光電式定位輔助裝置的研制

陳言閂，江葉青，瞿凌

中國電子科技集團第38研究所 安徽合肥 230088

1 序言

定位元件的精度直接影響零件加工精度。加工中因操作人員一次裝夾定位不到位或螺母旋緊時旋轉扭力較大而產生肉眼無法分辨的微量移動，這時起動機床就會產生不合格品，輕者返修后再利用，重則報廢[1]。生產中常采用憑手感與目測、百分表（或千分表）重校檢查或探頭重校檢查等方法來復核定位精度。

2 定位輔助裝置的研制背景

憑手感與目測對加工的某批次60件盒體的一次裝夾定位精度進行統計，由于零件擋住了操作人員視線，有死角，效果不理想，經常需要二次調整，有4件超出±0.02mm的要求。加工現場及零件一次裝夾定位精度分布如圖1、圖2所示。

圖1 加工現場

圖2 零件一次裝夾定位精度分布

百分表（或千分表）重校檢查能及時調整直線誤差，但坐標系數據需要操作人員手動輸入，易出現輸入數據錯誤，導致批量產品每件用百分表重校增加了裝夾時間，提高了勞動強度，降低了勞動效率。探頭重校檢查能調用探頭程序自動測量零件坐標系零點，但無法消除零件直線方向誤差，不能有效解決定位準確率問題。

近年來各種高精度、大批量零件加工訂單激增，如何快速、準確且直觀地判斷定位狀態成為擺在我們面前亟待解決的難題。

3 提出解決方案并確定最佳方案

根據生產必須高效可靠的要求，輔助定位裝置對定位精度的反饋應具有“提示醒目、信息準確”的特點，提出三種方案，如圖3所示。現對三種方案逐一進行分析。

圖3 輔助裝置方案

1）方案一：數顯測距利用超聲波往返目標的時間，通過聲波速度經過計算得出距離，使用數碼管實時顯示讀數。對發射器進行改造，使發射夾角調整到＜10°，小角度獲得更精確的測量值，減少誤判，對被測物也要精確瞄準，稍有誤差會導致測量精度較低，且制作難度較大，需要專業的技術支持。

2）方案二：杠桿傳動利用杠桿放大原理，通過針表指示判讀，使用杠桿百分表測頭接觸零件調零，多次裝夾零件發現易出現失誤，超出緩沖行程，造成測頭失去基準。這種方案因為是將百分表用磁性表座固定在工作臺上，因此防水處理難度也較大。

3）方案三：光電感應借鑒光電式尋邊器原理。電流通過機床工作臺、零件、絕緣過的定位件，最后到裝置形成回路，驅動提示、提醒元件發出報警[2]。小組成員經討論決定，這一方案通過采購通用標準配件和自制部分配件兩種方法制作定位輔助裝置，因此在小組內部即可解決制作問題。

通過對不同方案進行試驗和分析，發現“光電感應定位輔助裝置”在成本、技術難易程度等方面更具有優勢，因此確定為最佳方案。

4 光電式定位輔助裝置的設計制作

4.1 整體結構和需求分析

根據光電式定位輔助裝置電流通過機床工作臺、零件、絕緣過的定位件，最后到裝置形成回路，驅動提示、提醒元件發出報警的原理，首次繪制了該裝置的整體結構框架圖，并對“光電感應定位輔助裝置”，如何達到設定的公差要求的需求進行分析和制表統計。

4.2 各部分組成配件的確定

如圖4所示，光電感應輔助裝置由裝置部分、定位部分和連接部分組成[3]，結合表1將這三個部分逐一細分并提出方案，選擇配件。

1）裝置部分。分為裝置盒防水選擇、開關選擇、報警提示選擇和電源選擇四個部分。裝置盒防水選擇提出了23型氟橡膠密封條、23型氟橡膠密封圈、703密封硅膠三種方法，通過性能、方便拆裝、易操作性、防水效果和價格等多方面對比，23型氟橡膠密封圈伸長率在200%～600%，抗撕裂強度在2～7M P a為選定方案[3]。開關選擇提出了按鈕開關、重力開關、感應開關三種，通過對比耐用性、易操作性和防水性，選擇重力開關。報警提示選擇提出了發光二極管燈珠和蜂鳴器兩種方案，發光二極管因功耗低、壽命和可辨識性高、無噪聲等優點被選中。電源選擇提出CR2032鈕扣電池、5號干電池和充電鋰電池，對比待機時間、體積和拆換等方面，最終選擇CR2032鈕扣電池。

圖4 整體結構框架

表1 裝置需求分析

2）定位部分。定位部分主要分為表面絕緣方案選擇和結構選擇兩個部分，表面絕緣方案選擇提出了陽極氧化黑化和貼環氧膠木片兩種方案，陽極氧化黑化能整體包裹定位元件，氧化膜是硬度高、耐磨、耐腐蝕、絕緣性好而且具有高電阻的絕緣膜，絕緣擊穿電壓＞30V/μm，外觀也較為美觀，定為選中方案；在選擇定位部分結構時，因實際加工中每次需用銑刀銑削定位元件端面，攻關小組成員提出定位元件應能反復循環多次使用的要求，如采用鋁塊單獨加工基體，定位接觸部分采用H65黃銅棒車削M6螺紋與2∶10錐度與基體配合，則定位頭可舍棄，基體可繼續使用，因此結構定為分體式結構[3]。

3）連接部分。連接器通過導線將裝置盒與定位元件連通，兩頭均需要連接器，要求連接可靠，操作方便。提出了三種連接方案：3.5mm耳機接頭、蝶形螺母固定、電夾夾持，三種方式可靠性均滿足需求，其中裝置盒體端如采用3.5mm耳機接頭一次可連接出三根導線，定位端電夾夾持則安裝方便、易操作，因此連接方式為裝置盒體端采用3.5mm耳機、定位元件端接頭2in（1in＝2.54cm）電夾夾持導電柱。

以上各部分確定后，依據選定的方案繪制了一張最終方案的樹圖（見圖5）。

圖5 最終方案

4.3 各部件可靠性試驗及裝置制作

依據最終方案樹圖對各部件開展了以下試驗驗證。

1）發光二極管穩定性測試：電池連續驅動4只發光二極管燈珠100h以上（約合使用3000次、夠一個季度使用）。

2）陽極氧化發黑絕緣處理測試：在基體一頭打孔接入3V電源，投入水中測試電流值，通過基體表面導電電流值為0。

3）裝置盒體加工與元器件裝配：設計盒體結構裝配圖和數控加工程序，電路使用電烙鐵焊接，按照圖樣裝配，使用不同顏色燈珠并在盒體上刻字標識（見圖6～圖9）。

圖6 電路

圖7 裝置盒模型

圖8 裝配裝置盒

圖9 指示燈通電測試

4）重力開關可靠性試驗：將裝置固定在臥式鏜床主軸上，轉速20r/min，旋轉50min，翻轉1000次，開關均正常顯示。

5）23型氟橡膠密封圈密封試驗：裝置盒沒入10cm深切削液內8h無滲水現象。

6）分體式定位元件定位精度試驗：M6螺紋與2∶10錐度結合，1kg零件模擬裝夾試驗50次，測量定位部分位置度，定位精度±0.01mm。

5 光電式定位輔助裝置的運用

該裝置（見圖10）研制成功后，使用定位輔助裝置對某批次盒體共563件進行試加工（見圖11）。該盒體側面某孔X方向定位精度（49±0.01）mm，加工過程中在裝夾時共有5次指示燈未亮起，使用千分表對加工基準進行測量。經過分析，零件夾緊前指示燈正常亮起定位無異常；夾緊后由于螺母旋緊時產生較大的扭力，使零件產生了微量移動，因此裝置及時發現了定位異常，通過調整裝夾使指示燈正常亮起。經檢測，定位準確可靠。

圖10 光電式定位輔助裝置

圖11 裝置應用

該批次盒體加工完后，檢驗員使用三坐標測量儀對零件進行檢測，500件零件成品X方向定位精度均符合（49±0.01）mm公差要求。

6 結束語

本裝置是我公司首次對定位元件的創新，因裝置的部件均為常規配件或自行設計制造，因此制作成本非常低，僅數百元一套。小發明帶來了大智慧，創新裝置既減輕了操作人員的負擔，又提高了工作效率和加工質量。目前，該裝置已申報國家專利并獲得通過。