微小零件吸附式精確抓取、釋放裝置設(shè)計(jì)

魏國(guó)軍

（惠州城市職業(yè)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，廣東惠州 516025）

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)制造中，裝配工作量占制造工作量的45%，裝配費(fèi)用占制造總費(fèi)用的20%～30%或更高[1]。隨著科技的發(fā)展，零件及設(shè)備正向小、微方向發(fā)展，且已有科研工作者涉足微觀領(lǐng)域零件的研發(fā)、生產(chǎn)、裝配。微小零件的手工裝配，增加了作業(yè)人員對(duì)于零件的抓取、釋放及裝配的難度，存在裝配效率低下、精度差的狀況，使得裝配作業(yè)人員數(shù)量及裝配成本增加，對(duì)企業(yè)的發(fā)展及產(chǎn)品市場(chǎng)占有率極為不利[2]。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研及分析，擬提出自動(dòng)化抓取、釋放微小零件方案，以提高零件抓取、釋放效率及裝配精度，為裝配企業(yè)減負(fù)，提升企業(yè)生產(chǎn)裝配效率。

科技的發(fā)展為產(chǎn)品、零件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配打下了良好的基礎(chǔ)。微小零件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配，第一步就是實(shí)現(xiàn)小、微零件的抓取，之后還需將微小零件釋放植入至其他零件的孔內(nèi)或與其他零件完成裝配成部件。通過(guò)自動(dòng)化裝配，可實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品裝配的快速、高效生產(chǎn)。通過(guò)機(jī)器視覺(jué)對(duì)待裝配的微小零件進(jìn)行圖形、圖像拍攝所形成的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由控制系統(tǒng)引導(dǎo)機(jī)械臂以最優(yōu)化的運(yùn)運(yùn)軌跡控制將微小零件送至指定位置并進(jìn)行釋放，以實(shí)現(xiàn)對(duì)微小零件的裝配。

1 裝置設(shè)計(jì)及組成

該裝置由裝配作業(yè)工作臺(tái)、控制系統(tǒng)、機(jī)械臂、吸附頭、玻璃針頭、微力傳感器、氣管、攝像頭、攝像頭支架、氣源、空氣過(guò)濾器、壓力控制閥、第一電磁閥、第二電磁閥、真空發(fā)生器、速度調(diào)節(jié)閥等部分組成，如圖1～3所示。

圖1 微小零件吸附式精確抓取裝置外形圖

圖2 裝置各部件圖

1.1 裝配作業(yè)工作臺(tái)

為便于實(shí)現(xiàn)對(duì)微小零件進(jìn)行自動(dòng)裝配，設(shè)置裝配工作作業(yè)臺(tái)，上面設(shè)置有機(jī)械臂、攝像頭及攝像頭支架。攝像頭由補(bǔ)光燈、光學(xué)顯微鏡、CCD 攝像頭組成。本文闡述的裝置為24 h 不間斷工作裝置，為應(yīng)對(duì)晚間光線或燈光較暗的工作環(huán)境，增加了補(bǔ)光燈；考慮是對(duì)微小尺寸零件進(jìn)行抓取、釋放，為更清晰地知道微小零件結(jié)構(gòu)，吸附時(shí)不會(huì)因看不清導(dǎo)致?lián)p壞微小零件，增加了光學(xué)顯微鏡，如圖4所示。

圖3 吸附頭

圖4 攝像頭

1.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由上位機(jī)和單片機(jī)系統(tǒng)連接組成，上位機(jī)作為該裝置的大腦，可直接對(duì)單片機(jī)及其他各控制系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)指令，并可在屏幕上顯示各控制參數(shù)。單片機(jī)系統(tǒng)與機(jī)械臂、氣壓管理系統(tǒng)和視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行電性連接。將氣壓管理系統(tǒng)放置入裝配作業(yè)下面，通過(guò)氣管與機(jī)械臂進(jìn)行連接，將氣壓輸入至吸附頭。

1.3 氣壓管理系統(tǒng)

為美化裝置外觀，且在不增加裝置總體尺寸的情況下，將氣壓管理系統(tǒng)放置于裝配作業(yè)工作臺(tái)下方，通過(guò)氣管與機(jī)械臂、吸附頭連接，由氣源、空氣過(guò)濾器、壓力控制閥、第一電磁閥、第二電磁閥組成。

2 裝置工作原理

本文闡述微小零件吸附式精確抓取、釋放裝置，采用真空變壓吸附原理[3]，具體由真空發(fā)生器產(chǎn)生真空，借助于壓力差產(chǎn)生的吸附力吸取零件。對(duì)于微小零件的自動(dòng)化裝配，本文闡述的裝置遵循了吸附—抓取—釋放的工藝流程，由單片機(jī)系統(tǒng)控制各種壓力閥不同順序的開(kāi)啟，使真空發(fā)生器產(chǎn)生正、負(fù)壓力差[4]，為吸附頭對(duì)微小零件進(jìn)行吸附、釋放，依托攝像頭拍攝的各種圖形、圖像數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成能控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡信號(hào)，將微小零件在指定位置進(jìn)行釋放。首先由智能相機(jī)采集微小零件圖形圖像，獲取微小零件吸附點(diǎn)，由機(jī)械臂示教點(diǎn)確定位置的形式運(yùn)動(dòng)至微小零件吸附位置，通過(guò)吸附頭對(duì)微小零件進(jìn)行吸附；之后機(jī)械臂示教點(diǎn)確定位置的形式運(yùn)動(dòng)至釋放位置，對(duì)微小零件進(jìn)行釋放，如圖5所示。

圖5 裝置工作原理圖

2.1 吸附力產(chǎn)生原理

作業(yè)人員通過(guò)上位機(jī)輸入符合要求的壓力值數(shù)據(jù)，由氣泵及氣壓管理系統(tǒng)為裝置提供符合的壓力空氣，并由上位機(jī)將壓力信號(hào)輸入至下位機(jī)單片機(jī)系統(tǒng)，以控制壓力閥將壓力調(diào)整至相應(yīng)值?？刂齐姶砰y開(kāi)啟，電磁閥關(guān)閉，壓力空氣進(jìn)入真空發(fā)生器以產(chǎn)生負(fù)壓，使吸附頭的玻璃針頭產(chǎn)生吸附力，為吸附微小零件做好準(zhǔn)備，如圖2所示。

2.2 吸附微小零件

裝配過(guò)程中，攝像頭可將裝配作業(yè)工作臺(tái)垂直和水平方向拍攝的畫面轉(zhuǎn)換為圖像信號(hào)傳送至上位機(jī)，以控制機(jī)械臂步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，使機(jī)械臂位置進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，直至微小零件被吸附玻璃針頭吸附。

視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)包括光學(xué)顯微鏡和高分辨率CCD 攝像頭，通過(guò)設(shè)置于作業(yè)臺(tái)上的支架以支撐攝像頭，從水平和垂直方向?qū)?zhǔn)吸附頭末端，從垂直和水平方向兩個(gè)正交光路作業(yè)于裝配作業(yè)臺(tái)側(cè)面。CCD 攝像頭鏡頭周邊設(shè)置有環(huán)形補(bǔ)光燈，里面設(shè)置有若干個(gè)獨(dú)立的LED 燈，分布在攝像頭鏡頭周邊。結(jié)合光學(xué)顯微鏡的作用，對(duì)于微小零件的識(shí)別、垂直和水平方向的拍攝圖像更清晰，甚至在夜間也不影響攝像頭拍攝的清晰度。為避免在吸附微小零件時(shí)，出現(xiàn)亂花或損傷零件，吸附頭玻璃針頭針尖磨平。為排除靜電對(duì)吸附造成干擾，選用硼硅酸玻璃材質(zhì)的針頭，考慮到玻璃針頭材質(zhì)在吸附過(guò)程中容易碎裂，在針頭處配置微力傳感器[5]，以防止吸附力過(guò)大造成針頭破碎，如圖3所示。

因微小零件尺寸較小且精密，為便于多方位、多角度吸附微小零件，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡需盡可能自由。機(jī)械臂上設(shè)置多段金屬固件，且每段之間通過(guò)鉸鏈方式進(jìn)行連接，以使機(jī)械臂產(chǎn)生更多的自由度，實(shí)現(xiàn)較多任意位置的運(yùn)動(dòng)。各關(guān)節(jié)處裝有混合式步進(jìn)電機(jī)[6]，設(shè)置了細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，使得吸附頭在吸附、釋放過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡精細(xì)調(diào)整[7]。

2.3 釋放微小零件

當(dāng)視覺(jué)光學(xué)系統(tǒng)引導(dǎo)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)至相應(yīng)位置時(shí)，此時(shí)需釋放微小零件。由上位機(jī)、單片機(jī)及氣壓管理系統(tǒng)共同作用控制第一電磁閥關(guān)閉，第二電磁閥打開(kāi)，空氣經(jīng)過(guò)速度調(diào)節(jié)閥調(diào)整后產(chǎn)生正壓，將微小零件緩慢釋放。

微小零件由于尺寸小、質(zhì)量輕，在吸附頭玻璃針頭釋放過(guò)程，快速釋放容易造成偏差或受氣流影響滾動(dòng)[8]。設(shè)置速度調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)微小零件緩慢釋放，提高釋放精度，以免因快速釋放而造成位置偏差。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的一種吸附式微小零件精確抓取、釋放裝置，通過(guò)視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)攝像頭對(duì)垂直、水平兩正交方向拍攝形成圖像數(shù)據(jù)，控制機(jī)械臂運(yùn)行至相應(yīng)位置，控制系統(tǒng)控制氣壓使吸附頭產(chǎn)生真空形成正、負(fù)壓力差來(lái)吸取或釋放微小零件，完成對(duì)微小零件自動(dòng)抓取、釋放動(dòng)作，減少了作業(yè)人員數(shù)量并降低了勞動(dòng)量，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，進(jìn)一步保證完成精確抓取、釋放，提高裝配質(zhì)量。