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基于工艺设计的无线远传水表自动化装配设备研制论文

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  关键词:水表,自动化装配,视觉检测,自动化灌胶,计数器,机芯,发讯装置

  0引言

基于工艺设计的无线远传水表自动化装配设备研制论文

  水表是水计量的重要工具,其计量精度对水司和用户有着密切关系,而水表的装配可靠性与计量精度有着密切关系。目前,水表零件装配基本还停留在手工阶段,存在工作效率低,合格率不高等现象,水表产业属于劳动密集型行业,机芯装配过程复杂且工序繁多,更需要有装配经验的熟练工才能胜任[1]。

  随着科技的进步,装配自动化技术得到了飞速发展。自动控制技术、机器人技术和计算机技术的出现对自动化装配奠定了坚实的理论基础[2]。制造业中,工业机器人的应用是生产线实现自动化的前提,也是最重要的核心因素。我国在这一领域起步较晚,但发展速度较快,在装配自动化、智能化、数字化有了较大的创新以及突破[3]。无线远传水表支持远程费控、远程开关阀、自动抄表,是智能水表的发展方向。其总装图如图1所示。

  本文以无线远传水表为例,分析其结构和各零件,根据水表的特点开发出一款自动化装配生产线,具体介绍了构成生产线的6个设备。

  1设计原理和结构组成

  自动化装配设备的工作原理是控制系统、传感器、控制器、操作器以及其他辅助设备之间相互作用,自动完成指定任务的过程。其中,控制系统是自动化装配设备的核心,它根据用户设定的控制程序,控制传感器、控制器和操作器的工作。

  自动化设备配件主要组成部分包括传动件、驱动部件、传感器、工装夹具、电子元件、气压气缸等。

  2重要设计分析
       2.1零件视觉检测

  机械水表指示机构的传动齿轮常规采用塑料注塑件,注塑机品牌,设备参数设置和人员操作方法都对齿轮的尺寸和质量有较大的影响。齿轮注塑完成之后需要对齿轮的齿数、齿顶圆、齿底圆、分度圆直径、齿轮高度、齿轮轴的同轴度及齿轮齿边是否存在毛刺、飞边等现象进行检测;如果齿轮的这些重要尺寸和外观不符合要求,零件装配后指示机构中齿轮传动会出现较大阻力,水表流量性能出现偏差,导致生产合格率降低。

  计数器中的密封O形圈为橡胶制品,在塑炼、压延、成型和硫化等基本工序中尺寸很难控制,而O形圈对计数器的密封和字轮传动有较大影响,合格的尺寸能有效密封并对字轮轴的阻力最小,可有效提升产品质量。

  为了有效把控传动零件质量,采用工业相机拍摄的检测方式对水表零件进行检测,零件检测该设备包括安装平台、分选机构、拍摄相机和吹送系统。安装平台上设有送料机构,送料机构和分选机构之间安装滑道,在进行检测时,将待测零件放置于送料机构,后通过滑道进入到分选机构,之后通过平台上的相机对待测零件进行拍照检测,两台工业相机分别从正面和侧面对零件进行拍摄,在通过相机拍摄检测之后,两个吹送系统分别将合格和不合格的零件吹送至下一道工序。零件视觉检测设备结构如图2所示。

  2.2计数器自动化装配焊接

  机械式计数器作为水表重要的数字计量部件,其装配质量不仅取决于合理的传动结构设计,更依赖于先进的装配设备。计数器由字轮盒、字轮盒盖、字轮和牙轮等零部件组成,结构复杂。

  计数器中字轮盒焊脚和字轮盒盖焊槽直接影响焊接质量,人工装配无法保证零件一致性和平整度,导致计数器焊接质量差,因超声波焊接不可逆,质量不合格产品只能报废处理,无法满足计数器大批量生产和产线的自动化升级改造。

  为提高产品质量和工作效率[4],本节给出了自动化装配焊接的设计方式,以摆脱人工装配方式。计数器自动化装配焊接设备,采用第一检测机构安装于字轮盒输送机构的输送带上,通过第一检测机构检测字轮盒零件的尺寸,第二检测机构安装于字轮盒盖输送机构的输送带上,通过第二检测机构检测字轮盒盖的尺寸,装配输送机构位于字轮盒输送机构的输送带出料端,且装配输送机构延伸至字轮盒盖输送机构的输送带卸料工位,焊接机构位于装配输送机构的下道工序,通过超声波焊接机将盒与盖进行焊接,形成计数器。该生产设备可以在焊接前对盒与盖进行尺寸检验,且替代人工对计数器进行装配和焊接,提升了生产效率和产品的合格率。计数器自动化装配焊接设备结构如图3所示。

  2.3机芯自动化装配

  水表机芯装配是将叶轮、叶轮盒、指示机构等相关零件进行组装,该过程因零部件多、体积小易损坏,装配精度要求高,该种装配方式不仅工作人员的劳动强度大,加工效率低下,同时装配精度也很难保证,导致产品的合格率低[5]。

  在水表机芯自动化装配方面,国内外水表生产企业主要以手工装配为主,因机芯装配过程复杂且繁琐,并且缺乏成熟的全自动装配线。随着自动化技术快速发展,为提高机芯装配效率和装配质量,减少人工成本[6],提升市场竞争力,开发机芯自动化装配设备显得尤为重要。

  本文的机芯自动化装配设备工作时,通过第一输送机构将叶轮盒向前方移动输送至顶尖装配机构下方,启动顶尖装配机构将顶尖安装于叶轮盒中心位置,输送至翻转机构上并由翻转机构将安装好顶尖的叶轮盒进行翻转,由第二输送机构将翻转好的叶轮盒输送至调节板安装机构工位下,调节板安装机构将调节板安装在叶轮盒底部位置,通过第三输送机构将叶轮盒组件输送至叶轮和指示机构装配装置下方,最后完成叶轮盒指示机构的安装。采用多种自动化机构配合取代了传统的手工装配方式,不仅有效降低各工序中人工操作步骤,快速实现机芯的自动化装配过程,还有效提高机芯的装配精度,提升了水表成品的质量[7]。机芯自动化装配设备结构如图4所示。

  2.4发讯装置自动化装配和灌胶
       2.4.1发讯装置自动化装配

  发讯装置安装于水表上,其主要作用是对数据的机电转换和数据远传,发讯装置中的集成电路板是采用半导体制作工艺,在一块较小的单晶硅片上制作上许多晶体管及电阻器、电容器等元器件,并按照多层布线或遂道布线的方法将元器件组合成完整的电子电路[8-9]。在灌胶前需要对发讯装置的质量进行检测,现有技术是通过机械基表进行手工检测,检测效率低下,对各类数据读取和分析中存在一定误差,难以保证发讯装置的合格率。

  发讯装置检测装配包装一体机,其包括安装台、上料装置、检测装置和分拣装置,安装台上设置有安装支架,安装支架上设有检测装置,设备运行时,上料装置将发讯装置输送至检测装置上方,通过检测装置对发讯装置进行功能检测,通过分拣装置将有无问题的发讯装置进行分拣,其检测和分拣工序可以有效提升工作效率[10]。发讯装置自动化装配设备结构如图5所示。

  2.4.2发讯装置自动化灌胶

  发讯装置内有PCB板,焊接了许多晶体管及电阻器、电容器等元器件。因此,发讯装置的防护等级特别是防水等级有严格的要求。通过对电子元器件的灌胶来实现该装置的密封,手工灌胶有着很大的随机性,因无法控制胶量以及胶的均匀度很难达到一致,会导致发讯装置出现溢胶或因胶不够出现漏水等现象。同时,手工灌胶效率低下,无法进行量产。

  发讯装置自动化灌胶设备,包括输送部件、灌胶口、竖移、横移以及纵移结构,灌胶口安装在竖移结构上,横移结构与竖移结构相连接,能够带动横移结构进行纵向移动,设备工作时,通过输送部件将待灌胶的发讯装置输送到指定位置,后通过横移结构以及纵移结构相配合使灌胶口移动至发讯装置上方,竖移结构垂直移动使得灌胶口到达合适的高度,对发讯装置完成灌胶后,通过程序控制移动至下一个位置进行灌胶工作,有效提高工作效率,同时可通过时间控制或者灌胶口出胶量对灌胶效果进行定量把控,有效提升了发讯装置的灌胶效果[11]。发讯装置自动化灌胶设备结构如图6所示。

  2.4.3发讯盒气密性检测

  发讯盒内装有集成电路板,需要具备防潮、防氧化等功能,发讯盒的气密性对器件持续稳定工作有很大影响,发讯装置需持续工作数年,因此对气密性有严苛的要求,在发讯盒批量生产中,没有有效的设备对发讯盒气密性进行检测。

  发讯盒气密性检测装置包括:滑动结构、夹紧结构、上位机以及发讯盒;滑动结构用于固定发讯盒将其移动至夹紧结构的下方;夹紧结构对发讯盒进行气密性检测,将检测结果传输至上位机,上位机获取检测结果后并对其进行显示,挑选出气密性未达标的发讯盒。该设备操作简单可以快速的对发讯盒进行气密性检测,有效提高工作效率,缓解了对于发讯盒气密性检测效率较低的技术问题[12-14]。发讯盒气密性检测设备结构如图7所示。

  3应用效果
       3.1技术性能

  采用自动化检测、装配、焊接、灌胶生产线,在35s以内能够完成一套无线远传水表的全自动装配与检测。该生产线集成高精度智能传感器及视觉引导机械手抓取技术,实现了产品合格率达到97.5%。生产线同时采用系统监控与数据采集技术,通过对采集数据进行分析优化,实现生产信息的全流程监控[15],如图8所示。

  3.2经济效益

  自动化装配生产线投产后,企业的无线远传水表生产周期缩短了64.5%,人工费用降低了48.5%,产品返工率由13%降低到2.5%以下,有效提升了水表的质量。同时,年产量大大提升,制造车间人力需求大幅减少。

  自动化装配生产线中的多项技术可适用于电表、气表的规模化生产中,市场前景强劲,有着显著经济和社会效益。

  4结束语

  随着信息技术、计算机集成制造技术和柔性制造技术的不断发展,制造业即将进入自动化时代[15]。而加工技术发展早于装配技术,因此装配工艺已成为现代自动化生产的薄弱环节。装配自动化在保证产品质量的前提下,对提高生产效率,降低用工成本有着重要意义,实现装配自动化是产业升级的重要标志,也是技术革新的前提[16]。

  该系列设备投产后,生产周期有效缩短,生产费用降低明显,产品返修率大幅下降,年产量大幅增长,产品质和抗震性能。在本研究中设计了一种仿生机械龟的结构,并通过实验验证了其运动和控制性能。研究结果表明,仿生机械龟具有较好的机械性能和控制性能,能够在一般水环境中自主探测和行动。

  水下机器人作为机器人技术融入水下、海洋环境中的重要工具,不仅能够替代人工进行作业,同时其安全性、工作效率、作业深度、作业时长等也都远超人工作业[20]。该仿生机械龟突破了传统机器人结构的限制,提供了一种新的机器人设计思路和方法。验证了仿生机械龟的运动和控制性能,为机器人的实际应用提供了重要的技术支持,拓展了仿生机器人领域的研究范畴,为未来的研究提供了借鉴和启示。对于推动机器人技术的发展和创新具有重要的价值和意义。该机器人还存在许多不足之处,比如在水下的驱动能力相比航行器动力性能有限,较为笨重,无法在恶劣环境下快速移动,感知能力较弱,无法检测到复杂环境中的所有障碍物或者隐蔽陷阱。虽然仿生机械龟在一些方面具有明显的优势,但是仍然面临着一些挑战和限制,需要进一步的研究和改进。我国海岸线漫长,江河湖泊资源丰富,水下机器人市场发展潜力较大[21],随着水下机器人需求的不断涌现,希望仿生机械龟在未来能够实现水下作业应用,给水下作业带去便利。

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