一種基于機器視覺的機械手定位裝置的設(shè)計*

楊振宇，桂祖平，黃生富

（1.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山 528400；2.珠海華冠電子科技有限公司，廣東珠海 519000）

0 引言

隨著“機器視覺”技術(shù)和“高速機械手”技術(shù)的發(fā)展，快速定位與抓取的視覺機械手已經(jīng)成為當(dāng)前自動化控制系統(tǒng)中重要的前沿技術(shù)，并越來越多地應(yīng)用在集成電路裝配、精密儀器裝配、工件高速定位等生產(chǎn)領(lǐng)域，視覺定位是機器人視覺最適合的任務(wù)之一[1]，機器視覺技術(shù)和高速機械手控制技術(shù)的結(jié)合，對提高生產(chǎn)效率、提高重復(fù)精度，提高自動化水平，推進(jìn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有重要意義。

1 視覺機械手的工藝流程

在電路板器件安裝生產(chǎn)領(lǐng)域，經(jīng)常需要對貼片類器件進(jìn)行高速定位與快速安裝，例如PCB板上的芯片安裝、柔性電路板上的補強片的安裝、微機電裝置的器件安裝等，工業(yè)應(yīng)用中常用帶有真空吸附頭的多自由度機械手[2]來實現(xiàn)將貼片類的器件進(jìn)行快速拾取與準(zhǔn)確定位。在這種小微型貼片類器件的貼片系統(tǒng)[3]中，貼片的精確定位都需要通過視覺相機對機械手快速吸取后的位置姿態(tài)進(jìn)行檢測，并按照檢測到的位置偏差，對貼片類器件進(jìn)行位置角度校正，以保證安裝時的準(zhǔn)確定位。如圖1所示為貼片類器件的快速定位視覺機械手的工藝流程。

2 視覺機械手機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

視覺機械手基于視覺和伺服控制的高精度運動控制系統(tǒng)[4]，改進(jìn)了傳統(tǒng)的機械手的抓取缺點，能夠準(zhǔn)確、快速地拾取和定位貼片類器件。本文所提出的高精度的視覺機械手用于從來料傳送線或來料工作臺上吸取貼片類器件，在視覺相機2對貼片器件的機械手拾取位置姿態(tài)進(jìn)行檢測后，對貼片類器件進(jìn)行角度校正，如圖2所示為視覺機械手。

圖1 視覺機械手快速安裝貼片類器件的工藝流程

視覺機械手的機械結(jié)構(gòu)自上而下分別包括：Z軸角度校正伺服電機、機械手臂旋轉(zhuǎn)軸的軸承座，軸承座裝配有視覺相機1，用于檢測貼片類器件目標(biāo)安裝板的定位位置，機械手臂旋轉(zhuǎn)軸的下端安裝有上下伸縮氣缸，以及伸縮氣缸末端的吸頭，如圖2所示為視覺機械手的機械結(jié)構(gòu)。

視覺機械手安裝在一個橫向布置的龍門型X軸向絲杠滑臺上，視覺機械手的橫向移動由安裝在絲杠滑臺一側(cè)的伺服電機驅(qū)動，以實現(xiàn)貼片類器件的X方向上的精確定位。為提高視覺機械手的工作效率，伸縮氣缸下端設(shè)計有兩個貼片器件的拾取吸頭，視覺機械手一次可以拾取和定位安裝兩塊貼片類器件。

圖2 視覺機械手的機械結(jié)構(gòu)

3 機械手定位裝置的整體機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于機器視覺的機械手定位裝置包括機架、底座、設(shè)置于底座上的工作臺，工作臺的一側(cè)是貼片類器件的來料傳送裝置，工作臺的另一側(cè)是貼片類器件的目標(biāo)安裝臺，目標(biāo)安裝工作臺上固定有貼片器件的目標(biāo)安裝板，如PCB板或柔性電路板，由于目標(biāo)安裝板上需要安裝多個貼片類器件，因此固定了目標(biāo)安裝板的工作臺具有前后進(jìn)給裝置，如上所說的基于機器視覺的機械手定位裝置的機械整體結(jié)構(gòu)，如圖3、圖4所示。

視覺機械手安裝在一個橫向布置的龍門型X軸向絲杠滑臺上，視覺機械手的橫向移動由安裝在絲杠滑臺一側(cè)的伺服電機驅(qū)動，以實現(xiàn)貼片類器件的X方向上的精確定位。為提高視覺機械手的工作效率，伸縮氣缸下端設(shè)計有兩個貼片器件的拾取吸頭，視覺機械手一次可以拾取和定位安裝兩塊貼片類器件，如圖4所示。

圖3 機械手定位裝置整體機械結(jié)構(gòu)三維圖

由圖3和圖4所示，視覺機械手的貼裝頭[5]從貼片來料工作臺吸取元件后，移動到視覺相機2的位置，進(jìn)行貼片姿態(tài)位置檢測，比較標(biāo)準(zhǔn)正確的姿態(tài)，判斷貼片器件的拾取位置偏差，視覺系統(tǒng)將檢測到的姿態(tài)位置數(shù)據(jù)發(fā)送給視覺控制器，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，再通過PLC控制器發(fā)送給伺服電機，伺服電機驅(qū)動機械手以校正工件的角度姿態(tài)偏差。視覺機械手移動至右側(cè)的貼片安裝工作臺上方，這時貼片安裝工作臺在工作臺Y向移動伺服電機的驅(qū)動下，前后移動，以使安裝在機械手旋轉(zhuǎn)軸承座上的視覺相機1，進(jìn)行安裝工作臺目標(biāo)安裝板的位置標(biāo)示檢測，視覺相機1檢測到安裝工作臺上所固定的目標(biāo)安裝板的前后標(biāo)示后，確定了安裝板的位置，這時，X軸向伺服電機和Y向伺服電機快速移動以確定貼片器件的定位和安裝位置，機械手進(jìn)行安裝。

由圖3和圖4所示，視覺機械手從貼片來料工作臺吸取貼片器件后，移動到視覺相機2的位置，進(jìn)行貼片姿態(tài)位置檢測，比較標(biāo)準(zhǔn)正確的姿態(tài)，判斷貼片器件的拾取位置偏差，視覺系統(tǒng)將檢測到的姿態(tài)位置數(shù)據(jù)發(fā)送給視覺控制器，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，再通過PLC控制器發(fā)送給伺服電機，伺服電機驅(qū)動機械手以校正工件的角度姿態(tài)偏差。視覺機械手移動至右側(cè)的貼片安裝工作臺上方，這時貼片安裝工作臺在工作臺Y向移動伺服電機的驅(qū)動下，前后移動，以使安裝在機械手旋轉(zhuǎn)軸承座上的視覺相機1，進(jìn)行安裝工作臺目標(biāo)安裝板的位置標(biāo)示檢測，視覺相機1檢測到安裝工作臺上所固定的目標(biāo)安裝板的前后標(biāo)示后，確定了安裝板的位置，這時，X軸向伺服電機和Y向伺服電機快速移動以確定貼片器件的定位和安裝位置，機械手進(jìn)行安裝。

圖4 機械手定位裝置的整體機械結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

4 結(jié)束語

近年來，基于視覺的機械手控制——視覺伺服，已逐漸發(fā)展成為機器人領(lǐng)域最活躍的研究方向之一[6]，本文所闡述的貼片類機械手定位裝置，將精密機械與視覺系統(tǒng)有機結(jié)合[7-8]，具有X-Y-Z三個軸向的自由度，同時具有兩個視覺相機，分別對貼片類器件的位置姿態(tài)，和安裝目標(biāo)板的位置進(jìn)行檢測，機械手的下端安裝有兩個貼片器件拾取頭，大大提高了貼片器件的定位工作效率，這種具有一定柔性的，基于機器視覺的快速抓取、校正、定位的伺服機械手控制系統(tǒng)，可以廣泛地使用在集成電路裝配、精密儀器裝配、微型工件高速定位行業(yè)領(lǐng)域，具有較高的應(yīng)用價值。