异形电子元器件插装机器人抓手设计与分析

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

王　越，伍昕忠，李本海，荣　钰

（机械科学研究总院，北京 100044）

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



异形电子元器件插装机器人抓手设计与分析

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

王越，伍昕忠，李本海，荣钰

（机械科学研究总院，北京 100044）

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

摘要：基于机器人的自动化装配技术已成为现代化生产的重要研究方向，对机器人末端执行器的研究是实现自动化装配技术的关键。针对小型异形电子元器件的自动插装作业要求，设计了一款插装机器人的抓手，该抓手集成了CCD机器视觉系统、光纤传感器检测系统和碰撞缓冲系统，实现了异形电子元器件的可靠抓取、精确定位、元器件针脚碰撞检测、插装到位检测等功能。在分析抓手功能的基础上，详细介绍了总体方案及抓手的结构设计并应用ANSYS分析软件对抓手末端夹持部分进行了力学分析。试验证明，该抓手具有良好的应用前景。

关键词：异形电子元器件；插装机器人；抓手设计；力学分析

0　引言

随着机器人技术的成熟，带动了自动化装配技术的快速发展。现在主要依靠手工插装的异形电子元器件，也希望由六关节机器人自动将其插装在电路板上。

由于异型电子元器件种类较多，外形尺寸和管脚数量变化较大，所以抓手设计要综合考虑其通用性，仅变抓手末端夹片的样式和尺寸。

电路板上的插装孔比针脚直径大0.4mm左右，所以需要在插装时精确定位。

插装过程中要检测针脚是否插入到位，所以需要碰撞检测和碰撞缓冲系统。

为了实现小型异形电子元器件往电路板上的自动插装作业功能，同时提高自动化水平和生产效率，减轻生产者的劳动强度，本文对插装机器人的抓手进行了设计研究。

1　总体方案设计

抓手总体结构方案如图1所示，通过法兰盘安装在六关节机器人的末端，抓手可以先后抓取四个异形电子元器件。主要由夹爪支撑架、CCD机器视觉系统、LED光源和四套夹爪组成，其中四套夹爪除夹片不同外，采用相同的结构，具有互换性。

CCD机器视觉系统安装在夹爪支撑架内部，LED光源安装在夹爪支撑架底部，共同完成电路板上定位孔的检测，以精确定位抓手。需要说明的是，异形电子元器件的针脚位置和姿态检测是由另外套CCD机器视觉系统完成。

夹爪支撑架下部为锥形，四套夹爪均匀分布在圆锥切面上，每套夹爪均由滑台、上挡板、下挡板、连接板、气爪、左右夹片、拉簧和光纤传感器组成。其中，连接板、气爪、夹片通过螺钉连接在起，在拉簧的作用下紧贴在下挡板上，当电子元器件的针脚未能准确插入孔中时，上述组件沿滑台上移，触发光纤传感器发讯，实现碰撞检测。

气爪的开合实现电子元器件的夹取与释放，根据电子元器件的形状不同，在气爪上安装相应的夹片，就可以实现快换。在夹片上设计凸台，起到定位元件的作用。

图1　抓手总体结构方案

2　结构设计

在对总体方案进行分析的基础上，对该抓手进行了详细的结构设计。本文重点介绍夹爪支撑架和夹片的结构设计。

2.1夹爪支撑架

夹爪支撑架是抓手的主体部分，CCD机器视觉系统、LED光源和四套夹爪等组件都连接其上。

如图2所示，夹爪支撑架采用壳体结构，材料为铝合金，壳体厚度为5mm。相机外形近似为个30×30×55的立方体，可以完全容纳在支撑架下端锥体内。支撑架上端留方形孔，以方便相机引线与控制设备的连接。

夹爪支撑架的设计重点是下部锥度设计，锥度应尽可能小，以减小抓手外形尺寸。但是在实际应用中要考虑电路板上已经插装的电子元件的高度，当个夹爪插装元件时，应保证其左右两侧的夹爪夹持元件后与电路板上元件不会发生干涉。

本文根据实际插装的需求，经过计算，将锥体角度设为30°。

图2　夹爪支撑架零件图

2.2夹片

夹片是抓手的主要受力部分，也是保证插装精度的重要环节。如图3所示，为某电子元器件的夹片零件图。夹片采用整体式结构，材料为铝合金。此种结构的优点是加工简单，安装方便，适应元件的多样性。但由于夹持面与安装面之间距离较大，会产生较大弯矩，使夹片产生弯曲变形，所以设计时要重点对夹片进行受力分析与变形分析。

夹片夹持端的厚度受电路板上的元件间距的限制。在插装时，电路板上已有插装好的元件，为了避免碰撞，夹片夹持端厚度越薄越好，但厚度越薄越容易发生变形，所以通过计算，选用3mm厚度，同时背端倒70度倒角，进步减小末端厚度。

通过计算，安装面连接处应力最大，选用3mm厚度。

由于需要对元件竖直方向进行定位，夹片的夹持面和安装面没有设计成个平面内，而是形成个凸台，这样就可以确保元件插入端处于个水平面上，保证机器视觉检测的质量和精度，以及插装平面的安全距离。

图3　夹片零件图

3　抓手夹持末端力学分析

3.1材料设定

首先对模型材料进行设定，该夹片采用6061铝合金材料进行加工生产，如表1所示，为该铝合金材料的参数。

表1　铝合金材料参数

3.2限位和施加载荷

图5为ANSYS力学分析的静态结构图，夹片在A面通过螺钉连接在气爪上，6自由度完全定位，在C面上施加平均载荷2.6×105Pa。

图4　气爪夹持力图

3.3结果分析

图5　静态结构图

图6　等效应力图

图7　等效应变图

经过ANSYS模拟受力分析，得到图6所示等效应力图和图7所示等效应变图。从图6和图7中可知，Max处为整个零件受力最大的部位和应变最大处，最大应力值为σmax=2.6459×107Pa，小于表1中所示的铝合金的拉伸屈服强度和压缩屈服强度2.8×108Pa，且安全系数达到10.5；最大应变值为εmax=3.7549×10-4m，在精度许可范围内；弹性模量为7.1×1010Pa。Max处应力与应变的比值为：

符合广义胡克定律，应力与应变之间是线性关系，所以材料处于弹性变形阶段，不会产生塑性变形或断裂破坏。

4　插装功能的实现

如图8所示，将抓手安装在机器人上，设置坐标系来实现各点坐标的统。将两夹片末端中心定义为抓手的执行点，测量各抓手执行点相对于抓手与机器人连接点的距离和角度，通过机器人控制器的定义工具功能来设置抓手执行点。然后设置坐标系原点，原点可以设置为机器人回零点，也可以设置为工作平面上方的任意点。再分别设置生产过程中的取料点和插装点的坐标值，其中取料点坐标为固定值，来料由喂料器连续提供，插装点坐标由抓手内部相机识别获得，再由机器人试教纠偏，将所得坐标值存入计算机，供程序调用。

抓手的工作流程为：1）回原点，避免抓手到取料点的路径上与工作平面上的元件相撞。2）取料，四个

【】【】

夹爪分别到各自的取料位取料，考虑到绕线的问题，先用对称方向夹爪取料，再旋转换夹爪，保证个方向的旋转不超过180°。3）插装，抓手先快速到达插装点上方定距离，再用低速将元件插在电路板上，然后移动回插装点上方，再快速到达下个插装点。四个点都插装好后回到原点。

图8　现场照片

5　结论

随着自动化装配在电子领域的应用越来越广泛，与之相配套的末端执行器的设计需求将越来越迫切。本文给出了插装机器人抓手的整体结构设计方案，根据工程实际需求，对夹爪支撑架和夹片进行了结构设计，并对抓手的受力部分进行了强度分析，保证在实际生产中的可靠性。最后，给出了抓手在插装生产中的功能实现，证明了该抓手设计方案的可行性。

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作者简介：王越（1990 -），女，黑龙江齐齐哈尔人，硕士研究生，研究方向为机电一体化。

收稿日期：2015-11-12

中图分类号：TH122；TP241.2献标识码：B

文章编号：1009-0134(2016)03-0086-03