拾振傳感器自動(dòng)化裝配系統(tǒng)

穆如旺+洪利

摘要：針對(duì)拾振傳感器在傳統(tǒng)生產(chǎn)裝配過程中存在的問題，采用有限元仿真對(duì)其關(guān)鍵部位的裝配應(yīng)力進(jìn)行了分析，并結(jié)合工業(yè)機(jī)器人在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用，搭建了一套可實(shí)現(xiàn)拾振傳感器定位、視覺和力覺檢測(cè)的裝配系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成，建立了裝配應(yīng)力模型，并對(duì)SCARA機(jī)器人的裝配應(yīng)力進(jìn)行分析，表明所提方法的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：拾振傳感器；機(jī)器人；裝配

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）10-0093-03

一、引言

地震觀測(cè)研究作為當(dāng)前地球物理行業(yè)的重要研究課題，越來越受到人們的關(guān)注。拾振傳感器作為地震儀器的關(guān)鍵部位，其性能指標(biāo)直接影響著地震數(shù)據(jù)獲取的質(zhì)量，為了進(jìn)一步提高地震觀測(cè)研究水平、推動(dòng)地球科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，決定了地震儀器將會(huì)向著低成本、小體積、低功耗和高一致性方向發(fā)展[1]。

隨著微小型器件的特征尺寸不斷減小，結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，人們對(duì)它的制造和裝配環(huán)節(jié)提出了更高的要求[2]。近年來，雖然國(guó)內(nèi)外針對(duì)微小型器件自動(dòng)裝配技術(shù)進(jìn)行了研究，并取得了一定的成績(jī)，但絕大多數(shù)的微小型器件依舊采用傳統(tǒng)的手工裝配方法，并不能滿足微小型產(chǎn)品的一致性要求[3]。先進(jìn)的微小型器件裝配技術(shù)的興起，對(duì)于提高微小型產(chǎn)品的制造質(zhì)量、縮短生產(chǎn)周期、降低產(chǎn)品成本方面具有重要的意義[4]。國(guó)內(nèi)外在微裝配方面的研究表明，采用工業(yè)機(jī)器人對(duì)微小器件進(jìn)行裝配是目前微裝配技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，從而大大提高了微小型器件裝配的精度及自動(dòng)化程度[5]。

本文對(duì)拾振傳感器自動(dòng)化進(jìn)行了研究，搭建了一套可實(shí)現(xiàn)視覺定位和力覺控制的自動(dòng)化裝配系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了拾振傳感器自動(dòng)定位及精密裝配，滿足了裝配的位置和形位等方面精度的要求，產(chǎn)品的一致性和裝配作業(yè)效率得到了大幅度的提高。

二、裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

拾振傳感器裝配的主要過程如圖1所示，包括機(jī)械擺、頂蓋、磁鋼、導(dǎo)磁碗、支架與底座之間的對(duì)準(zhǔn)和裝配對(duì)接。為了保證所有裝配件能順利對(duì)接，不對(duì)裝配件本身產(chǎn)生影響，保證裝配件的定位，這要求在裝配的過程中應(yīng)使用恒定大小的力，從而保證拾振傳感器的一致性。

針對(duì)拾振傳感器的裝配要求，該裝配系統(tǒng)采用了精密定位處理—視覺監(jiān)視—力覺檢測(cè)—計(jì)算機(jī)控制的方案。其裝配系統(tǒng)包括定位單元、監(jiān)視單元和吸附夾持單元；定位單元由2個(gè)精密定位平臺(tái)組成，監(jiān)視單元由視覺檢測(cè)和力覺檢測(cè)組成，吸附夾持單元由各裝配件的夾持器和吸附裝置成，各個(gè)單元相互關(guān)系如圖2所示。

待裝配件由夾持單元夾持，通過定位單元進(jìn)行定位，再由視覺檢測(cè)單元對(duì)其定位精確度進(jìn)行檢測(cè)，保證各裝配件的孔在同一條直線上；在進(jìn)行對(duì)接時(shí)，由力覺傳感單元對(duì)裝配力進(jìn)行控制，控制各裝配件之間對(duì)接過程的受力，從而確保順利完成裝配任務(wù)。

三、裝配應(yīng)力有限元分析

根據(jù)影響拾振傳感器一致性好壞的決定因素，本文選取了拾振傳感器的機(jī)械擺部分進(jìn)行有限元分析，主要采用有限元分析軟件ANSYS建立有限元模型，對(duì)在施加不同裝配應(yīng)力條件下的加工變形進(jìn)行計(jì)算。

所建立有限元模型為靜力學(xué)分析，采用負(fù)載條件下加載裝配應(yīng)力[6]，模擬裝配加工全過程，分析輸出為預(yù)測(cè)零件變形受力分析圖，有限元模型裝配應(yīng)力分析如圖3所示。

借助有限元軟件的仿真分析，驗(yàn)證并確定了如何選取一個(gè)適當(dāng)?shù)难b配應(yīng)力，為后期自動(dòng)化裝配環(huán)節(jié)，機(jī)器人裝配應(yīng)力的選取，提供了有力的理論依據(jù)，同時(shí)，對(duì)于拾振傳感器其他部件的裝配同樣適用。無論是裝配位置、裝配順序和裝配應(yīng)力選取都對(duì)拾振傳感器生產(chǎn)的一致性精度有重要的影響[7]。

四、自動(dòng)化裝配各環(huán)節(jié)步驟

由上面的ANSYS有限元軟件仿真可知，拾振傳感器在裝配過程中裝配力的大小對(duì)其性能影響比較大。機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，機(jī)器人系統(tǒng)在負(fù)荷以及關(guān)節(jié)力的作用下會(huì)達(dá)到一個(gè)靜力平衡[8]。機(jī)器人作業(yè)時(shí)會(huì)與所處的環(huán)境之間產(chǎn)生相互作用的力和力矩，驅(qū)動(dòng)裝置會(huì)提供關(guān)節(jié)力和力矩，通過連桿傳送到末端的執(zhí)行器上來克服外界的作用力或力矩，本系統(tǒng)采用SCARA機(jī)器人，如圖4所示。

基于SCARA機(jī)器人的雅可比矩陣可以推算出此時(shí)機(jī)器人對(duì)外界環(huán)境的裝配力和力矩。裝配過程可以對(duì)裝配應(yīng)力F進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)判斷裝配所處的階段。

在靜態(tài)平衡的狀態(tài)下，SCARA機(jī)器人手部端點(diǎn)力F和廣義關(guān)節(jié)力矩矢量τ之間存在著線性映射關(guān)系，即：τ=JTF

SCARA機(jī)器人力雅可比矩陣JT是速度雅可比矩陣J的轉(zhuǎn)置矩陣，這樣在已知關(guān)節(jié)力矩矢量τ和SCARA機(jī)器人速度的雅可比矩陣，即可確定機(jī)器人手部對(duì)外界的作用力F，可得：F=（JT）-1τ

設(shè)裝配所允許的最大裝配力為Fmax，允許的最小裝配力為Fmin，其值根據(jù)拾振傳感器裝配的仿真結(jié)果來確定，所以拾振傳感器裝配控制方法可歸結(jié)為以下步驟：（1）準(zhǔn)備階段。將所有裝配件通過傳送帶傳送到工作臺(tái)上，并對(duì)其做初步的對(duì)準(zhǔn)，該過程由視覺控制和位置控制實(shí)現(xiàn)。（2）裝配階段。此時(shí)，當(dāng)所有的裝配件均到達(dá)指定位置，機(jī)器人獲取裝配應(yīng)力F和裝配件的位置信息，開始進(jìn)行裝配。（3）檢查階段。判斷此時(shí)的裝配應(yīng)力大小是否在合適的區(qū)間內(nèi)，如果合適的話，則進(jìn)行裝配；不合適的話，則通過計(jì)算機(jī)計(jì)算偏差及調(diào)整量，調(diào)至合適的裝配位置，施加合適的裝配應(yīng)力。（4）完成裝配。此時(shí)應(yīng)滿足所有裝配體完全在一條直線上，且保持Fmin≤F≤Fmax，即可完成整體的裝配。

五、結(jié)語

本文對(duì)拾振傳感器自動(dòng)化裝配系統(tǒng)進(jìn)行了研究，針對(duì)裝配任務(wù)要求，設(shè)計(jì)了基于SCARA機(jī)器人的裝配應(yīng)力控制方法。該裝配系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可以大大提高地震儀器的裝配質(zhì)量，降低地震儀器裝配過程中對(duì)人的依賴性，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，解決因人員勞累而引發(fā)的安全隱患及產(chǎn)品質(zhì)量一致性較差，等等一系列問題。拾振傳感器的生產(chǎn)屬于傳統(tǒng)制造業(yè)，其裝配流水線的實(shí)現(xiàn)有助于提高行業(yè)實(shí)力和競(jìng)爭(zhēng)力，樹立良好的形象，加快推進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，從傳統(tǒng)勞動(dòng)密集型向自動(dòng)化、智能化方向轉(zhuǎn)變的步伐。當(dāng)前，國(guó)家對(duì)于防震減災(zāi)事業(yè)越來越重視，地震儀器生產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，基于工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化裝配系統(tǒng)的建立會(huì)大大縮短地震儀器的制作周期，提高地震儀器的質(zhì)量。地震儀器市場(chǎng)的開拓也會(huì)引起工業(yè)機(jī)器人需求的快速增長(zhǎng)，面對(duì)如此巨大的市場(chǎng)，我國(guó)企業(yè)應(yīng)該抓住機(jī)遇迅速進(jìn)入市場(chǎng)，以我國(guó)重點(diǎn)地震儀器制造項(xiàng)目為依托，加快、加深工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在地震儀器裝配中的應(yīng)用。

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Vibration Picking Sensor Automatic Assembly System

MU Ru-wang,HONG Li

(Open Lab of Disaster Prevention Apparatus,Institute of Disaster Prevention,Langfang,Hebei 065201,China)

Abstract:According to the vibration pickup sensor in the traditional production,and assembly process of existing problems by finite element simulation of the key parts assembly stress are analyzed,combining with the industrial robot in other areas of application,to build an application to pick up vibration sensor positioning,visual and haptic detection assembly system. The structure and composition of the system are introduced in detail,the assembly stress model is established,and the assembly stress of the SCARA robot is analyzed. The effectiveness and feasibility of the proposed method are shown.

Key words:pickup sensor;robot;assembly