高强度铝蜂窝组装设备

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Research on Assembly Equipment of High StrengthAluminium HoneycombLIU Tian-bao ，TAO Hong.yan ，YU Wen-ze ，WANG Shu.fu ，WANG Sheng(1.College of Mechanical Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400050，China；2 Shenzhen Institutes of Advanced Technology，Chinese Academy of Sciences，Shenzhen 518055，China)Abstract：Based on current aluminum honeycomb manufacture process，the paper analyzed the advantagesand disadvantages of traditional aluminum honeycomb manufacture process，and put forward a technologyof manufacturing high strength aluminum honeycomb.The study evaluated and selected the best solutionfrom the preliminary selection of assembly equipment using the theory of modem design methods.The me-chanical structure of each module was designed and the process of assembly technology was analyzed.Fi-nally the composition of hardware and the software control process of the equipment were analyzed。

Key words：assembly technology ；evaluation and decision；structure；control蜂窝材料以其吸能特性稳定和结构质量轻而越来越多地应用在航空航天、汽车以及国防装备等领域 。到 20世纪 80年代末 ，我国蜂窝材料的研究和制备有了质的飞跃 ，同时铝制蜂窝也因其独有的特性，较为成熟的制造工艺得到了广泛应用 。尽管如此，国内铝蜂窝的研制现状仍存在着不足，主要表现在生产 的铝蜂窝强度低，-致性较差。目前我国还未系统掌握高强度铝蜂窝的研制技术，国内尚属空白，完全依赖于进口。因此 ，迫切需要对高强度铝蜂窝的自动化加工工艺及装备进行攻关。

1 高强度铝蜂窝铝蜂窝结构材料的核心是铝蜂窝，铝蜂窝三维形状如图1所示 ，它是-种二维的多胞材料，具有密度小 、刚度低、压缩变形能力大且变形可控等优点，是理想的防撞材料，在各种防撞结构中有广阔的应用前景”J。

铝蜂窝防撞器的工作原理是，当外部输入的冲击力大于某-设定的阈值(与设计有关)时，外部的冲击能量将转换为铝蜂窝的变形能、从而达到缓和冲击、保护有效载荷的作用，收稿 日期：2013-01-09基金项目：广东省 中国科学 院全面战 略合作项 目高速列 车铝蜂窝 吸能器 的关键技术研究及产业化”(2011A09010019)。

作者简介：刘天宝(1987-)，男，硕士研究生，主要从事机电-体化研究。

四 川 兵 工 学 报 htp：//scbg.jourserv.com/且转换过程不可逆，该种结构只能工作-次，作为防撞器，蜂窝材料承受轴向方向的载荷。

图1 铝蜂窝三维模型2 铝蜂窝制造工艺过程分析铝蜂窝的制造方法有拉伸法和成形法两种，如图2、图3所示。成形法是将铝箔先成形为波纹条再胶接；拉伸法则是先胶接而后拉伸成六角形M 。由于拉伸法制造的蜂窝芯-致性差，轴向压缩强度远低于高强度铝蜂窝的设计标准。相对于拉伸法，成形法所制造的铝蜂窝芯具有优良的-致性和较高的轴向压缩强度 ，由该种工艺制造的铝蜂窝能满足相应防撞器的技术指标。

图 2 拉 伸法制造工 艺示意 图箔卷 成形辊成形法蜂窝芯块图3 成形法制造工艺示意图3 组装设备系统设计3.1 系统方案评价与决策为了确定机械系统的原理功能方案，现对系统功能进行方案评价与决策。利用形态学矩阵将原理功能解加以组合，用以寻求整个系统的最优方案，整体设备系统的形态学矩阵如表 1所示。

表 1 组装设备 系统形态学矩阵由形态学矩阵，可以得到的组合方案数为 1228。由于方案数 目过大，给评选工作带来不便，需要对-些方案进行剔除〖虑到半波纹结构铝箔的规格不-，所 以选择人工上下料的方式将会带来很大的便利 ；考虑到工控设备的稳定性 、开发周期以及系统的柔性 ，选择 PLC作为设备的控制方式；出于成本的考虑，剔除所有液压系统形成的机构。根据设备的主要分功能：涂胶和叠加，考虑到各种涂胶 、叠加方法，经过剔除之后选择了以下所示的八种较佳方案：I A1B2C3D2E2F2G3H2I1Ⅱ AlB2C3D2E2F4G3H2I1Ⅲ A1B2C3D2E4 G3H2I1Ⅳ AlB2C3D2E4F4G3H2I1V A1B2C4D2E2F2G3H2I1Ⅵ A1B2C4D2E2F4G3H2I1Ⅶ A1B2C4D2E4 G3H2I1Ⅷ A1B2C4D2E4F4G3H2I1评价的权重系数按如下分布：组装成本(0.2)、组装质量(0.4)、组装效率(O.2)、系统维修性(0.1)、系统容差性(0。

1)，结合项目的实际情况，列出了如表2所示的各个方案的初步评语。

表2 方案初步评语刘天宝，等：高强度铝蜂窝组装设备 85计算决策时，选取M(·，)模型先乘后加进行矩阵合成bjn∑gi1式中 g 为加权系数矩阵，r 为各个方案隶属度矩阵，采用该模型的优点是综合考虑了 g ， 的影响 ，保 留了全部信息。

由于该模型评价实际效果好 ，故常用于机械产品的模糊综合评价和模糊优化设计 。按照最大隶属度法，对以上 8个方案的顺序进行优劣排 队为：Ⅵ、V、Ⅶ、I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅷ、Ⅳ。所以最佳方案为方案Ⅵ，即人工上下料，真空气吸转移，光轴式涂胶，机械定位，气动叠加，配重加压，PLC控制，传感器监控。

3.2 组装设备机械结构及实现过程组装设备机械结构如图4所示，主要由以下重要机构或部件组成 ：半格结构铝箔送料机构、A/B涂胶拈 、直角坐标机器人、预压机构、辅助压紧机构、叠加机构。

直 角 坐标送料图4 蜂窝组装设备示意图1)首先-定宽度的半格结构铝箔经人工送料至送料机构上方，位置对齐后，送料机构的吸盘将半格结构铝箔吸住 ，同时气缸动作完成进料，油压缓冲器和刚性定位保证其正确进料位置；2)送料完成后直角坐标机器人 1的吸盘下降，并将半格结构铝箔吸起并提升至-定高度，紧接着直角坐标机器人1带着半格结构铝箔涂 A胶 ，涂胶完成后 ，直角坐标机器人 1带着半格结构铝箔在叠加区附近做调整等待；3)-定时间后直角坐标机器人 1带着涂好胶后的半格结构铝箔至叠加区上方，到达x方向指定位置后，直角坐标机器人1吸盘下降进行半格结构铝箔的叠加，此时辅助压紧机构将半格结构铝箔定位并压紧，压紧可靠后，直角坐标机器人 1吸盘脱离半格结构铝箔并上升、返回离开叠加区；4)直角坐标机器人 1离开叠加区后，预压机构的压板下降至蜂窝芯叠层上方并进行预压，预压-定时间后，压板上升并给直角坐标机器人2腾出涂胶空间；5)压板上升后，蘸有B胶的直角坐标机器人2运行至叠加区上方并涂 B胶，涂好胶后直角坐标机器人 2返回离开叠加区，接着直角坐标机器人 1带着涂好A胶后的半格结构铝箔在叠加区进行下-层的叠加组装。

3.3 组装设备控制系统设计3.3.1 硬件控制系统的设计FP.x是由日本松下电工公司在 2006年推 出的-种现代化的、功能较强的小型可编程控制器，在某些功能上甚至能同大型机媲美。主机控制单元内有高速计数器，借助功能插件 AFPX-PLS，单相2通道可输入频率高达80 kHZ，双相 1通道可输入30kHZ的脉冲。另外还可输出频率为100 kHZ的脉冲信号。该机具有 l5个中断源的优先权管理。主机控制单元如需要同多种设备进行连接时，在通信插件的配合下 ，可提供 RS232、RS485、RS422等多种接 口，主机控制单元上还有-个标准 USB接口，可方便地实现 PLC与 PC之间的通信 j。基于 FP-x控制器的系统硬件构成如图5所示。

该硬件控制系统以松下 FP-X-C60T为主机，以 FP-X-E30T及 FP-X-C14T为扩展拈。PC的主要作用是程序的编写、下载和调试。通过接口与PLC连接，实现高速数据访问。HMI(触摸屏)作为人机界面，通过RS232串口与PLC通信，其功能是像PLC发出运动控制指令、监控 PLC及设备相关状态参数。

图5 蜂窝组装设备示意图3.3.2 软件控 制 系统的设计蜂窝芯组装设备的控制流程如图6所示，程序主要分为手动模式，自动模式，程序的编写采用 PLC梯形图的形式。

根据控制系统的控制要求，以工艺流程为向导，依据各种变量的逻辑关系在 FPWIN-GR环境下编制相应的PLC程序。

86 四 川 兵 工 学 报 htp：//scbg.jourserv.corn/图6 设备控制 流程4 结束语本文通过深入分析现有铝蜂窝材料的成形工艺，提出应用成形法的制造工艺，在此基础上以工艺为向导，对机械纳构进行了基于拈化的结构设计，并辅以相应的控制系统设计，通过相应实验验证得出所研制的组装设备成形的蜂窝材料强度高、-致性好，生产效率高等优点。