（机械制造及其自动化专业论文）重力热管封装生产线设计及其定位技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 本文结合“十二五国家科技计划预备项目“纺织印染行业节能减排成套装备及关键 零部件的自动化生产线”，在详细分析重力热管封装生产总体要求及工艺流程的基础上， 进行了重力热管封装生产线的设计研发工作，对关键子系统进行了总体和详细设计，结合 机器视觉与模糊p i d 控制，设计了重力热管管端孔心的快速找正及定位系统 第一章，综述了重力热管的发展历史、制造工艺方法及生产制造现状，分析了基于视 觉定位的相关技术。阐述了课题的研究背景，给出了论文的研究内容和总体框架。 第二章，分析了重力热管封装生产线的总体要求及工艺流程，给出了生产线的总体布 局方案和总体设计；对生产线设计过程中关键组成部分与关键技术进行了分析与设计 第三章，在分析重力热管管端孔心位置误差源的基础上，提出了定位系统的总体方案， 并对定位系统各组成部分进行了设计。 第四章，分析了管端图像的滤波增强预处理方法及图像的分割方法。通过对比管端圆 孔定位的算法，结合本文管端圆孔定位的特点，提出了一种圆孔定位的快速定位方法。 第五章，推导出定位系统的数学模型，利用模糊增益自调整p i d 控制器对系统进行了 控制性能和抗干扰性能仿真分析，结果表明，模糊增益自调整p i d 控制器具有较好的控制 性能和鲁棒性，同时也具有较强的抑制干扰和噪声的性能。 第六章，对论文的研究工作进行总结，并指出今后继续开展研究的方向。 关键词：重力热管，生产线，机器视觉，快速定位，模糊增益自调整p i d 控制器，控制性 能，抗干扰性能 i i 浙江大学硕士学位论文 摘要 ab s t r a c t 晰t h 妞12 t hf i v e - y e a rn a t i o i l a ls c i e n c e 锄dt e c h n o l o g yp l a l lp r o g 姗珊e ”e n e r g y s a v i n g 锄de m i s s i o n r e d u c t i o ne q u i p m e n ti nt e x t i l ep r i m i n ga 1 1 dd y e i n gi n d u s n ya n dt l l e a u t o 胧岖cp r o d u c t i o nl i n e o fk e yp a n s “，b a s e do na ( 1 e t a i l e da n a l y s i so f 1 eo v e r a l l r e q u i r e m e n t so ft h e 姗o s y p h o np a c k a g i n gp r o d l l c t i o n 甜i dp r o c e s s m i st l l e s i sc 硎e do u t 1 e d e s i g na n dr e s e a r c hw o r ko nt l l e 加o s y p h o np a c k a g i n gp r o d u c t i o nl i n e ，趾d 也ek e ys u b s y s t e i l l s w e r ed e s i g i l e di i lo v e 同la n dd e “1 w t ht h em a c l l i n ev i s i o nt e c 王l l l o l o g ya n d 钇巧一p i dc o n 仃o i t e c h n o l o g y im er a p i dp o s “i o n 曲g 夥s t e mo fm e l e r n l o s v p h o nw a sd e s i g n e d 1 nt h ef i r s tc h a p t e r ，6 r s t l y 啦l ed e v e l o p m e n th i 咖r y m a n u f i a c t u r i n gt e c h n o l o g ya n dt h e p r e s e n tm a 妇t u r i n gs i t u a t i o no f 廿l e r m o s ) ，p h o n 、e r e i 1 1 仃o d u c e d t h ev i s u a l p o s m o n i n g t e c l l i l o l o g yw 嬲o u t l i n e d a n dt h e n ，t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f 觚sr e s e a r c h 、w 陀d e s c r i b e da n di l l 蜮r i a t e d f i l l a l i y ，t h ec o n t e n ta n df 洒e 、o r ko f t h i sp a p e rw e r eg i v e n i nt 1 1 es e c o n dc h a p t e r ，f i r s t l y ，t l l eg e n e r a lr e q u i f e l e n t sa i l dp r o c e s so ft h e 彻o s y p h o n p a c k a g i n gp r o d u c t i o nl i n ew e r ea n a j y z e d ，t h el a y o u ts c h e n l ea n d 吐i e0 v e 脚ld e s i g no fm e p r o d u c t i o nl i l l ew e r ed e s c 曲e d t h ek e yc o m p o n e n t sa n dt e c h i l i q u e so fp r o d u c t i o n1 m eo c c u r r e d d u r i r 培d e s i g l lw e r ea n 划y z e da n dd e s i 驴e d i nt b et b j f dc h 珥舰r ，n l ee r r o rs o u r c e so ft h eh o l ec e n t e ri i lt i l ee n do f 廿l e m o s v p h o nw e r e 锄【a l y z e d t h e 甄ap o s i t i o i l i n gs y s t e mw a s e s t a b l i s h e d 粕dm ec o m p o s i t i o no f p o s i t i o n i n gs y s t e m w a sd e s i 黟l e d i nm ef o u n hc h a p t e r f i r s t l y ，t h em e t h o d so f 妇a g ef i l t e i 证ga 1 1 ds e g n l e n t a t i o nw e r e 锄l y z e d m o u g l l 也ec o m p 撕s o no f 恤p o s i t i o i l i n ga l g o m 毗锄dc o m b i n e d 谢m c h a r a c t e r i s t i c so ft h eh o l ec e n t e r 证t l l ee n do fn l e 咖o s y p h o ni nn l i sp a p e r ，al 【i n do ff a 咖r m e t h o do fc i r c u l a rh o l e sp o s i t i o l l i n gw a sp u tf o r v 棚 i n 也ef i 触c h a p t e r ，f i r s t l y ，i km a m e n l 蜀l t i c a lm o d e lo ft l l ep o s i t i o ns y 妣mw a sd e v e d t h es i m u l a t i o no ft h ei n o d e lw a sc a r r i e do u t 、们t haf u z 巧s e l f 二t u r l i n gp l dc 0 n 妇r o l l 瓯t h er e s u l t s h o 、dn l a ：t ，也e 比巧s e l f - 觚l i l l gp l dc o n 怕l l e rh a dag o o dc o n 们lc 印a b i i i 锣a n dr o b u s 妞e s s ， b u ta l s oh a da 咖n g 锄t i - j a mc a p a b i l i 够 l nt h es i x t hc 嘶r ，m er e s e a r c hw o r kw a ss u m m a r i z e d ，粕dt h e 龟t u r er e s e a r c hd i r e c t i o nt o n t 浙江大学硕士学位论文摘要 c o n t i n u ew a sp o i n t e do u t k q 啊o r d s ：l e m l o s y p h o n p r o d u c t i o nl i n e ，m a c h i n ev i s i o n ， f a s t p o s “i o i l i n g f u z 巧 s e l 仁t h i n gp i dc o i l _ 缸d l l e l c o n n d lc a p a b i l i 吼a n t i - j 锄c a p a b i l 毋 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 本论文的完成离不开导师、师兄弟姐妹们以及朋友们的支持和帮助，值此论文完成之 际，请允许我感谢他们为本论文所做出的支持和帮助。 首先感谢我的导师曹衍龙副教授，本论文是在曹老师的悉心指导和精心修改之后完成 的。在攻读硕士研究生学位的两年多时间里，曹老师在课题方向、科研内容以及研究的重 点和难点方面给予了我悉心的指导和无微不至的关怀。 感谢我的合作导师杨将新教授，无论是在课题的选材、论文的框架，还是在论文的每 个细节，杨老师都投入了大量的心血。在此，真心感谢杨教授对我的帮助。 感谢浙江大学的陈洪法老师和浙江科技学院的王移凤副教授，感谢他们为本论文提出 的宝贵意见。 同时实验室课题组的何元峰博士、张恒博士、李博博士、管佳燕博士、赵奎博士、吴 紫涧博士以及沈海云硕士、姜胜利硕士、陈小龙硕士、尹海硕士、徐鹏硕士、李乐斌硕士、 胡东辉硕士、林载誉硕士、杨阳硕士、郑金忠硕士以及郑仕谱硕士。在与各位师兄以及师 弟师妹们朝夕相处的两年多时间里，大家相互交流，共同进步，和谐的实验室氛围，轻松 而又积极的学习和生活环境，让我在科研和生活方面受益匪浅，度过了非常愉快而难忘的 研究生生活。 感谢我的室友阿毛，阿根，阿培以及我的朋友阿明，阿刚以及张峰同学，感谢他们为 我的论文提供了帮助和支持。 感谢我的父母和家人，有了他们的鼓励和支持，我才能全身心的投入科研和学习中， 并取得今天的成果。 感谢所有支持、关心和帮助过我的师长、亲人、朋友和同学。 最后，谨向百忙中抽出宝贵时问评审本论文的各位专家、学者致以诚挚的谢意。 李结冻谨致 2 0 1 2 年1 月于求是园 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 资源瓶颈、环境压力是我国经济、社会发展长期面临的突出矛盾，节能减排是国家中 长期战略规划，2 0 0 7 年4 月，在国务院节能减排工作会议上，温家宝总理提出将全力推 进节能减排工作，并以此作为宏观经济调控的重点和调整经济结构、转变增长方式的突破 点，对各行各业的循环经济工作提出了新的要求。2 0 0 9 年1 2 月，在哥本哈根会议上，温 家宝总理向全球提出了我国的碳排放强度指标，到2 0 2 0 年我国单位国内生产总值二氧化 碳排放比2 0 0 5 年下降4 0 q 5 ，并作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划。 2 0 1 0 年政府工作报告强调打好节能减排攻坚战和持久战，以工业、交通、建筑为重点， 大力推进节能，提高能源效率。纺织工业“十一五”发展纲要提出了关于节能、降耗和 减排的4 项约束性指标，其中水耗、能耗下降幅度均高于全国“十一五”纲要的要求。根据 工信部最新公布的数字，2 0 1 5 年我国单位工业增加值能耗、二氧化碳排放量和用水量分 别要比“十一五”末降低1 8 、1 8 以上和3 0 ，工业固体废物综合利用率要提高到7 2 左 右。 纺织印染行业作为国民经济的基础产业之一，也是一个高能耗的行业。众所周知，印 染行业是一个高能耗的行业，生产加工过程中的能耗构成以热能为主，其中3 0 4 0 用 于烘燥，2 5 q 5 用于洗涤，1 0 1 5 用于蒸煮，8 1 2 用于高温热处理，5 1 0 用 于其他。据不完全统计，我国纺织行业的年总能耗为6 8 6 7 万吨标准煤，能量损耗主要是 排液，排汽的热损失和管道设备的表面散热损失【1 】【2 】。目前，我国印染设备的热效率低， 如烘燥机的热损失为4 0 ，蒸煮机的热损失高达8 0 ，热定型机的热效率只有1 8 2 6 ， 大部分排放的热量没有得到回收利用，综合热能利用率只有3 5 左右，能源浪费极大。目 前，水、电、煤能源成本占印染企业总成本的3 5 左右。 表1 1 棉型产品印染加工过程的取水量和能耗情况 用水量( 吨吨产品)综合能耗( 吨标煤吨产品) 中国( 2 0 0 7 ) 美国( 1 9 9 0 ) 中国( 2 0 0 7 )加拿大( 1 9 9 0 ) 机织产品2 5 01 1 54 21 7 5 表1 1 反映了我国2 0 0 7 年机织棉印染单位产品的平均取水量和美国1 9 9 0 年棉纺织品 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 印染加工平均用水量以及我国和加拿大1 9 9 0 年代表性纺织印染加工企业的综合能耗水 平。由表1 1 可见，我国印染加工过程单位产品的能耗和水耗约为先进国家与地区上世纪 9 0 年代消耗水平的2 倍以上，因此印染行业目前存在着巨大的节能潜力【3 l 【4 】。 我国已将节能减排上升为国家战略，纺织印染行业节能减排有两种实施途径【5 1 ： 1 ) 开发新型节能节水环保型印染工艺和设备； 2 ) 改造高能耗设备，加强废气余热的回收，从而提高热能利用率。 按第一种方法需开发新工艺和新设备，存在着技术瓶颈问题，不管是采用新的节能工 艺，还是直接从国外大量引进先进的设备，都需要巨额投资。在已拥有巨大存量的现实情 况下，对现有设备进行技术改造，研发适用于目前印染业的废气余热梯级综合利用设备， 并规模化推广应用，以提高现有设备的热能利用率，降低设备能耗，实现节能减排，是具 有可操作性的方案，也符合节约型社会的需求。 1 2 重力热管及其制造工艺 1 2 1 重力热管概述 热管技术【6 】【刀是从上个世纪六十年代开始蓬勃发展起来的一门新兴学科，是现代科学 技术发展的必然产物。热管依靠其内部工质在一个抽成高真空的封闭壳体中循环相变传递 热量【扪工质在加热段吸收外界热量汽化，到放热段凝结放出热量，并回流到加热段重新 吸热，从而将热量从一端传递到另一端。重力热管【9 】【1 0 】，又称两相闭式热虹吸管，其内部 没有毛细吸液芯，工质靠重力回流，热量只能从下方往上传递，加热段与放热段必须保持 一定的位差来保证回流。热管外部装有螺旋翅片，可以强化气流扰动、减少流动阻力、扩 展受热面积，增大传热系数，提高传热性能。其工作原理如图1 1 f f f 。 一 二 图1 1 重力热管工作原理图 2 放 热 段 热段 加 热 段 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 后来，盖伊正w ：g a y ) 于1 9 2 9 年对气气换热的帕金斯管用加肋片的方法强化其外侧换 热。进入二十世纪，特别是1 9 3 0 年以后，在英国、苏联、捷克等有过大量生产并应用帕 金斯管，主要用于面包烤炉及汽车发动机冷却水散热。 自七十年代以来，全球性的能源危机促进了热管在余热回收领域的应用研究，并且取 得了极大的成功。由于重力热管不需要毛细吸液芯，结构简单，制造成本较低，因此广泛 应用于电子器件冷却、太阳能开发、永久冻土层的稳定及地热利用等方面，尤其在余热回 收领域获得迅速推广。在国内，重力热管广泛地应用于印染行业的余热回收利用上。王光 辉【1 1 】研究了热管技术在印染行业中的应用，着重介绍了热管技术在导热油炉的应用以及定 型机分散式余热回收装置在热定型机上的应用，为热管技术应用于印染行业的低温余热回 收利用提供了新的方法。我国有数万台重力热管式换热器正在运行。图1 2 为装有翅片的 重力热管，图1 3 为废气余热回收装置。 图1 2 装有翅片的重力热管图1 3 废气余热回收装置 1 2 2 重力热管的制造工艺及设备 在重力热管的封装制造方面，主要采用的是以下两种方法【1 2 】【1 3 】【1 4 l 【1 5 】： ( 1 ) 利用旋压封头以及加热沸腾排真空制造热管 用该方法制造热管的大致过程有：首先下料，热管的清洗、酸洗、碱洗、水洗并烘干， 进行钝化处理；接下来对重力热管的两端进行旋压封口，两端盖帽焊，接着钻销钉孔；然 后进行工质的灌装，电炉的加热排气成真空状态；最后打封口销钉，盖帽焊接，检查热管 质量。该方法制造工序较为繁多，总共十余条，其中一道出现问题，真空度就难以保证。 ( 2 ) 端帽焊、机组抽空、切换充装工质，冷焊后再封焊 这种方法是在重力热管的两端率先车出一定形状的端帽，然后焊在两端封口处，留出 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 抽真空的和充装工质的小孔，以便进行下面的工序过程。这种方法的能在一定程度上实现 重力热管的封装生产，但存在浪费材料、耗工时、利用设备多、生产效率低、成本高、热 管的真空度也难以保证等缺点。 近年来，很多学者、科研机构和高校对重力热管的封装制造方法进行了研究。朱德书， 周宝法通过添加工质余量和控制加热排气时间，对热管沸腾排气法工质量的控制进行了研 究，并提出了一种用于测量热管成品真空度的方法，用于重力热管的制造和检验1 1 6 1 。方彬， 王风兰提出了一种热管封装方法【1 刀该方法首先旋压热管的一端至完全封闭，然后再旋压 另一端，并且留一小圆孔，然后将一定量的工质通过小孔迅速注入管内。管内工质靠旋压 一端的余热进行加热，将其汽化、排空，等到排到一定程度时，迅速将小孔封死，热管制 作完毕。该方法巧妙地利用了首先旋压热管一端的余热，达到了节省能源的效果，另外还 节省了销钉，减少了加工成本；但该方法对旋压设备的要求提高，对工人的操作技能水平 及操作速度要求提高。程勒详细介绍了一种常用的碳钢水热管的制造工艺，首先，管壳、 端盖、排气管的机械加工，管芯的制造，然后清洗各零部件，将管芯插入管壳，安装端盖 并焊接，采用加热排气和抽真空相结合的方法除气，工质充装，封口焊接并检验【1 8 】。 在热管制造设备方面，不同的领域的热管，在不同的制造工艺下，其制造设备也是不 同的。李建民发明了一种热管器件的制造设备，由抽真空灌装阀门组、工质灌装系统、真 空获得设备、封口设备以及机架等组成，可实现热管器件的灌装、抽真空和封口，该发明 适用于抽真空制造热管的方法【嘲。如图l - 4 所示。 真空获得设备 图1 _ 4 热管器件制造设备 4 灌装系统 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 林项武发明了一种热管真空封口方法和装置，包括真空发生系统、待封装的热管及其 定位夹紧系统、充液系统，如图1 5 所示【2 0 1 。待封装的热管由定位夹紧系统固定，待封装 的热管预留封口孔，封口孔被真空腔包容，热管的抽真空和充液均在真空腔内完成，夹持 系统负责夹持封口堵头至封口孔处，摩擦焊接系统或超声波焊接系统完成待封装热管的封 焊。该方法在封装时无需毛细管，操作简单，封口焊接时的输入热量大幅度减少，热管预 留封口及相应封口堵头，结构简单，容易加工，节省了材料。 1 图1 5 热管真空封口装置 1 摩擦焊接系统，2 轴，3 充液的接口，4 封口堵头的夹持系统，5 密封槽， 6 - 待封装的热管及其定位夹紧系统，7 待封装的热管预留封口孔，8 密封刀口，9 封口堵头， l o 真空容器，l l 瑚真空接口 尤志春发明了一种半自动热管沸腾排气封口设备，包括封口单元，机械传动装置，加 热单元，支架，热管位置调整夹紧单元以及电机、气缸等，如图1 6 所示。该装置操作简 单易行，热管的密封性好，采用单片机控制，可实现封口过程自动化【2 。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 出墨 出2 t 出l 图1 6 半自动热管沸腾排气封口设备 1 热管，2 加热单元，3 热管位置调整夹紧单元，4 封口单元，5 支架，6 - 电机， 7 气缸，8 控制单元，9 机械传动装置，l o 底座 本课题中采用了一种新的重力热管封装方法，首先将重力热管经过旋压设备将其两端 分别旋压封口，一端完全封口，另外一端留出一个小孔。然后将一定量的工质注入管内， 之后将特制的销钉插入端部小孔内，放入高频感应加热炉内进行加热排气。等加热排气到 一定程度时，将热管拿出，然后用锤头将销钉敲击至一定程度。最后进行管端封口焊接。 该方法将旋压阶段与加热排气阶段分开，有效的降低了工人的失误率并保证了管内真空 度。 1 3 视觉定位相关技术研究现状 1 3 1 视觉定位系统 机器视觉【2 2 】【2 3 】【2 4 l 【2 5 】【2 6 】( m a ch i ：s i o n ) ，又称计算机视觉( c o n l p u t e r s i o n ) ，它是 将图像处理和数字图像分析、图像识别结合起来，试图开发出一种能与人脑的部分机能比 拟，能够理解自然景物和环境的系统，在机器人领域及工业生产领域提供类人视觉的功能。 一个典型的机器视觉系统包括光源、光学系统、图像采集系统、图像数字化模块、数字图 6 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 像处理模块、智能判断决策模块及机械控制执行模块。 机器视觉是一个新但发展十分迅速的研究领域，并成为计算机科学的重要研究领域之 一。机器视觉技术是在2 0 世纪5 0 年代从统计模式识别兴起的，但当时的研究工作主要集 中在对二维图像的分析、识别和理解上。6 0 年代中期，l b b e n s 利用计算机程序从数字图 像中提取出三维图形结构，并对物体形状及其空间关系进行了描述。7 0 年代，麻省理工 学院( m i t ) 的学者提出了机器视觉理论，并在人工智能( m ) 实验室正式开设“机器视 觉”课程。到了8 0 年代，全球掀起了机器视觉技术研究热潮，促使其得到蓬勃发展，新 概念、新理论和新方法不断涌现。 在我国，直到9 0 年代中后期机器视觉技术才逐渐被人们认识和了解。但近几年来， 机器视觉技术在工业自动化、智能化等方面开始广泛应用。目前，机器视觉技术正广泛应 用于各个方面【2 7 】，从工业生产和装配上的工件识别定位，到产品质量检验；从危险场景和 不可见物的感知，到机器人的导航；从医学图像到遥感图像，从毫米微米技术到多媒体数 。 据库，无处不存在机器视觉。目前，机器视觉技术的应用已经拓展到工业、农业、医学、 军事以及航天等领域，这对于提高众多领域的自动化和智能化程度起到了重要的作用。 目前基于机器视觉的定位技术越来越得到广泛的应用，国内外一些学者、科研机构和 高校均对其进行了相关研究和应用。 确 在国外，s u b r a m a n i a n 将视觉系统与坐标测量机( c m m ) 结合在一起，通过视觉系统 。 测定工件的位置，将坐标信息传递给c m m ，从而避免了工件的装夹定位，提高了c m m 的测量效率f 2 引。c 1 1 a n g ，j y 等人开发一个用于装配硬盘上柔性电路板的机器视觉引导定位 系统【2 9 1 。w o n h 0l e e 等人实现了一个s 设备上的喷嘴零件的视觉检测系统，首先将喷 嘴的灰度图像二值化，再使用形态学滤波方法去除噪声，最后与模板对比得到结果【3 们美 国国家仪器公司通过搭建实验平台在空中抛钢珠小球，并采用高速高精度c c d 和机器视 觉检测系统进行轨迹跟踪。f a s t 公司于2 0 0 8 年开发了一套高精度的定位装置系统，在相 机读取的图像信息的基础上，自动计算出定位所需的x 阿移动量，然后通过控制一个三轴 平台( 或四轴平台) 的移动，实现工件。踟的校正，从而达到精确对位的目的。 在国内，中科院光电技术研究所研究了高分辨率视觉定位系统，该系统用于光刻机中， 由两支相同且互相独立的光路组成，分别得到掩模和晶圆上的标记，再通过图像处理算法 得到标记的中心，计算出工】，和角度p 的偏差，最后控制工作台运动进行定位【3 1 1 汕头 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 大学沈奕等研究了l c d 基板视觉定位系统。该系统由两个相同且互相独立的c c d 、计算 机控制单元、图像处理单元、步进电机驱动的三维移动平台、结果输出及反馈单元组成， 系统的误差在一个像素以内【3 2 1 。 1 3 2 气动执行机构位置控制 执行机构接受控制器发出的指令，对被控对象执行控制功能，是自动控制系统中必不 可少的环节。执行机构可以是电气系统、压力系统、气动系统、传感器系统或软件系统中 的一种或多种的整合。 气动技术具有成本低廉、工作效率高、实用和维修方面、不污染环境且对环境要求不 高等一系列优点，因此越来越广泛的应用在各个领域。随着气动技术的不断发展，气动技 术和机械、液压、电气技术相结合，使该技术正向精密化、小型化、高可靠性和高智能控 制方向发展。 传统的气动系统只能在两个调定位置实现可靠定位，运动速度只能靠单向节流阀单一 调定。随着工业自动化技术的不断发展，设备对自动控制的要求越来越高，传统的气动系 统已经不能满足工业自动化技术的发展需要。而气动比例系统能够非常方便的实现多点无 级调速，并能在任意位置精确定位。q b e l f o m t e 等人将机车制动技术引入气动机构，设计 了一种带抱闸装置，可实现气缸在目标位置定位，其定位精度约士0 3 聊肌。w 抽g 等人利用 f e 渤公司的由比例方向阀组成的系统进行研究，由于负载轻，获得了较高的执行速度， 位置精度为士0 2 5 m m 【3 3 1 。为了改善气动比例位置系统动态和静态特性，实现更加精确的控 制，l e e 等人对电气控制系统进行了建模研究【州。周洪根据电气比例伺服位置控制系统 的特点，设计了一个鲁棒控制器，利用此控制器进行了仿真和实验研究【3 5 1 。陶国良等人通 过采用最优状态反馈、p i 环节和扰动观测补偿实现了气动比例伺服系统的连续轨迹跟踪， 实现了较高的控制精度【3 6 1 。 气缸任意位置的精确定位，促使了其在工业自动化领域( 生产线、装配线) 上的应用， 比如气动机械手和气动机器人。气动机械手是在已有机械手的基础上发展起来的，两者之 间的区别在于气动机械手采用模块化的形式，把专用机械手和通用机械手结合起来。现代 气动机械手一般由感知部分控制部分、主机部分和执行部分四个方面组成。另外，气动 机械手采用先进的阀岛技术和气动伺服系统，实现了气动机械手的可重复编程和在行程内 任意位置上的精确定位。因此，气动机械手在自动生产线上有着极其广泛的应用前景。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 气动伺服系统3 7 】一般由控制器、电气控制元件、气动执行元件、传感器和接口电路 组成。其中控制器一般指计算机、单片机或可编程控制器等控制器件；电气控制元件包 括电气伺服阀，电气比例阀和电气开关阀；常用的气动执行元件有气缸、旋转气缸、气 爪、气马达等；常用的传感器包括位置传感器、压力传感器和速度传感器等。接口电路指 控制器与控制元件之间、控制器与传感器之间的接口。典型气动伺服系统组成见图1 7 。 图1 7 气动伺服系统组成示意图 电气伺服阀的结构复杂、价格较高、使用条件苛刻，很少应用一般场合。而电气比 例阀成本低、抗气源污染能力强，因此，电气比例阀发展较快，得到了广泛应用，国外 著名的气动元件生产厂家，如f e s t 0 ，s m c 等都研制了高性能的比例伺服阀。气动比例阀揍 是指应用比例电磁铁技术的流量或压力控制阀。气动比例控制系统组成如图1 8 。 一 -蓝卜匝型 一 图1 8 气动比例控制系统组成示意图 1 4 论文研究内容与总体框架 1 4 1 论文研究内容 本文中重力热管由旋压端部到真空管主要经过了以下工序：定量灌装、销钉定向加装、 加热排气、销钉敲击、封头焊接。在目前条件下，重力热管的封装生产中，大部分工序都 是利用简单的工具进行人工操作，造成生产质量的不稳定，譬如定量灌装靠注射器人工注 入工质，工质的量很难精确控制；另外，上道工序进入下道工序滞留时间较长，导致生产 效率十分低，严重影响了整套设备的产量。 为了改善重力热管生产现状，提高其生产率和产品质量，本文结合“十二五 国家科 技计划预备项目“纺织印染行业节能减排成套装备及关键零部件的自动化生产线”，在详 细分析重力热管封装生产线的基础上，进行重力热管封装生产线的设计研发工作，并对其 9 浙江大学硕士学位论文第章绪论 关键技术进行研发。首先对重力热管封装生产线进行总体设计，其次利用机器视觉技术与 现代智能控制方法相结合，实现重力热管管端孔心的快速找正以及精确定位论文主要研 究内容及章节安排如下： 第一章，综述了重力热管的发展历史、制造工艺方法及生产制造现状，对基于视觉定 位的相关技术进行了分析。阐述了课题的研究背景，给出了论文的研究内容和总体框架。 第二章，分析了重力热管封装生产线的总体要求及工艺流程，阐述了生产线的总体布 局方案，给出总体结构设计；分析了生产线各关键组成部分及其功能，对生产线设计过程 中关键技术进行了分析与设计。 第三章，分析了重力热管管端孔心位置误差的来源，建立了定位系统的总体方案，并 对定位系统各组成部分进行了设计。 第四章，分析了管端图像的滤波增强预处理方法及图像的分割方法。通过对比管端圆 孔定位的算法，结合本文管端圆孔定位的特点，提出了一种圆孔定位的快速匹配方法。 第五章，推导出定位系统的数学模型，利用模糊增益自调整p i d 控制器对系统模型进 行了控制性能和抗干扰性能仿真分析，结果表明，模糊增益自调整p i d 控制器具有较好的 控制性能和鲁棒性，同时也具有较强的抑制干扰和噪声的性能。 第六章，回顾并总结了全文的主要研究内容，并对今后的研究工作进行了展望。 l o 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 2 论文总体框架 厂第一章、 、 绪论 彤 厂 第二章 、 重力热管封装生产线结构方案设计 一 u ，第三章 、 厂、 、 重力热管定位系统设计 彤 、，、 第四章 、 第五章 、 懂于图像处理的管端孔心定位实圳、定位系统控制方法及其仿真分析 彤 厂 第六章 、 、 总结和展望 图1 9 论文的总体框架 1 5 本章小结 本章首先介绍了重力热管的发展历史、制造工艺方法及生产制造现状，对基于机器视 觉的定位技术进行了综述。最后分析了课题研究背景及研究意义，给出了本文的研究内容 和总体框架。 浙江大学硕士学位论文第二章重力热管封装生产线结构方案设计 第二章重力热管封装生产线结构方案设计 2 1 重力热管生产线总体要求 2 1 1 重力热管生产工艺流程 重力热管全自动封装生产线是从定量灌装到真空管封头焊接为止的生产线部分，其中 包含了工件上料、定量灌装、销钉定向加装、加热排气、销钉敲击、封头焊接、工件下料 七个工序。其主要生产工艺流程如图2 1 ： 图2 1 主要生严工艺流程 ( a ) 工件上料 利用气缸将重力管由水平放置转化为竖直放置，然后放入夹具夹紧。该工位中要求在 一个节拍下，料仓只能滚出一根重力管，并且能保证重力管无卡死、倾斜现象。重力管夹 具应设计成自动张开、夹紧，并具有精确的定位。 ( b ) 定量灌装 该工位是将工质通过管端小孔定量加注到重力热管里。管端小孔的直径为4 5 聊聊，因 此应保证灌装装置与重力管的相对定位。另外，工质灌装的量应满足要求。 ( c ) 销钉定向加装 该工序负责精确的将销钉插入重力热管管端小孔内，并使销钉保持竖直状态，便于后 面销钉敲打工序的进行 ( d ) 加热搁 气 利用高频加热装置，对重力热管进行加热和保温，将管内液体工质加热至沸腾状态， 1 2 浙江大学硕士学位论文第二章重力热管封装生产线结构方案设计 排出管内空气，实现管内真空状态。加热段温度控制在4 5 0 左右，保温段控制在2 0 0 左右。 ( e ) 销钉敲打 在一定压力下，将销钉压入重力管，防止外界空气进入真空管。销钉敲击时，应保证 销钉呈竖直状态，且敲击力和敲入量应适当。 ( f ) 封头焊接 为了防止外界空气进入热管内部，影响管内真空度，对压装好销钉的管端进行焊接封 口。 ( g ) 工件下料 工件下料是与工件上料相反的动作，是将加工好的工件从生产线上转移到料箱内。工 件上下料的自动化大大地提高了生产的自动化程度和生产效率。 2 1 2 生产线主要技术指标 根据要求，生产线需满足以下技术指标： 生产线连续工作，每个工位停留时间：1 5 之以； 生产线应自动上下料，可实现金自动化生产； 热管外径为0 2 5 聊m ，内径为2 1 朋朋，长度为1 0 0 0 聊明； 工质( 水) 灌装量：6 0 m 以 灌装精度( 总容量为基准) ：53 ； 管内真空度：l0 _ 3 砌以上； 销钉敲击后，其顶部应高出管端0 5 垅肌； 焊接均匀、无裂纹、无缺陷凹陷； 生产线应装有自动报警装置，实现安全生产； 生产线应美观、噪音小； 热管应夹紧可靠。 2 2 生产线的总体方案设计 为了便于人工管理和保证各个工序机构位置和相对运动的正确性，将生产线各工序按 照封装顺序直线排列动力输送装置采用板链式输送，重力热管夹具固定在链板上，随链 条同步运动。主传动机构选用伺服电机，布置在链条的一端。各工序执行机构布置在链条 1 3 浙江大学硕士学位论文 第二章重力热管封装生产线结构方案设计 的侧面，当工件到达该位置，执行相应的动作。生产线共包括七个工位，并按照重力热管 工艺流程依次布置，其整体布局如图2 - 2 。 图2 2 生严线效果图 1 自动上料机构，2 定量灌装装置，3 销钉定向加装装置， 4 加热排气装置，5 销钉敲击装置，每封头焊接装置，7 自动卸料装置，8 重力热管，9 夹具 2 3 生产线关键部机设计 2 3 1 自动上下料装置 1 ) 自动上料机构 现有管材加工中，通常是呈水平放置状态，对应的自动上料装置也较多。而该生产线 中，需要将重力热管呈竖直状态。若采用人工上料，会导致操作强度大、热管封装质量一 致性较差。另外人工上料存在较多的不确定因素和安全隐患，往往会导致生产线不能按照 一定的节奏进行，生产效率较低。 本文设计一个专用于重力热管封装生产线自动上料的机构，如图2 3 所示。其工作原 理如下： 首先，重力热管放入储料箱中，在重力的作用下沿着倾斜滑道下滑。此时上料托件处 于水平状态，上料托件压紧下挡板、弹簧被压缩，下挡板的顶端略低于倾斜滑道，重力热 管能够顺利通过挡板机构进入上料托件的容置槽中。重力热管进入容置槽内触碰接近开 1 4 浙江大学硕士学位论文第二章重力热管封装生产线结构方案设计 关，电磁铁锁紧装置夹紧重力热管两端。气缸的推杆动作、推动与推杆铰接的连接件，从 而带动上料托件以支架与上料托件的铰接点为旋转支点向竖直方向旋转。上料托件向竖直 方向旋转时、逐渐脱离下挡板的水平部，弹簧复位、向上顶推挡板机构，此时下挡板上升、 封闭倾斜滑道的出料口。 当限位板抵紧倾斜滑道底部时，下挡板到达最高位置，不再上升。当竖直重力热管卸 料后，气缸复位、带动上料托件从竖直状态向水平状态翻转，上料托件逐渐接近下挡板水 平部，并压缩弹簧，直到气缸复位完成、上料托件恢复水平状态，下挡板的顶端再次低于 倾斜滑道，下一根重力热管进入上料托件内。上料机构三维视图如图2 - 4 所示。 图2 3 上料机构 l - 储料箱，2 上料托件的容置槽，3 气缸，4 重力热管，5 弹簧， 6 挡板机构，7 倾斜滑道 图2 4 上料机构三维视图 2 ) 自动卸料机构 当重力热管经过各道工序封装完毕后，需要将成品从生产线夹具上卸下来并放入料 简。自动卸料机构的工作原理与自动上料机构类似，其三维视图如图2 5 。 浙江大学硕士学位论文第二章重力热管封装生产线结构方案设计 图2 5 自动卸料装置 3 ) 重力热管夹具的设计 由于夹具与重力热管一起随生产线流转，因此为了防止线圈缠绕，要求夹紧部件必须 上下料方便、夹紧可靠，并为无动力源或动力源与夹紧部件可分离。因此设计一种机械式 的自动夹紧机构来实现这一功能。 若采用无动力源式夹紧部件，只靠重力热管与夹紧部件之间的作用力使其张开，会导 致重力热管的变形或破坏，因此我们采用动力源与夹紧部件可分离式，即在上料工位和卸 料工位安装动力源，夹紧部件固定在传动链条上，随链条一起移动。在上料工位，夹紧部 件在气缸的推动下张开，当重力热管被机械手送至夹紧部件并呈竖直状态时，气缸恢复原 状，夹紧部件在弹簧的作用下夹紧。在卸料工位，当机械手抓紧重力热管时，夹紧部件在 气缸的推动下张开，然后机械手将重力热管放至料仓，气缸恢复原状，夹紧部件在弹簧的 作用下恢复原状。 夹紧部件为对称式结构，两半均为v 型槽式，并靠齿轮啮合，从而两者同步张开、夹 紧，确保了重力热管的精确定心。夹紧部件夹紧力的大小可通过调节弹簧的初始压缩量进 行调节。图2 6 为夹具的三维视图。 图2 6 夹具的三维视图 1 6 浙江大学硕士学位论文第二章重力热管封装生产线结构方案设计 2 3 2 定量灌装装置 工质定量灌装工位是将定量的工质通过重力热管的顶端小孔加入管内。主要包括位于 传送装置一侧的灌装支架，灌装支架上设有存储工质的储液箱，与储液箱连通、将工质输 送到管体的输液软管，连接储液箱和输液软管的液压泵，位于管体上方、用于定位的定位 机构，将工质注入管体内部的注射针头以及连接输液软管和注射针头的流量控制阀等。如 图2 7 所示。 2 6 e ( 3 ：1 ) 图2 7 定量灌装装置 1 液压泵，2 谁占液箱，3 重力热管，4 夹具，5 输液软管，6 - 定位机构，7 灌装针头 其工作原理如下： 液体工质储存在储液箱中，液压泵在电机的带动下，将工质压入输液软管内。当重力 热管停留在此工位，灌装定位机构对重力热管端部孔心进行找正定位后，注射针头在进给 气缸的推动下下降，灌装针头伸入热管管体上端的开孔中，接着流量控制阀打开，输液软 管内的液体工质在一定压力下进入重力热管当定量工质输送完毕后，流量控制阎关闭， 进给气缸带动注射针头收回，定位机构恢复原位置，完成定量灌装动作。 2 3 3 销钉定向加装装置 销钉定向加装工位是指将圆台式销钉按照一定方向加入到重力热管端部孔内。销钉定 向加装装置包括位于传送装置一侧的定向加装支架，定向加装支架上设有使圆台状的销钉 ( 如图2 9 ) 按上大下小排列出料的振动料盘( 如图2 1 0 ) ，输送振动料盘整理好的销钉的 1 7 瓤 浙江大学硕士学位论文第二章重力热管封装生产线结构方案设计 输钉管，与输钉管连接、使销钉准确对准热管的上端开口的定位机构，另外还有每次仅允 许一个销钉到达热管的上端开口的过钉机构等，如图2 8 所示。 每毡 迫副料盘 。、 戥 、 【n 一 姻 圈 - 。 h ，_ 。一厂j 圉圈 。i卜l 一 一： f 6 f ( 3 ：1 ) 图2 8 销钉定向加装装置 1 振动料盘，2 支架，3 重力热管，4 夹具，5 输钉管， 6 x 向定位气缸，7 z 向进给气缸，8 销钉，9 下气缸，l o 上气缸 图2 9 销钉图2 - l o 振动料盘 其工作原理如下： 销钉在振动料盘的内经过振动按照小头在前、大头在后的顺序排列好后，进入输钉管， 然后进入过钉机构。过钉机构包括固定于连接板的上气缸和下气缸，上气缸与横向插入过 钉通道的阻止第二个销钉下落的压紧杆连接，下气缸与横向插入过钉通道、顶托第一个销 钉的顶托杆连接；上气缸使压紧杆向前压紧销钉时，下气缸使顶托杆后撤、允许第一个销 钉下落插入管体的上端开口；下气缸使顶托杆插入过钉通道时，上气缸使压紧杆后撤、允 1 r 浙江大学硕士学位论文第二章重力热管封装生产线结构方案设计 许销钉下落到达顶托杆。 当重力热管到达该工序时，首先定位机构对管端孔心进行定位，定位之后，销钉通过 过钉机构，落入重力热管端部孔心，完成整个定向加装过程。 2 3 4 销钉敲击装置 销钉敲击装置的主要作用就是将销钉敲入管端孔内，使销钉顶端与管端平齐。该装置 主要包括位于管体上方的压装气缸和与压装气缸连接、对准管体将销钉敲入管体的压装锤 头以及顶紧重力热管底部的顶推机构。压装锤头底面有一凹槽，防止销钉在敲击时倾斜。 顶推机构包括与支撑座的底面接触的楔形块和与楔形块连接的顶推气缸；支撑座的底面是 与楔形块适配的斜坡，上端面设有管体底端适配的凹槽，可以限制热管在敲击的过程中由 于振动而偏斜或者脱出夹具。如图2 1 1 所示。 销钉敲击装置的工作原理：当重力热管到达该位置时，顶推气缸向前运动时、楔形块 顶推支撑座向上运动、支撑座顶紧重力热管底端，压装气缸动作，压装锤头以一定的速度 和力下降，将销钉敲入管端孔内。然后压装气缸回位，压装锤头恢复原位接着，顶推气 缸复位，支撑座向下复位、脱离重力热管，销钉敲击动作完成。 g g ( 2 ：1 ) 图2 1 l 销钉敲击装置 1 压装气缸，2 调节旋钮，3 压装锤头，鞘钉， 5 重力热管，6 夹具，7 顶推气缸，8 堠形块，9 支撑座 1 9 9 浙江大学硕士学位论文第二章重力热管封装生产线结构方案设计 2 3 5 管端焊接封装装置 封口焊接工位主要是为了防止外界空气进入热管内部，影响管内真空度，对压装好销 钉的管端进行焊接封口。管端焊接封装装置包括