穆如旺+洪利

摘要：針對拾振傳感器在傳統(tǒng)生產裝配過程中存在的問題，采用有限元仿真對其關鍵部位的裝配應力進行了分析，并結合工業(yè)機器人在其他領域中的應用，搭建了一套可實現(xiàn)拾振傳感器定位、視覺和力覺檢測的裝配系統(tǒng)，詳細介紹了該系統(tǒng)的結構與組成，建立了裝配應力模型，并對SCARA機器人的裝配應力進行分析，表明所提方法的有效性和可行性。

關鍵詞：拾振傳感器；機器人；裝配

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）10-0093-03

一、引言

地震觀測研究作為當前地球物理行業(yè)的重要研究課題，越來越受到人們的關注。拾振傳感器作為地震儀器的關鍵部位，其性能指標直接影響著地震數(shù)據(jù)獲取的質量，為了進一步提高地震觀測研究水平、推動地球科學技術不斷發(fā)展，決定了地震儀器將會向著低成本、小體積、低功耗和高一致性方向發(fā)展[1]。

隨著微小型器件的特征尺寸不斷減小，結構日益復雜，人們對它的制造和裝配環(huán)節(jié)提出了更高的要求[2]。近年來，雖然國內外針對微小型器件自動裝配技術進行了研究，并取得了一定的成績，但絕大多數(shù)的微小型器件依舊采用傳統(tǒng)的手工裝配方法，并不能滿足微小型產品的一致性要求[3]。先進的微小型器件裝配技術的興起，對于提高微小型產品的制造質量、縮短生產周期、降低產品成本方面具有重要的意義[4]。國內外在微裝配方面的研究表明，采用工業(yè)機器人對微小器件進行裝配是目前微裝配技術的發(fā)展趨勢，從而大大提高了微小型器件裝配的精度及自動化程度[5]。

本文對拾振傳感器自動化進行了研究，搭建了一套可實現(xiàn)視覺定位和力覺控制的自動化裝配系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了拾振傳感器自動定位及精密裝配，滿足了裝配的位置和形位等方面精度的要求，產品的一致性和裝配作業(yè)效率得到了大幅度的提高。

二、裝配系統(tǒng)結構與組成

拾振傳感器裝配的主要過程如圖1所示，包括機械擺、頂蓋、磁鋼、導磁碗、支架與底座之間的對準和裝配對接。為了保證所有裝配件能順利對接，不對裝配件本身產生影響，保證裝配件的定位，這要求在裝配的過程中應使用恒定大小的力，從而保證拾振傳感器的一致性。

針對拾振傳感器的裝配要求，該裝配系統(tǒng)采用了精密定位處理—視覺監(jiān)視—力覺檢測—計算機控制的方案。其裝配系統(tǒng)包括定位單元、監(jiān)視單元和吸附夾持單元；定位單元由2個精密定位平臺組成，監(jiān)視單元由視覺檢測和力覺檢測組成，吸附夾持單元由各裝配件的夾持器和吸附裝置成，各個單元相互關系如圖2所示。

待裝配件由夾持單元夾持，通過定位單元進行定位，再由視覺檢測單元對其定位精確度進行檢測，保證各裝配件的孔在同一條直線上；在進行對接時，由力覺傳感單元對裝配力進行控制，控制各裝配件之間對接過程的受力，從而確保順利完成裝配任務。

三、裝配應力有限元分析

根據(jù)影響拾振傳感器一致性好壞的決定因素，本文選取了拾振傳感器的機械擺部分進行有限元分析，主要采用有限元分析軟件ANSYS建立有限元模型，對在施加不同裝配應力條件下的加工變形進行計算。

所建立有限元模型為靜力學分析，采用負載條件下加載裝配應力[6]，模擬裝配加工全過程，分析輸出為預測零件變形受力分析圖，有限元模型裝配應力分析如圖3所示。

借助有限元軟件的仿真分析，驗證并確定了如何選取一個適當?shù)难b配應力，為后期自動化裝配環(huán)節(jié)，機器人裝配應力的選取，提供了有力的理論依據(jù)，同時，對于拾振傳感器其他部件的裝配同樣適用。無論是裝配位置、裝配順序和裝配應力選取都對拾振傳感器生產的一致性精度有重要的影響[7]。

四、自動化裝配各環(huán)節(jié)步驟

由上面的ANSYS有限元軟件仿真可知，拾振傳感器在裝配過程中裝配力的大小對其性能影響比較大。機器人是一個復雜的動力學系統(tǒng)，機器人系統(tǒng)在負荷以及關節(jié)力的作用下會達到一個靜力平衡[8]。機器人作業(yè)時會與所處的環(huán)境之間產生相互作用的力和力矩，驅動裝置會提供關節(jié)力和力矩，通過連桿傳送到末端的執(zhí)行器上來克服外界的作用力或力矩，本系統(tǒng)采用SCARA機器人，如圖4所示。

基于SCARA機器人的雅可比矩陣可以推算出此時機器人對外界環(huán)境的裝配力和力矩。裝配過程可以對裝配應力F進行監(jiān)測，同時判斷裝配所處的階段。

在靜態(tài)平衡的狀態(tài)下，SCARA機器人手部端點力F和廣義關節(jié)力矩矢量τ之間存在著線性映射關系，即：τ=JTF

SCARA機器人力雅可比矩陣JT是速度雅可比矩陣J的轉置矩陣，這樣在已知關節(jié)力矩矢量τ和SCARA機器人速度的雅可比矩陣，即可確定機器人手部對外界的作用力F，可得：F=（JT）-1τ

設裝配所允許的最大裝配力為Fmax，允許的最小裝配力為Fmin，其值根據(jù)拾振傳感器裝配的仿真結果來確定，所以拾振傳感器裝配控制方法可歸結為以下步驟：（1）準備階段。將所有裝配件通過傳送帶傳送到工作臺上，并對其做初步的對準，該過程由視覺控制和位置控制實現(xiàn)。（2）裝配階段。此時，當所有的裝配件均到達指定位置，機器人獲取裝配應力F和裝配件的位置信息，開始進行裝配。（3）檢查階段。判斷此時的裝配應力大小是否在合適的區(qū)間內，如果合適的話，則進行裝配；不合適的話，則通過計算機計算偏差及調整量，調至合適的裝配位置，施加合適的裝配應力。（4）完成裝配。此時應滿足所有裝配體完全在一條直線上，且保持Fmin≤F≤Fmax，即可完成整體的裝配。

五、結語

本文對拾振傳感器自動化裝配系統(tǒng)進行了研究，針對裝配任務要求，設計了基于SCARA機器人的裝配應力控制方法。該裝配系統(tǒng)的實現(xiàn)可以大大提高地震儀器的裝配質量，降低地震儀器裝配過程中對人的依賴性，降低工人的勞動強度，解決因人員勞累而引發(fā)的安全隱患及產品質量一致性較差，等等一系列問題。拾振傳感器的生產屬于傳統(tǒng)制造業(yè)，其裝配流水線的實現(xiàn)有助于提高行業(yè)實力和競爭力，樹立良好的形象，加快推進產業(yè)轉型，從傳統(tǒng)勞動密集型向自動化、智能化方向轉變的步伐。當前，國家對于防震減災事業(yè)越來越重視，地震儀器生產業(yè)發(fā)展迅猛，基于工業(yè)機器人的自動化裝配系統(tǒng)的建立會大大縮短地震儀器的制作周期，提高地震儀器的質量。地震儀器市場的開拓也會引起工業(yè)機器人需求的快速增長，面對如此巨大的市場，我國企業(yè)應該抓住機遇迅速進入市場，以我國重點地震儀器制造項目為依托，加快、加深工業(yè)機器人技術在地震儀器裝配中的應用。

參考文獻：

[1]王肅靜,盧川,游慶瑜,張妍.一種低成本無纜地震儀采集站的研制[J].地球物理學報,2015,(04):1425-1433.

[2]周美蘭,周封,王岳宇.PLC電氣控制與組態(tài)設計[M].北京:科學出版社,2003.

[3]劉立平,王曉東,陳勇,馬天明.微小易損零件的精密裝配及接觸控制[J].儀表技術與傳感器,2013,(01):47-49,55.

[4]鄒宇,榮偉彬,邢濟堯,孫立寧.一種套件精密對接自動裝配實驗系統(tǒng)[J].機器人,2016,(01):115-121.

[5]張娟,徐德,張正濤,羅李焱.基于多路顯微視覺的微零件自動對準策略[J].機器人,2014,(01):69-75.

[6]郭魂,左敦穩(wěn),王樹宏,王焱,王珉.拉伸裝夾對航空框類零件加工變形影響的有限元分析[J].南京航空航天大學學報,2005,(S1):72-76.

[7]張習文,王曉東,羅怡,滕霖,王小斌.跨尺度微小型零件的測量與裝配[J].納米技術與精密工程,2012,(04):342-347.

[8]王婷,朱煜,楊開明.柔性夾緊件的結構設計與有限元分析[J].北京工業(yè)大學學報,2012,(09):1293-1297.

Vibration Picking Sensor Automatic Assembly System

MU Ru-wang,HONG Li

(Open Lab of Disaster Prevention Apparatus,Institute of Disaster Prevention,Langfang,Hebei 065201,China)

Abstract:According to the vibration pickup sensor in the traditional production,and assembly process of existing problems by finite element simulation of the key parts assembly stress are analyzed,combining with the industrial robot in other areas of application,to build an application to pick up vibration sensor positioning,visual and haptic detection assembly system. The structure and composition of the system are introduced in detail,the assembly stress model is established,and the assembly stress of the SCARA robot is analyzed. The effectiveness and feasibility of the proposed method are shown.

Key words:pickup sensor;robot;assembly