发射筒前盖定量涂胶工艺装备研究

杨 波，何莹莹，赵海洋

（上海航天精密机械研究所，上海 210160）

发射筒前盖定量涂胶工艺装备研究

杨 波，何莹莹，赵海洋

（上海航天精密机械研究所，上海 210160）

针对发射筒前盖涂胶效率低、涂胶质量参差不齐的问题，在分析产品结构特点和定量涂胶机理的基础上，设计了一台自动化涂胶工艺装备，实现了涂胶过程的自动化以及涂胶量的全过程实时控制。初步工艺试验表明，工艺装备在总体结构、涂胶效率、涂胶质量等方面均满足使用要求。

定量涂胶；工艺装备；涂胶效率

0 引言

发射筒是某航天产品发射前的贮存装置，发射前筒内充满惰性气体，以保证某航天产品处于适宜的温度湿度环境中，有利于延长航天产品的贮存寿命[1,2]。发射筒的各部件连接处的气密性是评价发射筒性能的重要指标。因采用胶粘工艺，发射筒前盖是气密性最薄弱的部位之一，而且胶粘过程属于特殊工艺过程，如果前盖涂胶量不均匀，则与盖环粘结过程容易产生气泡，降低胶粘的气密性指标。

目前大部分发射筒前盖的胶粘过程均采用手工涂胶方式（前盖胶粘如图1所示），现有的胶粘结过程为：两个操作工同时操作，其中一个手扶着盖环回转，另一个用注射器吸胶后对准盖环边沿进行喷胶注射，注射后，将前盖体和盖环刻线对齐并稍微压紧，并将溢出在盖环四周的胶量刮除，最终将对接好的前盖放在压紧工装上进行胶固化。手工涂胶方式存在以下问题：

图1 前盖胶结图

1）涂胶工艺不具有可量化性，同批次产品胶粘质量参差不齐。注胶由工人凭靠自己经验控制，受人的影响程度大，出胶量不可控，导致前盖胶粘的气密性质量不稳定。

2）生产效率和自动化程度较低，不适应日益增长的航天产品批产需求。一方面，点胶过程需两个工人共同操作；另一方面，在实际的粘接过程中，通常为了保证前盖的气密和粘接强度，点胶量较多，使得需要增加刮胶操作，降低了生产效率。

为满足航天产品批产需求，达到提高产品胶粘效率和胶粘质量的目的，本文在分析胶量均匀性控制方法的基础上，提出了自动化涂胶工艺装备的总体方案，并进行了大量的工艺试验。

1 自动化涂胶原理分析

由上述前盖胶粘存在的问题可知，自动化涂胶工艺装备主要涉及轨迹规划和胶量定量控制两个功能。根据前盖外形特征和生产现场条件约束，工艺装备采用运动轨迹圆弧插补技术和低压气源压力闭环控制技术实现涂胶过程的准确定量控制。

1.1 涂胶轨迹控制原理

涂胶轨迹控制技术此设计的关键技术之一，数字积分法是目前应用最广泛的圆弧插补方法，它具有运算速度快、脉冲分配均匀、易于实现多轴联动控制的优点[3,4]。

本文采用4段圆弧拟合的方式规划整个圆环轨迹。以第一象限逆圆为例（如图2所示），起始点在A（X0,Y0）,圆弧半径为R，B（Xi,Yi）为圆弧上的任意一点，则圆方程为：

图2 逆圆示意图

设B点的移动速度为V，分速度分别为VX，VY。

单位时间内，X、Y方向的位移量分别为：

速度恒定不变时，B（Xi,Yi）坐标为：

逆圆在每个象限内插补函数的符号如表1所示。

表1 每个象限内坐标轴增量符号表

1.2 胶量压力闭环控制原理

假设气体压力控制器出口压力为P，针筒出胶速度为V1，针筒的横截面积为S，胶的密度为ρ，如图3所示。则气体压力作用在胶上的力为：

图3 针筒胶控制示意图

忽略摩擦力做功，根据能量守恒，单位时间内气体对胶做功等于针头处胶的动能：

由上式可知，出胶速度与针筒内的气体压力成一定的比例关系，而出胶速度代表出胶量的均匀性。胶量压力闭环控制可保证涂胶量的均匀性，提高胶粘的质量。

2 自动化涂胶工艺装备总体设计

通过分析涂胶轨迹圆形轨迹拟合方法以及胶量定量控制原理，进一步明确了自动化涂胶工艺装备的功能需求[5]，本文设计了一套基于微型数控系统的自动化涂胶工艺装备，如图4所示。

图4 自动化涂胶工艺装备

2.1 三轴运动机构设计

1）三轴运动机械臂

三轴运动机械臂有X轴、Y轴、Z轴三个运动方向，Z轴可以实现点胶针筒的上下调节，X/Y轴机械臂插补运动实现圆形轨迹点胶。根据胶粘产品的尺寸，X轴、Y轴机械臂的有效行程至少为300mm，Z轴机械臂的高度调节满足凸台涂胶需求。本设计选用线性模组（图5）作为机械臂的主要组件，线性模组采用丝杠传动，导轨采用精密线性滑块导轨，X轴、Z轴机械臂型号为WN410TA，Y轴机械臂型号为WN420TA。其机械参数如表2所示。

图5 三轴机械臂线性模组

表2 三轴机械臂线性模组参数

2）针筒安装定位夹具

如图6所示，针筒安装定位夹具用于安装固定点胶针筒。针筒的安装的稳定性对涂胶质量有很大影响，主要体现在两方面：

图6 针筒安装定位夹具

（1）上下挡板与夹具平板的垂直度影响出胶针头的运动轨迹，垂直度偏差过大会导致涂胶过程中胶嘴超出盖环凸台范围，胶体落在盖环外表面。

（2）上下挡板对针筒的定位稳定性影响涂胶质量。三轴运动机构的涂胶是以胶头出胶点的坐标为基准进行轨迹规划的，如果针筒定位不牢固，会导致出胶头位置不固定，甚至胶头在运动过程中与盖环发生物理干涉。

本设计要求上下挡板与夹具平板的平面垂直度控制在0.005mm，并且采用上下挡板固定的方式，选择固定型号的针筒和针头，下挡板起限位固定作用，上挡板定位孔作基准定位，保证涂胶过程出胶针头坐标位置误差控制在合理范围内。

2.2 控制系统设计

自动化涂胶工艺装备的控制系统主要分为两部分，一部分是三轴运动机械臂的联动控制系统，一部分是点胶机系统的胶量定量控制系统。控制系统实现的功能主要有：

1）自动化涂胶工艺装备应用对象是圆环类产品，实现对圆环产品的涂胶。控制系统具备圆弧插补、参数可调、自动/手动运行、离线编程等功能。

2）胶量定量控制系统可以实现出胶量的稳定输出，可实时调整出胶量。

本设计采用如图7所示的控制架构。主控制器选用TC55C系列四轴运动控制器，控制精度为0.001mm，具有四轴直线插补联动功能，二轴圆弧插补功能；驱动系统选用安川公司的高精度伺服驱动器和高响应速度伺服电机，与三轴运动机械臂的技术参数匹配。

胶量定量控制系统选用HYD-2000点胶控制器，系统配置气体压力传感器，实现胶量压力闭环控制。同时系统设置真空回路控制系统，可以在针筒内产生负压，放置胶料漏滴。

3 涂胶工艺试验验证

为了验证工艺装备的可适用性，本文进行了初步的涂胶工艺摸索。试验配置了实际产品使用的专用胶，确定了涂胶工艺运动轨迹，通过不同气体压力和运动速度的组合，使用工艺盖环进行了大量的工艺试验，试验情况如图8所示。

图7 控制系统构成图

图8 压力一定条件下出胶量与移动速度关系

从图中可以看出，在固定的移动速度条件下，随着气体压力的增大，出胶量也会随之增大，这验证了工艺装备的出胶量是可控的，后续试验过程中将进一步摸索合适的工艺参数，使量化的胶量参数符合实际生产需要。

以移动速度为600mm/min，压力为0.4MPa和移动速度500mm/min，压力为0.3MPa条件下的涂胶试验为例，试验效果实物图如图9所示。

图9 工艺试验实物图

从上图可以看出，在移动速度为600mm/min，压力为0.4MPa和移动速度500mm/min，压力为0.3MPa条件下胶体均匀的分布在盖环凸台上，盖环圆周表面整洁，减小了涂胶完成后刮胶工作量，提高了涂胶质量一致性和涂胶效率。

4 结束语

针对现有的涂胶工艺存在的问题，本文详细分析了定量涂胶原理和运动路径规划原理，得出了对自动化工

【】【】艺装备的技术要求，最终设计了一台自动化定量涂胶工艺装备。工艺试验表明，工艺装备可以实现圆环路径规划和定量涂胶功能。相对于手工涂胶，自动化涂胶方式涂胶均匀性和涂胶效率有了大幅提高。

[1] 俞鑫.圆形复合材料易碎的冲破性能研究[D].南京航空航天大学,2011,11-12.

[2] 周宏.轻质导弹发射箱盖设计、分析与试验验证[D].南京航空航天大学,2004,12-15.

[3] 左玉虎.普通数控车床改造中圆弧插补的实现[J].机械制造与研究,2009,38(06):48-49.

[4] 王健.蜂窝纸制芯涂胶机的设计与分析[J].轻工科技,2012(9):63-64.

[5] 杨亮亮.自适应脉冲整形轨迹涂胶残余振动抑制研究[J].制造业自动化,2012,34(10):4-8.

The research of quantitative gumming technology equipment of barrel front cover

YANG Bo, HE Ying-ying, ZHAO Hai-yang

TH16

A

1009-0134(2016)12-0097-04

2016-07-29

杨波（1988 -），男，山东潍坊人，工程师，硕士研究生，研究方向为非标工艺装备设计。