微型零件自動裝配之搬運機械手設計

王浩丞， 張志軍， 祖揮程， 王彬

（沈陽理工大學，沈陽 110159）

0 引言

隨著數字化技術和微電子技術的迅速發展，對小型電子產品部件的自動裝配需求越來越迫切，由此對小型電子產品部件的自動裝配技術研究也越來越深入［1-3］。本文針對一種微型音圈馬達自動裝配過程中的某零件的自動搬運，設計了一種與其實用零件自動搬運的機械手，以滿足微型音圈馬達自動裝配要求。微型音圈馬達自動裝配線如圖1所示。

圖1 微型音圈馬達自動裝配傳輸線

由圖1可知，被裝配的零件需要從輸料線上轉移到裝配線上，這一任務的執行是依靠擒縱機械手來實現。

設計要求：抓取零件時零件不能產生變形；釋放零件時位置要準確；抓放的節拍要符合裝配線中的裝配節拍。

1 擒縱機械手設計

針對自動裝配過程要求，確定抓取零件的方式采用真空吸附；機械手的抬起采用氣缸的直線運動來實現，抬起速度為100 mm/s；零件抓取后的轉位采用擺動氣缸來實現，擒縱機械手的擺動速度為180°/s；擒縱機械手的安裝位置和高低可以利用基座的調整來實現。擒縱機械手的整體結構圖見圖1所示。

擒縱機械手的設計由5個部分組成，抓取機構；升降機構；擺動機構；定位機構和基座。

抓取機構是由真空吸附器和連接杠桿所組成。真空吸附器的形狀和大小依據于被傳送零件的大小和重量來設計，連接杠桿的設計依據輸料線和裝配線之間的間隔來設計［4］。升降機構由直線氣缸、氣動元件等組成，通過氣缸的直線運動來實現零件的上升與下降。擺動機構由擺動氣缸、氣動元件等組成，通過擺動氣缸的180°擺動來帶動被抓取零件的轉動。定位機構是采用梳齒盤定位機構，保證定位準確與穩定可靠。

2 擒縱機械手的有限元分析

2.1 工作狀態分析

擒縱機械手在工作過程中涉及到抓取與釋放的精度和穩定性，這就要求整個機構在工作過程中的穩定性和吸附器工作的穩定性。

2.2 網格劃分

1）網格劃分。建立三維模型，模型采用自由劃分方式，對于尖角、孔等一些部位，則采用映射劃分。

2）邊界條件施加。為保證該模型構件在現實環境中自由度一致，結構不出現剛體位移，因此對底座采取全約束。

2.3 模態分析

擒縱機械手的激振力來源于各個機構在工作過程中氣體的沖擊過程。不同模態的振型使吸附器的準確位置也發生了較大的變化。

本文所設計的裝置，手臂的上升與下降都是勻速，在此情況下系統的激振頻率為20～50 Hz變化。針對擒縱機械手上升與下降兩種典型工作狀況進行了有限元動態特性分析。并圍繞激振頻率范圍，分別研究了兩種工作狀態下第 6、7、8、9、10 階的陣型。

由圖2可知，當擒縱機械手處于6階振型時，圖2（a）為擒縱機械手上升時刻的振型，機械手臂在XZ平面內產生了一次彎曲，最大位移量為0.31 mm；圖2（b）為擒縱機械手下降時刻的振型，機械手臂在XZ平面內產生了一次彎曲，最大位移量為0.31 mm。

圖2 兩種工況的6階振型圖

由圖3可知，當擒縱機械手處于7階振型時，圖3（a）為擒縱機械手上升時刻的振型，機械手臂在XZ平面內產生了兩次彎曲，最大位移量為0.26 mm；圖3（b）為擒縱機械手下降時刻的振型，可以得知機械手臂在XY平面內產生了一次彎曲，最大位移量為0.22 mm。

圖3 兩種工況的7階振型圖

圖4中，當擒縱機械手處于8階振型時，圖4（a）為擒縱機械手上升時刻的振型，升降桿在YZ平面內產生了一次彎曲，機械手臂在YZ平面內產生了兩次彎曲，最大位移量為0.11mm；圖4（b）為擒縱機械手下降時刻的振型，機械手臂在XZ平面內產生了一次彎曲，最大位移量為0.19mm。

圖4 兩種工況的8階振型圖

由圖5可知，當擒縱機械手處于9階振型時，圖5（a）為擒縱機械手上升時刻的振型，升降桿在XY平面內產生了一次彎曲，最大位移量為0.06 mm；圖5（b）為擒縱機械手下升時刻的振型，升降桿在YZ平面內產生了一次彎曲，最大位移量為0.07 mm。

圖6中，當擒縱機械手處于10階振型時，圖6（a）為擒縱機械手上升時刻的振型，機械手臂在XY平面內產生了一次彎曲，升降缸在XY平面內產生了向下的位移，位移量為0.16mm；圖6（b）為擒縱機械手下升時刻的振型，機械手臂在XY平面產生了兩次彎曲，最大位移量為0.30mm。

圖5 兩種工況的9階振型圖

圖6 兩種工況的10階振型圖

由上述的分析得出；擒縱機械手在上升時的最大位移發生在第6階，最大位移量為0.31 mm。擒縱機械手在下降時的最大位移也是在第6階，最大位移量為0.31 mm。最大的彎曲振型發生在第10階，最大位移量為0.30 mm。

3 結論

1）微型零件的自動裝配在一定的條件下完全可以實現；2）影響裝配擒縱機械手運動精度主要取決于機構的動態特性好壞；3）對圖3機構的穩定性和定位精度影響最大的是6階振型，最大位移量為0.31 mm；4）機構在上升與下降的過程中，機械手臂與升降桿是主要發生變形與位移的部位，易產生疲勞破壞；5）吸盤處的變形和位移都比較小，本文的擒縱機械手設計符合要求。

［1］ 羅翔，俞華開，顏景平.微裝配技術的進展和發展趨勢［J］.儀器儀表學報，2001，22（增刊 1）：325-326

［2］ 段瑞玲，李玉和，李慶祥，等.一種用于微器件裝配的系統設計與研制［J］.新技術新工藝，2006（2）：30-33.

［3］ 尹周平，熊有倫.微裝配技術的研究進展及其展望［J］.半導體技術，2004，29（5）：6-15.

［4］ 吳建華.高效率的微器件自動裝配技術研究［D］.合肥：中國科學技術大學，2007.