一種基于機(jī)器視覺(jué)的機(jī)械手定位裝置的設(shè)計(jì)*

楊振宇，桂祖平，黃生富

（1.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山 528400；2.珠海華冠電子科技有限公司，廣東珠海 519000）

0 引言

隨著“機(jī)器視覺(jué)”技術(shù)和“高速機(jī)械手”技術(shù)的發(fā)展，快速定位與抓取的視覺(jué)機(jī)械手已經(jīng)成為當(dāng)前自動(dòng)化控制系統(tǒng)中重要的前沿技術(shù)，并越來(lái)越多地應(yīng)用在集成電路裝配、精密儀器裝配、工件高速定位等生產(chǎn)領(lǐng)域，視覺(jué)定位是機(jī)器人視覺(jué)最適合的任務(wù)之一[1]，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)和高速機(jī)械手控制技術(shù)的結(jié)合，對(duì)提高生產(chǎn)效率、提高重復(fù)精度，提高自動(dòng)化水平，推進(jìn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要意義。

1 視覺(jué)機(jī)械手的工藝流程

在電路板器件安裝生產(chǎn)領(lǐng)域，經(jīng)常需要對(duì)貼片類器件進(jìn)行高速定位與快速安裝，例如PCB板上的芯片安裝、柔性電路板上的補(bǔ)強(qiáng)片的安裝、微機(jī)電裝置的器件安裝等，工業(yè)應(yīng)用中常用帶有真空吸附頭的多自由度機(jī)械手[2]來(lái)實(shí)現(xiàn)將貼片類的器件進(jìn)行快速拾取與準(zhǔn)確定位。在這種小微型貼片類器件的貼片系統(tǒng)[3]中，貼片的精確定位都需要通過(guò)視覺(jué)相機(jī)對(duì)機(jī)械手快速吸取后的位置姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并按照檢測(cè)到的位置偏差，對(duì)貼片類器件進(jìn)行位置角度校正，以保證安裝時(shí)的準(zhǔn)確定位。如圖1所示為貼片類器件的快速定位視覺(jué)機(jī)械手的工藝流程。

2 視覺(jué)機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

視覺(jué)機(jī)械手基于視覺(jué)和伺服控制的高精度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[4]，改進(jìn)了傳統(tǒng)的機(jī)械手的抓取缺點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確、快速地拾取和定位貼片類器件。本文所提出的高精度的視覺(jué)機(jī)械手用于從來(lái)料傳送線或來(lái)料工作臺(tái)上吸取貼片類器件，在視覺(jué)相機(jī)2對(duì)貼片器件的機(jī)械手拾取位置姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)后，對(duì)貼片類器件進(jìn)行角度校正，如圖2所示為視覺(jué)機(jī)械手。

圖1 視覺(jué)機(jī)械手快速安裝貼片類器件的工藝流程

視覺(jué)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)自上而下分別包括：Z軸角度校正伺服電機(jī)、機(jī)械手臂旋轉(zhuǎn)軸的軸承座，軸承座裝配有視覺(jué)相機(jī)1，用于檢測(cè)貼片類器件目標(biāo)安裝板的定位位置，機(jī)械手臂旋轉(zhuǎn)軸的下端安裝有上下伸縮氣缸，以及伸縮氣缸末端的吸頭，如圖2所示為視覺(jué)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

視覺(jué)機(jī)械手安裝在一個(gè)橫向布置的龍門型X軸向絲杠滑臺(tái)上，視覺(jué)機(jī)械手的橫向移動(dòng)由安裝在絲杠滑臺(tái)一側(cè)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)貼片類器件的X方向上的精確定位。為提高視覺(jué)機(jī)械手的工作效率，伸縮氣缸下端設(shè)計(jì)有兩個(gè)貼片器件的拾取吸頭，視覺(jué)機(jī)械手一次可以拾取和定位安裝兩塊貼片類器件。

圖2 視覺(jué)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)

3 機(jī)械手定位裝置的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于機(jī)器視覺(jué)的機(jī)械手定位裝置包括機(jī)架、底座、設(shè)置于底座上的工作臺(tái)，工作臺(tái)的一側(cè)是貼片類器件的來(lái)料傳送裝置，工作臺(tái)的另一側(cè)是貼片類器件的目標(biāo)安裝臺(tái)，目標(biāo)安裝工作臺(tái)上固定有貼片器件的目標(biāo)安裝板，如PCB板或柔性電路板，由于目標(biāo)安裝板上需要安裝多個(gè)貼片類器件，因此固定了目標(biāo)安裝板的工作臺(tái)具有前后進(jìn)給裝置，如上所說(shuō)的基于機(jī)器視覺(jué)的機(jī)械手定位裝置的機(jī)械整體結(jié)構(gòu)，如圖3、圖4所示。

視覺(jué)機(jī)械手安裝在一個(gè)橫向布置的龍門型X軸向絲杠滑臺(tái)上，視覺(jué)機(jī)械手的橫向移動(dòng)由安裝在絲杠滑臺(tái)一側(cè)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)貼片類器件的X方向上的精確定位。為提高視覺(jué)機(jī)械手的工作效率，伸縮氣缸下端設(shè)計(jì)有兩個(gè)貼片器件的拾取吸頭，視覺(jué)機(jī)械手一次可以拾取和定位安裝兩塊貼片類器件，如圖4所示。

圖3 機(jī)械手定位裝置整體機(jī)械結(jié)構(gòu)三維圖

由圖3和圖4所示，視覺(jué)機(jī)械手的貼裝頭[5]從貼片來(lái)料工作臺(tái)吸取元件后，移動(dòng)到視覺(jué)相機(jī)2的位置，進(jìn)行貼片姿態(tài)位置檢測(cè)，比較標(biāo)準(zhǔn)正確的姿態(tài)，判斷貼片器件的拾取位置偏差，視覺(jué)系統(tǒng)將檢測(cè)到的姿態(tài)位置數(shù)據(jù)發(fā)送給視覺(jué)控制器，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，再通過(guò)PLC控制器發(fā)送給伺服電機(jī)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手以校正工件的角度姿態(tài)偏差。視覺(jué)機(jī)械手移動(dòng)至右側(cè)的貼片安裝工作臺(tái)上方，這時(shí)貼片安裝工作臺(tái)在工作臺(tái)Y向移動(dòng)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，前后移動(dòng)，以使安裝在機(jī)械手旋轉(zhuǎn)軸承座上的視覺(jué)相機(jī)1，進(jìn)行安裝工作臺(tái)目標(biāo)安裝板的位置標(biāo)示檢測(cè)，視覺(jué)相機(jī)1檢測(cè)到安裝工作臺(tái)上所固定的目標(biāo)安裝板的前后標(biāo)示后，確定了安裝板的位置，這時(shí)，X軸向伺服電機(jī)和Y向伺服電機(jī)快速移動(dòng)以確定貼片器件的定位和安裝位置，機(jī)械手進(jìn)行安裝。

由圖3和圖4所示，視覺(jué)機(jī)械手從貼片來(lái)料工作臺(tái)吸取貼片器件后，移動(dòng)到視覺(jué)相機(jī)2的位置，進(jìn)行貼片姿態(tài)位置檢測(cè)，比較標(biāo)準(zhǔn)正確的姿態(tài)，判斷貼片器件的拾取位置偏差，視覺(jué)系統(tǒng)將檢測(cè)到的姿態(tài)位置數(shù)據(jù)發(fā)送給視覺(jué)控制器，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，再通過(guò)PLC控制器發(fā)送給伺服電機(jī)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手以校正工件的角度姿態(tài)偏差。視覺(jué)機(jī)械手移動(dòng)至右側(cè)的貼片安裝工作臺(tái)上方，這時(shí)貼片安裝工作臺(tái)在工作臺(tái)Y向移動(dòng)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，前后移動(dòng)，以使安裝在機(jī)械手旋轉(zhuǎn)軸承座上的視覺(jué)相機(jī)1，進(jìn)行安裝工作臺(tái)目標(biāo)安裝板的位置標(biāo)示檢測(cè)，視覺(jué)相機(jī)1檢測(cè)到安裝工作臺(tái)上所固定的目標(biāo)安裝板的前后標(biāo)示后，確定了安裝板的位置，這時(shí)，X軸向伺服電機(jī)和Y向伺服電機(jī)快速移動(dòng)以確定貼片器件的定位和安裝位置，機(jī)械手進(jìn)行安裝。

圖4 機(jī)械手定位裝置的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，基于視覺(jué)的機(jī)械手控制——視覺(jué)伺服，已逐漸發(fā)展成為機(jī)器人領(lǐng)域最活躍的研究方向之一[6]，本文所闡述的貼片類機(jī)械手定位裝置，將精密機(jī)械與視覺(jué)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合[7-8]，具有X-Y-Z三個(gè)軸向的自由度，同時(shí)具有兩個(gè)視覺(jué)相機(jī)，分別對(duì)貼片類器件的位置姿態(tài)，和安裝目標(biāo)板的位置進(jìn)行檢測(cè)，機(jī)械手的下端安裝有兩個(gè)貼片器件拾取頭，大大提高了貼片器件的定位工作效率，這種具有一定柔性的，基于機(jī)器視覺(jué)的快速抓取、校正、定位的伺服機(jī)械手控制系統(tǒng)，可以廣泛地使用在集成電路裝配、精密儀器裝配、微型工件高速定位行業(yè)領(lǐng)域，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。