CN105171413B - 一种固体小火箭自动装配装置及装配方法 - Google Patents

一种固体小火箭自动装配装置及装配方法 Download PDF

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Abstract

一种固体小火箭自动装配装置及装配方法，装配装置包括夹持工装、拧紧轴、拧紧工装、底座以及控制装置；夹持工装具有固定部和移动部，能够抱紧固体小火箭；固定部和移动部的半圆柱曲面粘贴摩擦系数为[0.3,0.5]防滑材料；拧紧轴包括驱动机构和输出轴，驱动机构输出指定扭矩，驱动输出轴旋转；通过六方拧紧工装拧紧固体小火箭喷管的六方。装配时，将六方拧紧工装开口部夹持在固体小火箭喷管的六方上，拧紧轴向下运行，输出轴插入拧紧工装的接口部，驱动机构输出指定扭矩，驱动输出轴旋转；通过拧紧工装对固体小火箭施加指定扭矩，拧紧喷管和壳体。采用本发明装配方法不仅降低了工装数量和劳动强度，而且提高了装配效率。

Description

一种固体小火箭自动装配装置及装配方法
技术领域
本发明涉及一种小火箭自动装配装置及装配方法，属于火工装置装配领域。
背景技术
固体小火箭是一种典型的航天火工装置，在分离正(反)推、整流罩分离、星箭起旋、筒盖侧推、弹头姿态调整和控制等方面起重要作用。
参见附图1，固体小火箭的壳体31是一种典型的圆筒薄壁结构件，在装配过程中易发生变形；为了保证固体小火箭能够完成预定功能，需要对壳体31和喷管32施加一定的扭矩(一般为数百N·m)以保证壳体和喷管之间的螺纹可靠连接。目前国内固体小火箭均采用手工装配完成，这种装配方法首先要根据火箭外形特点，即壳体31的外径大小和支耳32的形状设计专用工装，来实现装配过程中的可靠夹持；然后利用扭矩扳手在喷管33的六方34上施加扭矩，将壳体和喷管拧紧至一定的预紧力以保证可靠连接。此方法需要的工装数量多，几乎每种火箭需要一套专用工装，装配劳动强度大，效率低，无法适应适应大批量生产的要求。
从现有国内外文献来看，解决固体小火箭自动装配的方法未见报道。
发明内容
针对目前固体小火箭装配需要工装数量多、劳动强度大、效率低的问题，本发明提出了一种固体小火箭成组自动装配装置及装配方法，实现了自动加载扭矩，降低了劳动强度。
本发明的技术解决方案是：
提供一种固体小火箭自动装配装置，其特征在于包括：夹持工装、拧紧轴、拧紧工装以及底座；
夹持工装具有固定部和移动部；固定部固定在底座上，具有开口端，开口端型面为半圆柱曲面；移动部能够在驱动下沿水平方向移动，具有开口端，开口端型面为半圆柱曲面，与固定部的半圆柱曲面形成完整的圆柱曲面，该圆柱曲面与固体小火箭壳体外形匹配，能够抱紧固体小火箭；
拧紧轴包括驱动机构和输出轴，驱动机构输出指定扭矩，驱动拧紧轴上下移动，并驱动输出轴旋转；
拧紧工装具有开口部和接口部，开口部与固体小火箭喷管的待拧紧部位的外形匹配，接口部具有通孔，该通孔与输出轴的外形匹配；输出轴带动拧紧工装的接口部旋转，通过拧紧工装开口部拧紧待拧紧部位。
优选的，还包括控制装置，控制拧紧轴上下运行，输出轴插入拧紧工装的接口部；控制夹持工装抱紧固体小火箭；控制驱动机构输出指定扭矩，驱动输出轴旋转。
优选的，驱动机构包括伺服电机，减速器，驱动机构提供600N.m至900N.m的扭矩。
优选的，固定部和移动部的半圆柱曲面内表面粘贴有摩擦系数为[0.3,0.5]的防滑材料。
优选的，拧紧轴还包括扭矩传感器，检测驱动机构输出的扭矩，发送给控制装置。
优选的，移动部的驱动力提供夹紧力F，夹紧力F需满足的条件为：
其中，Mmax为拧紧过程中的最大拧紧扭矩；Ks为安全系数，取1.2～1.5；μ为壳体和防滑材料之间的摩擦系数；R为壳体半径。
优选的，固定部的半圆柱曲面和移动部的半圆柱曲面的截面半径与壳体的半径相差±2mm以内。
同时提供一种基于所述的小火箭自动装配装置的装配方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将预装好的固体小火箭放置在底座上，抵靠在固定部的半圆柱曲面上；
(2)将拧紧工装开口部夹持在固体小火箭喷管的待拧紧部位上；
(3)驱动移动部沿水平方向移动，抱紧固体小火箭，并保持该驱动力作为夹紧力，夹紧力F需满足的条件为：
其中，Mmax为拧紧过程中的最大拧紧扭矩；Ks为安全系数，取1.2～1.5；μ为壳体和防滑材料之间的摩擦系数；R为壳体半径；
(4)拧紧轴向下运行，输出轴插入拧紧工装的接口部，驱动机构输出指定扭矩，驱动输出轴旋转；通过拧紧工装对固体小火箭施加指定扭矩，拧紧喷管和壳体。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过分析固体小火箭结构特点，确定了采用直接夹持圆柱形壳体的方式固定固体小火箭，改变了现有装配过程夹持支耳的方式；固体小火箭与夹持系统之间通过半圆形夹持工装连接，不同的产品通过更换工装来实现，因此工装的总体数量只与固体小火箭的壳体半径相关，与支耳尺寸无关，可有效降低工装数量；
(2)本发明拧紧扭矩加载装置自动施加装配扭矩，代替现在手动加载扭矩的方式，降低了劳动强度，避免了人工操作引入的人为误差。
(3)本发明通过力学分析和大量的试验，确定夹持工装的防滑材料，应当选择与固体小火箭壳体之间粘贴摩擦系数为[0.3,0.5]，能够对固体小火箭施加合适夹紧力，可以保证施加拧紧扭矩时保持壳体不转动；同时材料应具有一定的硬度，防止在加载拧紧扭矩时材料自身被撕裂。
附图说明
图1为固体小火箭基本结构图；
图2为本发明夹持工装示意图；
图3为本发明夹持壳体时固体小火箭的受力；
图4为本发明拧紧轴的结构示意图；
图5为本发明六方拧紧工装夹持在小火箭喷管六方的结构示意图；
图6(A)为本发明六方拧紧工装结构示意图；图6(B)为本发明六方拧紧工装A-A剖视图；
图7为本发明自动装配装置结构示意图。
具体实施方式
目前装配过程中采用专用工装夹持壳体支耳32保证施加扭矩时固体小火箭不转动，固体小火箭的夹持工装的数量不仅与壳体31的半径有关，还与支耳的尺寸(长度、宽度)有关，导致工装数量多，几乎是每一种产品需要一种工装；为减少工装数量，利用固体小火箭壳体均为圆柱形的特点，采用直接夹持圆柱形壳体的方式来夹持固体小火箭。
参见图7，固体小火箭自动装配装置包括：夹持工装62、拧紧轴63、拧紧工装64、底座以及控制装置65；
一、夹持工装的设计
(1)确定夹持方式
固体小火箭壳体具有圆柱形的特点，采用设计半圆形夹持工装62夹持固体小火箭，两半圆形工装的内径与固体小火箭的壳体外径相差在±2mm之内，因此外径相差2mm以内的产品可以采用同一套夹持工装；参见图2，两半圆形夹持工装的一半固体固定，另一半与气缸相连(气缸作为夹持力的动力源)。
通过大量数据分析，得出导致固体小火箭61装配专用工装数量多的主要原因不仅取决于壳体31半径(或直径)大小，还取决于在支耳32尺寸(长度、宽度)，然后利用壳体是圆柱体的特点，提出了直接设计半圆形夹持工装62来夹持小火箭；经过力学分析，壳体半径相差±2mm以内的小火箭可以用同一套半圆形夹持工装来夹持，这样就不需要针对每一种壳体半径(或直径)固体小火箭设计专用半圆形工装；因此工装的总体数量只与固体小火箭的壳体半径相关，与支耳尺寸无关，由于固体小火箭壳体半径尺寸相对集中，所以使得夹持工装数量减少了约70％；
通过在专用半圆形工装和壳体之间粘贴摩擦系数为[0.3,0.5]的防滑材料，例如可选择石墨化橡胶板，而小火箭外壳一般选用钢材PCrNi2Mo，石墨化橡胶板通过夹紧工装运动与壳体外圆接触，可以达到使用较小的夹持力，保证装配过程中小火箭不转动；选定摩擦材料的基础上，根据装配需要的扭矩M1来确定夹持力的大小；所述拧紧扭矩M1一般根据工艺文件或者工艺试验来获得；
通过设计了一种可以自动施加扭矩的拧紧轴，该拧紧轴由伺服电机，减速器，传感器等组成，可以提供高达900N.m的瞬时扭矩，覆盖了所有类型的固体小火箭装配所需扭矩；所述拧紧轴与固体小火箭之间用六方拧紧工装(根据不同规格制成的标准件)连接；由半圆形夹持系统和拧紧轴集成的自动装配装置，使装配过程变得简单；装配时首先根据固体小火箭外径更换合适半圆形夹持工装，根据六方规格选择合适的拧紧工装；然后选择合适的拧紧扭矩和夹持力；再将固体小火箭放置在夹持工装位置；最后按动启动按钮，装配装置启动，夹持机构带动半圆形夹持工装按照之前设定好的夹持力将固体小火箭抱紧，拧紧机构带动六方拧紧工装旋转，将喷管和壳体拧紧至设定扭矩，完成装配。
(2)防滑材料的选择
夹持工装62内壁需要粘贴摩擦系数较大的防滑材料以增加工装与小火箭的摩擦力，同时需要一定的硬度，防止在装配过程中防滑材料撕裂不能有效固定产品；同时也不能选用太硬的材料作为防滑材料，以免相对滑动损伤产品外观；因此，选用摩擦系数在[0.3,0.5]之间的材料为宜，而小火箭外壳一般选用钢材PCrNi2Mo，通过试验比对，选用石墨化橡胶板效果较好。
二、夹持力的确定
(1)夹持壳体时的受力分析
为简化分析且不失一般性，将夹持圆柱体的夹持视为三爪受力，如图3所示，空间上呈120°分布。因为火箭竖直放置，故不考虑其自身重力的影响。因此，以点A位例，在每个夹紧点上使火箭体转动的临界力F为M/(3R)，其中，火箭壳体半径为R。要使火箭体不发生转动，则摩擦力需满足以下关系：
其中，μ为摩擦系数；f1为夹紧力在每个点上产生的摩擦力。此外，考虑到理论计算与实际拧紧过程之间的差别以及其他因素的影响，还应该在夹紧力上乘以一个安全系数Ks，一般Ks取1.2～1.5。夹紧力F需满足的条件为：
其中，Mmax为拧紧过程中的最大拧紧扭矩。式(2)给出了采用夹持壳体时夹持力需要满足的基本条件。可以看出，夹持力的大小不仅取决于拧紧扭矩，还需要考虑材料的摩擦系数。
在保证壳体不转动的基本条件下，需要考虑壳体变形在弹性变形范围内不能影响产品质量，壳体口部变形不能影响壳体与喷管的螺纹咬死和因变形大导致扭矩发生较大变化。
(2)夹持力的确定
由式(2)可以计算出最小夹持力F，其中拧紧扭矩Mmax可以通过工艺文件查阅或者工艺实验获取。
三、拧紧轴的设计
为减少劳动强度，设计了一种拧紧轴，参见图4，由伺服电机51、减速机52、扭矩传感器53和输出轴54组成，其具体参数见表1。该拧紧轴可提供600N.m的额定输出扭矩，可瞬时超调1.5倍，因此最高可提供高达900N.m的拧紧扭矩，可以满足所有类型固体小火箭装配的需要。
拧紧轴63的轴体为三级依次连接的圆柱轴体，第一级圆柱轴体直径为Φ88mm，外表面安装伺服电机51，第二级圆柱轴体直径为Φ65mm，外表面安装扭矩传感器53，第三级圆柱轴体直径为Φ35mm，第三级圆柱轴体尾端连接矩形输出轴54，输出轴54的高度为26.7，输出轴采用外矩形结构设计，与拧紧工装64的接口部位相匹配，此设计能够满足固体小火箭拧紧扭矩的要求，同时还能快速准确地测量扭矩。
表1拧紧轴参数表
四、拧紧工装的设计
参见附图5，拧紧工装64具有开口部和接口部，开口部与固体小火箭61喷管33的六方34的外形匹配，参见附图6(B)开口的四条内边与六方34的四条边匹配，带动六方34旋转；接口部具有矩形通孔，该矩形通孔与输出轴54的外形匹配，矩形通孔深为35mm，而输出轴54高度为26.7mm，二者高度差为8.3mm，从而保证工作时输出轴54插入拧紧工装64的矩形通孔后，输出轴不会与固体小火箭发生干涉，确保设备的正常运行；输出轴54带动拧紧工装64的接口部旋转，通过拧紧工装64开口部拧紧固体小火箭61喷管33的六方34。
五、控制装置的设计
控制装置65，控制夹持工装62抱紧固体小火箭61；控制拧紧轴63向下运行，输出轴54插入拧紧工装64的接口部；控制驱动机构输出指定扭矩，驱动输出轴54旋转。控制装置65根据系统输入的产品信息，控制伺服电机51启动、停止、输出扭矩的大小，控制移动部的驱动气缸的启动、停止、驱动力的大小；接收扭矩传感器53发送的扭矩信息，进行闭环控制。控制装置的显示屏上可以选择小火箭产品代号，所述显示屏上会显示该代号小火箭的拧紧参数(包括拧紧轴下落高度及拧紧力矩等参数)；另外，在工作时，所述显示屏上显示有扭矩大小实时数据，以及拧紧完成后的“扭矩-角度曲线图”。
六、自动装配装置及运行过程
在设计了夹持工装和拧紧轴的基础上，设计了一台可用于固体小火箭装配的自动化装置，该装置的运行过程十分简单，主要包含以下步骤：
(1)在显示屏上选择小火箭产品代号；
(2)将预装好的固体小火箭61放置在图5中的指定位置；
(3)将六方拧紧工装64开口部夹持在固体小火箭61喷管33的六方34上，按动装配启动按钮；
(4)启动后，气缸带动夹持系统62的右侧半圆形工装向左运行，施加一定的夹紧力在固体小火箭上；
(5)拧紧轴63向下运行，对固体小火箭施加指定扭矩，拧紧喷管和壳体；
(6)完成扭矩加载后，拧紧轴抬起回到原始位置，气缸回到原始位置，人工取走产品，完成装配。
采用本发明的自动装配装置及装配方法，将以前需要40余套夹持工装减少至10余套，减少了工装数量70％以上，实现了自动加载扭矩，降低了劳动强度。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种基于小火箭自动装配装置的装配方法，小火箭自动装配装置，包括：夹持工装(62)、拧紧轴(63)、拧紧工装(64)以及底座；夹持工装(62)具有固定部和移动部；固定部固定在底座上，具有开口端，开口端型面为半圆柱曲面；移动部能够在驱动下沿水平方向移动，具有开口端，开口端型面为半圆柱曲面，与固定部的半圆柱曲面形成完整的圆柱曲面，该圆柱曲面与固体小火箭(61)壳体(31)外形匹配，能够抱紧固体小火箭(61)；拧紧轴(63)包括驱动机构和输出轴(54)，驱动机构输出指定扭矩，驱动拧紧轴(63)上下移动，并驱动输出轴(54)旋转；拧紧工装(64)具有开口部和接口部，开口部与固体小火箭(61)喷管(33)的待拧紧部位(34)的外形匹配，接口部具有通孔，该通孔与输出轴(54)的外形匹配；输出轴(54)带动拧紧工装(64)的接口部旋转，通过拧紧工装(64)开口部拧紧待拧紧部位(34)；
其特征在于，包括如下步骤：
(1)将预装好的固体小火箭(61)放置在底座上，抵靠在固定部的半圆柱曲面上；
(2)将拧紧工装(64)开口部夹持在固体小火箭(61)喷管(33)的待拧紧部位(34)上；
(3)驱动移动部沿水平方向移动，抱紧固体小火箭，并保持该驱动力作为夹紧力，夹紧力F需满足的条件为：
<mrow> <mi>F</mi> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mfrac> <msub> <mi>M</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mn>3</mn> <mi>u</mi> <mi>R</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，Mmax为拧紧过程中的最大拧紧扭矩；Ks为安全系数，取1.2～1.5；μ为壳体(31)和防滑材料之间的摩擦系数；R为壳体(31)半径；
(4)拧紧轴(63)向下运行，输出轴(54)插入拧紧工装(64)的接口部，驱动机构输出指定扭矩，驱动输出轴(54)旋转；通过拧紧工装(64)对固体小火箭施加指定扭矩，拧紧喷管和壳体。
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