基于气动吸取的镜头自动拧紧装置

刘艳梅 付赵磊

（1．青岛青铸装备有限公司，山东 青岛 266000；2．软控股份有限公司，山东 青岛 266000）

0 引言

德国政府提出“工业4.0”这一概念标志着第四次工业革命的到来。顺应全球制造业转型的大趋势，我国提出了“中国制造2025”，国内制造业在国家的号召下广泛开展智能生产、智能制造，伴随而来的是对生产效率、产品质量等方面的更高的要求。作为提高工业化效率的重要组成部分，机器视觉的应用越来越普及。在国外，机器视觉的应用主要体现在半导体及电子行业，而在中国，视觉技术的应用始于20世纪90年代。该行业本身就属于新兴领域，因此机器视觉产品技术的普及不够，国内大多机器视觉公司基本上是靠代理国外各种机器视觉品牌起家，随着机器视觉的不断应用，公司规模慢慢扩大，技术上已经逐渐成熟。摄像头作为视觉系统的核心元器件，其设计、加工、制造和装配等过程都已实现自动化和标准化生产。该文基于摄像头模组的装配工艺，设计了一种新型的自动拧紧装置，将吸取和拧紧两个工艺合二为一，可实现镜头的连续拧入。

1 装置结构设计

1.1 结构设计及原理

摄像头模组简称CCM，它的基本组成如图1所示，包括镜头、镜座、滤光片、传传器、PCB电路板等[1]。其中，镜头和镜座之间是螺纹连接，镜座是内螺纹，镜头是外螺纹。将镜头组装到镜座上，首先需要一个搬运机构将镜头从工位上进行吸取，并移动送至镜座工位。其次需要一个拧紧装置移动过来将镜头拧紧到镜座中，根据精度的不同设置高度检测装置，利用高度测量传感器来测量镜头是否安装到位。

以上镜头组装工艺设计的自动拧紧装置的机械结构如图2和图3所示。主要包括旋转驱部分和气动真空吸取部分。

其工作原理如下：伺服电机启动，通过联轴器带动轴旋转。带座轴承起支撑旋转的作用，可以保证轴旋转过程中有良好的稳定性。气动滑环分为定子和转子两部分。其中定子部分与上安装板通过螺钉连接在一起，二者固定不动；转子部分一端与轴连接在一起，跟随轴一起转动，另一端与下安装板连接在一起。浮动轴上装有直线轴承和光轴，在施加外力的情况下，浮动轴可以在光轴上做直线运动。光轴的一端通过螺钉和锁紧垫片紧固在下安装板上，另一端紧固于旋转套上，旋转套通过带座轴承进行支撑。浮动轴穿过旋转套连接一个吸嘴。伺服电机启动，通过轴带动气动滑环的转子一起旋转，最终带动浮动轴和吸嘴旋转，进而将镜头拧紧到镜座中。气动滑环上有A、B两气路口，浮动轴上钻有螺纹孔C，在三个孔上分别接上快插接头和气管，将A口接通气源，B口通过气管连接C口。通过图3可以看出，C口通过浮动轴内部的气孔连接到吸嘴上。给A口提供一路真空气源，则吸嘴可以对镜头14进行吸取。

其中，弹簧可以在吸取镜头时提供缓冲，避免镜头表面被压伤。环形检测片与其下方的光电传感器用于伺服电机找原点。伺服电机通过三个闭环负反馈PID调节，既能保证机构的转速和精度，又能够提高机构运动的准确性和稳定性。

在此装置中，伺服电机包括安装板、底板、上安装板、下安装板和环形检测片，在设计时使用常用材料Q235加工，可节省成本。对于轴、浮动轴、选装套和光轴，考虑硬度和耐磨性，在设计时可以使用材料45，并进行调质处理。此外，设计浮动轴的时候，因内部装有直线轴承，也要考虑轴承安装孔的尺寸公差。

气动滑环又称为气动旋转接头，是一种电气元器件，负责连接和传送旋转物体的电流和信号。气动滑环在360°连续旋转同时传输电力、流体压力等。有些设备还需要控制信号源，如光纤信号、高频信号等，都可以集成在气动滑环中。精密式导电滑环结构紧凑，安装方便，可免维护，使用简单，可传输模拟信号及数字信号，主要应用于360°连续旋转且需要保证气压、真空、电源和信号不能中断的场合，如各种自动化非标设备、锂电池设备、手机测试设备以及电子半导体工业自动化设备等。

其工作流程如下：需要一个由2个伺服电机搭载的XY轴双向运动平台，根据运动平台接口设计安装板，将该文所设计的装置安装于此XY运动平台上（由于XY轴运动平台已经是很成熟的产品，该文不再赘述）。X轴伺服电机启动，平台运动至镜头工位，然后Y轴伺服电机动作，带动此拧紧装置竖直方向移动，到达镜头工位后，电磁阀动作，真空发生器产生真空，吸嘴吸取镜头。Y轴电机动作，带动镜头上升，然后平台X轴向运动，将产品移动至镜座工位，Y轴移动，拧紧装置下落，伺服电机旋转，带动镜头拧入镜座。

该设计所使用的镜头上面有2个旋入卡槽（如图4所示），设计吸嘴时相应地设计了2个凸起块，吸取镜头时凸起块插入到卡槽中，便于拧紧镜头。实际工业生产中，镜头的卡槽结构各有不同，需要根据镜头结构设计吸嘴结构。根据镜头拧入指标，可以使用伺服电机的扭矩模式来控制拧入扭矩，也可以外加高度传感器来控制镜头拧入的高度。如果镜头因为各种干扰因素没有正常拧入，浮动轴会在外力作用下压缩弹簧带动检测环浮动，光电传感器检测到检测环后会通过PLC系统设置的程序发出警报。

另外，对视觉系统来讲，镜头至关重要。所以在镜头的搬运、组装等过程中，都要时刻注意镜头的防护，避免出现划伤、摔碎。与镜头直接接触的吸嘴在结构设计时要注意标注其表面粗糙度、抛光等技术要求。

1.2 控制系统设计

通过以上工作原理的分析，该装置采用气动系统和电气系统来实现控制和运行。

气动部分主要采用真空气体来吸取镜头。真空吸取的原理是利用真空系统与大气压力差形成的力实现物件的抓取和移动。目前，真空吸取技术已经非常成熟，在电子及半导体、航空航天、汽车和家电等行业都得到了广泛应用。尤其是一些易碎的、不适合夹持的物品，都可以用真空来进行吸取搬运[2]。

气动系统原理图如图5所示,该系统由气源、空气过滤器、调压阀、电磁阀、真空发生器、真空过滤器以及真空压力开关组成。真空发生器用于产生负压以吸取产品，体积小、经济方便[3]。真空压力开关用来检测真空压力，确保系统能安全可靠地工作。调压阀用以调节气体压力，进而调节吸盘吸取镜头的力度，保护镜头不被损伤。电磁阀可以选用两位三通单电控，由PLC控制电磁铁通电、断电来实现阀体功能的切换。过滤器用来过滤空气，吸附空气中的杂质，保护系统中的气动阀。国内市面上常见的气动生产厂家有德国FESTO、日本SMC、台湾AIRTAC和日本CKD等，追求性价比可以选择AIRTAC和SMC,追求高品牌、可互换，可以选择FESTO。

电气部分采用PLC来控制。PLC控制系统是为了实现一整套完整的控制逻辑，以PLC控制器为核心，多种控制器及相关软件系统相辅相成构成的一套完善的解决方案。现阶段PLC技术已经与工业自动化紧密结合，可对各自动化设备运行情况进行实时监造。

PLC采用计算机控制技术，其程序设计同样可遵循软件工程设计方法，程序工作过程可用流程图表示。由于PLC的程序执行为循环扫描工作方式，因此与计算机程序框图不同的是，PLC程序框图在进行输出刷新后再重新开始输入扫描，循环执行。系统运行过程中，通过主程序调用各个子程序来控制整个设备的动作。设备启动，PLC自检，完成设备初始化，然后等待信号输入来控制各动作。PLC控制采用顺序控制的形式逐步执行命令，程序编写可参照图6。

2 试验及改进

经过工业现场一段时间的使用，该文所设计的自动拧入装置运行状态良好。但在使用过程中发现了两个问题，为了得到更好的使用体验，需要对原始设计方案进行机械结构方面的改进：1）镜头吸嘴磨损问题。在原始设计中，吸嘴所用材质为普通碳素结构钢Q235，经过一段时间的使用后，吸嘴与镜头接触表面略有磨损。通过对比常用的材料，考虑吸嘴的工作频率较高，但精度要求不高，将其材质更换为45钢并进行调质处理。如果工作频率高且精度要求也较高的话，可以更换为耐磨性好的合金工具钢，比如Cr12、SKD11等，根据材质特性进行淬火处理。加工完成后，对吸嘴表面进行抛光处理，以避免其划伤镜头。2）气动滑环稳定性问题。该文所设计的装置是一条镜头自动化装配线的一部分，受其他零件装配工艺的制约，该装置运行节拍低，气动滑环完全足以满足使用。但经过对现场使用的观察和对结构方面的分析，如果装置高速运行的话，气动滑环的稳定性得不到足够保证。考虑后续该装置在工业领域的进一步推广应用，在一些高频使用场合时，应设计一套稳定性更好的旋转密封结构来代替气动滑环。可以使用唇型密封圈和O型密封圈作为气体密封的手段，并在旋转体上开环形槽和气孔，内侧装配转动轴。即设计一套适应高速旋转的结构，代替滑环进行镜头快速拧入。

3 结论

经过以上理论层面的分析和现场的实际应用，该文所设计的镜头自动拧入装置实用性强。且具有以下优点：1）用一种装置实现镜头的吸取和拧入2个工艺，缩小了占地空间，降低了加工和装配成本，并大大缩短了工期。2）利用真空吸取来转移镜头，不仅运行平稳，还可以在最大程度上保护镜头表面，同时又具有结构简单、重量轻和无污染等优点。3）气动滑环的应用避免了气管缠绕导致的一系列问题。传统结构中，连续旋转时气管会产生缠绕，伺服电机需要拧2圈倒退后再重新拧紧。该装置实现了镜头的连续拧入，在提高设备安全指数的同时还有效提高了生产效率。