微装配技术在引信中应用综述

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(1.机电动态控制重点实验室，陕西 西安 710065；2.西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

微装配技术是指应用于中间尺度(中间尺度指几何尺度从数十微米到数十毫米范围)复杂微小型结构件组装而成系统[1-2]的装配技术。由于其装配对象尺度较小，运动精度高，操作力很小，微装配技术是目前微制造领域的关键技术之一[3]。引信是所有弹药的共有装备，是实现弹药“精确打击、高效毁伤”的核心关键，素来具有体积小、结构复杂的特点，这里特指微小型智能化弹药引信。

近几十年来，微加工、微检测技术得到了快速突破：微加工技术如LIGA和准LIGA技术、高频/超高频群脉冲微细电化学加工技术、微细电火花加工技术、飞秒激光微加工技术[4]等；微检测技术如基于光学成像的可视化、非接触自动化测量技术也得到有效突破，在微小型智能引信研制和生产中分别得到大量应用，有力地推动了引信向智能化、微小型化方向发展。微装配技术在最近20年内虽然取得了一定的进展，但国内仍普遍存在可扩展性差、可重配置性不足以及对装配对象发生改变时的响应能力不足等问题，难以满足多品种、小批量、多批次引信产品的自动化装配需求，导致装配问题成为微小型智能化弹药引信发展的主要瓶颈和薄弱环节。

1 国内外微装配技术现状

鉴于微装配技术的需求和广阔的发展前景，美国、德国以及其他发达国家，为了维持自身的竞争优势纷纷投入巨资开展微装配方面的研究。

美国对弹药微小型化研制过程中的微装配技术已经进行了非常深入和前沿的研究。图1所示为美国德克萨斯大学阿灵顿分校Dan Popa[5-6]等人研制的面向MEMS装配的M3和μ3多尺度机器人装配系统(M3-macro-meso-micro；μ3-meso-micro-nano)(图1)，M3系统可以实现尺度介于126 μm至25 mm之间的微小型零件的装配；μ3系统可以对尺度介于1 μm至1 mm之间的微小型零件进行微操作，该系统通过三个机器人组合而成的三维微装配工作站多达19个运动自由度，可以实现待装配件空间任意位姿的检测，微夹持器采用了真空吸附和静电夹持两种方式，可以根据装配需要进行可重配置，夹持器上集成了微力传感器，可以有效的保护待装配件。目前以上两个系统已经可以实现多种微尺度MEMS零件的装配。

明尼苏达大学GE YANG和James A Gaines[7]在光机电一体化框架之下开发了新型的微装配系统可用来将三维微小型结构装配到深反应离子刻蚀方法加工的孔中如图3所示。

图4所示为美军陆军RDECOM-ARDEC已针对25 mm小口径榴弹研制出了MEMS安全系统[8]，并研制和开发了一套集成了生产、装配及自动检测为一体的MEMS安全系统机器视觉、自动微装配系统(MVAM)(图4)，能够实现高精度的目标识别与检测，达到很高的生产效率。使用这套设备可以达到每小时完成100套安全系统装配的目标。

德国也是较早展开微装配研究的国家，比较著名的研究机构有德国卡尔斯鲁厄理工学院等机构。典型的如卡尔斯鲁厄理工学院的Mardanov[9-10]等人在1999年研制了基于多机器人的桌面微装配系统如图5所示。该装配系统可以实现单件小批量的直径500 μm齿轮的装配以及微型镜头的装配。

Bär等人在2003年进一步研制了μFemos微装配系统[11]，该系统包含具有XYZ以及旋转自由度的四轴执行系统，可装配系统体积600×600×500 mm，主要用来装配单件小批量高精度光学器件。加拿大多伦多大学机械工程学院的Nikolai Dechev[12]等人设计了面向3D-MEMS装配的6自由度微操作系统。

在国内，自1997年起将微装配方面的研究列入863机器人主体和国家攀登计划[13]。哈尔滨工业大学谢晖、孙立宁[14]等人开发了一种MEMS自动化微装配机器人，该系统可以实现零件直径小于2 mm的微行星齿轮减速器局部单元的自动装配。大连理工大学徐征[15]等人针对微纳流控芯片等器件的对准装配问题，研发了一套半自动微装配系统。华中科技大学黄心汉[16]等人研制一种具备多操作手协调工作的人机交互微装配机器人系统。北京航空航天大学宗光华[17]等人开发了一种宏微结合操作的自动化微装配系统，该系统可以高效的完成PMMA微流控芯片的自动装配。图6所示为北京理工大学[18]及沈阳理工大学也各自开发出了针对平板类微小零件的自动化微装配系统。中国工程物理研究院激光聚变研究中心以及天津大学裘祖荣[19]等人研究设计了一种基于显微视觉和共聚焦检测系统的微型靶标半自动装配系统。

总之，国内外均已发展出种类繁多的微装配系统，但不同的是国外的微装配系统可以针对多种微尺度进行装配，而国内一般是针对某单项产品进行开发，普遍存在可扩展性差、可重配置性不足以及对装配对象发生改变时的响应能力不足等问题。

2 微装配技术应用情况对比

在现代工业制造中，装配工作量平均占制造工作量的40%～50%，装配费用占产品制造总费用的20%～30%或更高[20]。目前，发达国家已经基本实现自动化装配，重要行业领域部分实现柔性化自动装配，如美国通过智能装配实现了引信产业链的革新和生产形态的转变，提高了产业能力，极大提升了生产效率，使得引信行业的竞争力和创新力得到大幅度提升。国内仍依靠手工装配和人机协同的半自动装配方式实现。

表1 中美引信厂家应用微装配技术前后的产能对比

由表1可知，应用微装配技术的美国公司和尚未应用微装配技术的国内引信厂家在引信行业领域存在成百倍的巨大产能差距，这足以说明实现微装配技术应用到引信装配生产中的重要性和紧迫性。

3 国内微装配技术难以在引信装配中应用的问题及解决途径

3.1 微装配技术难以在引信装配中应用的问题

国内微装配技术经过二十余年的发展，已经突破了精密定位技术、微操作器、视觉检测系统、自主式控制系统等关键技术，也逐步开发出各类自动装配系统，但只能针对单一引信产品应用，究其原因，笔者认为是国内当前的引信产品设计(安全系统)是面向手工装配。

通常认为引信是光机电一体化的复杂系统，包括发火控制电路、安全系统、传爆序列和能源装置四部分组成，但随着引信技术的发展，模块化的设计思想早已经确立。功能要求相同的模块(比如安全系统模块、发火控制电路模块、能源装置-电池或物理电机模块等)也在向具备互换性能力的方向发展，所以基于装配对象和装配特点的差异，引信的装配可分为四个方面：1)电路子系统的装配；2)安全子系统的装配(包括其它结构子系统的装配)；3)火工品的装配；4)引信系统级的装配。(由于引信装配过程中，电池和火工品(包括电雷管、导爆管、传爆管等)均以部件形式存在，所以本文不考虑这些部件本身的装配过程，同时，不针对更小尺寸如微火工品等涉及压药工艺的产品进行讨论。)

模块化引信设计的装配技术发展必定是先子系统后系统的装配过程，所有子系统全部实现自动装配，对于模块化的系统装配也将水到渠成。随着光学对准、定位技术及热压、热超声、胶黏等工艺的突破和成熟，电路模块已经采用自动装配的方式进行组装。所以目前手工装配主要存在于结构子系统、火工品及系统级的装配上，而组成传爆序列的火工品不会独立存在，一般固连于安全系统的结构零件上，其装配过程也往往与安全系统的装配过程揉合在一起，所以进行自动装配的难点主要集中在安全系统的装配上。

面向手工装配的安全系统设计，零件数目大，零件类型多样，装配操作要求智能程度过高。根据产品装配过程的复杂等级与自动装配系统的成本成几何倍的关系，如果针对面向手工装配的的安全系统直接开发自动装配系统，会使得装配系统的开发成本非常高昂。

3.2 微装配技术难以在引信装配中应用的解决途径

1)安全子系统的装配

面向装配的设计对于手工装配产品来说虽然是一个重要的考虑项，但当产品自动化装配时，面向装配的设计就是一个至关重要的考虑项。如果要进行微小型安全系统的柔性化装配改造，必须保证装配流程简单,所以有必要从产品方案阶段的安全系统结构设计开始关注可装配性，使多种安全系统产品实现统一的装配特点。一方面，为实现易于装配和降低产品装配节拍，在产品设计过程中需尽量统一零件的装配方向，减少特殊装配工艺，系列化、单一化装配系统运输和装夹时的夹持尺寸，为多种产品应用于一套装配系统扫清障碍；另一方面，需尽量减少产品包含的零部件数量。

在引信产品的设计过程中，对零件结构的工艺性(可生产性)要求从来不是一成不变的：为了发挥冲压的高速、大批量生产能力，可以把复杂零件分解为许多片状、盂状简单零件；为了利于发挥加工中心的自动化、高精度生产能力，又可以把许多简单零件组合成可以一次装夹的复杂零件；而为了提高引信产品的可装配特性，也可能会牺牲一些零件的可加工性，满足自动装配或柔性装配技术对产品应用的需求，从而极大减少装配系统的开发成本，降低微装配技术在引信产品装配中应用的门槛。

图7所示为瑞典博福斯40 mm 3P弹使用的安全系统。3P弹安全系统包含着响应内弹道环境的后坐离心双环境卡板、响应弹丸旋转的离心保险板、可识别膛内后坐环境的安全簧片和延期解除保险的钟表轮系结构，其功能可谓繁多。与同样实现各功能、带有钟表轮系结构的国内产品相比，其零件数量一般都在35个左右，有的甚至超过40个，且要求装配方向、装配方式繁杂多样，但3P弹安全系统全部零件(含火工品)的数量仅有16个。整个装配过程，其所有零部件均为从上到下的装配顺序，就好比搭积木，并且其中尺寸较小的轴类零件，如：传动轮、平衡摆、后坐离心卡板、转子轴，轴肩尺寸均分布在直径约为1～1.5 mm之间，包括零部件装配的盖板部件零件接电柱的轴肩尺寸也在范围之内，非常适合自动夹持和运输操作。

通过对比可以看出，国内当前引信产品的装配工艺与3P弹相比复杂太多。另外，从图中可以发现，零件座体通过普通机床进行加工的性能较差。笔者根据其座体零件的加工纹路特征进行分析推断，该零件的加工过程应该是先通过冶金压铸的方式完成初制胚胎，然后进行了二次精加工，与国内引信安全系统中相应零件一般均可以通过普通机械加工实现相比，其加工工艺复杂许多。可以说，该安全系统为了达到极简的装配工艺，牺牲了个别零件的可加工性。但又不单是提高了座体零件的复杂程度，因为该零件除了实现座体功能以外，还集成了轴类零件、定位销及锁定机构的功能特性，不仅轻松简化了安全系统内轴间零件的定位精度问题，同时是实现零件层叠式装配的关键。

所以，博福斯40 mm 3P弹安全系统通过降低零件可加工性，达到装配工艺的极度简化，降低装配成本，绝不仅仅是通过微装配技术的发展所能够实现的。而惟有从引信结构设计的自身角度出发，提高引信产品面向装配的设计水平，才能彻底解决国内微装配技术面临的可扩展性差、可重配置性不足以及对装配对象发生改变时的响应能力不足等问题。

2)火工品的装配

火工品有非常规则的外形，属于易于进行自动装配的范畴，但火工品的装配涉及危险品的应用，有其独立的特殊性。

传爆序列中最敏感的当属首发火工品，常见的火帽类包括针刺火帽、撞击火帽、摩擦火帽、电点火头和电点火管，雷管类包括针刺雷管、火焰雷管、电雷管、化学雷管、冲击片雷管，所以与自动装配系统有关并易于产生的敏感环境分为静电、针刺、摩擦三种情况。通过操作机械手、装配台和大地之间的互相可靠短路连接，可以轻松消除静电产生；通过规范操作程序、严格控制装配环境也可轻松消除针刺和摩擦造成的影响。所以采用自动装配系统对火工品的装配不仅可以降低对装配人员的危害，提高安全性，更可以避免人为因素出现。不仅如此，随着科研生产的进行和不敏感弹药技术的进步，对火工品也提出了越来越高的敏感度要求。比如，火工品安全电流的提高，以及火工品在火烤、撞击等情况下的钝感要求。

4 微装配技术促进引信结构设计发展的趋势

面向手工装配的引信结构设计问题导致微小型智能化引信产品出现的问题越来越突出，随着更多微小型智能化弹药引信的项目立项，有必要把面向自动柔性装配工艺的引信结构设计提上日程。在设计过程中，对面向自动化柔性装配系统的引信产品设计需要遵循一个原则：权衡零件加工成本与产品装配成本，把提高可装配性放到首位，在发生矛盾时，宁可牺牲一些可加工性。而加工中心等先进加工手段的普及也为这一原则提供了支撑。

为使微小型智能化引信产品尽快应用微装配技术，使开发出的自动装配系统解决可扩展性差、可重配置性不足以及对装配对象发生改变时的响应能力不足等问题，不妨针对种类繁多的引信产品进行分类，对同类型的产品进行系列化改进设计，统一装配流程，重视宏微接口关系，建立系列化的装配标准规范，进而反向指导引信结构设计。笔者结合当前的引信结构特点针对引信结构设计提出一些面向自动化柔性装配改进的必经措施，以供探讨：

1)减少零件数量。这是减少装配、制造和管理成本以及无关装配系统的使用的一个主要手段。

2)包含能使零件在装配时自对准的特征，如导条、凸缘和倒角等。这些特征对于确保一致性的无故障零件插入极为重要。

3)确保插入后不能即刻紧固的零件能在组件内自定位。

4)引信产品零件设计的抓取尺寸单一化。自动或柔性装配一般靠机器人手进行夹持和运输操作，这样可减少装配系统的使用时间。

5)引信产品设计成轴向层叠式装配。

6)引信零件不能过轻或有易于产生诸如缠绕、层叠的特征。

7)引信零件需有一个便于机械手操作的稳定的静止姿态。

5 结论

本文综述了微装配技术的发展现状，主要发达国家如美国、德国已经实现精度达到纳米级的微装配技术，完成生产、装配及自动检测一体化的系统柔性化集成，并已在引信行业获得大量应用；国内各高校虽然也开发出微装配系统，但普遍存在可扩展性差、可重配置性不足以及对装配对象发生改变时的响应能力不足等问题，并未能在引信产品中实际应用，而由此产生了国内外在引信行业领域装配过程成百倍的巨大产能差距。通过分析认为，目前国内难以在引信产品直接应用的根本原因是绝大部分引信产品均为面向手工装配的产品设计。据此，提出权衡零件加工成本与产品装配成本，把提高可装配性放到首位的设计原则，使面向手工装配的设计方法改变为面向柔性化装配系统平台的设计方法，提高引信产品设计水平，解决自动装配系统可扩展性差及响应能力不足等问题，为微小型智能化弹药引信的发展提供保障。

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