微小零件吸附式精确抓取、释放装置设计

魏国军

（惠州城市职业学院机电学院，广东惠州 516025）

0 引言

现代工业制造中，装配工作量占制造工作量的45%，装配费用占制造总费用的20%～30%或更高[1]。随着科技的发展，零件及设备正向小、微方向发展，且已有科研工作者涉足微观领域零件的研发、生产、装配。微小零件的手工装配，增加了作业人员对于零件的抓取、释放及装配的难度，存在装配效率低下、精度差的状况，使得装配作业人员数量及装配成本增加，对企业的发展及产品市场占有率极为不利[2]。通过市场调研及分析，拟提出自动化抓取、释放微小零件方案，以提高零件抓取、释放效率及装配精度，为装配企业减负，提升企业生产装配效率。

科技的发展为产品、零件实现自动化装配打下了良好的基础。微小零件实现自动化装配，第一步就是实现小、微零件的抓取，之后还需将微小零件释放植入至其他零件的孔内或与其他零件完成装配成部件。通过自动化装配，可实现对产品装配的快速、高效生产。通过机器视觉对待装配的微小零件进行图形、图像拍摄所形成的图像数据进行分析，由控制系统引导机械臂以最优化的运运轨迹控制将微小零件送至指定位置并进行释放，以实现对微小零件的装配。

1 装置设计及组成

该装置由装配作业工作台、控制系统、机械臂、吸附头、玻璃针头、微力传感器、气管、摄像头、摄像头支架、气源、空气过滤器、压力控制阀、第一电磁阀、第二电磁阀、真空发生器、速度调节阀等部分组成，如图1～3所示。

图1 微小零件吸附式精确抓取装置外形图

图2 装置各部件图

1.1 装配作业工作台

为便于实现对微小零件进行自动装配，设置装配工作作业台，上面设置有机械臂、摄像头及摄像头支架。摄像头由补光灯、光学显微镜、CCD 摄像头组成。本文阐述的装置为24 h 不间断工作装置，为应对晚间光线或灯光较暗的工作环境，增加了补光灯；考虑是对微小尺寸零件进行抓取、释放，为更清晰地知道微小零件结构，吸附时不会因看不清导致损坏微小零件，增加了光学显微镜，如图4所示。

图3 吸附头

图4 摄像头

1.2 控制系统

控制系统由上位机和单片机系统连接组成，上位机作为该装置的大脑，可直接对单片机及其他各控制系统发现指令，并可在屏幕上显示各控制参数。单片机系统与机械臂、气压管理系统和视觉引导系统进行电性连接。将气压管理系统放置入装配作业下面，通过气管与机械臂进行连接，将气压输入至吸附头。

1.3 气压管理系统

为美化装置外观，且在不增加装置总体尺寸的情况下，将气压管理系统放置于装配作业工作台下方，通过气管与机械臂、吸附头连接，由气源、空气过滤器、压力控制阀、第一电磁阀、第二电磁阀组成。

2 装置工作原理

本文阐述微小零件吸附式精确抓取、释放装置，采用真空变压吸附原理[3]，具体由真空发生器产生真空，借助于压力差产生的吸附力吸取零件。对于微小零件的自动化装配，本文阐述的装置遵循了吸附—抓取—释放的工艺流程，由单片机系统控制各种压力阀不同顺序的开启，使真空发生器产生正、负压力差[4]，为吸附头对微小零件进行吸附、释放，依托摄像头拍摄的各种图形、图像数据，转换成能控制机械臂的运动轨迹信号，将微小零件在指定位置进行释放。首先由智能相机采集微小零件图形图像，获取微小零件吸附点，由机械臂示教点确定位置的形式运动至微小零件吸附位置，通过吸附头对微小零件进行吸附；之后机械臂示教点确定位置的形式运动至释放位置，对微小零件进行释放，如图5所示。

图5 装置工作原理图

2.1 吸附力产生原理

作业人员通过上位机输入符合要求的压力值数据，由气泵及气压管理系统为装置提供符合的压力空气，并由上位机将压力信号输入至下位机单片机系统，以控制压力阀将压力调整至相应值。控制电磁阀开启，电磁阀关闭，压力空气进入真空发生器以产生负压，使吸附头的玻璃针头产生吸附力，为吸附微小零件做好准备，如图2所示。

2.2 吸附微小零件

装配过程中，摄像头可将装配作业工作台垂直和水平方向拍摄的画面转换为图像信号传送至上位机，以控制机械臂步进电动机，使机械臂位置进行相应调整，直至微小零件被吸附玻璃针头吸附。

视觉引导系统包括光学显微镜和高分辨率CCD 摄像头，通过设置于作业台上的支架以支撑摄像头，从水平和垂直方向对准吸附头末端，从垂直和水平方向两个正交光路作业于装配作业台侧面。CCD 摄像头镜头周边设置有环形补光灯，里面设置有若干个独立的LED 灯，分布在摄像头镜头周边。结合光学显微镜的作用，对于微小零件的识别、垂直和水平方向的拍摄图像更清晰，甚至在夜间也不影响摄像头拍摄的清晰度。为避免在吸附微小零件时，出现乱花或损伤零件，吸附头玻璃针头针尖磨平。为排除静电对吸附造成干扰，选用硼硅酸玻璃材质的针头，考虑到玻璃针头材质在吸附过程中容易碎裂，在针头处配置微力传感器[5]，以防止吸附力过大造成针头破碎，如图3所示。

因微小零件尺寸较小且精密，为便于多方位、多角度吸附微小零件，机械臂的运动轨迹需尽可能自由。机械臂上设置多段金属固件，且每段之间通过铰链方式进行连接，以使机械臂产生更多的自由度，实现较多任意位置的运动。各关节处装有混合式步进电机[6]，设置了细分驱动器，使得吸附头在吸附、释放过程中，可实现对机械臂的运动轨迹精细调整[7]。

2.3 释放微小零件

当视觉光学系统引导机械臂运动至相应位置时，此时需释放微小零件。由上位机、单片机及气压管理系统共同作用控制第一电磁阀关闭，第二电磁阀打开，空气经过速度调节阀调整后产生正压，将微小零件缓慢释放。

微小零件由于尺寸小、质量轻，在吸附头玻璃针头释放过程，快速释放容易造成偏差或受气流影响滚动[8]。设置速度调节阀实现微小零件缓慢释放，提高释放精度，以免因快速释放而造成位置偏差。

3 结束语

本文设计的一种吸附式微小零件精确抓取、释放装置，通过视觉引导系统摄像头对垂直、水平两正交方向拍摄形成图像数据，控制机械臂运行至相应位置，控制系统控制气压使吸附头产生真空形成正、负压力差来吸取或释放微小零件，完成对微小零件自动抓取、释放动作，减少了作业人员数量并降低了劳动量，提高了劳动生产率，进一步保证完成精确抓取、释放，提高装配质量。