胡 鵬，秦現(xiàn)生，劉建平，張 杰

HU Peng，QIN Xian-sheng，LIU Jian-ping，ZHANG Jie

（西北工業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院，西安 710072）

0 引言

電阻應(yīng)變式傳感器是稱重設(shè)備生產(chǎn)行業(yè)中常用的敏感元件，它的工作原理是當(dāng)稱重設(shè)備受到外力時，其敏感外力變化的彈性體隨之發(fā)生變形，粘貼在彈性體應(yīng)力變形區(qū)域上的應(yīng)變片電阻值隨之發(fā)生變化，通過測量轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)外力的測量，并顯示輸出。傳感器是稱重設(shè)備的核心部件，其應(yīng)變片的粘貼效果對產(chǎn)品質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。彈性體與應(yīng)變片如圖1所示。

圖1 彈性體與應(yīng)變片

目前，國內(nèi)電阻應(yīng)變式傳感器制造領(lǐng)域中多采用手工貼片的方法，存在貼片精度低、一致性差、工作效率低等不足。為滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)中電阻應(yīng)變式傳感器的大批量、高精度、自動加工的要求，本文設(shè)計了一種彈性體自動貼片專用設(shè)備，它采用多工位流水線結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)彈性體和應(yīng)變片的自動送料、彈性體表面自動涂膠和應(yīng)變片的自動抓取、檢測及粘貼工作。該設(shè)備將有效彌補手工操作的缺陷和不足，減少人力成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和工作效率。

本文將從設(shè)備工作工藝流程、設(shè)備總體結(jié)構(gòu)、視覺檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計等四個方面介紹該設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)、功能實現(xiàn)和技術(shù)特點。

1 工藝流程

自動貼片專用設(shè)備為多工位流水線生產(chǎn)系統(tǒng)，主體包括送料機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)兩大部分。送料機構(gòu)分為應(yīng)變片送料和彈性體送料兩路獨立的傳送帶送料機構(gòu)，應(yīng)變片送料機構(gòu)有一個工位，即貼片工位；彈性體送料機構(gòu)包含兩個工位，分別為涂膠工位和貼片工位。執(zhí)行機構(gòu)由涂膠機構(gòu)和貼片機構(gòu)組成，其運動也是相互獨立的。應(yīng)變片粘貼的工藝流程如圖2所示。

圖2 設(shè)備運行工藝流程

1）彈性體和應(yīng)變片上料，送料機構(gòu)分別將彈性體和應(yīng)變片送至涂膠工位和貼片工位。

2）利用涂膠器視覺系統(tǒng)采集彈性體的位置狀態(tài)，計算出涂膠器的調(diào)整參數(shù)，以此確定涂膠器的運動軌跡，并進行涂膠，完成后送料機構(gòu)將彈性體送至貼片工位。

3）利用抓取器視覺系統(tǒng)采集應(yīng)變片的位置狀態(tài)，計算出抓取器的運動軌跡實現(xiàn)應(yīng)變片的可靠抓取。

4）利用應(yīng)變片視覺檢測系統(tǒng)采集抓取器上應(yīng)變片的圖像信息。對應(yīng)變片進行規(guī)格和質(zhì)量檢測，若檢測不合格，則將該片棄用，重新進行抓取和檢測；若檢測合格，則進行第5步。

5）根據(jù)抓取器上應(yīng)變片的位置狀態(tài)和貼片工位上彈性體的位置狀態(tài)，計算出抓取器的位置調(diào)整參數(shù)，以此確定其運動軌跡，將應(yīng)變片精確粘貼在彈性體表面。

6）貼片完成后的產(chǎn)品由送料機構(gòu)送至收料盒。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計要求

根據(jù)實際需求，該自動貼片專用設(shè)備需要實現(xiàn)以下功能：

1)自動進行不同型號應(yīng)變片的吸取和檢測；

2)將檢測合格的應(yīng)變片準(zhǔn)確粘貼至彈性體表面，粘貼位置精度優(yōu)于0.1mm；

3)每一個彈性體粘貼周期小于10秒。

2.2 系統(tǒng)概述

彈性體自動貼片專用設(shè)備由應(yīng)變片送料機構(gòu)、彈性體送料機構(gòu)、涂膠機構(gòu)、貼片機構(gòu)、床身和控制系統(tǒng)組成，設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 設(shè)備總體結(jié)構(gòu)示意圖

應(yīng)變片送料機構(gòu)、彈性體送料機構(gòu)可實現(xiàn)應(yīng)變片和彈性體的物料傳送功能。涂膠機構(gòu)和貼片機構(gòu)均使用精密滾珠絲杠運動平臺，其中還包括可同時完成直線運動和旋轉(zhuǎn)運動的絲杠花鍵運動系統(tǒng)，各運動系統(tǒng)在伺服電機的驅(qū)動下，完成空間X軸、Y軸、Z軸直線運動和C軸旋轉(zhuǎn)運動，如圖4所示。

圖4 運動系統(tǒng)示意圖

涂膠機構(gòu)由視覺檢測系統(tǒng)、位置調(diào)整系統(tǒng)和點膠器組成，可實現(xiàn)彈性體位置檢測以及柔性點膠器涂膠姿態(tài)調(diào)節(jié)功能；貼片機構(gòu)由視覺檢測系統(tǒng)、運動機構(gòu)和柔性抓取器組成，可實現(xiàn)彈性體位置檢測、應(yīng)變片質(zhì)量檢測、抓取器姿態(tài)調(diào)節(jié)和貼片等功能。控制系統(tǒng)可實現(xiàn)檢測對象的視覺識別處理和自動貼片過程的控制。

運動系統(tǒng)選用日本THK公司的精密滾珠絲杠運動副，包括SNR45R1SS1370型直線導(dǎo)軌、SNR45LR型滑塊等。伺服電機選用松下MINAS A5系列50W～400W等多型電機。

2.3 貼片機構(gòu)

貼片機構(gòu)安裝于X軸運動平臺上，由Y2軸、Z2軸、C2軸、柔性抓取器和視覺檢測系統(tǒng)等組成，其中Z2軸和C2軸為絲杠花鍵運動副，可同時實現(xiàn)直線和旋轉(zhuǎn)運動，如圖5所示。貼片機構(gòu)的運動由伺服電機驅(qū)動，通過視覺系統(tǒng)的位置檢測，將位控信息反饋至控制系統(tǒng)，實現(xiàn)應(yīng)變片的抓取、檢測和粘貼操作。

圖5 貼片機構(gòu)示意圖

為了滿足應(yīng)變片吸取和粘貼的工藝操作要求，柔性抓取器由夾緊頭、緩沖器、真空腔和吸嘴四部分組成，如圖6所示。

圖6 柔性抓取器組成示意圖

夾緊頭用來實現(xiàn)吸頭部分和Z2軸的連接；緩沖器由直線軸承副和彈簧組成，實現(xiàn)應(yīng)變片粘貼時沖擊力的緩沖功能；真空腔的一端與緩沖器連接并密封，另一端用于安裝吸嘴，其外壁有氣動接頭安裝螺紋；吸嘴由采用多孔吸附設(shè)計的硬質(zhì)塑料制成，以保證吸取應(yīng)變片時的平穩(wěn)性，吸嘴通過壓盤與真空腔緊密連接，連接處使用密封圈密封。

2.4 送料機構(gòu)

送料機構(gòu)由應(yīng)變片送料傳送帶、彈性體送料傳送帶、傳動滾子、位置傳感器、驅(qū)動電機和收料盒等組成，如圖7所示。在控制系統(tǒng)的程序指令下，實現(xiàn)應(yīng)變片和彈性體的傳送和定位功能。

圖7 送料機構(gòu)示意圖

3 應(yīng)變片視覺檢測系統(tǒng)

該設(shè)備的應(yīng)變片視覺檢測系統(tǒng)用來實現(xiàn)應(yīng)變片質(zhì)量檢驗和位置檢測兩個功能。質(zhì)量檢驗是通過識別應(yīng)變片表面的特征信息，判斷應(yīng)變片型號是否正確以及是否損壞。當(dāng)檢驗合格時，根據(jù)應(yīng)變片表面三角形的幾何位置信息，計算其相對坐標(biāo)位置，并與標(biāo)準(zhǔn)模板進行比對，得到目標(biāo)物的實際位置偏移量，反饋至控制系統(tǒng)，作為粘貼補償參數(shù)。如圖8所示。該光視檢測系統(tǒng)選用美國COGNEX公司In-Sight micro 1403型工業(yè)相機及In-Sight Explorer 4.5.0圖像處理軟件，實現(xiàn)了對應(yīng)變片的高效檢驗及高精度位置檢測。

圖8 應(yīng)變片圖像獲取及特征識別

4 機床控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計

機床控制系統(tǒng)采用“PC+運動控制卡+進給伺服驅(qū)動器”的開放式控制架構(gòu)體系，采用模塊化設(shè)計，即系統(tǒng)由HMI單元、主控單元、運動控制單元、伺服驅(qū)動單元以及過程控制單元等組成，如圖9所示。

圖9 控制系統(tǒng)框圖

HMI單元由人機界面和人機接口單元等組成，主要完成非實時任務(wù)，如程序和參數(shù)輸入輸出、設(shè)備運行狀態(tài)顯示和數(shù)據(jù)管理等人機接口。

主控單元主要由工控機組成，為HMI單元運行提供支撐環(huán)境，并為數(shù)據(jù)采集及運動控制算法提供平臺支撐。

運動控制單元選用開放式控制器，主要由UMAC控制器、運動控制卡和I/O模塊組成。運動控制單元是多軸運動的核心，完成涂膠機構(gòu)、貼片機構(gòu)和送料機構(gòu)中多軸之間的實時控制任務(wù)，并負(fù)責(zé)各單軸的伺服位置控制。

伺服驅(qū)動單元主要由單軸驅(qū)動器+驅(qū)動電機組成，具體實現(xiàn)涂膠機構(gòu)、貼片機構(gòu)和送料機構(gòu)中各單軸的伺服控制，包括速度和加速度控制、位置控制等?？紤]到涂膠和貼片調(diào)整精度要求，X1、Y1、C1、X2、Y2和C2軸采用伺服電機控制+光柵尺反饋形成全閉環(huán)位置控制；Z1、Z2運動采用伺服電機控制+碼盤反饋形成半閉環(huán)位置控制；送料傳送帶機構(gòu)采用步進電機開環(huán)控制。

過程控制單元以UMAC控制器內(nèi)置PLC為控制核心，通過輸入輸出信號模塊實現(xiàn)控制器與外部器件的I/O邏輯控制，如位置傳感器信號的采集、各種閥的控制、真空度的控制、光源閃光的控制以及CCD圖像采集觸發(fā)信號的控制等，從而實現(xiàn)自動貼片的過程控制和機床運行狀態(tài)的監(jiān)測。

4.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件的功能包括操作權(quán)限設(shè)定、數(shù)據(jù)庫管理、人機信息交互、視覺檢測系統(tǒng)信息處理、自動貼片運動與過程控制、機床狀態(tài)檢測等。

本設(shè)備上位軟件運行于工控機上?？刂葡到y(tǒng)軟件設(shè)計如圖10所示。

圖10 上位軟件開發(fā)框圖

軟件平臺以Delta Tau提供的Pcomm32動態(tài)鏈接庫作為HMI開發(fā)的支持軟件包。通過Visual C++高級語言編程，基于UMAC控制器應(yīng)用軟件開發(fā)工具Pcomm32實現(xiàn)機床運動控制與過程控制；基于視覺檢測系統(tǒng)和圖像處理算法，對圖像采集數(shù)據(jù)進行濾波降噪、圖像定位及圖像位姿檢測，確定涂膠與貼片機構(gòu)運動和過程控制的目標(biāo)，進一步規(guī)劃運動程序?qū)崿F(xiàn)自動貼片。

5 結(jié)束語

該自動貼片專用設(shè)備實現(xiàn)了彈性體多工位流水線自動粘貼應(yīng)變片的功能，有效彌補了長期以來電阻應(yīng)變式傳感器生產(chǎn)領(lǐng)域中，手工貼片存在的貼片精度低、一致性差和工作效率不高的不足。通過理論分析、設(shè)計計算和部分試驗驗證，表明該設(shè)備能夠滿足設(shè)計要求，在生產(chǎn)過程中，能夠有效提高貼片精度和一致性，同時將極大的提高生產(chǎn)效率，降低廢品率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，具有一定的工業(yè)推廣價值。

[1] 梁引花.論貼片機研制及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2009,10:12.

[2] 劉九卿.數(shù)字式智能稱重傳感器的發(fā)展與應(yīng)用[J].衡器,2004,05:8-12.

[3] 顏嘉男.伺服電機應(yīng)用技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2010:126.

[4] THK直線運動系統(tǒng)綜合產(chǎn)品目錄.

[5] 楊建武.國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].制造技術(shù)與機床,2008,12:57-62.

[6] 韓丙辰,陳樹越.基于數(shù)字CCD相機的高速圖像采集系統(tǒng)[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用,2005,5(18):40-4.