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矿用传感器自动化装配的创新设计与实现

2025-04-07 54 上传者：管理员

摘要：随着国家对煤矿安全重视程度的不断攀升，煤矿安全监控系统的升级改造已成为行业发展的关键任务，矿用传感器作为该系统的核心要素，其需求量呈现出迅猛增长的态势。在智能制造的宏观战略背景下，传统的矿用传感器人工装配模式已难以满足高效、精准生产的要求，自动化装配的实现迫在眉睫。全面且深入地剖析了现有矿用传感器结构在自动化装配进程中所面临的诸多困境，创新性地提出以硬连接取代软连接、榫卯固定为主体的全新设计理念，并详细阐述了基于此的自动化装配实现方案，旨在有效攻克当前技术瓶颈，显著提升装配质量与效率，达成减人增效的目标，为矿用传感器自动化生产领域提供坚实的理论基石与具有实际操作性的实践指南。

关键词：
智能制造
榫卯固定
矿用传感器
硬连接
自动化装配
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煤矿安全监控系统是煤矿安全生产的核心保障,犹如煤矿作业环境的“守护者”,而矿用传感器则是该系统的“感官器官”,负责对井下各类环境参数及设备运行状态进行精准监测与数据采集｡近年来,煤矿安全事故频发所引发的社会关注度持续升温,促使国家对煤矿安全标准提出了更为严格的要求,煤矿安全监控系统的全面升级改造已成为行业发展的必然趋势｡这一趋势促进了矿用传感器市场需求的爆发式增长｡与此同时,智能制造浪潮正席卷全球制造业,其核心内涵在于通过高度自动化､智能化的生产模式,实现生产效率与产品质量的双重飞跃｡矿用传感器制造领域作为制造业的重要分支,也应紧跟时代步伐,积极探索自动化装配的可行性路径｡然而,当前矿用传感器的传统结构和联接方式在与自动化装配技术的融合过程中,暴露出诸多难以逾越的障碍,亟待通过创新设计予以突破｡

1、现有矿用传感器结构及装配方式分析

现有的矿用传感器[1]结构如图1所示｡由图1可知,矿用传感器通常由传感器外壳､探头､航插､蜂鸣器､主板等部件组成｡其联接与紧固机制主要依赖于传统的机械联接手段,具体表现为探头与航插采用螺母进行固定,主板和蜂鸣器则借助螺栓来实现紧固｡而各组件之间的信号通信功能则依靠导线软连接来达成｡在当前智能制造技术水平的审视下,这种传统的人工组装主导的装配模式存在一系列弊端｡

图1矿用传感器结构

从紧固操作的角度来看,螺母和螺栓的紧固过程对人工操作的技巧性与精准度要求极高｡自动化装配设备在处理这类细小零部件的紧固任务时,面临着巨大挑战｡由于其尺寸微小且操作精度要求在毫米甚至微米级别,自动化设备难以精确地完成螺纹的对准､旋紧等动作,极易出现螺纹滑丝､紧固力不均匀等质量问题,从而导致产品的稳定性与可靠性不高｡

在信号连接方面,导线软连接方式给自动化装配带来了重重困难｡当机械手臂尝试抓取带软线的连接件时,由于软线自身的柔性使其在空间中的方向具有极大的不确定性｡这使得机械手臂难以按照预设的精确路径将连接件与对应的连接点进行对接,连接过程中极易出现错位､虚接等现象｡而且,软线在装配过程中容易发生缠绕､拉扯等情况,不仅会影响装配效率,还会对连接的稳定性造成严重威胁,导致信号传输中断或异常｡此外,随着矿用传感器内部电路的复杂度不断提升,导线软连接的布线难度也呈指数级增长,线路的交叉､混乱及连接点的增多,使得检测与纠错工作变得极为复杂,进一步制约了自动化装配的有效实施｡

2、自动化装配难点剖析

(1)联接方式的局限性传统螺母､螺栓联接方式的人工依赖性是实现自动化装配的首要障碍｡自动化设备在模拟人类手部精细操作时,存在精度和灵活性的局限｡在紧固过程中,即使微小的角度偏差或力度控制不当,都可能引发螺纹损坏或联接不牢固的问题｡而且,不同批次的螺母､螺栓在尺寸和螺纹精度上可能存在细微差异,这也增加了自动化装配的难度和不确定性,导致产品质量的离散性较大,难以满足大规模自动化生产对产品一致性的严格要求｡

(2)信号连接的复杂性导线软连接的复杂性体现在多个维度｡首先,软线的柔性使其在空间布局上难以控制,无法像刚性结构那样进行精确的定位和固定｡这就导致在自动化装配过程中,机械手臂需要具备高度复杂的视觉识别和路径规划能力,才能应对软线连接的不确定性,然而目前的自动化技术在这方面仍存在较大的提升空间｡其次,软线连接点的可靠性难以保障,长期使用过程中,由于振动､温度变化等环境因素的影响,连接点容易出现松动､氧化等问题,进而影响信号传输的稳定性｡再者,随着传感器功能的不断扩展,内部电路的集成度和复杂度日益提高,导线软连接的布线设计变得愈发复杂,这不仅增加了装配的难度,也使得后期的维护和故障排查极为棘手｡

3、创新设计思路:硬连接与榫卯固定

(1)硬连接原理与优势

采用硬连接方式替代原有的软线连接,是解决当前自动化装配难题的关键举措之一｡例如,设计专门的定制化接插件,这些接插件具有高度精确的形状和定位装配结构[2],从而保证其与对应连接点的匹配精度｡当机械手臂抓取带有硬连接的接插件时,接插件固定的形状和方向能够为机械手臂提供明确的抓取和对接引导,使其能够按照预设程序快速､准确地与相应的连接部位进行匹配｡

硬连接方式彻底摒弃了软线连接带来的方向不固定､易缠绕等弊端,极大地简化了自动化装配过程中的连接操作｡同时,硬连接接插件可进行标准化､模块化的设计与生产,这不仅有利于自动化设备的快速识别与精准操作,还能够显著提高生产效率｡在生产线上,不同类型的传感器组件可以采用相同规格的接插件接口标准,实现了一定程度的通用性和互换性,降低了生产管理的复杂性｡此外,硬连接的稳定性相较于软线连接有了质的飞跃,能够有效减少信号传输过程中的干扰与损耗,显著提升传感器的整体性能,确保其在煤矿井下复杂恶劣的电磁环境中仍能稳定､可靠地工作｡定制化接插件如图2所示｡

图2定制化接插件

(2)榫卯固定结构设计

借鉴古老而精妙的传统榫卯工艺原理,为矿用传感器组件设计独特的榫卯[3]固定结构｡在传感器外壳与内部组件之间精心打造相互匹配的榫头与榫槽｡例如,对于探头组件与外壳的联接,可以在探头的外壳边缘设计多个小型榫头,而在传感器外壳的对应位置开设与之匹配的榫槽｡通过机械嵌套的方式,将探头精准地固定在外壳内部的指定位置,实现快速而稳固的紧固与定位｡

这种榫卯固定方式无需借助螺母､螺栓等传统联接件,完全依靠机械结构的相互嵌合来实现联接功能｡在自动化装配过程中,可通过专门设计的自动化设备或机械手臂轻松完成榫卯结构的嵌套动作｡自动化设备只需按照预设的路径和动作程序,将带有榫头的组件准确地插入到带有榫槽的部件中即可完成装配,大大提高了装配的速度和精度｡而且,榫卯结构本身具有良好的抗振性与稳定性,能够有效抵御煤矿井下开采作业过程中频繁产生的振动和冲击,确保传感器内部组件在恶劣环境下始终保持稳定的工作状态,从而提高传感器的使用寿命和可靠性｡在设计榫卯结构时,充分考虑自动化装配的需求,对榫头与榫槽的形状､尺寸进行优化｡例如,将榫头设计成略带锥度的形状,便于机械手臂在插入过程中进行导向和定位;榫槽的入口处则采用圆角设计,减少插入时的阻力,进一步提高装配效率｡榫卯结构如图3所示｡

图3榫卯结构

4、自动化装配实现方案

(1)装配流程规划

基于硬连接与榫卯固定的创新设计思路,构建全新的矿用传感器自动化装配流程｡首先,在零部件制造环节,将各组件按照标准化､模块化的要求进行生产,并在生产完成后立即进行严格的预测试,确保每个组件的功能完好性和性能稳定性｡预测试内容包括对探头的灵敏度测试､主板的电路功能测试､蜂鸣器的发声测试等,只有通过预测试的组件才能进入下一装配环节｡

随后,通过高度智能化的自动化传输设备,如自动化传送带､机械手臂搬运系统[4]等,将各个经过预测试的模块精准地输送至装配工位｡在装配工位上,配备有高精度的工业机器人,这些机器人具备先进的视觉识别与定位功能｡机器人首先利用视觉系统对带有硬连接的接插件进行快速识别和定位,然后按照预设的精确路径和动作程序,将其与对应部件进行精准连接｡在连接过程中,机器人能够根据接插件的形状和定位结构,自动调整抓取姿态和插入角度,确保连接的准确性和可靠性｡

在完成硬连接操作后,机器人紧接着进行榫卯结构的嵌套与紧固动作｡通过机械手臂的精确运动控制,将带有榫头的组件平稳地插入到带有榫槽的部件中,实现传感器内部组件与外壳之间的稳固联接｡在整个装配过程中,实时进行信号测试与校准工作,利用专门的信号检测设备对传感器各组件之间的通信信号进行监测和分析,一旦发现信号异常或偏差,立即进行自动调整和纠错,确保传感器的正常通信与数据采集功能处于最佳状态｡

最后,对装配完成的传感器进行全面的整体性能检测｡检测项目涵盖传感器的各项关键性能指标,如测量精度､响应时间､稳定性等｡只有通过整体性能检测的传感器才能进入包装环节,包装完成后即可入库或发往客户手中｡配件自动装配如图4所示｡

图4配件自动装配示意图

(2)设备与技术选型

为了确保上述自动化装配流程的顺利实施,需要精心挑选适配的自动化设备与先进技术｡在工业机器人[5]的选型方面,优先选择具备高精度､高速度和强大视觉识别与定位能力的机器人型号｡例如,某品牌的六轴工业机器人,其重复定位精度可达到±0.05mm(甚至更高),能够满足矿用传感器硬连接和榫卯装配过程中对精度的严格要求｡同时,为机器人配备高分辨率的视觉相机和智能图像处理系统,使其能够快速､准确地识别接插件和榫卯结构的位置与形状,实现精准抓取和装配操作｡

在自动化检测设备方面,选用专业的信号检测仪器和传感器性能测试设备｡信号检测仪器能够对传感器各组件之间的电信号､数字信号等进行精确测量和分析,及时发现信号传输过程中的异常情况｡传感器性能测试设备则可以模拟煤矿井下的各种实际工作环境,对装配完成的传感器进行全面的性能评估,如在高温､高湿､高粉尘等环境条件下测试传感器的测量精度和稳定性,确保其能够在恶劣环境中可靠运行｡

此外,引入先进的生产管理系统,如制造执行系统(MES),对整个自动化装配生产线进行实时监控和管理｡MES系统能够对生产计划､物料配送､设备运行状态､产品质量等信息进行全面采集和分析,实现生产过程的数字化､智能化管理｡通过MES系统,可以及时调整生产计划和装配工艺参数,优化生产线的运行效率,提高产品质量的稳定性和一致性｡

5、预期效果评估

(1)装配质量提升硬连接的高度稳定性与榫卯固定的卓越可靠性相结合,将从根本上减少因连接问题引发的产品故障｡硬连接接插件的精准匹配能够确保信号传输的连续性和准确性,避免了软线连接可能出现的信号中断､干扰等问题｡而榫卯结构的牢固性则能够有效抵御外界环境因素对传感器内部组件的影响,防止由振动､冲击等导致的零部件松动或位移｡这将显著提高传感器的装配质量,大幅降低产品售后维修率,提高用户满意度,增强产品在市场上的竞争力｡

(2)装配效率提高全新的自动化装配流程实施,将极大地缩短装配时间,减少人工干预环节｡机械手臂在硬连接和榫卯装配过程中的高效运作,能够实现装配动作的快速连续执行｡相较于传统人工装配,其效率预计可提升数倍甚至更高｡自动化设备的24h不间断运行能力,进一步提高了生产产能,能够更好地满足市场对矿用传感器日益增长的需求,为企业赢得更大的市场份额｡

(3)减员增效成果实现自动化装配后,企业对人工装配劳动力的依赖将显著降低｡大量原本从事繁琐装配工作的人员可以被调配到其他更具价值创造潜力的岗位,如研发创新､生产管理､质量控制等｡这不仅能够降低企业的人力成本,还能够充分发挥人力资源的优势,促进企业整体运营效率的提升｡通过减人增效,企业的经济效益将显著提高,可为企业的可持续发展奠定坚实的基础｡

6、结语

矿用传感器的自动化装配是煤矿安全监控系统升级改造与智能制造战略深度融合的必然要求｡通过对现有装配方式的系统性剖析,深入挖掘其存在的不足与缺陷,创新性地提出硬连接与榫卯固定的设计思路,并精心规划与之相匹配的自动化装配实现方案,突破了当前矿用传感器自动化装配所面临的技术瓶颈｡这一创新举措将在显著提升装配质量与效率的同时,有效实现减人增效的目标,为矿用传感器制造业的智能化转型升级提供强有力的技术支撑与极具实践价值的参考范例｡

参考文献:

[1]李忠奎,李起伟,黄增波.基于激光气体检测技术的甲烷传感器设计[J].工矿自动化,2024,50(S1):110-114.

[2]刘爱华,侯晓林,李秀勇.产品装配结构技术的实现及应用[J].机械设计,2006(1):16-19.

[3]陈嫒琳,张禄,冯小玮.榫卯结构在产品创新设计中的应用[J].工业设计,2021(1):72-73.

[4]夏振鲁.机械手臂在机械工程技术领域的应用[J].设备管理与维修,2021(20):125-126.

[5]吴斌.基于工业机器人的智能制造生产线设计[J].机床与液压,2020,48(23):55-59

文章来源:李彦鲁.矿用传感器自动化装配的创新设计与实现[J].煤矿机械,2025,46(04):125-128.