基于智能机器人和视觉伺服技术的自动剥离贴合设备的设计与研究

【摘要】 目前,国内制造业的自动化需求不断提升,工业机器人技术、视觉伺服技术和气动技术等随之发展日益成熟,越来越多的自动化生产设备将这些技术应用其中。在现今的电子制造业中,受到国内劳动力成本提升和雇工难等问题的影响,企业由劳动密集型向技术密集型转变的要求愈发迫切。本论文的选题是依据国内某电子制造企业的需求而提出的。在该企业的实际产线上,某型产品仍主要依靠人工完成产品加工,但由于贴合精度要求较高,产品质量和生产效能对于操作员的熟练程度依赖较大,同时雇工问题对其生产也有较大影响,因此,急需研发自动化设备来缓解目前的问题。论文中详细研究了用于该类产品生产的一款基于智能机器人的自动剥离贴合设备的设计和研发过程,全文包含了：设计方案的确定、机械设计的理论研究、机械机构的设计研究、视觉伺服系统的设计、气动系统的设计、控制系统的设计和最后的设备组装调试以及针对设备目前应用情况的总结。论文各部分的研究内容如下：(1)设计方案的确定针对产品现有的工艺进行了分析,明确了产品生产过程中的动作链,通过拆解动作链确定了相关机构的设计方案,并根据应用需求给出了控制系统的设计方案。(2)机械设计的理论研究对设备的两个主要运动单元完成了运动学与动力学分析,为后续的设计提供了理论参考。(3)机械结构的设计研究针对设备中的基座、翻转机构、剥离台、机械手爪和送料机构等的重点设计参数进行了分析研究。(4)视觉伺服系统的设计针对视觉伺服系统进行了设计,研究了硬件组成、视觉标定以及目标定位等方面内容。(5)气动系统的设计绘制了气动系统的气路原理图,根据实际应用需要完成了相关气动元件的选型。(6)控制系统的设计绘制了系统的控制原理图,研究了控制端口的分配,编写了控制程序的编写。(7)设备的组装调试研究了设备的组装流程给出了相关测试数据。(8)总结与展望针对设备目前的使用情况进行了总结,并提出了对设备改良建议。本课题设计的基于智能机器人的自动剥离贴合设备具有产能高、低污染和产品合格率高等特点。课题设计能满足目前的实际生产需要,因此,本文中的研究内容对于同类设备的设计具有一定的借鉴参考价值。

第一章绪论

1.1课题研究背景

目前，电子行业正处于蓬勃发展阶段，随着智能终端设备突飞猛进的更新发展，各类智能终端的换机速度也不断提升，各大电子产品公司为了更为快速的占领相应的市场，成为技术主导，及时推出蕴含新技术的高品质产品，成了各家公司的诉求。

在手机行业，随着产品中的相应部件的模组化生产模式的日趋完善，许多手机品牌公司都选择代加工模式完成产品制造，而中国地区作为巨大的消费市场和全球制造工厂，因此，越来越多的代加工工厂在许多地方应运而生，目的就是为各类电子产品公司提供代加工业务。

纵观全球，可有效实现资源合理化的是全球经济一体化合作的必由之路。为了适应当前的经济发展，越来越多的企业开始调整自己的竞争战略，逐步从以扩大生产规模和降低生产成本为目的的生产型方式向着以加强新技术应用、快速推出新产品为目标的市场经营方式转化。从IDC的数据来看，电子产品的生命周期在50~60年代其数值为10、12年，而进入90年代其数值下降到了1~18个月。因此，在如今的电子信息时代，越来越多的企业经营者为了在竞争中占得先机，竞相加大对新产品的研发投资力度，而如何将研宄成果尽快转化为商品，从而迅速占领市场？许多大企业普遍选择了在自身把握核心技术的前提下将相关产品中的非技术核心零部件承包给其他企业代为生产的方式，既缩短了生产周期，又节约下了一些相应的生产成本，同时，还可以有效提升企业对市场需求的反映速度，合理整合了外部资源。而作为代加工工厂，OEM客户就意味着市场，拥有越多的客户，或与越为知名的大企业合作就说明产品的市场占有率越高。因此，提升自身的生产效能即是各代加工工厂关心的重点问题。

现阶段，国内的很多代加工工厂规模有限，自动化程度低，仍属于劳动密集型企业，在很多生产环节仍旧依赖于人工完成。自2008年5月1日起，新《劳动法》开始颁布实施，这使得原来面领着雇工难、劳动力流动性过大和用人成本高等一系列问题的很多工厂更为迫切地需要对现有的生产设备进行自动化改造和引入新的自动化加工设备。同时，如何应OEM对客户对其非标产品更新所带来的生产适应问题，对自动化加工设备提出了新的挑战。

1.2国内外研究动态

1.2.1国内外工业机器人技术发展现状

工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多个学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。现今，在制造业，机器人的制造和应用水平，可体现一个国家的整体制造业水平和科技发展水平。将工业机器人合理的应用到自动化生产设备中来，不仅可以提高生产效率，减轻劳动强度，而且能改善工人的劳动环境，对提升工人的素质也有着现实意义。同时，机器人具备标准化特点，通过编辑不同的应用程序，借助不同的机械手爪机构，可快速适应不同的应用需求，具有很高的重复利用率，具有好高的经济效益。

与国外相比较，中国国内在机器人领域与发达国家仍存在较大的差距。这样的差距尤其体现在工业机器人的制造上，国内制造的机器人的许多关键部件，主要是高性能交流伺服电机和高精密减速器等核心部件，目前仍需依赖于进口，国内许多技术企业目前都不足以提供高性价比的产品用于同类替代。但随着我国政府相关科研计划的扶持，我国的工业机器人技术在一些技术攻关问题上得到了长足的进步，已逐步掌握了其设计、制造和应用等多方面的技术，并且在一些关键技术方便也已达到或接近世界领先水平。

我国作为世界公认的制造业大国，随着雇工难，用工成本高等问题的不断加剧，提高制造业自动化水平刻不容缓，而为此产生的巨大市场势必将有效推动我过工业机器人技术领域的快速发展。

当前，“IE+机器人自动化”生产模式成为了当今制造业热点，这一模式可实现无人化生产。IE作为工业之父，在自动化及无人化的生产规划过程中，通过对生产管理，工艺的细致了解和把握，并结合自动化、机器人及相关技术，从而实现了生产的无人化过程。

放眼世界，不难看出，工业机器人将成为第三次革命浪潮的主角。

1.2.2国内外机器视觉技术的发展现状

机器视觉是研究用计算机来模拟生物视觉的科学技术，机器视觉系统的首要目标是用图像创建或恢复现实世界模型，然后认识现实世界。通常，机器视觉系统需要由光源、光学系统、相机、图像处理器、图像处理软件和通讯输入输出单元等共同组成。其工作原理为：相机采集图像信号并将其转化为数字信号，传送给专用的图像处理器，由图像处理软件来完成图像处理对这些信号进行各种运算以抽取目标的特征，如面积、轮廓、数量、位置等。

第二章系统总体方案设计

2.1概述

本章对客户提出的工艺要求和现有的生产工艺特点进行了分析，指出了实现该产线自动化的可行性和设计方向，确定了整套设备的相关设计方案为后续的机械结构设计、电气控制方案等明确了方向。

2.2设计目标分析

2.2.1来料分析

客户提供的材料样品如图2.1和图2.2所示，钢网片的来料方式为：以片钢网片为一组，等距间歇性附着在一定长度并具有一定粘性的离型膜上，并被卷在塑料卷筒上；而双面胶片的来料方式为：双面胶片以4*4的组合方式分布在一定尺寸并具有一定粘性的离型膜上，而该离型膜上加工有若干定位孔。单从材料自身的特性来说，钢网片具有一定的强度朝性，双面胶片相对质地柔软。

从来料方式来看，成卷的钢网片可通过人工或专用剥离机构实现钢网片从离型膜上的剥离；而附着有双面胶片的离型膜上己加工有若干定位孔，可以加以利用，通过这些孔定位可确保在某一特定平面范围内离型膜上的每一片双面胶片保持稳定的位置坐标。

2.2.2工艺要求分析

通过对现在有的工艺流程来看，钢网片具有正反面之分，在贴合钢网片和双面胶片时，需保证钢网片的正面与双面胶片上的贴合面接触贴合。此外，需要注意的是附着于离型膜上的钢网片均是以正面朝上，反面附着在离型膜粘性表面上的。钢网片的正面附有离型膜。

2.2.3现有产线的不足

该公司现有的产线为人工产线，每条产线由若干名产线工人组成，同一产线上的工人以相同距离依次坐下，通过专用夹具固定附着有双面胶片的离型膜，通过人工将展开于产线工作台面上附着有钢网片的离型膜上的钢网片取下后，人工完成贴合。

2.2.4设计目标

通过前面的分析，该智能机器人自动剥离贴和设备的主要设计目标可明确为：

设备需自动完成物料的传送，从离型膜卷材上自动剥离钢网片，借助一定的机械结构完成对钢网片的翻转，借助一定的技术手段，确保钢网片和双面胶片以正确位姿关系完成精确贴合，同时，设备应具有较高的稳定性和安全性。

第三章动力学与运动学分析......19

3.1机械手运动学分析......19

3.2翻转机构运动学与动力学分析.......24

3.2.1翻转机构运动学分析.......24

3.2.2翻转机构动力学分析.......28

3.3小结.....30

第四章设备机械结构设计.......31

4.1概述........31

4.2整体机械结构的设计.......31

4.3设备基座设计......33

4.4剥离台设计........34

第五章视觉伺服系统设计.......55

5.1视觉系统设计......55

5.2视觉系统中的成像变换......56

第八章设备的安装与调试

8.1设备安装

按照前章的设计研宄内容完成设备的设计之后，设备需要首先经历安装流程，通常，设备的组装过程分为以下几个步骤：

（1）清点机加零件、外购电气元件，并予以记录；

（2）对机加零件的机加尺寸进行测量，并予以记录；

（3）组装设备的基座部分，将其移动到预定的调试位置，利用水平仪等工具，调整工作台面的水平度，最后锁紧地脚螺检，确保设备基座位置固定；

（4）机器人的定位安装由于机器人是设备最主要的动作单元，其他的运动机构均都是以其为中心进行的分布安装，因此，需首先对其进行定位安装。

（5）机械手爪的安装定位为了确保机械手爪各吸盘在动作做时能与翻转机构末端吸盘上的各吸附位置保持准确的对位，在将机械手爪安装到机械手上时，需要对吸盘的整体水平度和平面度进行精确调整。

（6）进料机构的安装由于该机构的体积较大且质量较大，安装是需要注意进料机构的固定，确保该机构在运动过程中不会出现紧固件松动而出现机构移位的问题。

（7）翻转机构的安装首先确定翻转机构与机械手之间的位置关系，确保翻转机构的待取料区域在机械手的理想工作位置，对翻转机构的末端吸盘的水平度和平面度进行微调。

（8）剥离机构的安装对应翻转机构，安装剥离台，并在剥离台的预定位置安装顶舌机构，手动操作翻转机构看相互运动关系能达到理想工作状态，在对应剥离台安装剥离机，保证剥离机和剥离台的正确对应位置关系。

（9）确定机械部件部分安装正确之后，完成供电电路和控制电路以及气动系统气路的连接。

（10）前期调试检验各运动机构能否实现预期的动作，检验各机构运动过程中的动作衔接情况，根据检验情况对其进行微调。

（11）控制程序的编写调试，将编写好的程序导入机器人控制器中，对设备行运行调试。

（12）组装设备的防护罩和相关的安装报警器件等。

总结与展望

总结

针对钢网片和双面胶片的实际贴合需要，通过工业机器人技术，视觉伺服技术，传感器技术，现代控制理论等多种技术相结合，本文设计了一款基于智能机器人的自动剥离贴合设备，通过产品的自动化生产，有效的提高了生产效率，降低了生产成本，实现了产品的自动化生产。本文中设计的该套自动化生产设备具有一定的独创性，融合机械、气动、计算机视觉和传感器等多各领域的技术。主要研宄成果如下：

（1）对现有的工艺流程进行了分析，提出了基于智能机器人的自动剥离贴合设备的可行性，通过设计方案的讨论，确定了机械结构设计的任务目标和设计思路。这对同类应用需求的设计方案有一定的借鉴价值。

（2）对设备中个别运动机构的设计进行了重点分析研究，通过建立机器人运动数学模型，对机器人进行了运动学分析，研宄了机器人的运动情况；通过建立翻转机构的数学模型，对设备翻转机构进行了运动学和动力学分析，研究了翻转机构的运动情况和末端吸盘在设备中运动位置关系。对于同类的数学模型的建立有一定的参考价值。

（3）完成了设备机械结构设计：

）针对设备的剥离机构部分的剥离台进行了设计，重点对剥离刃角进行了理论分析和研宄，从材料力学的角度对剥离工艺的原理进行了了分析研究，完成了理论计算，为剥离刃角的设计提供了参考。

2）针对翻转机构完成了机械结构的设计，针对翻转机构的末端吸盘设计进行了分析，通过理论计算分析得出，需要加入顶舌机构协助翻转机构对剥离台待取料区域的钢网片完成完全剥离取料工作。

3）完成了机械手爪的机械设计，针对机械手爪吸盘设计进行了分析研究；

4）完成了进料机构和双面胶片片状来料的定位装载托盘的设计。

（4）完成了设备的气动系统设计，绘制了设备的气路设计图，对气动进行了选型计算；

（5）完成了设备的控制电路设计，对机械手控制的IO端子进行了分配，绘制了相关的电气连线图，利用EPSON机械手控制器RC5.0+完成了控制程序的编写。

（6）完成了设备的安装调试，通过测试数据验证了该自动化设备对该产品生产的产能的提升。

展望

经过设备的一段时间实际使用情况来看，设备中还是存在一下问题和缺陷，这些问题都是有待改进的。现总结如下：

（1）翻转机构和顶舌机构在配合剥离钢网片时，有时会因为钢网片来料卷材上的钢网片的移位等问题造成翻转机构末端吸盘的漏真空，使得钢网片不能被完全对位吸附，而直接导致该次取料的失败，影响生产效率。因此，后续设计中应当考虑如何控制钢网片在剥离台待取料区域中保持相对位置的固定。

（2）翻转机构在长时间的使用后，摆动气虹摆动轴会出现轻微的径向摆动，在后续的改良设计中可以考虑加入平衡块等，以改良该运动机构的动平衡问题。

（3）产品的合格率虽然较之前有很大提高，但仍然不理想，这说明设备在精确定位贴合中存在一定的问题，有待进一步提高。

由于时间的限制和设计水平有限等客观因素的存在，最终搁置了这些问题。希望各位同行专家能批评指教，在此深表感谢。
 

参考文献：

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