多工位彈性體自動(dòng)貼片裝置設(shè)計(jì)

胡 鵬，秦現(xiàn)生，劉建平，張 杰

HU Peng，QIN Xian-sheng，LIU Jian-ping，ZHANG Jie

（西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安 710072）

0 引言

電阻應(yīng)變式傳感器是稱重設(shè)備生產(chǎn)行業(yè)中常用的敏感元件，它的工作原理是當(dāng)稱重設(shè)備受到外力時(shí)，其敏感外力變化的彈性體隨之發(fā)生變形，粘貼在彈性體應(yīng)力變形區(qū)域上的應(yīng)變片電阻值隨之發(fā)生變化，通過測(cè)量轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)外力的測(cè)量，并顯示輸出。傳感器是稱重設(shè)備的核心部件，其應(yīng)變片的粘貼效果對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。彈性體與應(yīng)變片如圖1所示。

圖1 彈性體與應(yīng)變片

目前，國內(nèi)電阻應(yīng)變式傳感器制造領(lǐng)域中多采用手工貼片的方法，存在貼片精度低、一致性差、工作效率低等不足。為滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)中電阻應(yīng)變式傳感器的大批量、高精度、自動(dòng)加工的要求，本文設(shè)計(jì)了一種彈性體自動(dòng)貼片專用設(shè)備，它采用多工位流水線結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)彈性體和應(yīng)變片的自動(dòng)送料、彈性體表面自動(dòng)涂膠和應(yīng)變片的自動(dòng)抓取、檢測(cè)及粘貼工作。該設(shè)備將有效彌補(bǔ)手工操作的缺陷和不足，減少人力成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和工作效率。

本文將從設(shè)備工作工藝流程、設(shè)備總體結(jié)構(gòu)、視覺檢測(cè)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等四個(gè)方面介紹該設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)、功能實(shí)現(xiàn)和技術(shù)特點(diǎn)。

1 工藝流程

自動(dòng)貼片專用設(shè)備為多工位流水線生產(chǎn)系統(tǒng)，主體包括送料機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分。送料機(jī)構(gòu)分為應(yīng)變片送料和彈性體送料兩路獨(dú)立的傳送帶送料機(jī)構(gòu)，應(yīng)變片送料機(jī)構(gòu)有一個(gè)工位，即貼片工位；彈性體送料機(jī)構(gòu)包含兩個(gè)工位，分別為涂膠工位和貼片工位。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由涂膠機(jī)構(gòu)和貼片機(jī)構(gòu)組成，其運(yùn)動(dòng)也是相互獨(dú)立的。應(yīng)變片粘貼的工藝流程如圖2所示。

圖2 設(shè)備運(yùn)行工藝流程

1）彈性體和應(yīng)變片上料，送料機(jī)構(gòu)分別將彈性體和應(yīng)變片送至涂膠工位和貼片工位。

2）利用涂膠器視覺系統(tǒng)采集彈性體的位置狀態(tài)，計(jì)算出涂膠器的調(diào)整參數(shù)，以此確定涂膠器的運(yùn)動(dòng)軌跡，并進(jìn)行涂膠，完成后送料機(jī)構(gòu)將彈性體送至貼片工位。

3）利用抓取器視覺系統(tǒng)采集應(yīng)變片的位置狀態(tài)，計(jì)算出抓取器的運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)現(xiàn)應(yīng)變片的可靠抓取。

4）利用應(yīng)變片視覺檢測(cè)系統(tǒng)采集抓取器上應(yīng)變片的圖像信息。對(duì)應(yīng)變片進(jìn)行規(guī)格和質(zhì)量檢測(cè)，若檢測(cè)不合格，則將該片棄用，重新進(jìn)行抓取和檢測(cè)；若檢測(cè)合格，則進(jìn)行第5步。

5）根據(jù)抓取器上應(yīng)變片的位置狀態(tài)和貼片工位上彈性體的位置狀態(tài)，計(jì)算出抓取器的位置調(diào)整參數(shù)，以此確定其運(yùn)動(dòng)軌跡，將應(yīng)變片精確粘貼在彈性體表面。

6）貼片完成后的產(chǎn)品由送料機(jī)構(gòu)送至收料盒。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)實(shí)際需求，該自動(dòng)貼片專用設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)自動(dòng)進(jìn)行不同型號(hào)應(yīng)變片的吸取和檢測(cè)；

2)將檢測(cè)合格的應(yīng)變片準(zhǔn)確粘貼至彈性體表面，粘貼位置精度優(yōu)于0.1mm；

3)每一個(gè)彈性體粘貼周期小于10秒。

2.2 系統(tǒng)概述

彈性體自動(dòng)貼片專用設(shè)備由應(yīng)變片送料機(jī)構(gòu)、彈性體送料機(jī)構(gòu)、涂膠機(jī)構(gòu)、貼片機(jī)構(gòu)、床身和控制系統(tǒng)組成，設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 設(shè)備總體結(jié)構(gòu)示意圖

應(yīng)變片送料機(jī)構(gòu)、彈性體送料機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變片和彈性體的物料傳送功能。涂膠機(jī)構(gòu)和貼片機(jī)構(gòu)均使用精密滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其中還包括可同時(shí)完成直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的絲杠花鍵運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，各運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，完成空間X軸、Y軸、Z軸直線運(yùn)動(dòng)和C軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖4所示。

圖4 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)示意圖

涂膠機(jī)構(gòu)由視覺檢測(cè)系統(tǒng)、位置調(diào)整系統(tǒng)和點(diǎn)膠器組成，可實(shí)現(xiàn)彈性體位置檢測(cè)以及柔性點(diǎn)膠器涂膠姿態(tài)調(diào)節(jié)功能；貼片機(jī)構(gòu)由視覺檢測(cè)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和柔性抓取器組成，可實(shí)現(xiàn)彈性體位置檢測(cè)、應(yīng)變片質(zhì)量檢測(cè)、抓取器姿態(tài)調(diào)節(jié)和貼片等功能。控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)對(duì)象的視覺識(shí)別處理和自動(dòng)貼片過程的控制。

運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)選用日本THK公司的精密滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)副，包括SNR45R1SS1370型直線導(dǎo)軌、SNR45LR型滑塊等。伺服電機(jī)選用松下MINAS A5系列50W～400W等多型電機(jī)。

2.3 貼片機(jī)構(gòu)

貼片機(jī)構(gòu)安裝于X軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，由Y2軸、Z2軸、C2軸、柔性抓取器和視覺檢測(cè)系統(tǒng)等組成，其中Z2軸和C2軸為絲杠花鍵運(yùn)動(dòng)副，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖5所示。貼片機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過視覺系統(tǒng)的位置檢測(cè)，將位控信息反饋至控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變片的抓取、檢測(cè)和粘貼操作。

圖5 貼片機(jī)構(gòu)示意圖

為了滿足應(yīng)變片吸取和粘貼的工藝操作要求，柔性抓取器由夾緊頭、緩沖器、真空腔和吸嘴四部分組成，如圖6所示。

圖6 柔性抓取器組成示意圖

夾緊頭用來實(shí)現(xiàn)吸頭部分和Z2軸的連接；緩沖器由直線軸承副和彈簧組成，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變片粘貼時(shí)沖擊力的緩沖功能；真空腔的一端與緩沖器連接并密封，另一端用于安裝吸嘴，其外壁有氣動(dòng)接頭安裝螺紋；吸嘴由采用多孔吸附設(shè)計(jì)的硬質(zhì)塑料制成，以保證吸取應(yīng)變片時(shí)的平穩(wěn)性，吸嘴通過壓盤與真空腔緊密連接，連接處使用密封圈密封。

2.4 送料機(jī)構(gòu)

送料機(jī)構(gòu)由應(yīng)變片送料傳送帶、彈性體送料傳送帶、傳動(dòng)滾子、位置傳感器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和收料盒等組成，如圖7所示。在控制系統(tǒng)的程序指令下，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變片和彈性體的傳送和定位功能。

圖7 送料機(jī)構(gòu)示意圖

3 應(yīng)變片視覺檢測(cè)系統(tǒng)

該設(shè)備的應(yīng)變片視覺檢測(cè)系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)應(yīng)變片質(zhì)量檢驗(yàn)和位置檢測(cè)兩個(gè)功能。質(zhì)量檢驗(yàn)是通過識(shí)別應(yīng)變片表面的特征信息，判斷應(yīng)變片型號(hào)是否正確以及是否損壞。當(dāng)檢驗(yàn)合格時(shí)，根據(jù)應(yīng)變片表面三角形的幾何位置信息，計(jì)算其相對(duì)坐標(biāo)位置，并與標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行比對(duì)，得到目標(biāo)物的實(shí)際位置偏移量，反饋至控制系統(tǒng)，作為粘貼補(bǔ)償參數(shù)。如圖8所示。該光視檢測(cè)系統(tǒng)選用美國COGNEX公司In-Sight micro 1403型工業(yè)相機(jī)及In-Sight Explorer 4.5.0圖像處理軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)變片的高效檢驗(yàn)及高精度位置檢測(cè)。

圖8 應(yīng)變片圖像獲取及特征識(shí)別

4 機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

機(jī)床控制系統(tǒng)采用“PC+運(yùn)動(dòng)控制卡+進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)器”的開放式控制架構(gòu)體系，采用模塊化設(shè)計(jì)，即系統(tǒng)由HMI單元、主控單元、運(yùn)動(dòng)控制單元、伺服驅(qū)動(dòng)單元以及過程控制單元等組成，如圖9所示。

圖9 控制系統(tǒng)框圖

HMI單元由人機(jī)界面和人機(jī)接口單元等組成，主要完成非實(shí)時(shí)任務(wù)，如程序和參數(shù)輸入輸出、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示和數(shù)據(jù)管理等人機(jī)接口。

主控單元主要由工控機(jī)組成，為HMI單元運(yùn)行提供支撐環(huán)境，并為數(shù)據(jù)采集及運(yùn)動(dòng)控制算法提供平臺(tái)支撐。

運(yùn)動(dòng)控制單元選用開放式控制器，主要由UMAC控制器、運(yùn)動(dòng)控制卡和I/O模塊組成。運(yùn)動(dòng)控制單元是多軸運(yùn)動(dòng)的核心，完成涂膠機(jī)構(gòu)、貼片機(jī)構(gòu)和送料機(jī)構(gòu)中多軸之間的實(shí)時(shí)控制任務(wù)，并負(fù)責(zé)各單軸的伺服位置控制。

伺服驅(qū)動(dòng)單元主要由單軸驅(qū)動(dòng)器+驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，具體實(shí)現(xiàn)涂膠機(jī)構(gòu)、貼片機(jī)構(gòu)和送料機(jī)構(gòu)中各單軸的伺服控制，包括速度和加速度控制、位置控制等?？紤]到涂膠和貼片調(diào)整精度要求，X1、Y1、C1、X2、Y2和C2軸采用伺服電機(jī)控制+光柵尺反饋形成全閉環(huán)位置控制；Z1、Z2運(yùn)動(dòng)采用伺服電機(jī)控制+碼盤反饋形成半閉環(huán)位置控制；送料傳送帶機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制。

過程控制單元以UMAC控制器內(nèi)置PLC為控制核心，通過輸入輸出信號(hào)模塊實(shí)現(xiàn)控制器與外部器件的I/O邏輯控制，如位置傳感器信號(hào)的采集、各種閥的控制、真空度的控制、光源閃光的控制以及CCD圖像采集觸發(fā)信號(hào)的控制等，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)貼片的過程控制和機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

4.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件的功能包括操作權(quán)限設(shè)定、數(shù)據(jù)庫管理、人機(jī)信息交互、視覺檢測(cè)系統(tǒng)信息處理、自動(dòng)貼片運(yùn)動(dòng)與過程控制、機(jī)床狀態(tài)檢測(cè)等。

本設(shè)備上位軟件運(yùn)行于工控機(jī)上?？刂葡到y(tǒng)軟件設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖10 上位軟件開發(fā)框圖

軟件平臺(tái)以Delta Tau提供的Pcomm32動(dòng)態(tài)鏈接庫作為HMI開發(fā)的支持軟件包。通過Visual C++高級(jí)語言編程，基于UMAC控制器應(yīng)用軟件開發(fā)工具Pcomm32實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制與過程控制；基于視覺檢測(cè)系統(tǒng)和圖像處理算法，對(duì)圖像采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波降噪、圖像定位及圖像位姿檢測(cè)，確定涂膠與貼片機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和過程控制的目標(biāo)，進(jìn)一步規(guī)劃運(yùn)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)貼片。

5 結(jié)束語

該自動(dòng)貼片專用設(shè)備實(shí)現(xiàn)了彈性體多工位流水線自動(dòng)粘貼應(yīng)變片的功能，有效彌補(bǔ)了長期以來電阻應(yīng)變式傳感器生產(chǎn)領(lǐng)域中，手工貼片存在的貼片精度低、一致性差和工作效率不高的不足。通過理論分析、設(shè)計(jì)計(jì)算和部分試驗(yàn)驗(yàn)證，表明該設(shè)備能夠滿足設(shè)計(jì)要求，在生產(chǎn)過程中，能夠有效提高貼片精度和一致性，同時(shí)將極大的提高生產(chǎn)效率，降低廢品率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，具有一定的工業(yè)推廣價(jià)值。

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