印刷電路板抓取機(jī)械手的設(shè)計(jì)

任久帥 王繼榮 蘇明順 牛山

摘要： 針對手工抓取印刷電路板放入吸塑盒存在效率低且容易對PCB造成損害的問題，本文以某印刷電路板公司為研究對象，設(shè)計(jì)了印刷電路板（printed circuit board，PCB）自動(dòng)化生產(chǎn)流水線，對PCB抓取機(jī)器人進(jìn)行了總體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過對幾種機(jī)械手抓取方案的比較，選取柔性夾鉗式機(jī)械手。分析結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手在抓取PCB小板過程中，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，很好地實(shí)現(xiàn)了PCB抓取和裝盒操作。該研究為PCB抓取的研究和開發(fā)提供了理論依據(jù)，具有廣闊的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞： PCB； 機(jī)械手部； 柔性夾鉗式； 裝盒

中圖分類號： TH122；TP241.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

收稿日期： 20170401； 修回日期： 20170904

作者簡介： 任久帥（1992），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD。

通訊作者： 王繼榮，女， 博士，教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD。Email： wangjirong43@163.com印制電路板作為底盤，用來裝載電子元器件，實(shí)現(xiàn)電子元器件的相互連接，傳遞信號[1]。美國馬薩諸塞州州立大學(xué)開發(fā)的、安裝在手臂前端的仿人型機(jī)器人平臺Dexter，安裝了Barrett公司開發(fā)的多指機(jī)械手，該手具有3個(gè)手指，每個(gè)手指有4個(gè)自由度，并在指尖集成了觸覺傳感器[25]。通過頭部集成的立體視覺系統(tǒng)，對操作的物體進(jìn)行定位，利用設(shè)計(jì)的閉環(huán)規(guī)劃控制器靈活地對物體進(jìn)行抓取操作[56]；意大利推出的仿人機(jī)械手——SmartHand手，通過腱驅(qū)動(dòng)的工作原理，該機(jī)械手具有16個(gè)自由度，其中四個(gè)手指具有3個(gè)自由度，而拇指有4個(gè)自由度[68]。這個(gè)手采用Hirose欠驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)是由滑輪、鋼鍵和鋼纜組成，并且能夠驅(qū)動(dòng)各個(gè)指節(jié)的運(yùn)動(dòng)，該手指的運(yùn)動(dòng)軌跡是由扭曲剛度、滑輪半徑和預(yù)載荷來確定的，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)捏取，精準(zhǔn)力量抓取以及指尖動(dòng)作等[912]；德國SCHUNK公司Lightweight設(shè)計(jì)的Arm LWA3機(jī)械手[1315]，可以承受的最大載重為05 kg，機(jī)械手臂本體重4 Kg，具有6個(gè)自由度，其定位精度為≤01 mm。它采用的處理器為PowerPC，可以兼容多個(gè)外設(shè)，且具有嵌入式的Linux內(nèi)核，因此該機(jī)械手通用性很強(qiáng)，而且能夠跟其他設(shè)備集成，比普通的機(jī)械手具有更高的可操作空間[16]；北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所開發(fā)了BUAA機(jī)械手，每個(gè)機(jī)械手都有四個(gè)自由度，而且結(jié)構(gòu)相同，通過直流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，通過齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)，該機(jī)械手模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠完成不同的動(dòng)作[1720]?；诖?，本文設(shè)計(jì)了PCB自動(dòng)化生產(chǎn)流水線，對PCB抓取機(jī)器人進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過對幾種機(jī)械手抓取方案的比較，選取柔性夾鉗式機(jī)械手。該機(jī)械手在抓取PCB小板過程中，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，能很好地實(shí)現(xiàn)PCB抓取和裝盒操作。該研究實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模機(jī)械流水線作業(yè)，提高了生產(chǎn)效率。

1PCB抓取機(jī)器人

1.1整體機(jī)構(gòu)工作原理

1）定位模具。在導(dǎo)軌上定位緊固已經(jīng)攜帶分好的PCB小板，此時(shí)機(jī)器人腰部旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)到定位模具上方。

2）機(jī)器人手臂完成水平方向的旋轉(zhuǎn)，并通過放置的驅(qū)動(dòng)氣缸來完成機(jī)械手爪的豎直運(yùn)動(dòng)。

3）視覺定位系統(tǒng)識別PCB小板的信息狀況，定位PCB小板的位置，并將PCB小板的信息狀況傳遞給控制系統(tǒng)，從而控制機(jī)械手完成下一步指令。

4）機(jī)械手接收到抓取命令后，夾持氣缸張開，推動(dòng)齒輪齒條工作，使手爪部分張開到與PCB板相對應(yīng)的位置。機(jī)械手靠末端執(zhí)行器的4個(gè)小爪夾持器夾緊PCB，完成抓取動(dòng)作。

5）手臂上升，上升到位后旋轉(zhuǎn)90°，機(jī)械手爪移動(dòng)到吸塑盒上方。

6）機(jī)器人手臂完成水平方向的旋轉(zhuǎn)，并通過放置的驅(qū)動(dòng)氣缸來完成機(jī)械手的豎直運(yùn)動(dòng)。

7）夾持氣缸復(fù)位，機(jī)械手松開，將PCB小板放入吸塑盒中。

8）手臂上升，上升到位后旋轉(zhuǎn)90°，恢復(fù)到初始位置，至此完成一個(gè)工作周期。

1.2機(jī)械手參數(shù)

本次設(shè)計(jì)所需抓取的PCB質(zhì)量較輕，約為50 g，因此考慮采用氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)需要壓縮的空氣，粘性小、流速大，所以機(jī)械手的動(dòng)作較快。機(jī)械手的主要參數(shù)是機(jī)械手的動(dòng)作速度、行程等。本設(shè)計(jì)中機(jī)械手的操作節(jié)拍對機(jī)械手的速度要求較高，如果機(jī)械手的速度過低會(huì)影響抓取速度，進(jìn)而影響到整個(gè)流水線的工作效率。決定機(jī)械手工作速度的主要因素是手臂的升降速度、機(jī)械手腕的抓取和夾緊速度以及機(jī)械手回轉(zhuǎn)速度。經(jīng)分析計(jì)算，設(shè)定機(jī)械手臂平均升降速度為150 mm/s，手腕的平均速度為48 mm/s，平均回轉(zhuǎn)速度為90°/s，壓緊機(jī)構(gòu)的平均速度為25 mm/s。除了對機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)速度做設(shè)計(jì)估算以外，還對機(jī)械手臂的工作半徑做了現(xiàn)場測量。所設(shè)計(jì)的機(jī)械手工作半徑為1 000 mm，大致相當(dāng)于工人坐著手臂可達(dá)到的最大半徑。

1）設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)。坐標(biāo)形式為圓柱坐標(biāo)，最大工作半徑為1 000 mm；手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)：升降行程為150 mm，升降速度為150 mm/s；手部運(yùn)動(dòng)參數(shù)：夾緊行程為20 mm，夾緊速度為18 mm/s；回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)：回轉(zhuǎn)范圍為0°～180°，回轉(zhuǎn)速度為36°/s；壓緊運(yùn)動(dòng)參數(shù)：壓緊行程為30 mm，壓緊速度為15 mm/s。

2）主要工作參數(shù)。PCB小板如圖1所示。分板前拼板面積為234 mm×149 mm；分板后，單板面積為65 mm×45 mm；模塊整體高度為24 mm。PCB板裝載吸塑盒，吸塑盒材質(zhì)為防靜電PVC，PCB吸塑盒如圖2所示。整版體積為381 mm×270 mm×315 mm；小格排列方式為5×5；小格體積為682 mm×486 mm×315 mm。PCB小板抓取機(jī)械手模型示意圖如圖3所示。

為實(shí)現(xiàn)上述功能，通過對多種抓取機(jī)器手進(jìn)行分析比較。真空吸附式機(jī)械手可以對PCB實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位操作，誤差較小，且速度也相對較快，但是本次抓取的PCB小板表面有小零件，凹凸不平，因此吸取難度較大；仿人機(jī)械手結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，仿人性好，功能豐富，易實(shí)現(xiàn)PCB小板的抓取，但是機(jī)械手需要完成的動(dòng)作較為簡單，仿人機(jī)械手設(shè)計(jì)成本相對較高，而且定位精度不高，很難精準(zhǔn)抓取到PCB板；夾鉗式機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)PCB的抓取，且穩(wěn)定性較好，設(shè)計(jì)成本相對較低，也不會(huì)對PCB產(chǎn)生損壞，因此本設(shè)計(jì)選取具有軟抓取功能的夾鉗式機(jī)械手。

3柔性夾鉗式機(jī)械手的設(shè)計(jì)

機(jī)械手爪部分也被稱作末端操作器，由手指、傳力結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置等組成，是與所抓取工件相接觸的部件。機(jī)械手爪需要完成夾持PCB小板的動(dòng)作，并按照指定運(yùn)動(dòng)軌跡將PCB放到吸塑盒中，由于PCB表面零件較多，本設(shè)計(jì)的機(jī)械手爪為柔性夾鉗式。

1）選擇運(yùn)動(dòng)方式。抓取PCB的運(yùn)動(dòng)軌跡為循環(huán)往復(fù)半徑式運(yùn)動(dòng)，因此機(jī)械手運(yùn)動(dòng)方式采用回旋型運(yùn)動(dòng)。

2）機(jī)械手手指和手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)械手手指部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是由PCB表面的形狀、質(zhì)量、外觀及尺寸決定。被抓部位設(shè)定為PCB四角的4個(gè)小孔，考慮PCB小板的材質(zhì)及小板結(jié)構(gòu)的特殊性（表面凹凸不平，且為容易損壞的電子零件），把手部設(shè)計(jì)為柔性的內(nèi)撐式夾鉗機(jī)械手。為了準(zhǔn)確定位PCB小板，使PCB與手爪部分保持正確的相對位置，手爪內(nèi)撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為與PCB相對的兩根小圓柱插入式手爪，抓取時(shí)通過夾緊氣缸的動(dòng)作來控制手部張合，實(shí)現(xiàn)PCB小板的抓取。在手爪根部添加驅(qū)動(dòng)氣缸，實(shí)現(xiàn)手爪的運(yùn)動(dòng)。進(jìn)行抓取時(shí)，氣缸工作，推動(dòng)齒輪齒條工作，使手爪部分張開到與PCB板相對應(yīng)的位置。

3）機(jī)械手夾持力的設(shè)計(jì)。機(jī)械手靠末端執(zhí)行器的4個(gè)小爪夾持器夾緊PCB小板，然后通過機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，將PCB移動(dòng)到吸塑盒中。由于PCB小板質(zhì)量較輕，所以對機(jī)械手夾持力的要求并不高，只要保證PCB在抓取過程中不會(huì)掉落松動(dòng)即可。手指夾緊力如果過大的話有可能對PCB造成損壞或造成PCB上邊細(xì)小的零部件松動(dòng)，影響PCB后續(xù)的使用。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)PCB的軟抓取功能，在兩個(gè)手爪之間分別添加小型彈簧，可以實(shí)現(xiàn)PCB小板的柔性抓取。經(jīng)分析估算，機(jī)械手抓取的夾持力約為15～20 N，可保證PCB在盡可能在變形小的情況下抓起。

4機(jī)械手爪銷子的有限元分析

首先將機(jī)械手銷子通過Proe/E建模，然后保存成中性格式“step”格式，導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS Workbench進(jìn)行靜力學(xué)分析。進(jìn)行劃分網(wǎng)格，設(shè)定單元格大小為5 mm以獲得較好的網(wǎng)格質(zhì)量，然后施加載荷和約束得到等效應(yīng)力云圖與變形分配云圖，銷子受拉力時(shí)等效應(yīng)力云圖如圖4所示，銷子受拉力時(shí)變形分配云圖如圖5所示。由圖4可以看出，銷子受拉力時(shí)，最大疲勞應(yīng)力為684×105 Pa；由圖5可以看出，銷子受拉力時(shí)，最大變形為751×10-8 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力235 MPa。

5結(jié)束語

本文以青島某PCB生產(chǎn)公司人工抓取PCB放入吸塑盒為研究對象，對PCB抓取機(jī)械手做了整體設(shè)計(jì)。該機(jī)械手能夠迅速穩(wěn)定的抓取PCB小板裝盒，大大提高了生產(chǎn)效率。通過Ansys有限元分析，該機(jī)械手在抓取PCB小板過程中，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，很好地實(shí)現(xiàn)PCB裝盒操作，為PCB抓取的研究和開發(fā)提供了理論依據(jù)。但該設(shè)計(jì)一次只抓取一個(gè)PCB小板，工作效率低，而且在實(shí)際應(yīng)用中還存在抓取不穩(wěn)定等問題，這將是下一步研究的重點(diǎn)。該研究具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

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