本文是一篇机械自动化类论文，本文结合封头密封圈的实际装配工艺和需求，设计了一套固体小型燃气发生器封头密封圈自动装配设备，同时对该设备的控制系统、运动学仿真以及实验进行了相关研究。
1 绪论
1.1 研究背景与意义
固体小型燃气发生器主要利用内部装填的药柱在燃烧过程中产生的推力进行工作，被广泛应用于推动子母弹头分离、红外特征释放、调整飞行姿态等军用场景。固体小型燃气发生器由点火具组件、燃烧室、药柱、封头组件、堵头组件等主要组件组成，如图1-1，其中封头组件的装配零件有封头、密封圈、铝箔片和缓冲垫。封头密封圈采用的是O型密封圈，主要负责封头与燃烧室之间的密封作用，对固体小型燃气发生器的性能有着极其重要的影响。
随着现代工业技术的迅速发展，我国对于国防的建设愈发重视，对于一些火工品的需求量也有了明显的增加，但由于火工品生产的危险性和局限性，只能依靠极少数的研发部门提供。当前某研究所对于固体小型燃气发生器这种火工品的装配仍采用人工装配的方法，每天的成品量只有50套，无法满足目前的需求量。人工装配方式不仅装配效率低、工人工作强度高，而且在装配过程中会给工人带来极大地的安全问题。
1.2 自动化装配技术国内外研究现状
1.2.1 自动化装配技术国外研究现状
早在19世纪，国外就开始了自动化装配技术的研究，当时的自动化水平只能完成一些简单小零件的装配工作。直至上世纪70年代，工业机器人技术得到了一定发展并被应用到自动化装配中，这使得自动化装配技术有了跨越式的发展，真正的解放了工人的双手。后面随着国外对工业制造的重视，自动化装配技术成为了机械制造业的研究重点。
日本的精工爱普生公司引入自动化装配技术实现了手表装配的自动化，该自动装配生产线拥有50台工业机器人，不仅极大地提高了手表的生产效率和质量，其成本的投入相对之前手工装配的方式降低了63%左右[6]。英国的BRSL企业的柔性化自动装配生产线可实现不同种类中小型产品的自动化装配，仅在两个小时内就能将原产品的装配线改成适用其它产品的装配线[7]。日本的FANUC公司结合机器人和机器视觉技术，实现了对精度要求较高的复杂零件的自动装配，并将其应用到自己的电机生产线中，电机的生产效率在原有基础上提高了100%[8]。西门子企业为宝马的慕尼黑工厂设计了一条专门用于生产汽车引擎的自动化装配线，并在装配线中采用了大量的传感器，该公司的八缸引擎和四缸引擎的自动化水平得到了显著提高[9]。Song等人针对位置无法确定、装配类型多样的零部件，设计了一种新的智能机器人装配系统[10]。Kang等人提出了一种Soma立方体块的自主机器人装配系统[11]，该系统通过观察产品不同组件的外观，自动规划出准确的装配路径，实现对同一产品不同组件的准确装配。
2 封头密封圈自动装配系统硬件结构设计
2.1 固体小型燃气发生器自动装配系统介绍
2.1.1 固体小型燃气发生器组成介绍
固体小型燃气发生器主要由点火具组件、燃烧室、药柱、封头组件、堵头组件等零部件组成，其中封头组件的装配零件有封头、密封圈、铝箔片和缓冲垫，如图2-1所示。封头密封圈是固体小型燃气发生器的关键性零件，主要负责封头与燃烧室之间的密封作用，密封性的好坏会直接影响到固体小型燃气发生器的性能。
2.2 封头密封圈自动装配结构设计需求分析
固体小型燃气发生器的自动化装配生产线目前只完成了基本的理论结构设计，后续还需要进行每个工位的细节优化、校核、软件系统设计等大量工作，由于时间限制，本文主要针对封头密封圈这一核心零件的自动装配系统展开完整和系统的研究。
封头密封圈作为固体小型燃气发生器的核心零件之一，负责封头与燃烧室之间的密封作用，对固体小型燃气发生器的正常工作有着极其重要的影响。在进行封头密封圈自动装配系统之前，先对固体小型燃气发生器的整体自动装配系统的硬件方案进行分析设计，在整体自动装配系统方案的背景下，再对封头密封圈自动装配系统的硬件方案进一步优化，同时完善其控制系统，实现封头密封圈的自动化装配。
2.2.1 封头密封圈现有装配工艺分析
当前封头密封圈的装配工作采用人工方式完成，人工安装封头密封圈时，为避免封头外螺纹划伤封头密封圈，需要将封头密封圈套在辅助工具上，再把辅助工具套在封头外螺纹上，然后工人将封头密封圈从辅助工具上拨到密封圈安装槽内。企业要求在装配过程中必须保证封头密封圈不能出现划伤、扭曲问题、拉伸量过大的问题。
但是人工装配过程中，工人无法在长时间和高强度工作下始终保持正确的操作，有时会出现因工人用力过大导致封头密封圈断裂，或者工人在拨动封头封头密封圈时由于封头密封圈受力不均，使封头密封圈沿辅助工具移动过程中同时出现滚动和滑动摩擦，导致封头密封圈发生扭曲损伤的情况，而自动装配的方式就很好的解决了这种问题。
3 封头密封圈抓取过程仿真分析 .......................... 21
3.1 仿真需求分析 ..................................... 21
3.1.1 封头密封圈材料特性 .................................... 21
3.1.2 封头密封圈抓取过程影响因素分析................. 21
4 机器人运动学建模与仿真分析 ............................... 31
4.1 机器人运动学建模和正逆运动学求解 ......................... 31
4.1.1 位姿变换描述 .............................. 31
4.1.2 FR3 机器人的MDH建模 ................ 33
5 基于PDPS的密封圈自动装配系统仿真 ............... 49
5.1 PDPS软件介绍 ........................ 49
5.2 软件仿真流程 ............................. 49
5.3 基于PDPS的密封圈自动装配系统仿真 .......................... 50
6 自动装配设备控制系统设计及实验研究
6.1 实验样机开发流程
控制系统是整个火工产品封头密封圈自动装配系统的核心，它通过控制送料气缸、机器人和机器人末端抓手的协同运动实现了整个自动化设备正确、稳定地运行。本章首先通过设备工作环境、控制需求等方面考虑，确定西门子PLC作为自动化装配设备主控制器的控制方案，再结合外接设备所需的输入输出的端口数来选择合适型号的PLC。然后根据控制需求完成了气路图、电路图、编程等软件设计以及电磁阀、中间继电器、气缸等硬件的选型、采购以及后续硬件接线。
针对封头密封圈自动装配系统的研究需求，样机设计流程如图6-1所示。
7 结论与展望
7.1 结论
在企业计划以自动化生产模式代替目前人工生产模式去完成固体小型燃气发生器装配工作的背景下，本文围绕固体小型燃气发生器封头处密封圈自动装配功能的实现展开研究。本文结合封头密封圈的实际装配工艺和需求，设计了一套固体小型燃气发生器封头密封圈自动装配设备，同时对该设备的控制系统、运动学仿真以及实验进行了相关研究。本文的研究成果有以下几个方面：
(1) 分析固体小型燃气发生器封头密封圈的装配工艺和尺寸参数，确定封头密封圈自动装配系统的硬件和控制需求，基于密封圈装配工艺完成了固体小型燃气发生器封头密封圈自动装配硬件平台的搭建和机器人的选型。
(2) 分析封头密封圈的材料特性和抓取过程中的影响因素，基于Mooney-Rivlin的2参数模型建立了超弹性橡胶材料的本构模型。通过ANSYS Workbench有限元仿真软件完成了三爪、四爪、六爪气缸抓取封头密封圈的仿真，在气缸夹爪均张开8 mm的统一条件下，三、四、六爪仿真模型下封头密封圈的最大变形分别为14.266 mm、14.293 mm、14.441 mm。结果表明：随着气缸夹爪数量的增加，封头密封圈的变形没有太大变化。但其应力仿真结果却表现出随之减小的规律。结合成本分析，最终确定了四爪气缸作为最佳抓取方案。确定抓取方案后，为了确保夹爪在每天数百次抓取工作下不发生变形或者断裂，再次对不同宽度夹爪在抓取过程中的应力分布进行了仿真，结果表明，夹爪的宽度越大，其最大应力越小，因此确定了夹爪在不发生干涉情况下的最优结构设计方案。
(3) 基于MDH法建立了FR3协作机器人的运动学模型，分析了该机器人的正、逆运动学模型并进行了求解。基于MATLAB分析了机器人的运动空间，同时研究了机器人每个关节在三次、五次多项式插值算法下的位置、速度、加速度曲线，验证了五次多项式插值算法对于本文机器人运动的适用性。
参考文献（略）
