一種基于機(jī)器視覺的多工作頭機(jī)械手結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)

楊振宇， 羅錦濤， 謝祥吉， 鐘勇銳

（中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣東 中山 528400）

0 引言

在自動(dòng)化設(shè)備和產(chǎn)線中， 機(jī)械手是上下料和生產(chǎn)線裝配[1]的關(guān)鍵單元，尤其在需要對(duì)工件安裝定位有較高精度要求的應(yīng)用場(chǎng)合， 就更加需要對(duì)機(jī)械手拾取的工件進(jìn)行角度校正和精確定位。單工作頭的機(jī)械手，每次只能拾取和操作一個(gè)工件，生產(chǎn)效率不高，隨著機(jī)器視覺技術(shù)和智能化技術(shù)的成熟應(yīng)用和不斷發(fā)展， 多工作頭的機(jī)械手已經(jīng)成為關(guān)鍵技術(shù)， 并成為當(dāng)前自動(dòng)化控制系統(tǒng)中重要的前沿技術(shù)，多工作頭的機(jī)械手大大提高了生產(chǎn)效率，但技術(shù)含量高，結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜[2]，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)工作頭的角度校正和精度是一個(gè)重要的技術(shù)問題，本文針對(duì)這個(gè)問題，提出了一種多工作頭機(jī)械手，能夠一次拾取多個(gè)工件，又能分別對(duì)所拾取的工件進(jìn)行精確的角度校正和安裝定位，本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手裝置可以用于大型物料的上下料和角度校正，如拾取和搬用物料的碼垛機(jī)械手，也可用于電子器件的貼片頭，如用于PCB 電路板上的芯片進(jìn)行貼片。

1 多工作頭機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)

機(jī)械手整體[3]在結(jié)構(gòu)上，分為四個(gè)部分，多層式機(jī)架[4]部分， 動(dòng)力部分，旋轉(zhuǎn)校正部分，電磁離合部分，并由上向下布置，其中動(dòng)力部分主要包括位于中心的伺服電機(jī)和圍繞伺服電機(jī)布置的多個(gè)伸縮氣缸，如圖1 所示。

圖1 多工作頭機(jī)械手三維結(jié)構(gòu)模型圖

1.1 旋轉(zhuǎn)校正部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)多工作頭的角度校正， 本設(shè)計(jì)采用一個(gè)伺服電機(jī)和一組齒輪系結(jié)構(gòu)， 將伺服電機(jī)精確校正后的轉(zhuǎn)動(dòng)角度傳動(dòng)到機(jī)械手的每個(gè)工作頭上， 以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)工作頭上工件的姿態(tài)角度校正。

如圖2 所示齒輪系呈平面布置， 由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)輪居于幾何中心， 驅(qū)動(dòng)各個(gè)工作頭的從動(dòng)輪圍繞主動(dòng)輪呈圓周布置，結(jié)構(gòu)更加緊湊[5]，從動(dòng)輪的數(shù)目可以根據(jù)工件尺寸和機(jī)械手的大小而不同， 本文示例圖中布置了四個(gè)從動(dòng)輪，分別驅(qū)動(dòng)四個(gè)工作頭。

圖2 旋轉(zhuǎn)校正齒輪系

1.2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖3 所示為單個(gè)機(jī)械手的三維模型，每個(gè)機(jī)械手都包括氣缸，氣缸旋轉(zhuǎn)底座，氣缸桿，空心旋轉(zhuǎn)軸， 電磁離合器等，并自上而下安裝在橫向布置的多層式機(jī)架上，其中，空心旋轉(zhuǎn)軸上裝有從動(dòng)齒輪，氣缸桿的前端安裝有用于拾取工件的吸盤或機(jī)械夾爪。每個(gè)機(jī)械手具有相同結(jié)構(gòu)，將多個(gè)機(jī)械手圍繞伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)軸呈圓周型布置，就形成了一個(gè)多工作頭的機(jī)械手。

圖3 單個(gè)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)三維模型圖

機(jī)械手工作頭可以豎向伸縮移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的拾取或安裝放置， 也可以軸向旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的角度校正。為實(shí)現(xiàn)工作頭的豎向伸縮，氣缸桿自上而下從空心旋轉(zhuǎn)軸中穿過，在氣缸桿的兩端，布置有精密直線軸承以保證機(jī)械手在豎直方向具有精度較高和平穩(wěn)的直線運(yùn)動(dòng)，如圖4 所示。 為實(shí)現(xiàn)工作頭的軸線旋轉(zhuǎn)，工作頭氣缸安裝在氣缸旋轉(zhuǎn)底座上，并裝有氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)接頭，以使氣缸可以360°旋轉(zhuǎn)。

圖4 機(jī)械手的單個(gè)工作頭結(jié)構(gòu)

1.3 電磁離合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)工作頭所拾取的工件，分別進(jìn)行角度校正，本文設(shè)計(jì)了一種新穎的電磁離合器，用于將空心旋轉(zhuǎn)軸和工作頭氣缸桿進(jìn)行離合控制。 電磁離合器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5 所示，其中，離合器磁軛安裝在機(jī)架上， 離合器動(dòng)盤通過鍵和空心旋轉(zhuǎn)軸相連并同時(shí)旋轉(zhuǎn)，動(dòng)盤上裝有靜摩擦片。本文所設(shè)計(jì)電磁離合器的主要特點(diǎn)是氣缸桿上安裝有一個(gè)盤型支架， 在盤型支架的圓周方向裝有多個(gè)可伸縮的動(dòng)銜鐵和彈簧機(jī)構(gòu)，動(dòng)銜鐵頂部貼裝有動(dòng)摩擦片，當(dāng)工作頭需要角度校正時(shí)，電磁離合器得電，電磁力克服了彈簧力，將盤型支架上的動(dòng)銜鐵緊緊吸合到動(dòng)盤上，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)空心旋轉(zhuǎn)軸、電磁離合器動(dòng)盤和氣缸桿一起同軸旋轉(zhuǎn)，這時(shí)所有的從動(dòng)輪和空心旋轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)，但只有電磁離合器得電吸合的工作頭進(jìn)行了角度校正，校正完成后，伺服電機(jī)停止，電磁離合器松開，氣缸動(dòng)作，將校正后的工件進(jìn)行安裝和放置。

圖5 電磁離合器的結(jié)構(gòu)

2 多工作頭機(jī)械手的控制流程

為實(shí)現(xiàn)機(jī)械手一次拾取多個(gè)工件， 并在安裝放置時(shí)能對(duì)每個(gè)工件進(jìn)行準(zhǔn)確的定位， 需要將一個(gè)較大視野和足夠像素的機(jī)器視覺相機(jī)放置于機(jī)械手下方， 以對(duì)多工作頭一次拾取工件后的所有工件的拾取姿態(tài)進(jìn)行拍照，檢測(cè)每個(gè)工作頭上的工件角度和姿態(tài)偏差， 并和視覺系統(tǒng)所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)模板進(jìn)行比對(duì)， 以得到每個(gè)工作頭上工件的拾取姿態(tài)角度的偏差值，以用于后期的校正。

多工作頭機(jī)械手的程序控制流程如圖6 所示， 機(jī)械手一次拾取多個(gè)工件后， 移動(dòng)到機(jī)器視覺相機(jī)位置進(jìn)行拍照，得到每個(gè)工作頭上工件的角度偏差[6]，視覺系統(tǒng)將檢測(cè)到的每個(gè)角度偏差傳送給PLC， 然后PLC 分別控制相應(yīng)工作頭的電磁離合器和氣缸，以及伺服電機(jī)動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)工作頭進(jìn)行角度校正， 每個(gè)工作頭的角度校正和安裝放置的順序依次逐個(gè)展開， 例如首先工作頭1上的電磁離合器動(dòng)作， 使其上的空心旋轉(zhuǎn)軸和工作頭氣缸桿相吸合，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)工作頭1 的單個(gè)機(jī)械手整體旋轉(zhuǎn)，完成校正后，伺服電機(jī)停止，工作頭1 電磁離合器松開，工作頭1 上的氣缸伸出，對(duì)校正后的工件進(jìn)行安裝和放置后，氣缸縮回，然后工作頭2 上的電磁離合器動(dòng)作，然后依次循環(huán)，最終依次對(duì)所有工作頭皆完成工件的校正和安裝放置后，整個(gè)機(jī)械手復(fù)位，回到工件拾取位置，開始下一次拾取。

圖6 多工作頭機(jī)械手的控制流程

3 結(jié)束語(yǔ)

多工作頭的機(jī)械手大大提高了生產(chǎn)效率， 已成為自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備的主流， 目前多工作頭機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，并且在結(jié)構(gòu)上受空間位置影響較大，為實(shí)現(xiàn)對(duì)所有工作頭上的物料工件進(jìn)行角度校正， 順序控制優(yōu)化算法也較為繁瑣，復(fù)雜度大[7]，影響了機(jī)械手的定位精度。本文提出的多工作頭機(jī)械手，所有的單個(gè)機(jī)械手工作頭圍繞伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸呈圓周型布置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，空間利用性好，可移植性強(qiáng)的特點(diǎn)，尤其是設(shè)計(jì)了一種電磁離合器， 將空心旋轉(zhuǎn)軸和氣缸桿兩個(gè)有軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件，可以相互吸合，同軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也可以互不干擾，氣缸桿穿過空心旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)， 有效解決了對(duì)每個(gè)工作頭進(jìn)行單獨(dú)角度校正的技術(shù)問題， 相比于傳統(tǒng)的多工作頭機(jī)械手，控制算法簡(jiǎn)單，控制流程簡(jiǎn)潔，工作效率高，這種結(jié)構(gòu)可以廣泛應(yīng)用于集成電路裝配，精密儀器裝配，也可以用于大型物料的上下料、碼垛等生產(chǎn)實(shí)際中，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。