任久帥 王繼榮 蘇明順 牛山

摘要： 針對手工抓取印刷電路板放入吸塑盒存在效率低且容易對PCB造成損害的問題，本文以某印刷電路板公司為研究對象，設計了印刷電路板（printed circuit board，PCB）自動化生產(chǎn)流水線，對PCB抓取機器人進行了總體的結(jié)構(gòu)設計，通過對幾種機械手抓取方案的比較，選取柔性夾鉗式機械手。分析結(jié)果表明，本文設計的機械手在抓取PCB小板過程中，運動平穩(wěn)，很好地實現(xiàn)了PCB抓取和裝盒操作。該研究為PCB抓取的研究和開發(fā)提供了理論依據(jù)，具有廣闊的發(fā)展前景。

關鍵詞： PCB； 機械手部； 柔性夾鉗式； 裝盒

中圖分類號： TH122；TP241.2文獻標識碼： A

收稿日期： 20170401； 修回日期： 20170904

作者簡介： 任久帥（1992），男，碩士研究生，主要研究方向為機械CAD。

通訊作者： 王繼榮，女， 博士，教授，主要研究方向為機械CAD。Email： wangjirong43@163.com印制電路板作為底盤，用來裝載電子元器件，實現(xiàn)電子元器件的相互連接，傳遞信號[1]。美國馬薩諸塞州州立大學開發(fā)的、安裝在手臂前端的仿人型機器人平臺Dexter，安裝了Barrett公司開發(fā)的多指機械手，該手具有3個手指，每個手指有4個自由度，并在指尖集成了觸覺傳感器[25]。通過頭部集成的立體視覺系統(tǒng)，對操作的物體進行定位，利用設計的閉環(huán)規(guī)劃控制器靈活地對物體進行抓取操作[56]；意大利推出的仿人機械手——SmartHand手，通過腱驅(qū)動的工作原理，該機械手具有16個自由度，其中四個手指具有3個自由度，而拇指有4個自由度[68]。這個手采用Hirose欠驅(qū)動，傳動結(jié)構(gòu)是由滑輪、鋼鍵和鋼纜組成，并且能夠驅(qū)動各個指節(jié)的運動，該手指的運動軌跡是由扭曲剛度、滑輪半徑和預載荷來確定的，可以實現(xiàn)精準捏取，精準力量抓取以及指尖動作等[912]；德國SCHUNK公司Lightweight設計的Arm LWA3機械手[1315]，可以承受的最大載重為05 kg，機械手臂本體重4 Kg，具有6個自由度，其定位精度為≤01 mm。它采用的處理器為PowerPC，可以兼容多個外設，且具有嵌入式的Linux內(nèi)核，因此該機械手通用性很強，而且能夠跟其他設備集成，比普通的機械手具有更高的可操作空間[16]；北京航空航天大學機器人研究所開發(fā)了BUAA機械手，每個機械手都有四個自由度，而且結(jié)構(gòu)相同，通過直流伺服電機實現(xiàn)驅(qū)動，通過齒輪傳動驅(qū)動，該機械手模塊化的結(jié)構(gòu)設計能夠完成不同的動作[1720]?；诖耍疚脑O計了PCB自動化生產(chǎn)流水線，對PCB抓取機器人進行總體結(jié)構(gòu)設計，通過對幾種機械手抓取方案的比較，選取柔性夾鉗式機械手。該機械手在抓取PCB小板過程中，運動平穩(wěn)，能很好地實現(xiàn)PCB抓取和裝盒操作。該研究實現(xiàn)了大規(guī)模機械流水線作業(yè)，提高了生產(chǎn)效率。

1PCB抓取機器人

1.1整體機構(gòu)工作原理

1）定位模具。在導軌上定位緊固已經(jīng)攜帶分好的PCB小板，此時機器人腰部旋轉(zhuǎn)，運動到定位模具上方。

2）機器人手臂完成水平方向的旋轉(zhuǎn)，并通過放置的驅(qū)動氣缸來完成機械手爪的豎直運動。

3）視覺定位系統(tǒng)識別PCB小板的信息狀況，定位PCB小板的位置，并將PCB小板的信息狀況傳遞給控制系統(tǒng)，從而控制機械手完成下一步指令。

4）機械手接收到抓取命令后，夾持氣缸張開，推動齒輪齒條工作，使手爪部分張開到與PCB板相對應的位置。機械手靠末端執(zhí)行器的4個小爪夾持器夾緊PCB，完成抓取動作。

5）手臂上升，上升到位后旋轉(zhuǎn)90°，機械手爪移動到吸塑盒上方。

6）機器人手臂完成水平方向的旋轉(zhuǎn)，并通過放置的驅(qū)動氣缸來完成機械手的豎直運動。

7）夾持氣缸復位，機械手松開，將PCB小板放入吸塑盒中。

8）手臂上升，上升到位后旋轉(zhuǎn)90°，恢復到初始位置，至此完成一個工作周期。

1.2機械手參數(shù)

本次設計所需抓取的PCB質(zhì)量較輕，約為50 g，因此考慮采用氣動方式驅(qū)動。氣動驅(qū)動需要壓縮的空氣，粘性小、流速大，所以機械手的動作較快。機械手的主要參數(shù)是機械手的動作速度、行程等。本設計中機械手的操作節(jié)拍對機械手的速度要求較高，如果機械手的速度過低會影響抓取速度，進而影響到整個流水線的工作效率。決定機械手工作速度的主要因素是手臂的升降速度、機械手腕的抓取和夾緊速度以及機械手回轉(zhuǎn)速度。經(jīng)分析計算，設定機械手臂平均升降速度為150 mm/s，手腕的平均速度為48 mm/s，平均回轉(zhuǎn)速度為90°/s，壓緊機構(gòu)的平均速度為25 mm/s。除了對機械手臂的運動速度做設計估算以外，還對機械手臂的工作半徑做了現(xiàn)場測量。所設計的機械手工作半徑為1 000 mm，大致相當于工人坐著手臂可達到的最大半徑。

1）設計技術參數(shù)。坐標形式為圓柱坐標，最大工作半徑為1 000 mm；手臂運動參數(shù)：升降行程為150 mm，升降速度為150 mm/s；手部運動參數(shù)：夾緊行程為20 mm，夾緊速度為18 mm/s；回轉(zhuǎn)運動參數(shù)：回轉(zhuǎn)范圍為0°～180°，回轉(zhuǎn)速度為36°/s；壓緊運動參數(shù)：壓緊行程為30 mm，壓緊速度為15 mm/s。

2）主要工作參數(shù)。PCB小板如圖1所示。分板前拼板面積為234 mm×149 mm；分板后，單板面積為65 mm×45 mm；模塊整體高度為24 mm。PCB板裝載吸塑盒，吸塑盒材質(zhì)為防靜電PVC，PCB吸塑盒如圖2所示。整版體積為381 mm×270 mm×315 mm；小格排列方式為5×5；小格體積為682 mm×486 mm×315 mm。PCB小板抓取機械手模型示意圖如圖3所示。

為實現(xiàn)上述功能，通過對多種抓取機器手進行分析比較。真空吸附式機械手可以對PCB實現(xiàn)精準定位操作，誤差較小，且速度也相對較快，但是本次抓取的PCB小板表面有小零件，凹凸不平，因此吸取難度較大；仿人機械手結(jié)構(gòu)較為復雜，仿人性好，功能豐富，易實現(xiàn)PCB小板的抓取，但是機械手需要完成的動作較為簡單，仿人機械手設計成本相對較高，而且定位精度不高，很難精準抓取到PCB板；夾鉗式機械手可以實現(xiàn)PCB的抓取，且穩(wěn)定性較好，設計成本相對較低，也不會對PCB產(chǎn)生損壞，因此本設計選取具有軟抓取功能的夾鉗式機械手。

3柔性夾鉗式機械手的設計

機械手爪部分也被稱作末端操作器，由手指、傳力結(jié)構(gòu)、驅(qū)動裝置等組成，是與所抓取工件相接觸的部件。機械手爪需要完成夾持PCB小板的動作，并按照指定運動軌跡將PCB放到吸塑盒中，由于PCB表面零件較多，本設計的機械手爪為柔性夾鉗式。

1）選擇運動方式。抓取PCB的運動軌跡為循環(huán)往復半徑式運動，因此機械手運動方式采用回旋型運動。

2）機械手手指和手爪的結(jié)構(gòu)設計。機械手手指部分的結(jié)構(gòu)設計是由PCB表面的形狀、質(zhì)量、外觀及尺寸決定。被抓部位設定為PCB四角的4個小孔，考慮PCB小板的材質(zhì)及小板結(jié)構(gòu)的特殊性（表面凹凸不平，且為容易損壞的電子零件），把手部設計為柔性的內(nèi)撐式夾鉗機械手。為了準確定位PCB小板，使PCB與手爪部分保持正確的相對位置，手爪內(nèi)撐結(jié)構(gòu)設計為與PCB相對的兩根小圓柱插入式手爪，抓取時通過夾緊氣缸的動作來控制手部張合，實現(xiàn)PCB小板的抓取。在手爪根部添加驅(qū)動氣缸，實現(xiàn)手爪的運動。進行抓取時，氣缸工作，推動齒輪齒條工作，使手爪部分張開到與PCB板相對應的位置。

3）機械手夾持力的設計。機械手靠末端執(zhí)行器的4個小爪夾持器夾緊PCB小板，然后通過機械手運動，將PCB移動到吸塑盒中。由于PCB小板質(zhì)量較輕，所以對機械手夾持力的要求并不高，只要保證PCB在抓取過程中不會掉落松動即可。手指夾緊力如果過大的話有可能對PCB造成損壞或造成PCB上邊細小的零部件松動，影響PCB后續(xù)的使用。同時，為了實現(xiàn)PCB的軟抓取功能，在兩個手爪之間分別添加小型彈簧，可以實現(xiàn)PCB小板的柔性抓取。經(jīng)分析估算，機械手抓取的夾持力約為15～20 N，可保證PCB在盡可能在變形小的情況下抓起。

4機械手爪銷子的有限元分析

首先將機械手銷子通過Proe/E建模，然后保存成中性格式“step”格式，導入到有限元分析軟件ANSYS Workbench進行靜力學分析。進行劃分網(wǎng)格，設定單元格大小為5 mm以獲得較好的網(wǎng)格質(zhì)量，然后施加載荷和約束得到等效應力云圖與變形分配云圖，銷子受拉力時等效應力云圖如圖4所示，銷子受拉力時變形分配云圖如圖5所示。由圖4可以看出，銷子受拉力時，最大疲勞應力為684×105 Pa；由圖5可以看出，銷子受拉力時，最大變形為751×10-8 m，遠遠小于材料的許用應力235 MPa。

5結(jié)束語

本文以青島某PCB生產(chǎn)公司人工抓取PCB放入吸塑盒為研究對象，對PCB抓取機械手做了整體設計。該機械手能夠迅速穩(wěn)定的抓取PCB小板裝盒，大大提高了生產(chǎn)效率。通過Ansys有限元分析，該機械手在抓取PCB小板過程中，運動平穩(wěn)，很好地實現(xiàn)PCB裝盒操作，為PCB抓取的研究和開發(fā)提供了理論依據(jù)。但該設計一次只抓取一個PCB小板，工作效率低，而且在實際應用中還存在抓取不穩(wěn)定等問題，這將是下一步研究的重點。該研究具有十分廣闊的應用前景。

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