多工位彈性體自動貼片裝置設計

胡 鵬，秦現生，劉建平，張 杰

HU Peng，QIN Xian-sheng，LIU Jian-ping，ZHANG Jie

（西北工業大學 機電學院，西安 710072）

0 引言

電阻應變式傳感器是稱重設備生產行業中常用的敏感元件，它的工作原理是當稱重設備受到外力時，其敏感外力變化的彈性體隨之發生變形，粘貼在彈性體應力變形區域上的應變片電阻值隨之發生變化，通過測量轉換電路實現外力的測量，并顯示輸出。傳感器是稱重設備的核心部件，其應變片的粘貼效果對產品質量有著至關重要的影響。彈性體與應變片如圖1所示。

圖1 彈性體與應變片

目前，國內電阻應變式傳感器制造領域中多采用手工貼片的方法，存在貼片精度低、一致性差、工作效率低等不足。為滿足現代化生產中電阻應變式傳感器的大批量、高精度、自動加工的要求，本文設計了一種彈性體自動貼片專用設備，它采用多工位流水線結構，可實現彈性體和應變片的自動送料、彈性體表面自動涂膠和應變片的自動抓取、檢測及粘貼工作。該設備將有效彌補手工操作的缺陷和不足，減少人力成本，提高產品質量和工作效率。

本文將從設備工作工藝流程、設備總體結構、視覺檢測系統和控制系統設計等四個方面介紹該設備的組成結構、功能實現和技術特點。

1 工藝流程

自動貼片專用設備為多工位流水線生產系統，主體包括送料機構和執行機構兩大部分。送料機構分為應變片送料和彈性體送料兩路獨立的傳送帶送料機構，應變片送料機構有一個工位，即貼片工位；彈性體送料機構包含兩個工位，分別為涂膠工位和貼片工位。執行機構由涂膠機構和貼片機構組成，其運動也是相互獨立的。應變片粘貼的工藝流程如圖2所示。

圖2 設備運行工藝流程

1）彈性體和應變片上料，送料機構分別將彈性體和應變片送至涂膠工位和貼片工位。

2）利用涂膠器視覺系統采集彈性體的位置狀態，計算出涂膠器的調整參數，以此確定涂膠器的運動軌跡，并進行涂膠，完成后送料機構將彈性體送至貼片工位。

3）利用抓取器視覺系統采集應變片的位置狀態，計算出抓取器的運動軌跡實現應變片的可靠抓取。

4）利用應變片視覺檢測系統采集抓取器上應變片的圖像信息。對應變片進行規格和質量檢測，若檢測不合格，則將該片棄用，重新進行抓取和檢測；若檢測合格，則進行第5步。

5）根據抓取器上應變片的位置狀態和貼片工位上彈性體的位置狀態，計算出抓取器的位置調整參數，以此確定其運動軌跡，將應變片精確粘貼在彈性體表面。

6）貼片完成后的產品由送料機構送至收料盒。

2 總體結構設計

2.1 設計要求

根據實際需求，該自動貼片專用設備需要實現以下功能：

1)自動進行不同型號應變片的吸取和檢測；

2)將檢測合格的應變片準確粘貼至彈性體表面，粘貼位置精度優于0.1mm；

3)每一個彈性體粘貼周期小于10秒。

2.2 系統概述

彈性體自動貼片專用設備由應變片送料機構、彈性體送料機構、涂膠機構、貼片機構、床身和控制系統組成，設備總體結構如圖3所示。

圖3 設備總體結構示意圖

應變片送料機構、彈性體送料機構可實現應變片和彈性體的物料傳送功能。涂膠機構和貼片機構均使用精密滾珠絲杠運動平臺，其中還包括可同時完成直線運動和旋轉運動的絲杠花鍵運動系統，各運動系統在伺服電機的驅動下，完成空間X軸、Y軸、Z軸直線運動和C軸旋轉運動，如圖4所示。

圖4 運動系統示意圖

涂膠機構由視覺檢測系統、位置調整系統和點膠器組成，可實現彈性體位置檢測以及柔性點膠器涂膠姿態調節功能；貼片機構由視覺檢測系統、運動機構和柔性抓取器組成，可實現彈性體位置檢測、應變片質量檢測、抓取器姿態調節和貼片等功能。控制系統可實現檢測對象的視覺識別處理和自動貼片過程的控制。

運動系統選用日本THK公司的精密滾珠絲杠運動副，包括SNR45R1SS1370型直線導軌、SNR45LR型滑塊等。伺服電機選用松下MINAS A5系列50W～400W等多型電機。

2.3 貼片機構

貼片機構安裝于X軸運動平臺上，由Y2軸、Z2軸、C2軸、柔性抓取器和視覺檢測系統等組成，其中Z2軸和C2軸為絲杠花鍵運動副，可同時實現直線和旋轉運動，如圖5所示。貼片機構的運動由伺服電機驅動，通過視覺系統的位置檢測，將位控信息反饋至控制系統，實現應變片的抓取、檢測和粘貼操作。

圖5 貼片機構示意圖

為了滿足應變片吸取和粘貼的工藝操作要求，柔性抓取器由夾緊頭、緩沖器、真空腔和吸嘴四部分組成，如圖6所示。

圖6 柔性抓取器組成示意圖

夾緊頭用來實現吸頭部分和Z2軸的連接；緩沖器由直線軸承副和彈簧組成，實現應變片粘貼時沖擊力的緩沖功能；真空腔的一端與緩沖器連接并密封，另一端用于安裝吸嘴，其外壁有氣動接頭安裝螺紋；吸嘴由采用多孔吸附設計的硬質塑料制成，以保證吸取應變片時的平穩性，吸嘴通過壓盤與真空腔緊密連接，連接處使用密封圈密封。

2.4 送料機構

送料機構由應變片送料傳送帶、彈性體送料傳送帶、傳動滾子、位置傳感器、驅動電機和收料盒等組成，如圖7所示。在控制系統的程序指令下，實現應變片和彈性體的傳送和定位功能。

圖7 送料機構示意圖

3 應變片視覺檢測系統

該設備的應變片視覺檢測系統用來實現應變片質量檢驗和位置檢測兩個功能。質量檢驗是通過識別應變片表面的特征信息，判斷應變片型號是否正確以及是否損壞。當檢驗合格時，根據應變片表面三角形的幾何位置信息，計算其相對坐標位置，并與標準模板進行比對，得到目標物的實際位置偏移量，反饋至控制系統，作為粘貼補償參數。如圖8所示。該光視檢測系統選用美國COGNEX公司In-Sight micro 1403型工業相機及In-Sight Explorer 4.5.0圖像處理軟件，實現了對應變片的高效檢驗及高精度位置檢測。

圖8 應變片圖像獲取及特征識別

4 機床控制系統設計

4.1 控制系統方案設計

機床控制系統采用“PC+運動控制卡+進給伺服驅動器”的開放式控制架構體系，采用模塊化設計，即系統由HMI單元、主控單元、運動控制單元、伺服驅動單元以及過程控制單元等組成，如圖9所示。

圖9 控制系統框圖

HMI單元由人機界面和人機接口單元等組成，主要完成非實時任務，如程序和參數輸入輸出、設備運行狀態顯示和數據管理等人機接口。

主控單元主要由工控機組成，為HMI單元運行提供支撐環境，并為數據采集及運動控制算法提供平臺支撐。

運動控制單元選用開放式控制器，主要由UMAC控制器、運動控制卡和I/O模塊組成。運動控制單元是多軸運動的核心，完成涂膠機構、貼片機構和送料機構中多軸之間的實時控制任務，并負責各單軸的伺服位置控制。

伺服驅動單元主要由單軸驅動器+驅動電機組成，具體實現涂膠機構、貼片機構和送料機構中各單軸的伺服控制，包括速度和加速度控制、位置控制等。考慮到涂膠和貼片調整精度要求，X1、Y1、C1、X2、Y2和C2軸采用伺服電機控制+光柵尺反饋形成全閉環位置控制；Z1、Z2運動采用伺服電機控制+碼盤反饋形成半閉環位置控制；送料傳送帶機構采用步進電機開環控制。

過程控制單元以UMAC控制器內置PLC為控制核心，通過輸入輸出信號模塊實現控制器與外部器件的I/O邏輯控制，如位置傳感器信號的采集、各種閥的控制、真空度的控制、光源閃光的控制以及CCD圖像采集觸發信號的控制等，從而實現自動貼片的過程控制和機床運行狀態的監測。

4.2 控制系統軟件設計

控制系統軟件的功能包括操作權限設定、數據庫管理、人機信息交互、視覺檢測系統信息處理、自動貼片運動與過程控制、機床狀態檢測等。

本設備上位軟件運行于工控機上。控制系統軟件設計如圖10所示。

圖10 上位軟件開發框圖

軟件平臺以Delta Tau提供的Pcomm32動態鏈接庫作為HMI開發的支持軟件包。通過Visual C++高級語言編程，基于UMAC控制器應用軟件開發工具Pcomm32實現機床運動控制與過程控制；基于視覺檢測系統和圖像處理算法，對圖像采集數據進行濾波降噪、圖像定位及圖像位姿檢測，確定涂膠與貼片機構運動和過程控制的目標，進一步規劃運動程序實現自動貼片。

5 結束語

該自動貼片專用設備實現了彈性體多工位流水線自動粘貼應變片的功能，有效彌補了長期以來電阻應變式傳感器生產領域中，手工貼片存在的貼片精度低、一致性差和工作效率不高的不足。通過理論分析、設計計算和部分試驗驗證，表明該設備能夠滿足設計要求，在生產過程中，能夠有效提高貼片精度和一致性，同時將極大的提高生產效率，降低廢品率，保證產品質量，具有一定的工業推廣價值。

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