□ 徐 迎

杭州測(cè)質(zhì)成科技有限公司 杭州 311200

1 研究背景

飛機(jī)裝配工藝經(jīng)歷了繁重的人工裝配、使用各種輔助設(shè)備進(jìn)行裝配等階段,目前正朝著自動(dòng)化裝配方向發(fā)展。自動(dòng)化裝配技術(shù)暫未取得廣泛應(yīng)用,而依靠人工操作的裝配質(zhì)量可控性較差,對(duì)飛機(jī)制造安全性而言是一種隱患[1]。

手工裝配氣動(dòng)工具作為當(dāng)前飛機(jī)裝配過(guò)程中廣泛應(yīng)用的輔助設(shè)備,其操作狀態(tài)是飛機(jī)裝配質(zhì)量的重要影響因素。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示氣動(dòng)工具的操作狀態(tài),可使設(shè)備操作者掌握更多與裝配質(zhì)量相關(guān)的設(shè)備工作參數(shù)信息,從而為飛機(jī)裝配質(zhì)量控制提供支撐。另一方面,通過(guò)收集、匯總、分析每臺(tái)氣動(dòng)工具設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),可以顯著提高裝配車間的數(shù)字化管理水平,為生產(chǎn)計(jì)劃安排和設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)等提供依據(jù)。

2 操作狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法

在對(duì)手工裝配氣動(dòng)工具操作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí),關(guān)注的重點(diǎn)是和裝配質(zhì)量控制及裝配車間數(shù)字化管理密切相關(guān)的狀態(tài)量,主要包括工作壓力、轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、輸出轉(zhuǎn)矩、振動(dòng)強(qiáng)度、裝配操作次數(shù)等。其中,工作壓力、轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、輸出轉(zhuǎn)矩是對(duì)裝配質(zhì)量影響較大的狀態(tài)量[2-3],裝配操作次數(shù)則與車間生產(chǎn)管理相關(guān)。

實(shí)現(xiàn)手工裝配氣動(dòng)工具操作狀態(tài)監(jiān)測(cè)的技術(shù)難點(diǎn)主要集中在三方面,分別為轉(zhuǎn)速測(cè)量、鉆孔計(jì)數(shù),以及測(cè)量裝置在手工裝配氣動(dòng)工具本體上的固定。

2.1 轉(zhuǎn)速測(cè)量

手工裝配氣動(dòng)工具在工作時(shí),其輸出軸處于高速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。現(xiàn)有的集成式轉(zhuǎn)速傳感器體積和質(zhì)量都比較大,通常要通過(guò)聯(lián)軸器和待測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸進(jìn)行連接,才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量。為了提高轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的集成度,可采用體積與質(zhì)量相對(duì)較小的霍爾傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量,基本原理是在手工裝配氣動(dòng)工具的輸出軸上固定一個(gè)嵌有若干磁片的轉(zhuǎn)盤,將霍爾傳感器固定在與轉(zhuǎn)盤垂直的位置,當(dāng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)盤中的磁片不斷經(jīng)過(guò)霍爾傳感器測(cè)量磁路的間隙,進(jìn)而持續(xù)輸出脈沖信號(hào),將此脈沖信號(hào)輸入主控芯片進(jìn)行處理,即能得到工作轉(zhuǎn)速[4-5]。轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示。

需要注意轉(zhuǎn)盤和手工裝配氣動(dòng)工具轉(zhuǎn)軸間應(yīng)可靠連接,避免產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng),從而造成轉(zhuǎn)速測(cè)量出現(xiàn)較大誤差。同時(shí),轉(zhuǎn)速測(cè)量精度與轉(zhuǎn)盤上沿圓周均勻布置的磁片數(shù)量相關(guān)。一定轉(zhuǎn)速下,轉(zhuǎn)盤上的磁片數(shù)量越多,霍爾傳感器所輸出的脈沖信號(hào)數(shù)量就越多,輸出轉(zhuǎn)速也就越接近實(shí)際轉(zhuǎn)速。這一轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單,可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對(duì)象的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈活調(diào)整,是一種低成本、適應(yīng)性強(qiáng)的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)。

▲圖1 轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)

2.2 鉆孔計(jì)數(shù)

在飛機(jī)裝配中實(shí)現(xiàn)螺紋連接操作,通常每次只需按下氣動(dòng)扳手的控制按鈕,就能完成一個(gè)緊固件的安裝。因此,對(duì)緊固件安裝計(jì)數(shù),可以通過(guò)檢測(cè)按下氣動(dòng)扳手控制按鈕的次數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體而言,可以在控制按鈕上設(shè)置一個(gè)開關(guān)按鍵,操作人員按下控制按鈕時(shí)開關(guān)按鍵閉合,通過(guò)對(duì)開關(guān)按鍵導(dǎo)通次數(shù)的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)緊固件安裝的計(jì)數(shù)。

鉆孔計(jì)數(shù)的流程則相對(duì)復(fù)雜。實(shí)際操作中,一個(gè)孔位的加工通常需要反復(fù)進(jìn)行多次操作才能完成。因此,統(tǒng)計(jì)完成加工孔位的數(shù)量并不簡(jiǎn)單地類似于螺紋連接操作,需要通過(guò)鉆孔過(guò)程中所體現(xiàn)的其它特性來(lái)進(jìn)行判斷。對(duì)鉆孔過(guò)程中氣鉆的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析,可知在孔位鉆通的瞬間,氣鉆會(huì)從慢速進(jìn)給狀態(tài)變?yōu)榧铀偾皼_狀態(tài),然后在操作者的控制下逐漸減速。因此,可以通過(guò)對(duì)氣鉆進(jìn)給速度的變化判斷孔位是否鉆通,從而實(shí)現(xiàn)鉆孔計(jì)數(shù)。鉆孔計(jì)數(shù)流程如圖2所示。

為了計(jì)算氣鉆的進(jìn)給速度,需要通過(guò)激光測(cè)距傳感器持續(xù)測(cè)量氣鉆與被加工孔位之間的距離,并進(jìn)行存儲(chǔ)。激光測(cè)距傳感器的測(cè)距原理是光的反射,因此,當(dāng)孔位周圍相對(duì)平整時(shí),測(cè)量的效果較好。另外,為了判斷氣鉆進(jìn)給速度是否存在先增大后減小的過(guò)程,需要給出判斷進(jìn)給速度變化幅度的閾值。由此可見,閾值是決定鉆孔計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性的直接因素。在實(shí)踐中,可以通過(guò)重復(fù)鉆孔試驗(yàn)獲得鉆孔過(guò)程的速度變化曲線,通過(guò)對(duì)曲線的分析確定合適的閾值。

2.3 測(cè)量裝置固定

在確定手工裝配氣動(dòng)工具操作狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法后,大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵是在保證可用性和可靠性的前提下實(shí)現(xiàn)附加測(cè)量裝置在氣動(dòng)工具本體上的集成。一部分傳感器可以直接固定在電路板上,另一部分傳感器及電路板必須通過(guò)特定結(jié)構(gòu)的裝置固定在氣動(dòng)工具本體上。

由于氣動(dòng)工具本體的外形構(gòu)造并不規(guī)則,因此為了實(shí)現(xiàn)附加測(cè)量裝置與手工裝配氣動(dòng)工具本體的可靠連接,所需要的固定裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。為了減輕操作者的額外負(fù)擔(dān),還應(yīng)嚴(yán)格限制固定裝置的質(zhì)量。在此背景下,可考慮采用三維打印技術(shù)制作固定裝置,材料選擇輕質(zhì)、高強(qiáng)度的復(fù)合材料[6]。可以根據(jù)手工裝配氣動(dòng)工具的外形構(gòu)造和附加測(cè)量裝置的特點(diǎn),設(shè)計(jì)固定裝置的外形。

3 信息上傳

在數(shù)字化深入發(fā)展的背景下,操作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)信息除實(shí)時(shí)本地顯示告知操作者外,還需要通過(guò)上傳的形式匯集到遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái),實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期追蹤和進(jìn)一步分析。

在眾多無(wú)線網(wǎng)絡(luò)類型中,窄帶物聯(lián)網(wǎng)是一種聚焦于低功耗、廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)類型,具有覆蓋廣、速率快、成本與功耗低等特點(diǎn)[7]。采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳,只需要在每個(gè)手工裝配氣動(dòng)工具上集成一個(gè)無(wú)線傳輸模塊,就可以實(shí)現(xiàn)手工裝配氣動(dòng)工具操作狀態(tài)信息上傳到云端的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)前技術(shù)條件下,實(shí)現(xiàn)對(duì)手工裝配氣動(dòng)工具操作狀態(tài)監(jiān)測(cè)是一種提高裝配流程數(shù)字化程度的可行路徑。筆者在保證監(jiān)測(cè)方法簡(jiǎn)單、低成本的前提下,提出了監(jiān)測(cè)方法的可行方案。針對(duì)大規(guī)模應(yīng)用,提出了采用三維打印完成相關(guān)零件制造。

筆者提出的手工裝配氣動(dòng)工具操作狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法有望得到實(shí)際應(yīng)用。