PCB板自動檢測裝置機械手的改進設計研究

鄭宇航 王繼榮 王文曉 劉成

摘要：? 針對實際運行過程中機械手抓取印制電路板失敗的問題，本文對PCB板自動檢測裝置機械手進行改進設計。給出PCB板自動檢測裝置的工藝流程，對印制電路板自動檢測裝置出現(xiàn)的問題進行分析，運用加工誤差補償和增加約束補償方法，對滑軌進行選型和整體結(jié)構(gòu)設計，為提升機械手的抓取精度，對主機械手和機械手小爪的結(jié)構(gòu)精度進行改進，在機械手兩側(cè)加入滑軌對其進行約束。同時，對檢測裝置的部分結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，提高檢測裝置運行的可靠度。研究結(jié)果表明，主機械手氣缸偏移角度減小至0.3°以內(nèi)，主機械手的偏移量縮小至±0.2 mm，機械手小爪能成功抓取電路板，不會出現(xiàn)抓取失敗現(xiàn)象，有效解決了因機械手不穩(wěn)定而出現(xiàn)運動精度不夠的問題，提高了裝置總體運行效率及可靠度。該研究對印制電路板板自動檢測裝置的改良具有實際意義和應用價值。

關鍵詞：? 機械手; 精度; 結(jié)構(gòu)改良; 滑軌選擇

中圖分類號： TP241.2; TH137.3 文獻標識碼： A

印制電路板（printed circuit board，PCB）自動檢測裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、檢測結(jié)果準確、檢測效率高及能適應不同工作環(huán)境等諸多優(yōu)點。PCB板自動檢測裝置對提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約經(jīng)濟成本具有重要意義[1]。在國外，尤其歐美發(fā)達國家，都擁有比較完備的PCB板自動檢測裝置。近年來，國內(nèi)企業(yè)也開始重視PCB板自動檢測裝置的設計，許多學者對PCB板自動檢測裝置進行設計與研究，但仍存在諸多問題。如在PCB自動檢測裝置運行過程中，由于存在各種精度問題，使機器在運行過程中無法準確抓取PCB板，導致檢測失敗。對于PCB自動檢測裝置的調(diào)整，主要是解決運動精度不夠的問題。PCB板自動檢測裝置主要靠機械手抓取PCB板進行幾個方向的運動，因此提高機械手的精度是提升整個裝置精度的關鍵。機械手是近年發(fā)展起來的高科技人工智能設備，是一種集機械、電子、計算機和傳感器等多項技術(shù)于一體的現(xiàn)代化設備[2]。近年來，對機械手誤差補償?shù)葐栴}已有許多較好的研究[37]?；诖?，本文通過對PCB自動監(jiān)測裝置的機械手結(jié)構(gòu)進行改進，以及滑軌的選型和設計，載具尺寸的修改等，提升整個PCB自動檢測裝置運行的精度和可靠度。該研究對PCB自動檢測裝置的改良具有實際應用價值。

1 PCB板自動檢測裝置的工藝流程及問題

1.1 PCB板自動檢測裝置的工藝流程

PCB電路板檢測裝置的工藝流程主要有二維碼掃描、飛針測試及其原理、NG板排出和OK板取出工位。

1） 二維碼掃描。由二維碼掃碼器和定位裝置組成。將二維碼掃碼器安裝在載具下方兩條軌道之間，當載具從分板工位運行到指定位置時，機械手通過氣缸下移抓取載具上PCB電路板，掃碼器對載具中10塊PCB板掃描識別，將PCB小板“身份證”信息傳遞到總控制系統(tǒng)。機械手運行結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2） 飛針測試及其原理。掃描標識碼后，機械手運行至飛針測試裝置，機械手下移，將PCB電路板放置在檢測裝置進行檢測，然后返回初始位置，進行下一次抓取。

飛針測試機測試原理是通過兩根探針同時接觸網(wǎng)絡的端點進行通電，所得電阻與設定的開路與短路電阻相比較，從而判斷開路與否[8]。PCB板飛針測試裝置如圖2所示。本裝置是利用氣缸下壓，使PCB板探針與網(wǎng)絡端點接觸進行檢測。

3） NG板排出。檢測完成后的PCB板隨載具進入NG板排出工位。若飛針檢測結(jié)果存在NG板，則擋塊限位，排出NG板;若檢測所有板均合格，機械手不在此處停留。NG板排出位置如圖3所示。

4） OK板取出工位。NG板排出后，到達下個工位時已是分好的OK板，人工將其從載具上取出，然后裝入主線的吸塑盒，空載具由輸送系統(tǒng)循環(huán)使用。OK板取出位置如圖4所示。

1.2 PCB板自動檢測裝置出現(xiàn)的問題及分析

檢測裝置出現(xiàn)的問題主要包括機械手小抓手和主機械手氣缸精度問題。機械手誤差包括幾何誤差和非幾何誤差，幾何誤差來自不可避免的制造缺陷和裝配誤差以及服務中的自然磨損[9];非幾何誤差來自熱畸變、柔度誤差、間隙和摩擦[1011]。幾何誤差是機械手誤差的主要來源，由于PCB板在實際生產(chǎn)過程中存在一定的翹曲，它與板材的品質(zhì)（樹脂等的品質(zhì)）、樹脂配方、PCB線路圖形分布均勻性以及PCB制造工藝制造流程有關[12]。加上機械手小抓手本身夾緊氣缸的幾何誤差，導致抓手在抓取PCB電路板時，會使電路板被抓住時呈現(xiàn)一定角度的傾斜，使機械手在放置PCB板到載具時，無法準確放入載具槽內(nèi)，影響下次抓取的成功率。經(jīng)多次實驗及具體測量后發(fā)現(xiàn)，主要問題是抓手抓取PCB電路板時，出現(xiàn)1°～2°左右的傾斜角。機械手小抓手如圖5所示，PCB板抓取情況如圖6所示，載具槽如圖7所示。

主機械手氣缸的精度問題主要是幾何誤差，由于加工工藝的原因，氣缸柱塞與氣缸壁之間配合不緊，使下面連接的主機械手發(fā)生較大程度的左右偏移。主機械手正常狀態(tài)和偏移狀態(tài)如圖8所示。

經(jīng)測算，主機械手偏移角度最大為2°，設基準為機械小爪最下方的平面，則偏移量在±1.3 mm之間。此時，機械手較低端小抓手會向下擠壓載具，使機械手較高端小抓手無法抓取PCB電路板，最終導致部分機械手小抓手抓取失敗。

2 PCB板自動檢測裝置改進

由上述分析可知，改進PCB板檢測裝置主要分為主機械手及機械手小抓手的精度改進。由于主機械手精度影響較大，因此本文選擇先對主機械手的精度進行改進。

2.1 主機械手精度改進

由1.2中的分析可知，主機械手精度問題主要由幾何誤差導致，可以通過提高機械產(chǎn)品的加工質(zhì)量、加工誤差補償和增加約束補償?shù)萚13]方法減少誤差。目前存在的各種校準技術(shù)，通過不同的建模、測量和識別方法[1417]來校準機械手幾何模型。由于幾何誤差不隨機械手的配置而變化[18]，因此無法提升零件的加工質(zhì)量，而通過加工誤差補償?shù)姆绞讲粌H繁瑣，而且成本較高。因此，本文通過在主機械手兩側(cè)安裝滑軌，增加約束補償減少幾何誤差，從而提升精度。

2.1.1 主機械手結(jié)構(gòu)改進

為了使機械手在不影響抓取PCB電路板的情況下安裝滑軌，必須將機械手的結(jié)構(gòu)進行改進。機械手結(jié)構(gòu)調(diào)整如圖9所示。

2.1.2 滑軌的選型

直線滑軌的選型通過確定軌寬、軌長、滑塊類型和數(shù)量、精度等級及其他參數(shù)5步。決定負載大小的主要因素是軌道寬度，而此處滑軌主要用于限位，負載較小，因此選擇軌寬為20，軌長長度為總軌長度?；壙傞L度為

根據(jù)檢測裝置上機械手行程，有效行程為50 mm，滑塊間距為0 mm，滑塊長度為52 mm，滑塊數(shù)量為1，兩端安全行程共為20 mm，因此滑軌總長度為122 mm。比較常見的滑塊類型有法蘭型滑塊和方形滑塊。法蘭型滑塊比方形滑塊更寬，安裝孔為貫穿螺紋孔，而方形滑塊更長，安裝孔為螺紋盲孔，兩者均有短型、標準型和加長型之分[19]。根據(jù)此處滑塊安裝的需要，滑塊選擇方形短型，由于此處負載比較小，每個機械手的每一端滑塊數(shù)量選擇1個。精度等級對于滑軌的選擇十分重要，精度的選擇需要符合要求，否則將會加大機械手的應力，對氣缸及機械手都會造成破壞。對于多數(shù)產(chǎn)業(yè)機械，普通級（C）精度可以滿足要求，因此精度等級選擇普通級（C）。除了以上幾個參數(shù)以外，還要確定組合高度類型、預壓等級等其他參數(shù)。組合高度類型主要有高組裝型和低組裝型2類，預壓等級高，表示滑塊和滑軌之間的間隙小或為負間隙，預壓等級低的反之[20]。此處選擇低組裝型，低預壓等級。根據(jù)以上選型標準，選擇合適的直線滑軌類型，直線滑軌如圖10所示。

2.1.3 滑軌的安裝

滑軌的安裝必須能夠限制機械手出現(xiàn)高度差，不能阻礙檢測裝置的正常運行。機械手的運行有X、Y、Z 3個方向，因此需要氣缸跟隨機械手一起運動，滑軌安裝結(jié)構(gòu)如圖11所示。將軌道與氣缸相連，防止機械手偏移，且隨著氣缸與機械手一起移動，不僅保證機械手在初始位置能順利上下移動，也能保證在其它任何位置順利工作，同時，該設計節(jié)省材料，避免造成浪費。滑軌的主要作用是限制機械手的偏移，此結(jié)構(gòu)的強度也能保證正常工作。

經(jīng)模擬測算，改進結(jié)構(gòu)之后的主機械手氣缸的偏移角度減小至0.3°以內(nèi)，主機械手的偏移量縮小至±0.2 mm，不影響PCB板的抓取。

2.2 機械手小抓手精度改進

機械手小抓手的精度問題同樣是由幾何誤差引起，而在改進機械手小抓手時，無法直接對小抓手進行改良，因此通過對載具進行改進，利用加工誤差補償?shù)姆椒p小誤差，提高精度。將載具盛放PCB板的凹槽進行修改，左右擴大2 mm，這樣即使機械手小爪抓取的PCB板是傾斜的，在放置電路板時，也能準確落入載具的凹槽內(nèi)，檢測完畢后，另一只機械手小爪也能成功抓取電路板，不會出現(xiàn)抓取失敗現(xiàn)象。載具槽改進前后如圖12所示。

3 結(jié)束語

本文通過加裝滑軌及改進載具的方法，對PCB電路板質(zhì)量自動檢測裝置機械手進行改進設計，通過運用加工誤差補償和增加約束補償，解決了PCB電路板質(zhì)量自動檢測裝置精度問題。在不影響檢測裝置的前提下進行改進，大大提高自動檢測裝置的可靠性，對PCB板質(zhì)量自動檢測裝置的設計和改良具有實際意義，提高了企業(yè)生產(chǎn)PCB板的效率。由于PCB板質(zhì)量自動檢測裝置出現(xiàn)的誤差，不僅是機械手及載具引起，還包括機器本身存在的制造誤差及振動帶來的位移所產(chǎn)生的誤差，因此不能使機械手抓取成功率達到100%。在調(diào)整基礎上，對裝置的減震等進行進一步研究，提高PCB板質(zhì)量自動監(jiān)測裝置的精確度和可靠性。

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