微裝配技術在引信中應用綜述

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(1.機電動態控制重點實驗室，陜西 西安 710065；2.西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

微裝配技術是指應用于中間尺度(中間尺度指幾何尺度從數十微米到數十毫米范圍)復雜微小型結構件組裝而成系統[1-2]的裝配技術。由于其裝配對象尺度較小，運動精度高，操作力很小，微裝配技術是目前微制造領域的關鍵技術之一[3]。引信是所有彈藥的共有裝備，是實現彈藥“精確打擊、高效毀傷”的核心關鍵，素來具有體積小、結構復雜的特點，這里特指微小型智能化彈藥引信。

近幾十年來，微加工、微檢測技術得到了快速突破：微加工技術如LIGA和準LIGA技術、高頻/超高頻群脈沖微細電化學加工技術、微細電火花加工技術、飛秒激光微加工技術[4]等；微檢測技術如基于光學成像的可視化、非接觸自動化測量技術也得到有效突破，在微小型智能引信研制和生產中分別得到大量應用，有力地推動了引信向智能化、微小型化方向發展。微裝配技術在最近20年內雖然取得了一定的進展，但國內仍普遍存在可擴展性差、可重配置性不足以及對裝配對象發生改變時的響應能力不足等問題，難以滿足多品種、小批量、多批次引信產品的自動化裝配需求，導致裝配問題成為微小型智能化彈藥引信發展的主要瓶頸和薄弱環節。

1 國內外微裝配技術現狀

鑒于微裝配技術的需求和廣闊的發展前景，美國、德國以及其他發達國家，為了維持自身的競爭優勢紛紛投入巨資開展微裝配方面的研究。

美國對彈藥微小型化研制過程中的微裝配技術已經進行了非常深入和前沿的研究。圖1所示為美國德克薩斯大學阿靈頓分校Dan Popa[5-6]等人研制的面向MEMS裝配的M3和μ3多尺度機器人裝配系統(M3-macro-meso-micro；μ3-meso-micro-nano)(圖1)，M3系統可以實現尺度介于126 μm至25 mm之間的微小型零件的裝配；μ3系統可以對尺度介于1 μm至1 mm之間的微小型零件進行微操作，該系統通過三個機器人組合而成的三維微裝配工作站多達19個運動自由度，可以實現待裝配件空間任意位姿的檢測，微夾持器采用了真空吸附和靜電夾持兩種方式，可以根據裝配需要進行可重配置，夾持器上集成了微力傳感器，可以有效的保護待裝配件。目前以上兩個系統已經可以實現多種微尺度MEMS零件的裝配。

明尼蘇達大學GE YANG和James A Gaines[7]在光機電一體化框架之下開發了新型的微裝配系統可用來將三維微小型結構裝配到深反應離子刻蝕方法加工的孔中如圖3所示。

圖4所示為美軍陸軍RDECOM-ARDEC已針對25 mm小口徑榴彈研制出了MEMS安全系統[8]，并研制和開發了一套集成了生產、裝配及自動檢測為一體的MEMS安全系統機器視覺、自動微裝配系統(MVAM)(圖4)，能夠實現高精度的目標識別與檢測，達到很高的生產效率。使用這套設備可以達到每小時完成100套安全系統裝配的目標。

德國也是較早展開微裝配研究的國家，比較著名的研究機構有德國卡爾斯魯厄理工學院等機構。典型的如卡爾斯魯厄理工學院的Mardanov[9-10]等人在1999年研制了基于多機器人的桌面微裝配系統如圖5所示。該裝配系統可以實現單件小批量的直徑500 μm齒輪的裝配以及微型鏡頭的裝配。

B?r等人在2003年進一步研制了μFemos微裝配系統[11]，該系統包含具有XYZ以及旋轉自由度的四軸執行系統，可裝配系統體積600×600×500 mm，主要用來裝配單件小批量高精度光學器件。加拿大多倫多大學機械工程學院的Nikolai Dechev[12]等人設計了面向3D-MEMS裝配的6自由度微操作系統。

在國內，自1997年起將微裝配方面的研究列入863機器人主體和國家攀登計劃[13]。哈爾濱工業大學謝暉、孫立寧[14]等人開發了一種MEMS自動化微裝配機器人，該系統可以實現零件直徑小于2 mm的微行星齒輪減速器局部單元的自動裝配。大連理工大學徐征[15]等人針對微納流控芯片等器件的對準裝配問題，研發了一套半自動微裝配系統。華中科技大學黃心漢[16]等人研制一種具備多操作手協調工作的人機交互微裝配機器人系統。北京航空航天大學宗光華[17]等人開發了一種宏微結合操作的自動化微裝配系統，該系統可以高效的完成PMMA微流控芯片的自動裝配。圖6所示為北京理工大學[18]及沈陽理工大學也各自開發出了針對平板類微小零件的自動化微裝配系統。中國工程物理研究院激光聚變研究中心以及天津大學裘祖榮[19]等人研究設計了一種基于顯微視覺和共聚焦檢測系統的微型靶標半自動裝配系統。

總之，國內外均已發展出種類繁多的微裝配系統，但不同的是國外的微裝配系統可以針對多種微尺度進行裝配，而國內一般是針對某單項產品進行開發，普遍存在可擴展性差、可重配置性不足以及對裝配對象發生改變時的響應能力不足等問題。

2 微裝配技術應用情況對比

在現代工業制造中，裝配工作量平均占制造工作量的40%～50%，裝配費用占產品制造總費用的20%～30%或更高[20]。目前，發達國家已經基本實現自動化裝配，重要行業領域部分實現柔性化自動裝配，如美國通過智能裝配實現了引信產業鏈的革新和生產形態的轉變，提高了產業能力，極大提升了生產效率，使得引信行業的競爭力和創新力得到大幅度提升。國內仍依靠手工裝配和人機協同的半自動裝配方式實現。

表1 中美引信廠家應用微裝配技術前后的產能對比

由表1可知，應用微裝配技術的美國公司和尚未應用微裝配技術的國內引信廠家在引信行業領域存在成百倍的巨大產能差距，這足以說明實現微裝配技術應用到引信裝配生產中的重要性和緊迫性。

3 國內微裝配技術難以在引信裝配中應用的問題及解決途徑

3.1 微裝配技術難以在引信裝配中應用的問題

國內微裝配技術經過二十余年的發展，已經突破了精密定位技術、微操作器、視覺檢測系統、自主式控制系統等關鍵技術，也逐步開發出各類自動裝配系統，但只能針對單一引信產品應用，究其原因，筆者認為是國內當前的引信產品設計(安全系統)是面向手工裝配。

通常認為引信是光機電一體化的復雜系統，包括發火控制電路、安全系統、傳爆序列和能源裝置四部分組成，但隨著引信技術的發展，模塊化的設計思想早已經確立。功能要求相同的模塊(比如安全系統模塊、發火控制電路模塊、能源裝置-電池或物理電機模塊等)也在向具備互換性能力的方向發展，所以基于裝配對象和裝配特點的差異，引信的裝配可分為四個方面：1)電路子系統的裝配；2)安全子系統的裝配(包括其它結構子系統的裝配)；3)火工品的裝配；4)引信系統級的裝配。(由于引信裝配過程中，電池和火工品(包括電雷管、導爆管、傳爆管等)均以部件形式存在，所以本文不考慮這些部件本身的裝配過程，同時，不針對更小尺寸如微火工品等涉及壓藥工藝的產品進行討論。)

模塊化引信設計的裝配技術發展必定是先子系統后系統的裝配過程，所有子系統全部實現自動裝配，對于模塊化的系統裝配也將水到渠成。隨著光學對準、定位技術及熱壓、熱超聲、膠黏等工藝的突破和成熟，電路模塊已經采用自動裝配的方式進行組裝。所以目前手工裝配主要存在于結構子系統、火工品及系統級的裝配上，而組成傳爆序列的火工品不會獨立存在，一般固連于安全系統的結構零件上，其裝配過程也往往與安全系統的裝配過程揉合在一起，所以進行自動裝配的難點主要集中在安全系統的裝配上。

面向手工裝配的安全系統設計，零件數目大，零件類型多樣，裝配操作要求智能程度過高。根據產品裝配過程的復雜等級與自動裝配系統的成本成幾何倍的關系，如果針對面向手工裝配的的安全系統直接開發自動裝配系統，會使得裝配系統的開發成本非常高昂。

3.2 微裝配技術難以在引信裝配中應用的解決途徑

1)安全子系統的裝配

面向裝配的設計對于手工裝配產品來說雖然是一個重要的考慮項，但當產品自動化裝配時，面向裝配的設計就是一個至關重要的考慮項。如果要進行微小型安全系統的柔性化裝配改造，必須保證裝配流程簡單,所以有必要從產品方案階段的安全系統結構設計開始關注可裝配性，使多種安全系統產品實現統一的裝配特點。一方面，為實現易于裝配和降低產品裝配節拍，在產品設計過程中需盡量統一零件的裝配方向，減少特殊裝配工藝，系列化、單一化裝配系統運輸和裝夾時的夾持尺寸，為多種產品應用于一套裝配系統掃清障礙；另一方面，需盡量減少產品包含的零部件數量。

在引信產品的設計過程中，對零件結構的工藝性(可生產性)要求從來不是一成不變的：為了發揮沖壓的高速、大批量生產能力，可以把復雜零件分解為許多片狀、盂狀簡單零件；為了利于發揮加工中心的自動化、高精度生產能力，又可以把許多簡單零件組合成可以一次裝夾的復雜零件；而為了提高引信產品的可裝配特性，也可能會犧牲一些零件的可加工性，滿足自動裝配或柔性裝配技術對產品應用的需求，從而極大減少裝配系統的開發成本，降低微裝配技術在引信產品裝配中應用的門檻。

圖7所示為瑞典博福斯40 mm 3P彈使用的安全系統。3P彈安全系統包含著響應內彈道環境的后坐離心雙環境卡板、響應彈丸旋轉的離心保險板、可識別膛內后坐環境的安全簧片和延期解除保險的鐘表輪系結構，其功能可謂繁多。與同樣實現各功能、帶有鐘表輪系結構的國內產品相比，其零件數量一般都在35個左右，有的甚至超過40個，且要求裝配方向、裝配方式繁雜多樣，但3P彈安全系統全部零件(含火工品)的數量僅有16個。整個裝配過程，其所有零部件均為從上到下的裝配順序，就好比搭積木，并且其中尺寸較小的軸類零件，如：傳動輪、平衡擺、后坐離心卡板、轉子軸，軸肩尺寸均分布在直徑約為1～1.5 mm之間，包括零部件裝配的蓋板部件零件接電柱的軸肩尺寸也在范圍之內，非常適合自動夾持和運輸操作。

通過對比可以看出，國內當前引信產品的裝配工藝與3P彈相比復雜太多。另外，從圖中可以發現，零件座體通過普通機床進行加工的性能較差。筆者根據其座體零件的加工紋路特征進行分析推斷，該零件的加工過程應該是先通過冶金壓鑄的方式完成初制胚胎，然后進行了二次精加工，與國內引信安全系統中相應零件一般均可以通過普通機械加工實現相比，其加工工藝復雜許多。可以說，該安全系統為了達到極簡的裝配工藝，犧牲了個別零件的可加工性。但又不單是提高了座體零件的復雜程度，因為該零件除了實現座體功能以外，還集成了軸類零件、定位銷及鎖定機構的功能特性，不僅輕松簡化了安全系統內軸間零件的定位精度問題，同時是實現零件層疊式裝配的關鍵。

所以，博福斯40 mm 3P彈安全系統通過降低零件可加工性，達到裝配工藝的極度簡化，降低裝配成本，絕不僅僅是通過微裝配技術的發展所能夠實現的。而惟有從引信結構設計的自身角度出發，提高引信產品面向裝配的設計水平，才能徹底解決國內微裝配技術面臨的可擴展性差、可重配置性不足以及對裝配對象發生改變時的響應能力不足等問題。

2)火工品的裝配

火工品有非常規則的外形，屬于易于進行自動裝配的范疇，但火工品的裝配涉及危險品的應用，有其獨立的特殊性。

傳爆序列中最敏感的當屬首發火工品，常見的火帽類包括針刺火帽、撞擊火帽、摩擦火帽、電點火頭和電點火管，雷管類包括針刺雷管、火焰雷管、電雷管、化學雷管、沖擊片雷管，所以與自動裝配系統有關并易于產生的敏感環境分為靜電、針刺、摩擦三種情況。通過操作機械手、裝配臺和大地之間的互相可靠短路連接，可以輕松消除靜電產生；通過規范操作程序、嚴格控制裝配環境也可輕松消除針刺和摩擦造成的影響。所以采用自動裝配系統對火工品的裝配不僅可以降低對裝配人員的危害，提高安全性，更可以避免人為因素出現。不僅如此，隨著科研生產的進行和不敏感彈藥技術的進步，對火工品也提出了越來越高的敏感度要求。比如，火工品安全電流的提高，以及火工品在火烤、撞擊等情況下的鈍感要求。

4 微裝配技術促進引信結構設計發展的趨勢

面向手工裝配的引信結構設計問題導致微小型智能化引信產品出現的問題越來越突出，隨著更多微小型智能化彈藥引信的項目立項，有必要把面向自動柔性裝配工藝的引信結構設計提上日程。在設計過程中，對面向自動化柔性裝配系統的引信產品設計需要遵循一個原則：權衡零件加工成本與產品裝配成本，把提高可裝配性放到首位，在發生矛盾時，寧可犧牲一些可加工性。而加工中心等先進加工手段的普及也為這一原則提供了支撐。

為使微小型智能化引信產品盡快應用微裝配技術，使開發出的自動裝配系統解決可擴展性差、可重配置性不足以及對裝配對象發生改變時的響應能力不足等問題，不妨針對種類繁多的引信產品進行分類，對同類型的產品進行系列化改進設計，統一裝配流程，重視宏微接口關系，建立系列化的裝配標準規范，進而反向指導引信結構設計。筆者結合當前的引信結構特點針對引信結構設計提出一些面向自動化柔性裝配改進的必經措施，以供探討：

1)減少零件數量。這是減少裝配、制造和管理成本以及無關裝配系統的使用的一個主要手段。

2)包含能使零件在裝配時自對準的特征，如導條、凸緣和倒角等。這些特征對于確保一致性的無故障零件插入極為重要。

3)確保插入后不能即刻緊固的零件能在組件內自定位。

4)引信產品零件設計的抓取尺寸單一化。自動或柔性裝配一般靠機器人手進行夾持和運輸操作，這樣可減少裝配系統的使用時間。

5)引信產品設計成軸向層疊式裝配。

6)引信零件不能過輕或有易于產生諸如纏繞、層疊的特征。

7)引信零件需有一個便于機械手操作的穩定的靜止姿態。

5 結論

本文綜述了微裝配技術的發展現狀，主要發達國家如美國、德國已經實現精度達到納米級的微裝配技術，完成生產、裝配及自動檢測一體化的系統柔性化集成，并已在引信行業獲得大量應用；國內各高校雖然也開發出微裝配系統，但普遍存在可擴展性差、可重配置性不足以及對裝配對象發生改變時的響應能力不足等問題，并未能在引信產品中實際應用，而由此產生了國內外在引信行業領域裝配過程成百倍的巨大產能差距。通過分析認為，目前國內難以在引信產品直接應用的根本原因是絕大部分引信產品均為面向手工裝配的產品設計。據此，提出權衡零件加工成本與產品裝配成本，把提高可裝配性放到首位的設計原則，使面向手工裝配的設計方法改變為面向柔性化裝配系統平臺的設計方法，提高引信產品設計水平，解決自動裝配系統可擴展性差及響應能力不足等問題，為微小型智能化彈藥引信的發展提供保障。

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