Design and analysis of the gripper of the assembly robot of profiled electronic components

王　越，伍昕忠，李本海，榮　鈺

（機(jī)械科學(xué)研究總院，北京 100044）

WANG Yue,　WU Xin-zhong,　LI Ben-hai,　RONG Yu

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異形電子元器件插裝機(jī)器人抓手設(shè)計(jì)與分析

Design and analysis of the gripper of the assembly robot of profiled electronic components

王越，伍昕忠，李本海，榮鈺

（機(jī)械科學(xué)研究總院，北京 100044）

WANG Yue,WU Xin-zhong,LI Ben-hai,RONG Yu

摘要：基于機(jī)器人的自動(dòng)化裝配技術(shù)已成為現(xiàn)代化生產(chǎn)的重要研究方向，對(duì)機(jī)器人末端執(zhí)行器的研究是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配技術(shù)的關(guān)鍵。針對(duì)小型異形電子元器件的自動(dòng)插裝作業(yè)要求，設(shè)計(jì)了一款插裝機(jī)器人的抓手，該抓手集成了CCD機(jī)器視覺系統(tǒng)、光纖傳感器檢測(cè)系統(tǒng)和碰撞緩沖系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了異形電子元器件的可靠抓取、精確定位、元器件針腳碰撞檢測(cè)、插裝到位檢測(cè)等功能。在分析抓手功能的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了總體方案及抓手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并應(yīng)用ANSYS分析軟件對(duì)抓手末端夾持部分進(jìn)行了力學(xué)分析。試驗(yàn)證明，該抓手具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：異形電子元器件；插裝機(jī)器人；抓手設(shè)計(jì)；力學(xué)分析

0　引言

隨著機(jī)器人技術(shù)的成熟，帶動(dòng)了自動(dòng)化裝配技術(shù)的快速發(fā)展?，F(xiàn)在主要依靠手工插裝的異形電子元器件，也希望由六關(guān)節(jié)機(jī)器人自動(dòng)將其插裝在電路板上。

由于異型電子元器件種類較多，外形尺寸和管腳數(shù)量變化較大，所以抓手設(shè)計(jì)要綜合考慮其通用性，僅變抓手末端夾片的樣式和尺寸。

電路板上的插裝孔比針腳直徑大0.4mm左右，所以需要在插裝時(shí)精確定位。

插裝過程中要檢測(cè)針腳是否插入到位，所以需要碰撞檢測(cè)和碰撞緩沖系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)小型異形電子元器件往電路板上的自動(dòng)插裝作業(yè)功能，同時(shí)提高自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率，減輕生產(chǎn)者的勞動(dòng)強(qiáng)度，本文對(duì)插裝機(jī)器人的抓手進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。

1　總體方案設(shè)計(jì)

抓手總體結(jié)構(gòu)方案如圖1所示，通過法蘭盤安裝在六關(guān)節(jié)機(jī)器人的末端，抓手可以先后抓取四個(gè)異形電子元器件。主要由夾爪支撐架、CCD機(jī)器視覺系統(tǒng)、LED光源和四套夾爪組成，其中四套夾爪除夾片不同外，采用相同的結(jié)構(gòu)，具有互換性。

CCD機(jī)器視覺系統(tǒng)安裝在夾爪支撐架內(nèi)部，LED光源安裝在夾爪支撐架底部，共同完成電路板上定位孔的檢測(cè)，以精確定位抓手。需要說明的是，異形電子元器件的針腳位置和姿態(tài)檢測(cè)是由另外套CCD機(jī)器視覺系統(tǒng)完成。

夾爪支撐架下部為錐形，四套夾爪均勻分布在圓錐切面上，每套夾爪均由滑臺(tái)、上擋板、下?lián)醢?、連接板、氣爪、左右夾片、拉簧和光纖傳感器組成。其中，連接板、氣爪、夾片通過螺釘連接在起，在拉簧的作用下緊貼在下?lián)醢迳?，?dāng)電子元器件的針腳未能準(zhǔn)確插入孔中時(shí)，上述組件沿滑臺(tái)上移，觸發(fā)光纖傳感器發(fā)訊，實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)。

氣爪的開合實(shí)現(xiàn)電子元器件的夾取與釋放，根據(jù)電子元器件的形狀不同，在氣爪上安裝相應(yīng)的夾片，就可以實(shí)現(xiàn)快換。在夾片上設(shè)計(jì)凸臺(tái)，起到定位元件的作用。

圖1　抓手總體結(jié)構(gòu)方案

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在對(duì)總體方案進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)該抓手進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文重點(diǎn)介紹夾爪支撐架和夾片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1夾爪支撐架

夾爪支撐架是抓手的主體部分，CCD機(jī)器視覺系統(tǒng)、LED光源和四套夾爪等組件都連接其上。

如圖2所示，夾爪支撐架采用殼體結(jié)構(gòu)，材料為鋁合金，殼體厚度為5mm。相機(jī)外形近似為個(gè)30×30×55的立方體，可以完全容納在支撐架下端錐體內(nèi)。支撐架上端留方形孔，以方便相機(jī)引線與控制設(shè)備的連接。

夾爪支撐架的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是下部錐度設(shè)計(jì)，錐度應(yīng)盡可能小，以減小抓手外形尺寸。但是在實(shí)際應(yīng)用中要考慮電路板上已經(jīng)插裝的電子元件的高度，當(dāng)個(gè)夾爪插裝元件時(shí)，應(yīng)保證其左右兩側(cè)的夾爪夾持元件后與電路板上元件不會(huì)發(fā)生干涉。

本文根據(jù)實(shí)際插裝的需求，經(jīng)過計(jì)算，將錐體角度設(shè)為30°。

圖2　夾爪支撐架零件圖

2.2夾片

夾片是抓手的主要受力部分，也是保證插裝精度的重要環(huán)節(jié)。如圖3所示，為某電子元器件的夾片零件圖。夾片采用整體式結(jié)構(gòu)，材料為鋁合金。此種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是加工簡(jiǎn)單，安裝方便，適應(yīng)元件的多樣性。但由于夾持面與安裝面之間距離較大，會(huì)產(chǎn)生較大彎矩，使夾片產(chǎn)生彎曲變形，所以設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)對(duì)夾片進(jìn)行受力分析與變形分析。

夾片夾持端的厚度受電路板上的元件間距的限制。在插裝時(shí)，電路板上已有插裝好的元件，為了避免碰撞，夾片夾持端厚度越薄越好，但厚度越薄越容易發(fā)生變形，所以通過計(jì)算，選用3mm厚度，同時(shí)背端倒70度倒角，進(jìn)步減小末端厚度。

通過計(jì)算，安裝面連接處應(yīng)力最大，選用3mm厚度。

由于需要對(duì)元件豎直方向進(jìn)行定位，夾片的夾持面和安裝面沒有設(shè)計(jì)成個(gè)平面內(nèi)，而是形成個(gè)凸臺(tái)，這樣就可以確保元件插入端處于個(gè)水平面上，保證機(jī)器視覺檢測(cè)的質(zhì)量和精度，以及插裝平面的安全距離。

圖3　夾片零件圖

3　抓手夾持末端力學(xué)分析

3.1材料設(shè)定

首先對(duì)模型材料進(jìn)行設(shè)定，該夾片采用6061鋁合金材料進(jìn)行加工生產(chǎn)，如表1所示，為該鋁合金材料的參數(shù)。

表1　鋁合金材料參數(shù)

3.2限位和施加載荷

圖5為ANSYS力學(xué)分析的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖，夾片在A面通過螺釘連接在氣爪上，6自由度完全定位，在C面上施加平均載荷2.6×105Pa。

圖4　氣爪夾持力圖

3.3結(jié)果分析

圖5　靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖

圖6　等效應(yīng)力圖

圖7　等效應(yīng)變圖

經(jīng)過ANSYS模擬受力分析，得到圖6所示等效應(yīng)力圖和圖7所示等效應(yīng)變圖。從圖6和圖7中可知，Max處為整個(gè)零件受力最大的部位和應(yīng)變最大處，最大應(yīng)力值為σmax=2.6459×107Pa，小于表1中所示的鋁合金的拉伸屈服強(qiáng)度和壓縮屈服強(qiáng)度2.8×108Pa，且安全系數(shù)達(dá)到10.5；最大應(yīng)變值為εmax=3.7549×10-4m，在精度許可范圍內(nèi)；彈性模量為7.1×1010Pa。Max處應(yīng)力與應(yīng)變的比值為：

符合廣義胡克定律，應(yīng)力與應(yīng)變之間是線性關(guān)系，所以材料處于彈性變形階段，不會(huì)產(chǎn)生塑性變形或斷裂破壞。

4　插裝功能的實(shí)現(xiàn)

如圖8所示，將抓手安裝在機(jī)器人上，設(shè)置坐標(biāo)系來實(shí)現(xiàn)各點(diǎn)坐標(biāo)的統(tǒng)。將兩夾片末端中心定義為抓手的執(zhí)行點(diǎn)，測(cè)量各抓手執(zhí)行點(diǎn)相對(duì)于抓手與機(jī)器人連接點(diǎn)的距離和角度，通過機(jī)器人控制器的定義工具功能來設(shè)置抓手執(zhí)行點(diǎn)。然后設(shè)置坐標(biāo)系原點(diǎn)，原點(diǎn)可以設(shè)置為機(jī)器人回零點(diǎn)，也可以設(shè)置為工作平面上方的任意點(diǎn)。再分別設(shè)置生產(chǎn)過程中的取料點(diǎn)和插裝點(diǎn)的坐標(biāo)值，其中取料點(diǎn)坐標(biāo)為固定值，來料由喂料器連續(xù)提供，插裝點(diǎn)坐標(biāo)由抓手內(nèi)部相機(jī)識(shí)別獲得，再由機(jī)器人試教糾偏，將所得坐標(biāo)值存入計(jì)算機(jī)，供程序調(diào)用。

抓手的工作流程為：1）回原點(diǎn)，避免抓手到取料點(diǎn)的路徑上與工作平面上的元件相撞。2）取料，四個(gè)

【】【】

夾爪分別到各自的取料位取料，考慮到繞線的問題，先用對(duì)稱方向夾爪取料，再旋轉(zhuǎn)換夾爪，保證個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)不超過180°。3）插裝，抓手先快速到達(dá)插裝點(diǎn)上方定距離，再用低速將元件插在電路板上，然后移動(dòng)回插裝點(diǎn)上方，再快速到達(dá)下個(gè)插裝點(diǎn)。四個(gè)點(diǎn)都插裝好后回到原點(diǎn)。

圖8　現(xiàn)場(chǎng)照片

5　結(jié)論

隨著自動(dòng)化裝配在電子領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，與之相配套的末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)需求將越來越迫切。本文給出了插裝機(jī)器人抓手的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，根據(jù)工程實(shí)際需求，對(duì)夾爪支撐架和夾片進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)抓手的受力部分進(jìn)行了強(qiáng)度分析，保證在實(shí)際生產(chǎn)中的可靠性。最后，給出了抓手在插裝生產(chǎn)中的功能實(shí)現(xiàn)，證明了該抓手設(shè)計(jì)方案的可行性。

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作者簡(jiǎn)介：王越（1990 -），女，黑龍江齊齊哈爾人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。

收稿日期：2015-11-12

中圖分類號(hào)：TH122；TP241.2獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1009-0134(2016)03-0086-03