拾振传感器自动化装配系统

穆如旺+洪利

摘要：针对拾振传感器在传统生产装配过程中存在的问题，采用有限元仿真对其关键部位的装配应力进行了分析，并结合工业机器人在其他领域中的应用，搭建了一套可实现拾振传感器定位、视觉和力觉检测的装配系统，详细介绍了该系统的结构与组成，建立了装配应力模型，并对SCARA机器人的装配应力进行分析，表明所提方法的有效性和可行性。

关键词：拾振传感器；机器人；装配

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）10-0093-03

一、引言

地震观测研究作为当前地球物理行业的重要研究课题，越来越受到人们的关注。拾振传感器作为地震仪器的关键部位，其性能指标直接影响着地震数据获取的质量，为了进一步提高地震观测研究水平、推动地球科学技术不断发展，决定了地震仪器将会向着低成本、小体积、低功耗和高一致性方向发展[1]。

随着微小型器件的特征尺寸不断减小，结构日益复杂，人们对它的制造和装配环节提出了更高的要求[2]。近年来，虽然国内外针对微小型器件自动装配技术进行了研究，并取得了一定的成绩，但绝大多数的微小型器件依旧采用传统的手工装配方法，并不能满足微小型产品的一致性要求[3]。先进的微小型器件装配技术的兴起，对于提高微小型产品的制造质量、缩短生产周期、降低产品成本方面具有重要的意义[4]。国内外在微装配方面的研究表明，采用工业机器人对微小器件进行装配是目前微装配技术的发展趋势，从而大大提高了微小型器件装配的精度及自动化程度[5]。

本文对拾振传感器自动化进行了研究，搭建了一套可实现视觉定位和力觉控制的自动化装配系统。系统实现了拾振传感器自动定位及精密装配，满足了装配的位置和形位等方面精度的要求，产品的一致性和装配作业效率得到了大幅度的提高。

二、装配系统结构与组成

拾振传感器装配的主要过程如图1所示，包括机械摆、顶盖、磁钢、导磁碗、支架与底座之间的对准和装配对接。为了保证所有装配件能顺利对接，不对装配件本身产生影响，保证装配件的定位，这要求在装配的过程中应使用恒定大小的力，从而保证拾振传感器的一致性。

针对拾振传感器的装配要求，该装配系统采用了精密定位处理—视觉监视—力觉检测—计算机控制的方案。其装配系统包括定位单元、监视单元和吸附夹持单元；定位单元由2个精密定位平台组成，监视单元由视觉检测和力觉检测组成，吸附夹持单元由各装配件的夹持器和吸附装置成，各个单元相互关系如图2所示。

待装配件由夹持单元夹持，通过定位单元进行定位，再由视觉检测单元对其定位精确度进行检测，保证各装配件的孔在同一条直线上；在进行对接时，由力觉传感单元对装配力进行控制，控制各装配件之间对接过程的受力，从而确保顺利完成装配任务。

三、装配应力有限元分析

根据影响拾振传感器一致性好坏的决定因素，本文选取了拾振传感器的机械摆部分进行有限元分析，主要采用有限元分析软件ANSYS建立有限元模型，对在施加不同装配应力条件下的加工变形进行计算。

所建立有限元模型为静力学分析，采用负载条件下加载装配应力[6]，模拟装配加工全过程，分析输出为预测零件变形受力分析图，有限元模型装配应力分析如图3所示。

借助有限元软件的仿真分析，验证并确定了如何选取一个适当的装配应力，为后期自动化装配环节，机器人装配应力的选取，提供了有力的理论依据，同时，对于拾振传感器其他部件的装配同样适用。无论是装配位置、装配顺序和装配应力选取都对拾振传感器生产的一致性精度有重要的影响[7]。

四、自动化装配各环节步骤

由上面的ANSYS有限元软件仿真可知，拾振传感器在装配过程中装配力的大小对其性能影响比较大。机器人是一个复杂的动力学系统，机器人系统在负荷以及关节力的作用下会达到一个静力平衡[8]。机器人作业时会与所处的环境之间产生相互作用的力和力矩，驱动装置会提供关节力和力矩，通过连杆传送到末端的执行器上来克服外界的作用力或力矩，本系统采用SCARA机器人，如图4所示。

基于SCARA机器人的雅可比矩阵可以推算出此时机器人对外界环境的装配力和力矩。装配过程可以对装配应力F进行监测，同时判断装配所处的阶段。

在静态平衡的状态下，SCARA机器人手部端点力F和广义关节力矩矢量τ之间存在着线性映射关系，即：τ=JTF

SCARA机器人力雅可比矩阵JT是速度雅可比矩阵J的转置矩阵，这样在已知关节力矩矢量τ和SCARA机器人速度的雅可比矩阵，即可确定机器人手部对外界的作用力F，可得：F=（JT）-1τ

设装配所允许的最大装配力为Fmax，允许的最小装配力为Fmin，其值根据拾振传感器装配的仿真结果来确定，所以拾振传感器装配控制方法可归结为以下步骤：（1）准备阶段。将所有装配件通过传送带传送到工作台上，并对其做初步的对准，该过程由视觉控制和位置控制实现。（2）装配阶段。此时，当所有的装配件均到达指定位置，机器人获取装配应力F和装配件的位置信息，开始进行装配。（3）检查阶段。判断此时的装配应力大小是否在合适的区间内，如果合适的话，则进行装配；不合适的话，则通过计算机计算偏差及调整量，调至合适的装配位置，施加合适的装配应力。（4）完成装配。此时应满足所有装配体完全在一条直线上，且保持Fmin≤F≤Fmax，即可完成整体的装配。

五、结语

本文对拾振传感器自动化装配系统进行了研究，针对装配任务要求，设计了基于SCARA机器人的装配应力控制方法。该装配系统的实现可以大大提高地震仪器的装配质量，降低地震仪器装配过程中对人的依赖性，降低工人的劳动强度，解决因人员劳累而引发的安全隐患及产品质量一致性较差，等等一系列问题。拾振传感器的生產属于传统制造业，其装配流水线的实现有助于提高行业实力和竞争力，树立良好的形象，加快推进产业转型，从传统劳动密集型向自动化、智能化方向转变的步伐。当前，国家对于防震减灾事业越来越重视，地震仪器生产业发展迅猛，基于工业机器人的自动化装配系统的建立会大大缩短地震仪器的制作周期，提高地震仪器的质量。地震仪器市场的开拓也会引起工业机器人需求的快速增长，面对如此巨大的市场，我国企业应该抓住机遇迅速进入市场，以我国重点地震仪器制造项目为依托，加快、加深工业机器人技术在地震仪器装配中的应用。

參考文献：

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[3]刘立平,王晓东,陈勇,马天明.微小易损零件的精密装配及接触控制[J].仪表技术与传感器,2013,(01):47-49,55.

[4]邹宇,荣伟彬,邢济尧,孙立宁.一种套件精密对接自动装配实验系统[J].机器人,2016,(01):115-121.

[5]张娟,徐德,张正涛,罗李焱.基于多路显微视觉的微零件自动对准策略[J].机器人,2014,(01):69-75.

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[7]张习文,王晓东,罗怡,滕霖,王小斌.跨尺度微小型零件的测量与装配[J].纳米技术与精密工程,2012,(04):342-347.

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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