印刷电路板抓取机械手的设计

任久帅 王继荣 苏明顺 牛山

摘要： 針对手工抓取印刷电路板放入吸塑盒存在效率低且容易对PCB造成损害的问题，本文以某印刷电路板公司为研究对象，设计了印刷电路板（printed circuit board，PCB）自动化生产流水线，对PCB抓取机器人进行了总体的结构设计，通过对几种机械手抓取方案的比较，选取柔性夹钳式机械手。分析结果表明，本文设计的机械手在抓取PCB小板过程中，运动平稳，很好地实现了PCB抓取和装盒操作。该研究为PCB抓取的研究和开发提供了理论依据，具有广阔的发展前景。

关键词： PCB； 机械手部； 柔性夹钳式； 装盒

中图分类号： TH122；TP241.2文献标识码： A

收稿日期： 20170401； 修回日期： 20170904

作者简介： 任久帅（1992），男，硕士研究生，主要研究方向为机械CAD。

通讯作者： 王继荣，女， 博士，教授，主要研究方向为机械CAD。Email： wangjirong43@163.com印制电路板作为底盘，用来装载电子元器件，实现电子元器件的相互连接，传递信号[1]。美国马萨诸塞州州立大学开发的、安装在手臂前端的仿人型机器人平台Dexter，安装了Barrett公司开发的多指机械手，该手具有3个手指，每个手指有4个自由度，并在指尖集成了触觉传感器[25]。通过头部集成的立体视觉系统，对操作的物体进行定位，利用设计的闭环规划控制器灵活地对物体进行抓取操作[56]；意大利推出的仿人机械手——SmartHand手，通过腱驱动的工作原理，该机械手具有16个自由度，其中四个手指具有3个自由度，而拇指有4个自由度[68]。这个手采用Hirose欠驱动，传动结构是由滑轮、钢键和钢缆组成，并且能够驱动各个指节的运动，该手指的运动轨迹是由扭曲刚度、滑轮半径和预载荷来确定的，可以实现精准捏取，精准力量抓取以及指尖动作等[912]；德国SCHUNK公司Lightweight设计的Arm LWA3机械手[1315]，可以承受的最大载重为05 kg，机械手臂本体重4 Kg，具有6个自由度，其定位精度为≤01 mm。它采用的处理器为PowerPC，可以兼容多个外设，且具有嵌入式的Linux内核，因此该机械手通用性很强，而且能够跟其他设备集成，比普通的机械手具有更高的可操作空间[16]；北京航空航天大学机器人研究所开发了BUAA机械手，每个机械手都有四个自由度，而且结构相同，通过直流伺服电机实现驱动，通过齿轮传动驱动，该机械手模块化的结构设计能够完成不同的动作[1720]。基于此，本文设计了PCB自动化生产流水线，对PCB抓取机器人进行总体结构设计，通过对几种机械手抓取方案的比较，选取柔性夹钳式机械手。该机械手在抓取PCB小板过程中，运动平稳，能很好地实现PCB抓取和装盒操作。该研究实现了大规模机械流水线作业，提高了生产效率。

1PCB抓取机器人

1.1整体机构工作原理

1）定位模具。在导轨上定位紧固已经携带分好的PCB小板，此时机器人腰部旋转，运动到定位模具上方。

2）机器人手臂完成水平方向的旋转，并通过放置的驱动气缸来完成机械手爪的竖直运动。

3）视觉定位系统识别PCB小板的信息状况，定位PCB小板的位置，并将PCB小板的信息状况传递给控制系统，从而控制机械手完成下一步指令。

4）机械手接收到抓取命令后，夹持气缸张开，推动齿轮齿条工作，使手爪部分张开到与PCB板相对应的位置。机械手靠末端执行器的4个小爪夹持器夹紧PCB，完成抓取动作。

5）手臂上升，上升到位后旋转90°，机械手爪移动到吸塑盒上方。

6）机器人手臂完成水平方向的旋转，并通过放置的驱动气缸来完成机械手的竖直运动。

7）夹持气缸复位，机械手松开，将PCB小板放入吸塑盒中。

8）手臂上升，上升到位后旋转90°，恢复到初始位置，至此完成一个工作周期。

1.2机械手参数

本次设计所需抓取的PCB质量较轻，约为50 g，因此考虑采用气动方式驱动。气动驱动需要压缩的空气，粘性小、流速大，所以机械手的动作较快。机械手的主要参数是机械手的动作速度、行程等。本设计中机械手的操作节拍对机械手的速度要求较高，如果机械手的速度过低会影响抓取速度，进而影响到整个流水线的工作效率。决定机械手工作速度的主要因素是手臂的升降速度、机械手腕的抓取和夹紧速度以及机械手回转速度。经分析计算，设定机械手臂平均升降速度为150 mm/s，手腕的平均速度为48 mm/s，平均回转速度为90°/s，压紧机构的平均速度为25 mm/s。除了对机械手臂的运动速度做设计估算以外，还对机械手臂的工作半径做了现场测量。所设计的机械手工作半径为1 000 mm，大致相当于工人坐着手臂可达到的最大半径。

1）设计技术参数。坐标形式为圆柱坐标，最大工作半径为1 000 mm；手臂运动参数：升降行程为150 mm，升降速度为150 mm/s；手部运动参数：夹紧行程为20 mm，夹紧速度为18 mm/s；回转运动参数：回转范围为0°～180°，回转速度为36°/s；压紧运动参数：压紧行程为30 mm，压紧速度为15 mm/s。

2）主要工作参数。PCB小板如图1所示。分板前拼板面积为234 mm×149 mm；分板后，单板面积为65 mm×45 mm；模块整体高度为24 mm。PCB板装载吸塑盒，吸塑盒材质为防静电PVC，PCB吸塑盒如图2所示。整版体积为381 mm×270 mm×315 mm；小格排列方式为5×5；小格体积为682 mm×486 mm×315 mm。PCB小板抓取机械手模型示意图如图3所示。

为实现上述功能，通过对多种抓取机器手进行分析比较。真空吸附式机械手可以对PCB实现精准定位操作，误差较小，且速度也相对较快，但是本次抓取的PCB小板表面有小零件，凹凸不平，因此吸取难度较大；仿人机械手结构较为复杂，仿人性好，功能丰富，易实现PCB小板的抓取，但是机械手需要完成的动作较为简单，仿人机械手设计成本相对较高，而且定位精度不高，很难精准抓取到PCB板；夹钳式机械手可以实现PCB的抓取，且稳定性较好，设计成本相对较低，也不会对PCB产生损坏，因此本设计选取具有软抓取功能的夹钳式机械手。

3柔性夾钳式机械手的设计

机械手爪部分也被称作末端操作器，由手指、传力结构、驱动装置等组成，是与所抓取工件相接触的部件。机械手爪需要完成夹持PCB小板的动作，并按照指定运动轨迹将PCB放到吸塑盒中，由于PCB表面零件较多，本设计的机械手爪为柔性夹钳式。

1）选择运动方式。抓取PCB的运动轨迹为循环往复半径式运动，因此机械手运动方式采用回旋型运动。

2）机械手手指和手爪的结构设计。机械手手指部分的结构设计是由PCB表面的形状、质量、外观及尺寸决定。被抓部位设定为PCB四角的4个小孔，考虑PCB小板的材质及小板结构的特殊性（表面凹凸不平，且为容易损坏的电子零件），把手部设计为柔性的内撑式夹钳机械手。为了准确定位PCB小板，使PCB与手爪部分保持正确的相对位置，手爪内撑结构设计为与PCB相对的两根小圆柱插入式手爪，抓取时通过夹紧气缸的动作来控制手部张合，实现PCB小板的抓取。在手爪根部添加驱动气缸，实现手爪的运动。进行抓取时，气缸工作，推动齿轮齿条工作，使手爪部分张开到与PCB板相对应的位置。

3）机械手夹持力的设计。机械手靠末端执行器的4个小爪夹持器夹紧PCB小板，然后通过机械手运动，将PCB移动到吸塑盒中。由于PCB小板质量较轻，所以对机械手夹持力的要求并不高，只要保证PCB在抓取过程中不会掉落松动即可。手指夹紧力如果过大的话有可能对PCB造成损坏或造成PCB上边细小的零部件松动，影响PCB后续的使用。同时，为了实现PCB的软抓取功能，在两个手爪之间分别添加小型弹簧，可以实现PCB小板的柔性抓取。经分析估算，机械手抓取的夹持力约为15～20 N，可保证PCB在尽可能在变形小的情况下抓起。

4机械手爪销子的有限元分析

首先将机械手销子通过Proe/E建模，然后保存成中性格式“step”格式，导入到有限元分析软件ANSYS Workbench进行静力学分析。进行划分网格，设定单元格大小为5 mm以获得较好的网格质量，然后施加载荷和约束得到等效应力云图与变形分配云图，销子受拉力时等效应力云图如图4所示，销子受拉力时变形分配云图如图5所示。由图4可以看出，销子受拉力时，最大疲劳应力为684×105 Pa；由图5可以看出，销子受拉力时，最大变形为751×10-8 m，远远小于材料的许用应力235 MPa。

5结束语

本文以青岛某PCB生产公司人工抓取PCB放入吸塑盒为研究对象，对PCB抓取机械手做了整体设计。该机械手能够迅速稳定的抓取PCB小板装盒，大大提高了生产效率。通过Ansys有限元分析，该机械手在抓取PCB小板过程中，运动平稳，很好地实现PCB装盒操作，为PCB抓取的研究和开发提供了理论依据。但该设计一次只抓取一个PCB小板，工作效率低，而且在实际应用中还存在抓取不稳定等问题，这将是下一步研究的重点。该研究具有十分广阔的应用前景。

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