和睦系统板卡面板装配自动化装置的设计与实现

石 健，李建刚，张瑞锋，王连春，王 顺

（北京广利核系统工程有限公司，北京 100094）

公司核电站数字化和睦系统中，板卡面板指示灯用于反馈电子组件的工作状态。面板指示灯采用导光柱进行导光，导光柱和面板通过热铆工艺及螺装工艺装配为成品，采用以上装配工艺的板卡种类占公司生产总量的80%以上。导光柱和面板结构件是定制物料，当前在手动装配过程中，导光柱安装在热铆、面板安装和螺装工序之间周转，导致生产效率低的问题比较突出。因此，解决手动生产效率低的问题显得尤为重要。通过实现板卡热铆工艺和螺装工艺的自动装配，以及同时操作两个工序的方法研究，作为解决问题的方向。

1 板卡面板装配的现状

当前板卡手动装配操作过程，如图1所示：①将导光柱放入板卡的通孔；②将板卡翻面平放在桌面上，用手指抵住导光柱，手持烙铁将导光柱管脚热铆；③板卡螺孔与面板结构件螺孔对齐；④将板卡翻面平放在桌面上，手扶保持状态；⑤将螺钉放置在螺孔处，使用电批紧固螺钉。手动操作步骤多，生产效率提升空间受限；热铆和螺装的生产节拍不匹配，导致装配存在周转等待时间，且占用双倍的人员配置。

图1 手动装配示意图Fig.1 Manual assembly sketch map

市场有龙门架结构热铆和螺装的标准设备，标准设备不具备组合功能，无法有效解决遇到的问题。通过设计一种实现板卡热铆工艺、螺装工艺和工序周转自动装配装置，作为解决问题的途径。

2 面板自动装配装置的设计

主要从板卡装配自动装置的工作原理和设计方案进行阐述。

2.1 工作过程

自动装配装置主要有5部分组成，如图2所示。其中包含：工业计算机、PLC、4工位转动传输平台[1]、导光柱热铆模组和面板螺装模组。

图2 工作原理示意图Fig.2 Working principle sketch map

1）通过工业计算机选择加工程序，按下启动按钮后，PLC控制4工位转动传输平台逆时针转90°。

2）传感器获取到位信号，PLC控制导光柱热铆模组拍照定位，并完成热铆，传感器反馈完成信号。

3）再次按启动按键，4工位转动传输平台逆时针旋转90°，传感器获取到位信号，PLC控制螺装模组紧固螺钉，传感器反馈完成信号。

4）热铆模组与螺装模组均设有传感器，用于传递各模组作业状态信号。

5）转动传输平台分4个工位，每次转动后可同时进行下一块板卡和组件放置，按动启动按键，PLC控制转动传输平台依次经过热铆模组和螺装模组，第4站为空置位不操作，平台回到上料工位将成品取下收纳。

2.2 设计方案

自动装配装置采用转动传输平台，以上料、热铆和螺装的节拍时间，平台设计4个载具位置，最大化提高生产节拍；转动传输平台为逆时针旋转，每次转动90°可上料，每4次1个循环，完成成品；4工位转动传输平台工作顺序：上料、热铆、螺装和空工位（不操作），如图3所示。上料工位用于安装载具，以及待加工板卡和组件预装，并收纳加工后的成品；导光柱热铆模组采用一只4轴机械手携带CCD视觉定位相机与热铆模块。面板螺装模组采用龙门架携带电动螺丝刀，并搭配一套吸取螺钉供料器。装置预留空工位用于横向能力拓展，具备增加外观检查或增加功能操作的空间。

图3 工位设计示意图Fig.3 Station design sketch map

为防止装置内运动机构对人身安全造成危害，除上料工位留有操作窗口外，整体采用封闭式设计，确保工作时与人隔离，如图4所示。为方便后期维护两侧及后部留有门，门上有安全开关，当处于工作模式时，安全开关处于使能状态，打开门，机械臂、转盘等会停止工作；上料工位窗口两侧安装红外感应器，装置运行中如感应到人体进入将停止一切动作。

图4 外形示意图Fig.4 Outline sketch map

3 面板自动装配装置的实现

3.1 载具设计的实现

板卡按照EUROCARD标准设计，外形尺寸高度分为：3U和6U；外形尺寸深度分为：110mm、160mm和220mm；导光柱数量分为：1～13个数量不等。由于外形尺寸和导光柱数量存在的限制条件，载具设计要兼顾通用性和更换便捷性。

根据如上条件限制，载具设计首选条件是板卡高度定制3U和6U规格；次选条件板卡深度定制治具；最后，根据导光柱数量定制。将相同信息的板卡进行分类统计，保证载具的通用性。板卡预装组件后翻面，为了防止板卡导光柱热铆后有可能抬高的风险，在导光柱正下方做硬支撑设计。

为方便载具的更换，载具采用4个圆柱形定位，定位销顶部为梯形，便于载具定位孔与4个定位柱的安装，如图5所示。由一个下压式卡口锁定，防止载具使用中抬起。

图5 载具设计示意图Fig.5 Vehicle design sketch map

3.2 导光柱装配的实现

4轴机械手法兰携带视觉定位相机与热铆模块，如图6所示。通过PLC伺服控制器驱动其完成X、Y、Z及R方向的运动，从而完成视觉定位与热铆接。

图6 热铆模块示意图Fig.6 Hot riveting module sketch map

板卡基板是绿色，导光柱接插脚是黑色，两者色差明显，有利于CCD工业相机识别[2]。CCD首先匹配圆形特征和数量，然后CCD通过对程序设定区域进行扫描识别导光柱黑色圆形接插脚坐标，根据算法计算出热铆头坐标，机械手热铆头移动至定位处，定位精度在0.1mm以内。举例：方框代表热铆头定位点，坐标是（10，10），如图7所示。圆圈代表CCD定位点，坐标是（10，20）。当在同一平面进行热铆加工时，热铆模块自动到达指定位置上。热铆头和CCD不同轴，但是同步移动，在移动过程中热铆头和CCD坐标是不同的，但两者之间存在一个固定偏移值。偏移 =（10，20）-（10，10）=（0，10）。热铆头的移动坐标根据CCD的坐标加减得出。为保证热铆模块的精度，一般热铆头和CCD需要定期进行自检，保证两者之间的偏移值在规定范围内，采用一个固定点进行标定，热铆头和CCD分次移动至标定点。当热铆头在标定点时，通过公式计算CCD的坐标应在设定范围内。

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

热铆头采用铜材块电加热模式，铜材质对比铝合金材质具备加热快和散热慢特点，有利于使用中快速加热和回温。考虑到导光柱接插脚附近元器件、加热治具按单组导光柱底固定脚数据定制，即在加热治具顶端设计两个热熔触点，其间距与导光柱底接插脚间距一致，触点直径略大于待热熔的接插脚直径，加热模块0℃～200℃可调。

3.3 面板装配的实现

面板螺装模组采用成熟的龙门架构自动设备，电动螺丝刀固定在机头后使用X、Y、Z三轴坐标控制对指定位置进行自动螺装，电动螺丝刀扭力能力0.1Kgf.cm～20Kgf.cm，可通过软件进行预制调节；搭配自动供螺丝钉装置，M2.5盘头螺钉更适用于吸取方式，实现自动供钉[3]。

4 总论

面板结构件自动装配装置已应用在和睦系统中主控板卡、网络通信板卡、IO板卡和设备接口板卡的装配。通过对导光柱热铆工艺和面板结构件螺装工艺的自动化实现，以及工序之间快速周转的实现，装置具备同时完成双工序的功能，装配工序生产效率显著提升；同时对装置应用数据进行收集，优化自动化装置的机械结构稳定性和软件算法；自动装置设计了横向扩展性，可根据优化数据或工艺需求开发空工位。