和睦系統板卡面板裝配自動化裝置的設計與實現

石 健，李建剛，張瑞鋒，王連春，王 順

（北京廣利核系統工程有限公司，北京 100094）

公司核電站數字化和睦系統中，板卡面板指示燈用于反饋電子組件的工作狀態。面板指示燈采用導光柱進行導光，導光柱和面板通過熱鉚工藝及螺裝工藝裝配為成品，采用以上裝配工藝的板卡種類占公司生產總量的80%以上。導光柱和面板結構件是定制物料，當前在手動裝配過程中，導光柱安裝在熱鉚、面板安裝和螺裝工序之間周轉，導致生產效率低的問題比較突出。因此，解決手動生產效率低的問題顯得尤為重要。通過實現板卡熱鉚工藝和螺裝工藝的自動裝配，以及同時操作兩個工序的方法研究，作為解決問題的方向。

1 板卡面板裝配的現狀

當前板卡手動裝配操作過程，如圖1所示：①將導光柱放入板卡的通孔；②將板卡翻面平放在桌面上，用手指抵住導光柱，手持烙鐵將導光柱管腳熱鉚；③板卡螺孔與面板結構件螺孔對齊；④將板卡翻面平放在桌面上，手扶保持狀態；⑤將螺釘放置在螺孔處，使用電批緊固螺釘。手動操作步驟多，生產效率提升空間受限；熱鉚和螺裝的生產節拍不匹配，導致裝配存在周轉等待時間，且占用雙倍的人員配置。

圖1 手動裝配示意圖Fig.1 Manual assembly sketch map

市場有龍門架結構熱鉚和螺裝的標準設備，標準設備不具備組合功能，無法有效解決遇到的問題。通過設計一種實現板卡熱鉚工藝、螺裝工藝和工序周轉自動裝配裝置，作為解決問題的途徑。

2 面板自動裝配裝置的設計

主要從板卡裝配自動裝置的工作原理和設計方案進行闡述。

2.1 工作過程

自動裝配裝置主要有5部分組成，如圖2所示。其中包含：工業計算機、PLC、4工位轉動傳輸平臺[1]、導光柱熱鉚模組和面板螺裝模組。

圖2 工作原理示意圖Fig.2 Working principle sketch map

1）通過工業計算機選擇加工程序，按下啟動按鈕后，PLC控制4工位轉動傳輸平臺逆時針轉90°。

2）傳感器獲取到位信號，PLC控制導光柱熱鉚模組拍照定位，并完成熱鉚，傳感器反饋完成信號。

3）再次按啟動按鍵，4工位轉動傳輸平臺逆時針旋轉90°，傳感器獲取到位信號，PLC控制螺裝模組緊固螺釘，傳感器反饋完成信號。

4）熱鉚模組與螺裝模組均設有傳感器，用于傳遞各模組作業狀態信號。

5）轉動傳輸平臺分4個工位，每次轉動后可同時進行下一塊板卡和組件放置，按動啟動按鍵，PLC控制轉動傳輸平臺依次經過熱鉚模組和螺裝模組，第4站為空置位不操作，平臺回到上料工位將成品取下收納。

2.2 設計方案

自動裝配裝置采用轉動傳輸平臺，以上料、熱鉚和螺裝的節拍時間，平臺設計4個載具位置，最大化提高生產節拍；轉動傳輸平臺為逆時針旋轉，每次轉動90°可上料，每4次1個循環，完成成品；4工位轉動傳輸平臺工作順序：上料、熱鉚、螺裝和空工位（不操作），如圖3所示。上料工位用于安裝載具，以及待加工板卡和組件預裝，并收納加工后的成品；導光柱熱鉚模組采用一只4軸機械手攜帶CCD視覺定位相機與熱鉚模塊。面板螺裝模組采用龍門架攜帶電動螺絲刀，并搭配一套吸取螺釘供料器。裝置預留空工位用于橫向能力拓展，具備增加外觀檢查或增加功能操作的空間。

圖3 工位設計示意圖Fig.3 Station design sketch map

為防止裝置內運動機構對人身安全造成危害，除上料工位留有操作窗口外，整體采用封閉式設計，確保工作時與人隔離，如圖4所示。為方便后期維護兩側及后部留有門，門上有安全開關，當處于工作模式時，安全開關處于使能狀態，打開門，機械臂、轉盤等會停止工作；上料工位窗口兩側安裝紅外感應器，裝置運行中如感應到人體進入將停止一切動作。

圖4 外形示意圖Fig.4 Outline sketch map

3 面板自動裝配裝置的實現

3.1 載具設計的實現

板卡按照EUROCARD標準設計，外形尺寸高度分為：3U和6U；外形尺寸深度分為：110mm、160mm和220mm；導光柱數量分為：1～13個數量不等。由于外形尺寸和導光柱數量存在的限制條件，載具設計要兼顧通用性和更換便捷性。

根據如上條件限制，載具設計首選條件是板卡高度定制3U和6U規格；次選條件板卡深度定制治具；最后，根據導光柱數量定制。將相同信息的板卡進行分類統計，保證載具的通用性。板卡預裝組件后翻面，為了防止板卡導光柱熱鉚后有可能抬高的風險，在導光柱正下方做硬支撐設計。

為方便載具的更換，載具采用4個圓柱形定位，定位銷頂部為梯形，便于載具定位孔與4個定位柱的安裝，如圖5所示。由一個下壓式卡口鎖定，防止載具使用中抬起。

圖5 載具設計示意圖Fig.5 Vehicle design sketch map

3.2 導光柱裝配的實現

4軸機械手法蘭攜帶視覺定位相機與熱鉚模塊，如圖6所示。通過PLC伺服控制器驅動其完成X、Y、Z及R方向的運動，從而完成視覺定位與熱鉚接。

圖6 熱鉚模塊示意圖Fig.6 Hot riveting module sketch map

板卡基板是綠色，導光柱接插腳是黑色，兩者色差明顯，有利于CCD工業相機識別[2]。CCD首先匹配圓形特征和數量，然后CCD通過對程序設定區域進行掃描識別導光柱黑色圓形接插腳坐標，根據算法計算出熱鉚頭坐標，機械手熱鉚頭移動至定位處，定位精度在0.1mm以內。舉例：方框代表熱鉚頭定位點，坐標是（10，10），如圖7所示。圓圈代表CCD定位點，坐標是（10，20）。當在同一平面進行熱鉚加工時，熱鉚模塊自動到達指定位置上。熱鉚頭和CCD不同軸，但是同步移動，在移動過程中熱鉚頭和CCD坐標是不同的，但兩者之間存在一個固定偏移值。偏移 =（10，20）-（10，10）=（0，10）。熱鉚頭的移動坐標根據CCD的坐標加減得出。為保證熱鉚模塊的精度，一般熱鉚頭和CCD需要定期進行自檢，保證兩者之間的偏移值在規定范圍內，采用一個固定點進行標定，熱鉚頭和CCD分次移動至標定點。當熱鉚頭在標定點時，通過公式計算CCD的坐標應在設定范圍內。

圖7 CCD定位原理示意圖Fig.7 Charge-coupled device camera positioning sketch map

熱鉚頭采用銅材塊電加熱模式，銅材質對比鋁合金材質具備加熱快和散熱慢特點，有利于使用中快速加熱和回溫。考慮到導光柱接插腳附近元器件、加熱治具按單組導光柱底固定腳數據定制，即在加熱治具頂端設計兩個熱熔觸點，其間距與導光柱底接插腳間距一致，觸點直徑略大于待熱熔的接插腳直徑，加熱模塊0℃～200℃可調。

3.3 面板裝配的實現

面板螺裝模組采用成熟的龍門架構自動設備，電動螺絲刀固定在機頭后使用X、Y、Z三軸坐標控制對指定位置進行自動螺裝，電動螺絲刀扭力能力0.1Kgf.cm～20Kgf.cm，可通過軟件進行預制調節；搭配自動供螺絲釘裝置，M2.5盤頭螺釘更適用于吸取方式，實現自動供釘[3]。

4 總論

面板結構件自動裝配裝置已應用在和睦系統中主控板卡、網絡通信板卡、IO板卡和設備接口板卡的裝配。通過對導光柱熱鉚工藝和面板結構件螺裝工藝的自動化實現，以及工序之間快速周轉的實現，裝置具備同時完成雙工序的功能，裝配工序生產效率顯著提升；同時對裝置應用數據進行收集，優化自動化裝置的機械結構穩定性和軟件算法；自動裝置設計了橫向擴展性，可根據優化數據或工藝需求開發空工位。