時，為了使每一根接觸件導電，采用細銅絲作為電鍍電源導線，人工繞在每一根插針或插孔的焊線端。由于連接器體積小，接觸件密度大，此工序一直存在生產效率低下、良品率低和工作量大的特點。本文提出了一種先進的自動化繞線解決方案，對連接器電鍍中的掛綁工藝進行優化。

2 電鍍掛榜工藝現狀和當前問題

2.1 工藝現狀

某特種連接器產品主要運用于航天、航空、海洋等壓力變化較大的工作環境，氣密條件要求高。該連接器在生產中常采用先玻璃燒結固定接觸體，密封絕緣體，然后再進行電鍍的制造工藝。電鍍時，常采用細銅絲作為電鍍電源，將銅絲掛綁接觸件的方式使接觸體導通。電鍍前銅絲掛綁接觸體這一工序，目前靠工人手工掛綁完成。

2.2 當前問題

（1）需求與生產力不匹配。電鍍掛綁工藝幾乎適用于所有先燒后鍍的連接器產品。但與其工藝使用廣泛性相比，生產中采用手工作業的模式，效率低下。

（2）難度高。該系列連接器具有種類繁多，接觸體密度大、總體數量多的特點，且產品小型化發展。某系列連接器接觸體數多達五十多，但其大小僅在兩平方厘米左右，空隙只有0.69mm，手工掛綁操作困難。

（3）良品率低。手動作業中，各金屬針上纏繞細銅絲張力不具有一致性，接觸體與金屬絲之間的鍍層厚度無法控制，繞線高度也不能保證相同。手工作業中，人眼疲勞，漏針現象出現概率較高。

2.3 改良思路分析

結合連接器產品接觸件端面式分布的實情：連接器接觸體端面分布平整，間隙均勻，接觸件通常為插針，針與針之間有可操作空間。利用連接器的接觸件分布，把接觸件體視作點，將針體外徑考慮為繞線中需要走過模擬成繞線過程中行走的避障范圍，利用金屬絲張力控制器，使將掛綁過程的線纏繞，擬合成機械執行末端的路徑動作。在繞線方案設計中采用機械中路徑規劃的思想，考慮各繞線方案的可行性，使設計出的自動化掛綁連接器設備滿足生產需要。

連接器具有大小不同，空隙有異的特點，執行器末端需設計為可更換部分。繞針動作為三維空間動作，采用三軸聯動的機械結構設計方案來保障運動可靠準確。

3 綁掛路徑算法設計

3.1 路徑研究方案隔離

通過觀察生產線上工人實際掛綁操作，可大致分為以下兩種方式：

3.1.1 “S”型纏繞

如圖1示例為7X6矩陣孔位分布連接器，圖中黑色部分為連接器的金屬針。考慮到繞線金屬絲的體積，外圈虛線為金屬絲纏繞一圈后達到的實際形狀，電鍍電源細銅絲如黑線所示，以“S”型纏繞的方式將各金屬針連接導通。

此綁繞方法的好處在于金屬絲線耗費少，線與金屬針接觸面積小，因此對電鍍鍍層影響較小。但缺點也十分明顯。在排列有序的針與針之間通常以沿內切線的“S”型繞線，使繞線完成后的金屬針上的細銅絲能維持一定的張力，不易脫落。然而在繞線部分抵達金屬針末端時，例如該圖上排最右端金屬針與下排最右端金屬針纏繞時，以“S”型纏繞，有漏針的風險存在。繞綁工序所針對的玻璃燒結連接器種類多、排針復雜。在設計掛綁路徑算法時，應當考慮算法的普適性，不可出現較多的特殊情況計算，以免增加算法的難度和程序編譯出現問題的風險。

3.1.2 “O”型纏繞

纏繞方式如圖2。初始進線端為任意點，在每根金屬針上繞有一圈以上兩圈以下的銅絲，出線端為兩圓的切線。由于細銅絲圍繞金屬針圓周角纏繞，無論哪點進線都能保證細銅絲連接上金屬針，使各金屬針都能得以導通。

3.2 算法設計

本設計中采用“O”型掛綁方法來設計自動掛綁設備。路徑算法以實現金屬針“O”型纏繞為目的。設計時，為了簡單算法，本設計中將上個金屬針的出線點視為圓外一點，將金屬針及銅絲厚度視為圓，過點做圓的切線，將圓上切點做細銅絲的進線端。在這種路徑算法下，吐絲針頭多走一段冗余路程，但路徑點的算法得到了簡化，每根金屬針只用計算一次切點。

比較兩個切點與上個金屬針入線點之間的距離，選取長度較短的點為（Xa，Ya）。繞線圈上的路徑可根據圓的數學函數，采用插補的方法離散成路徑點，由此路徑上所有的點都為已知狀態。

4 機械結構設計

如圖3所示，該設備為了實現三維空間微小運動，是選用精度高的單軸驅動器組合而成三軸聯動的機械設備。引線針頭安裝在Z軸驅動器上，連接器夾具安裝在X軸。X軸絲杠的導軌為6mm，Y軸絲杠的導軌為6mm，Z軸的絲杠導軌為2mm，運動精度為電機每轉脈沖絲杠運動0.01mm。

采用正交型單軸驅動器組合，為了保障精度，設備裝配過程中要進行打表操作。誤差會隨著單軸驅動器的行程增加而變大，就產品的長寬和高度而設計，需要單軸驅動器做的行程較短，要求X軸和Y軸誤差為0.003mm，Z軸為0.01mm。

在設備設計過程中，為了節約成本和便于后期管理維護，設備中應該在控制成本的前提下盡量選用標準件。其絲線類張力控制器的產品十分成熟，因此選用標準產品進行張力控制。絲線的張力調試標準為：引線針頭的絲線繃緊但可拽動，絲線在設備工作過程中不會發生崩斷和卡絲。張力計需要工程人員根據現場情況做出調整。

5 設備生產值能與人工作業對比

此設備涉及一系列產品的金屬針數不同。產能對比中，選取針數貼近平均值的某一類25針產品進行取樣。設備與人分別取樣3000件連接器進行掛綁，收集數據。

人工每針用時1.5秒降低到0.8秒，良品率也從87.25%提升到97.36%，由此結果可知，設備掛綁的工作效率高于人工作業，其良品率得到了顯著提升。且通過現場調查可知，設備在繞線高度控制上有十分出色的表現，繞線高度基本一致，保證連接器在電鍍工藝中，電鍍完成后的產品彼此間電阻特性基本相同。

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