航空燈具產(chǎn)品涂膠工藝研究現(xiàn)狀

饒勇剛，陳 亮，趙新偉，尹延飛

(上海航空電器有限公司，上海 201101)

航空燈具產(chǎn)品在機(jī)上主要用于照明、編隊(duì)等，在結(jié)構(gòu)上燈罩壓圈作為燈罩的固定件，需用到硅膠進(jìn)行粘結(jié)。相比較汽車制造，航空制造領(lǐng)域目前產(chǎn)量還普遍較小，沒(méi)有形成自動(dòng)化生產(chǎn)模式。航空產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多樣，形狀復(fù)雜，涂膠過(guò)程中還是以手工涂膠、半自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)涂膠為主。

目前常用的涂膠工藝主要是手工涂膠、半自動(dòng)氣動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)涂膠、桌面式點(diǎn)膠機(jī)涂膠、立體式機(jī)械臂涂膠[1]，如圖1所示。這些工藝方法已經(jīng)應(yīng)用在了現(xiàn)有生產(chǎn)制造中。本文綜述了手工涂膠、半自動(dòng)氣動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)涂膠、桌面式點(diǎn)膠機(jī)涂膠、立體式機(jī)械臂涂膠工藝的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件，展望了航空燈具產(chǎn)品燈罩壓圈的涂膠工藝發(fā)展方向，旨在為今后的航空燈具產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造上選用合適的涂膠工藝提供相關(guān)參考依據(jù)。

圖1 常用的涂膠工藝Fig.1 Common gluing processes

1 手工涂膠

由于飛機(jī)表面氣動(dòng)外形的設(shè)計(jì)，安裝在機(jī)上的燈具外形結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，圖2為某尾燈燈罩壓圈。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的燈罩壓圈無(wú)法裝夾固定，所以在燈罩壓圈涂膠粘結(jié)的工藝中基本采用手工涂膠。手工涂膠即采用手持膠槍等工具通過(guò)操作者控制出膠力度及軌跡進(jìn)行涂膠作業(yè)。

圖2 燈罩壓圈Fig.2 Lampshade pressing ring

手工涂膠的優(yōu)點(diǎn)在于靈活性強(qiáng)，可應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜環(huán)境，缺點(diǎn)在于效率低，一致性只能依靠手工熟練程度保證。郭晨皓等[2]也提到在飛機(jī)零件對(duì)接位置涂防水膠的涂膠方式為人工刷膠，如圖3所示。飛機(jī)體積較大，表面零件對(duì)接縫隙多，各種設(shè)備均不能實(shí)現(xiàn)有效涂膠，且涂膠后的流淌現(xiàn)象必須人工進(jìn)行處理，只有手工涂膠的靈活性才能滿足工藝需求。且在飛機(jī)制造車間里經(jīng)年累月的作業(yè)鍛煉出一批手工精湛的涂膠工匠，保證飛機(jī)表面的防水性能。

圖3 飛機(jī)表面對(duì)接處涂膠Fig.3 Applying adhesive to the interface of the aircraft surface

2 半自動(dòng)氣動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)涂膠

半自動(dòng)氣動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)由腳踏式開(kāi)關(guān)和點(diǎn)膠控制器組成，通過(guò)調(diào)節(jié)控制器氣壓大小來(lái)控制出膠量，腳踏開(kāi)關(guān)控制出膠、斷膠。半自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)可替代一部分手工涂膠，減少手工涂膠的勞動(dòng)強(qiáng)度。其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作，可均勻出膠，一次性膠筒方便隨時(shí)更換；缺點(diǎn)是不適用于高精度產(chǎn)品。較多的應(yīng)用于汽車工業(yè)[3]，在航空燈具燈罩壓圈中可用于涂膠邊框較大的大型燈具。但隨著技術(shù)的發(fā)展，整體化、構(gòu)型拓?fù)浠?、梯度?fù)合化、結(jié)構(gòu)功能一體化等創(chuàng)新結(jié)構(gòu)技術(shù)[4]，飛機(jī)采用氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)，航空燈具制造中采用半自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)進(jìn)行涂膠將無(wú)法適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的需求。

3 桌面式點(diǎn)膠機(jī)涂膠

桌面式點(diǎn)膠機(jī)包含三軸聯(lián)動(dòng)、四軸聯(lián)動(dòng)等，一般采用手持器示教編程，點(diǎn)膠閥的快速發(fā)展也將桌面式點(diǎn)膠機(jī)的涂膠精度提升到了0.1mm級(jí)別，在3C行業(yè)應(yīng)用廣泛。其定位方式一般采用機(jī)械定位及MARK點(diǎn)定位，采用機(jī)械定位方式的點(diǎn)膠精度受裝夾影響，MARK點(diǎn)定位可適當(dāng)彌補(bǔ)機(jī)械定位的定位缺陷，但在目前行業(yè)成熟設(shè)備中，其彌補(bǔ)的定位偏差在幾毫米。更重要的是兩種定位方式均需裝夾,如圖4所示，對(duì)于單一批量大的產(chǎn)品較為實(shí)用。楊波等[5]就將桌面式點(diǎn)膠機(jī)應(yīng)用到某航天產(chǎn)品的發(fā)射筒，來(lái)解決手工涂膠導(dǎo)致的前蓋涂膠量不均勻、膠粘的氣密性不達(dá)標(biāo)等問(wèn)題。某型艙燈一般單機(jī)裝配約60件，可采用桌面式點(diǎn)膠進(jìn)行涂膠，但推廣使用則有較大局限性，原因是大量夾具保管維護(hù)成本增加、夾具設(shè)計(jì)成本高、頻繁更換夾具影響作業(yè)節(jié)拍的連續(xù)性等。

圖4 桌面式點(diǎn)膠機(jī)涂膠示意圖Fig.4 Schematic diagram of desktop dispensing machine gluing

4 立體式機(jī)械臂涂膠

機(jī)械臂是一種多關(guān)節(jié)、可編程的自動(dòng)化機(jī)器人，其精度高，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制精確，可完成對(duì)小尺寸、高精度位置的操作；可編程性強(qiáng)，機(jī)械臂可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)不同的操作和任務(wù)，具有較高的靈活性和適應(yīng)性；生產(chǎn)效率高，機(jī)械臂可以實(shí)現(xiàn)24h不間斷工作；適用范圍廣，機(jī)械臂可以應(yīng)用于不同的行業(yè)和領(lǐng)域，在制造業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)業(yè)已有大量成熟的案例，是目前工業(yè)自動(dòng)化和智能制造的重要設(shè)備和技術(shù)之一。特別是在大型工件的涂膠中應(yīng)用極為廣泛，如圖5所示。上海特斯拉超級(jí)工廠以其超強(qiáng)的生產(chǎn)能力聞名世界，2022年交付電動(dòng)汽車超過(guò)71萬(wàn)輛，占全球交付量的54.2%，在其生產(chǎn)線就采用了大量機(jī)械臂對(duì)整車進(jìn)行涂膠作業(yè)，機(jī)械臂也是非標(biāo)涂膠方案設(shè)計(jì)中的寵兒。曹德嚴(yán)等[6]也針對(duì)汽車涂膠過(guò)程中容易出現(xiàn)溢膠、堆膠以及斷膠等嚴(yán)重影響汽車涂膠質(zhì)量的問(wèn)題，結(jié)合 SCA 涂膠系統(tǒng)和 ABB 機(jī)器人優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)基于 SCA 的 ABB機(jī)器人自適應(yīng)涂膠系統(tǒng)。圍繞涂膠控制系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)、流量控制、程序設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)定進(jìn)行研究，通過(guò)ABB機(jī)械臂提升了汽車涂膠的加工效率和加工質(zhì)量。但在航空燈具產(chǎn)品中，上千種小批量的產(chǎn)品使得編程操作復(fù)雜，一線作業(yè)人員無(wú)法有效掌握編程方法，并且仍然有裝夾帶來(lái)的管理及成本問(wèn)題，所以航空燈具領(lǐng)域很少用到立體式機(jī)械臂涂膠。

圖5 某汽車工廠機(jī)械臂涂膠Fig.5 A aertain automobile factory's robotic arm coating

5 展望

飛機(jī)照明系統(tǒng)是飛機(jī)系統(tǒng)中重要的一部分，任何飛機(jī)都離不開(kāi)飛機(jī)照明系統(tǒng)。近年來(lái)，照明技術(shù)發(fā)展迅速，照明產(chǎn)品從白熾燈、熒光燈、鹵素?zé)羯?jí)到 LED 燈，照明產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)功能和外觀體積等方面都在不斷改進(jìn)[7]。特別是在飛機(jī)上的防撞燈、編隊(duì)燈、著陸燈、搜索燈、航行燈，都是影響飛機(jī)安全的重要因素，在其燈罩壓圈涂膠工藝上對(duì)一致性、質(zhì)量、效率的要求也更加嚴(yán)格。從現(xiàn)狀分析需要解決的問(wèn)題有兩方面：①手工涂膠的一致性差、效率低問(wèn)題；②目前常規(guī)點(diǎn)膠設(shè)備必須裝夾定位帶來(lái)的管理復(fù)雜、節(jié)拍停滯的問(wèn)題。

航空燈具產(chǎn)品燈罩壓圈的涂膠必須選用新的適應(yīng)性點(diǎn)膠技術(shù)，通過(guò)精密閥體保證點(diǎn)膠一致性，通過(guò)設(shè)備保證效率，通過(guò)視覺(jué)定位技術(shù)取代裝夾定位問(wèn)題。鄭劍斌[8]等提出了適用于視覺(jué)點(diǎn)膠機(jī)系統(tǒng)的一種攝像機(jī)標(biāo)定方法，結(jié)合角點(diǎn)檢測(cè)，對(duì)采集的平面標(biāo)定板多視角圖片進(jìn)行特征點(diǎn)采樣，并結(jié)合非線性幾何畸變模型畸變校正，得出視覺(jué)點(diǎn)膠機(jī)系統(tǒng)完整的成像模型，求解出攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)，通過(guò)最大似然估計(jì)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整后，由 L-M 算法將參數(shù)收斂，進(jìn)而求出攝像機(jī)外參數(shù)。實(shí)驗(yàn)利用視覺(jué)點(diǎn)膠系統(tǒng)三軸直線機(jī)器人的位移，標(biāo)定精度偏差小于0.3mm。吳曉[9]提出了視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)倍率及偏移量標(biāo)定的定點(diǎn)法，從而實(shí)現(xiàn)了圖像坐標(biāo)到物理坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器控制三軸平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了三軸聯(lián)動(dòng)點(diǎn)膠功能，經(jīng)試驗(yàn)重復(fù)定位精度提升到了0.03mm。謝俊[10]等設(shè)計(jì)了一種利用視覺(jué)技術(shù)抓取點(diǎn)膠位置的自動(dòng)化點(diǎn)膠系統(tǒng)?；赩isual C#編程平臺(tái)利用eVision圖像處理軟件對(duì)膠片的圖像進(jìn)行分析，利用圖像預(yù)處理和形態(tài)學(xué)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)膠起始坐標(biāo)的提取。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)的點(diǎn)膠精度可達(dá)0.014mm，重復(fù)精度可以控制在0.012mm以內(nèi)。一般航空燈具的涂膠邊框?qū)挾仍?.2mm以上，當(dāng)定位精度達(dá)到微米級(jí)，完全可以滿足使用需求。

6 結(jié)束語(yǔ)

航空燈具產(chǎn)品的涂膠工藝未來(lái)的發(fā)展方向應(yīng)是通過(guò)精密點(diǎn)膠閥控制膠體流量及出膠/斷膠時(shí)機(jī)，且點(diǎn)膠閥結(jié)構(gòu)便于拆裝清洗。特別要提出的是，對(duì)于多品種小批量的產(chǎn)品特性，點(diǎn)膠程序應(yīng)開(kāi)發(fā)圖像編程方式，便于靈活應(yīng)對(duì)各類外形結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，最重要的是通過(guò)先進(jìn)的視覺(jué)定位技術(shù)鎖定點(diǎn)膠起始軌跡，完全解決裝夾帶來(lái)的可操作性差的問(wèn)題。在應(yīng)用層面膠體封裝也應(yīng)進(jìn)行適配，選用能夠直接與點(diǎn)膠閥連接的封裝可以避免二次灌裝帶來(lái)的多余工作。膠體在滿足航空產(chǎn)品性能要求的前提下，粘度需要格外重視。粘度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)膠閥負(fù)荷過(guò)大，點(diǎn)膠閥轉(zhuǎn)子易損；粘度過(guò)低的膠體流動(dòng)性好，這就要求點(diǎn)膠的后道工序快速銜接。通過(guò)試驗(yàn)研究，選用粘度范圍50000～400000 cps可以較好地滿足航空燈具產(chǎn)品在點(diǎn)膠工藝中的需求，此成果也為國(guó)產(chǎn)化探索提供了選型借鑒。