異形電子元器件插裝機器人抓手設計與分析

Design and analysis of the gripper of the assembly robot of profiled electronic components

王　越，伍昕忠，李本海，榮　鈺

（機械科學研究總院，北京 100044）

WANG Yue,　WU Xin-zhong,　LI Ben-hai,　RONG Yu

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異形電子元器件插裝機器人抓手設計與分析

Design and analysis of the gripper of the assembly robot of profiled electronic components

王越，伍昕忠，李本海，榮鈺

（機械科學研究總院，北京 100044）

WANG Yue,WU Xin-zhong,LI Ben-hai,RONG Yu

摘要：基于機器人的自動化裝配技術已成為現代化生產的重要研究方向，對機器人末端執行器的研究是實現自動化裝配技術的關鍵。針對小型異形電子元器件的自動插裝作業要求，設計了一款插裝機器人的抓手，該抓手集成了CCD機器視覺系統、光纖傳感器檢測系統和碰撞緩沖系統，實現了異形電子元器件的可靠抓取、精確定位、元器件針腳碰撞檢測、插裝到位檢測等功能。在分析抓手功能的基礎上，詳細介紹了總體方案及抓手的結構設計并應用ANSYS分析軟件對抓手末端夾持部分進行了力學分析。試驗證明，該抓手具有良好的應用前景。

關鍵詞：異形電子元器件；插裝機器人；抓手設計；力學分析

0　引言

隨著機器人技術的成熟，帶動了自動化裝配技術的快速發展。現在主要依靠手工插裝的異形電子元器件，也希望由六關節機器人自動將其插裝在電路板上。

由于異型電子元器件種類較多，外形尺寸和管腳數量變化較大，所以抓手設計要綜合考慮其通用性，僅變抓手末端夾片的樣式和尺寸。

電路板上的插裝孔比針腳直徑大0.4mm左右，所以需要在插裝時精確定位。

插裝過程中要檢測針腳是否插入到位，所以需要碰撞檢測和碰撞緩沖系統。

為了實現小型異形電子元器件往電路板上的自動插裝作業功能，同時提高自動化水平和生產效率，減輕生產者的勞動強度，本文對插裝機器人的抓手進行了設計研究。

1　總體方案設計

抓手總體結構方案如圖1所示，通過法蘭盤安裝在六關節機器人的末端，抓手可以先后抓取四個異形電子元器件。主要由夾爪支撐架、CCD機器視覺系統、LED光源和四套夾爪組成，其中四套夾爪除夾片不同外，采用相同的結構，具有互換性。

CCD機器視覺系統安裝在夾爪支撐架內部，LED光源安裝在夾爪支撐架底部，共同完成電路板上定位孔的檢測，以精確定位抓手。需要說明的是，異形電子元器件的針腳位置和姿態檢測是由另外套CCD機器視覺系統完成。

夾爪支撐架下部為錐形，四套夾爪均勻分布在圓錐切面上，每套夾爪均由滑臺、上擋板、下擋板、連接板、氣爪、左右夾片、拉簧和光纖傳感器組成。其中，連接板、氣爪、夾片通過螺釘連接在起，在拉簧的作用下緊貼在下擋板上，當電子元器件的針腳未能準確插入孔中時，上述組件沿滑臺上移，觸發光纖傳感器發訊，實現碰撞檢測。

氣爪的開合實現電子元器件的夾取與釋放，根據電子元器件的形狀不同，在氣爪上安裝相應的夾片，就可以實現快換。在夾片上設計凸臺，起到定位元件的作用。

圖1　抓手總體結構方案

2　結構設計

在對總體方案進行分析的基礎上，對該抓手進行了詳細的結構設計。本文重點介紹夾爪支撐架和夾片的結構設計。

2.1夾爪支撐架

夾爪支撐架是抓手的主體部分，CCD機器視覺系統、LED光源和四套夾爪等組件都連接其上。

如圖2所示，夾爪支撐架采用殼體結構，材料為鋁合金，殼體厚度為5mm。相機外形近似為個30×30×55的立方體，可以完全容納在支撐架下端錐體內。支撐架上端留方形孔，以方便相機引線與控制設備的連接。

夾爪支撐架的設計重點是下部錐度設計，錐度應盡可能小，以減小抓手外形尺寸。但是在實際應用中要考慮電路板上已經插裝的電子元件的高度，當個夾爪插裝元件時，應保證其左右兩側的夾爪夾持元件后與電路板上元件不會發生干涉。

本文根據實際插裝的需求，經過計算，將錐體角度設為30°。

圖2　夾爪支撐架零件圖

2.2夾片

夾片是抓手的主要受力部分，也是保證插裝精度的重要環節。如圖3所示，為某電子元器件的夾片零件圖。夾片采用整體式結構，材料為鋁合金。此種結構的優點是加工簡單，安裝方便，適應元件的多樣性。但由于夾持面與安裝面之間距離較大，會產生較大彎矩，使夾片產生彎曲變形，所以設計時要重點對夾片進行受力分析與變形分析。

夾片夾持端的厚度受電路板上的元件間距的限制。在插裝時，電路板上已有插裝好的元件，為了避免碰撞，夾片夾持端厚度越薄越好，但厚度越薄越容易發生變形，所以通過計算，選用3mm厚度，同時背端倒70度倒角，進步減小末端厚度。

通過計算，安裝面連接處應力最大，選用3mm厚度。

由于需要對元件豎直方向進行定位，夾片的夾持面和安裝面沒有設計成個平面內，而是形成個凸臺，這樣就可以確保元件插入端處于個水平面上，保證機器視覺檢測的質量和精度，以及插裝平面的安全距離。

圖3　夾片零件圖

3　抓手夾持末端力學分析

3.1材料設定

首先對模型材料進行設定，該夾片采用6061鋁合金材料進行加工生產，如表1所示，為該鋁合金材料的參數。

表1　鋁合金材料參數

3.2限位和施加載荷

圖5為ANSYS力學分析的靜態結構圖，夾片在A面通過螺釘連接在氣爪上，6自由度完全定位，在C面上施加平均載荷2.6×105Pa。

圖4　氣爪夾持力圖

3.3結果分析

圖5　靜態結構圖

圖6　等效應力圖

圖7　等效應變圖

經過ANSYS模擬受力分析，得到圖6所示等效應力圖和圖7所示等效應變圖。從圖6和圖7中可知，Max處為整個零件受力最大的部位和應變最大處，最大應力值為σmax=2.6459×107Pa，小于表1中所示的鋁合金的拉伸屈服強度和壓縮屈服強度2.8×108Pa，且安全系數達到10.5；最大應變值為εmax=3.7549×10-4m，在精度許可范圍內；彈性模量為7.1×1010Pa。Max處應力與應變的比值為：

符合廣義胡克定律，應力與應變之間是線性關系，所以材料處于彈性變形階段，不會產生塑性變形或斷裂破壞。

4　插裝功能的實現

如圖8所示，將抓手安裝在機器人上，設置坐標系來實現各點坐標的統。將兩夾片末端中心定義為抓手的執行點，測量各抓手執行點相對于抓手與機器人連接點的距離和角度，通過機器人控制器的定義工具功能來設置抓手執行點。然后設置坐標系原點，原點可以設置為機器人回零點，也可以設置為工作平面上方的任意點。再分別設置生產過程中的取料點和插裝點的坐標值，其中取料點坐標為固定值，來料由喂料器連續提供，插裝點坐標由抓手內部相機識別獲得，再由機器人試教糾偏，將所得坐標值存入計算機，供程序調用。

抓手的工作流程為：1）回原點，避免抓手到取料點的路徑上與工作平面上的元件相撞。2）取料，四個

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夾爪分別到各自的取料位取料，考慮到繞線的問題，先用對稱方向夾爪取料，再旋轉換夾爪，保證個方向的旋轉不超過180°。3）插裝，抓手先快速到達插裝點上方定距離，再用低速將元件插在電路板上，然后移動回插裝點上方，再快速到達下個插裝點。四個點都插裝好后回到原點。

圖8　現場照片

5　結論

隨著自動化裝配在電子領域的應用越來越廣泛，與之相配套的末端執行器的設計需求將越來越迫切。本文給出了插裝機器人抓手的整體結構設計方案，根據工程實際需求，對夾爪支撐架和夾片進行了結構設計，并對抓手的受力部分進行了強度分析，保證在實際生產中的可靠性。最后，給出了抓手在插裝生產中的功能實現，證明了該抓手設計方案的可行性。

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作者簡介：王越（1990 -），女，黑龍江齊齊哈爾人，碩士研究生，研究方向為機電一體化。

收稿日期：2015-11-12

中圖分類號：TH122；TP241.2獻標識碼：B

文章編號：1009-0134(2016)03-0086-03