（测试计量技术及仪器专业论文）多轴精密机械手的研究.pdfVIP

摘要 随着科技的进步，处于信息领域的光电子技术飞速发展，半导体激光产品成 为其中瑞璨的明珠。半导体激光产品在人们r 常生活中所起的作用越来越大。它 不仅应用于家庭娱乐产品( 如b v d ) ，而且渗透到了通讯领域、网络工程、各种 复印、打印机械等。 目前，我国的半导体激光管的生产效率相对低下，主要是因为生产中只有单 功能设备，需要人工干预。经过调研，我们和中科院半导体研究所决定合作开发 一台设备，称为多轴精密机械手，突破当前生产中存在的瓶颈问题实现半导体 t 0 管座转移的自动化，提高生产效率。 本文主要论述了多轴精密机械手的总体设计方案，包括机械结构、电气部分 和控制系统的实现。 在设备的研制过程中，我们成功设计了可旋转、带弹性键定位功能的负压机 械爪，可自动开关铝模条铜片的机构，铝模条连续输送、准确推入工作轨道的辅 助送料系统，以及丁r 发运用了快速、准确时序控制的多轴控制器，使得课题取得 圆满的成功。i 司州，在丌环系统中实现高精度控制，并且总结出套复杂设备的 快速在线调整方法。 关键词：机械手，半导体t 0 管座，专用铝模条，多轴控制器 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c e ，p r o d u c t so fl a s e rs e m i c o n d u c t o rt a k em o r e e f f e c ti no u rd a i l yl i f e t h e yn o to n l ye n t e ro u rl i f eb ym e a n so ff a m i l ye n t e r t a i n m e n t ( s u c ha sd v d ) ，b u ta l s oa p p l yt oc o m m u n i c a t i o nf i e l d ，n e t w o r kp r o j e c t ，k i n d so fc o p y a n dp r i n t i n gm a c h i n e s n o w ，p r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo f l a s e rs e m i c o n d u c t o ri no u rc o u n t r yi sl o w r e l a t i v e l y , b e c a u s eo n l ye q u i p m e n to f s i n g l ef u n c t i o ni su s e di ns o m ew o r k i n gp r o c e d u r e s ow e d e c i d et o d e s i g n am a c h i n ec a l l e dm u l t i - a x i s p r e c i s i o nm a n i p u l a t o r w i t ht h e s e m i c o n d u c t o rs c h o o lo fc h i n at e c h n o l o g yi n s t i t u t e t h em a c h i n ei su s e dt ob r e a k t h ec h o k ep o i mo fp r o d u c t i o n r e a l i z i n ga u t o m a t i s mi nt r a n s f e r r i n gt u b et of r o m p l a s t i cb o a r d t oa l u m i n u m p i e c e t h em a i np e r c e p t ，m a c h i n ed e s i g n i n g ，e l e c t r i cm e t h o da n dc o n t r o ls y s t e ma r e p r e s e n ti nt h ep a p e r d u r i n gt h es t u d y , w eh a v ef i n i s h e dv a c u u m m e c h a n i c a lf i n g e rw i t hs e e kf u n c t i o n u s e dr o t a r ya n de l a s t i c i t yp a r t s a n dd e s i g na u t o m a t i cm a c h i n et oo p e na n dc l o s et h e s h e e tc o p p e ro fa l u m i n u mp i e c e w ea l lw o r k e do u ta s s i s t a n tt r a n s m i s s i o ns y s t e mf o r a l u m i n u mp i e c ea n dd e v e l o p e dt h em u l t i - a x i sc o n t r o l l e rw ei n t r o d u c ean e wm e t h o d t or e a l i z eh i g hp r e c i s i o nc o n t r o li no p e n l o o pa n ds u m m a r i z ean e wi d e af o ra d j u s t i n g o f c o m p l e xe q u i p m e n t k e y w o r d s ：m a n i p u l a t o r , t u b e t oo fs e m i c o n d u c t o r , a l u m i n u m p i e c e ，m u l t i a x i sc o n t r o l l e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下迸行的研究工作和取得的 研究成果，除了义q - l 特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘生盘璧或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：慰兹签字日期：。弓年，月二日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨生盘生有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库迸行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：庶奔导师签名：多壑如 签字日期：砌弓年，月日 签字日期： 彩年月石臼 第一章绪论 1 1 项目背景及现状 第一章绪论 8 0 年代以来，以信息技术、生物技术、新材料等高技术为中心的新的技术革 命浪潮有力地冲击着全球，它对生产力的发展，人类刨造力的发挥，产生了巨大 的影响，引起了经济、社会、文化、政治、军事等各方面深刻的变革。高技术及 高技术产业已成为固与国之间，特别是大国之间竞争的主要手段。实践证明，谁 掌握了高技术，抢占到科技的“制高点”和前沿阵地，谁就可以在经济上更加繁 荣，政治上更加独立，战略上更加主动。因此，许多国家都把发展高技术列为国家 发展战略的重要组成部分，不惜花费巨额投资，组织大量的人力与物力。 我国的经济和社会发展面临着许多重大问题，如人口、粮食、能源、环境等， 迫切需要高技术的突破和应用。作为发展中的社会主义大国应当适应世界高技术 发展日新月异的新形势，积极跟踪世界先进水平，缩小与国外的差距，适当集中 力量，在有限的高技术领域部署工作，对促进经济和社会的发展、特别是农业现 代化工业、企业技术升级等都具有重要意义。 一个宏伟的计划一8 6 3 计划适时诞生了。从国情出发，我国在较长时期内， 还没有条件投入大量人力、物力、财力，去全面大规模地发展高技术，不可能也 没有必要在世界范围内同发达国家开展争夺高技术优势的全面竞争。因此，8 6 3 训划从世界高技术发展趋势和- 国的需要与实际可能出发，峰持“有限目标，突 出重点”的方针，选择生物技术、航天技术、信息技术、激光技术、自动化技术、 能源技术和新材糊7 个领域1 5 个主题作为我国高技术研究与开发的重点。 光电子主题是8 6 3 计划信息领域四个主题之一口j ，主要研究内容为光电子器 件及其集成技术。近年来实现了量子阱材料和器件的突破，完成了用于高速光通 信、光存储和光显示的几十种关键器件的研制和商品化，结束了半导体激光器和 光纤放大器国外产品的垄断局面。 在8 6 3 计划的支持下，正在建设北京、武汉、深圳、上海、长春、石家庄6 个成果转化产业基地，这些基地中一批企业如武汉烽火集团、深圳飞通光电子技 术有限公司、深圳 f 发科技股份有限公司、北京海特光电子公司、福创公司、河 北立德电子有限公司、汇能公司、长春新产业公司、郑州雪城公司、上海北大蓝 光公司、博为公司等已形成我国信息光电子产业的群体，在国际竞争中不断成长 壮大。尉前能够批量生产十儿种量子阱激光器、及半导体泵浦激光器和掺铒光纤 第一章绪论 仅以2 0 0 1 年两个封装厂的技改项目为例，新增片式三极管1 7 亿只，集成电路 8 5 亿块，用于进口设备和模具的费用就达到3 0 0 0 万美元。 在这种形势下，形成了以下格局：我国将市场投放在信息传输与信息转换应 用产品上，由于技术力量相对比较薄弱，于是引进国外先进的生产设备，利用原 料及半成品进行加工。 半导体激光管是半导体激光器件的核心部分，它的开发和生产就是信息转换 半导体产品中的一种。 半导体激光管以半导体t o 管座为基础，它是在半导体t o 管座上进行了各种 后续加工( 如定向、焊接发光晶体、晶体光谱测试、管冒的亚弧焊接等) 而成的。 国内资源的相对短缺及国内芯片制造工艺的相对薄弱，因此半导体生产所需 原料( 如半导体t o 管座) 多为进口，国内尚无大量生产的厂家。国内厂家只能 利用进口的原料及半成品进行加工，原料大部分来源于台湾、日本、美国等地。 1 2 课题的提出 国内至今尚无加工半导体激光管的全自动生产线，某些工序中应用了单功能 设备，由于生产中原料和设备没有很好的连续性和兼容一致性，市场也没有提供 转换的专用设备，所以需要人工干预，负责原料的送进与取出。 在整个生产过程中，第一步是将t 0 管座从储存它的塑料板中取出放入专用 铝模条中( 我们称其为t o 管座的转移) ，这是后续加工要求的，如图卜1 。由于 塑料板 t o 管座 沪司 图1 1t o 管座的转移 专用铝模条 塑料板来源于日本，专用铝模条来源于台湾，尺寸很不匹配，因此装卸过程由人 工完成。人工作业虽然机动灵活，但效率低下，不能满足大规模生产的要求；而 且大量的雇用工人必将破坏工作车间的净化环境。这样，t o 管的转移成为大规 第一章绪论 模生产的瓶颈，影响了生产厂家与美国公司签订每月1 0 0 万只的订货合同。 半导体t o 管座外形为短圆柱形，如图卜l ，圆柱的高度很小，圆周方向上 有一键槽，此键槽用于定位。每个t o 管座在储存的塑料板中摆放时键槽的方向 是任意的，相邻两个t o 管座的间距为9 m m ，而在需放入的铝模条中每个t o 管座 必须键槽方向一致，相邻t o 管座间距为1 2 m m 。简言之，这仑装卸过程就是要将 t o 管座定位，并调整相邻间距。 而且，解决的方法需要具有以下特点： 1 可自动把r o 管座抓起，并且按其定位规则将之放进专用铝模条。 2 每安装1 0 个管座到一根专用铝模条内的平均时间为1 5 2 0 秒。 3 出现故障时，自动报警。 4 在操作正确，被操作器件无异常误差时，装载的合格率为9 9 8 。 5 可连续工作8 小酬，年之内不得出现重大故障( 一天之内不能修复的 故障) 。 6 工作中不能产生油污和粉尘( 要求工作车间为净化恒温车间) 。 7 不得造成t o 管座表面机械损伤和管腿变形，不能损坏专用铝模条。 1 3 选题的意义 该课题属于8 6 3 计划信息领域光电予主题中成果产业化的支持项目。它将解 决当荫半导体激光管生产中的瓶颈问题，为产品在国际市场激烈竞争中提供有力 的保证。 据中国工程院院士，半导体光电子学家陈良惠先生介绍，目前国内一共有四 条半导体激光管的生产线，两条在北京，两条在惠州。半导体t o 管座的转移一 直制约着这四条生产线的生产能力，如果可以解决这个问题，使得产量接近每月 1 0 0 万只，将极大提高产品在国际市场的竞争力，并且创造每月1 0 0 万美元的产 值，具有极大的经济效益和社会效益。 1 4 课题的方案 1 4 1 解决方案 为了解决目前存在的问题，我们需要这样一台设备：它可以代替人工完成t 0 管座的装卸过程，并且具有较高的效率，满足生产要求。 方案一：假如我们有这样套系统，它对特定范围内的每一个t 0 管座进行 图像识别辨认，并且根据管座的当前姿态进行状态调整，然后将管座正确无误地 4 第一章绪论 放入专用铝模条中。 这种方法具有较高的通用性和智能性，可以对各种形状的工件进行各种形式 的操作。但是由于它将采用图像处理技术，需要进行大量的运算，一般来说对数 据处理部分的软硬件的要求比较高，而且，操作的时候需要采用闭环控制，虽然 可以达到较高的精度，但是经济成本也相对较高。 方案二：设计这样一种机构，利用其机械结构的特征可以完成t o 管座的定 位，添加相应传感器检测定位完成情况。在这种情况下，如果机械结构可以保证 工作的有效性，那么，我们只要利用开环系统就可以完成预定的功能。 显然，这种方法的成本会低很多，但是需要有相当高超的机械设计能力。而 且我们预先需要做的准备工作就是设计具有这种功能的机构，完成原理实验，才 能确定此方案的可行性。 综合方案一、二考虑，结合委托方经济实力和我方的技术力量，我们决定着 手方案二的准备工作。 1 4 2 方案可行性验证 首先，关于管座的抓取。 由于我们的工作对象是半导体t o 管座，它的用途特殊性决定了它的表面为 非规则形状，用一般的机械央持方法不易实现。每个重量o 2 6 9 左右，属于轻 小型工件，因此考虑用吸附式方式【硼抓取。 吸附式抓取根据其原理可以分为气吸式和磁吸式。气吸式是利用气体压力之 差对工件产生吸附力，而磁吸式则是通过磁力吸附工件。如果使用磁吸式，很可 能对工件进行磁化，影响工件的定位以及后续工序的操作，因此，我们决定采用 气吸式来抓取工件。 其次，关于管座定位的实现，这也是方案二是否可行的关键。 我们仔细分析管座的结构，发现管座的定位槽位于管 座的外圆周上( 如图1 2 ) ，我们有了这样的想法，定位 。 的b , j 候我们沿着管座的圆周( 图示阴影部分) 慢慢寻 al_ 找，在最不利的情况下，而且我们只进行单向运动，最 皂 i ； 多需要寻找3 6 0 ”，就可以找到它的定位槽。 1 现在的关键问题是我们怎么实现这种寻找? 图1 - - 2 定位寻找过程 管座是被用吸附式的方法抓取起来的，它被抓起后，管座的运动将一直依托 着抓取它的机构的运动而运动。那么我们这个机构设计成可以相互运动的两个部 分。一个部分将直接和管座接触，当抓取管座后，由于吸附力和摩擦力的共同作 用，这部分和管座可以保持相对的静止。另一部分则含有与定位槽相配合的定位 第一章绪论 键。当两部分相互运动时，定位键和定位槽开始了相互寻找的过程。 一旦定位槽与定位键的位置一致时，定位键和定位槽的位置相互锁定，这时， 管座相对于定位键静止。我们只要预先锁定定位键的位置，那么通过这个寻找过 程，管座的定位过程也就很轻松的实现了。 最后，关于将t o 管座放入专用铝模条中。 当定位键的位置与铝模条上管座容纳孔中定位键的位置一致时，改吸附力为 吹放力，并且加上管座本身的重力。管座很容易就放入到铝模条中。 我们的原理实验就实现了上述过程。所以，我们验证了方案的可行性。 同时，从提高效率考虑，希望采用多点工作方式。 装载半导体t o 管座的塑料板共有2 0 行，每行有等间距的1 0 个孔容纳1 0 个 t o 管座。而专用铝模条有1 5 个孔容纳t o 管座。我们的工作点可以选用5 个， 也可以选用1 0 个。如果选用5 个工作点的话，工作两次，可以完成1 0 个管座的 抓取，工作3 次，可以装满一个铝模条。如果选用l o 个工作点，工作一次就完 成l o 个管座的抓取，工作3 次，则装满2 个铝模条。显然，1 0 个工作点的效率 高的多。 1 4 3 方案总体构想 机械手主工作 专用铝模条 塑料板 图1 3 总体方案 针对设计任务及技术要求，我们有了一个总体的构想，如图l 一3 。 整个设备含有三个方向的直线运动和两个方向的旋转运动：x 方向，y 方向， z 方向，绕z 轴旋转，绕y 轴旋转。 x 方向储存半导体t o 管座的塑料板的运动方向。 y 方向存放t o 管座的专用铝模条的运动方向。 6 第一章绪论 z 方向用于取放t o 管座的机械手的运动方向：从塑料板上抓取t o 管座， 然后再放入到专用铝摸条中。 绕z 轴旋转机械手主工作部分用于实现t o 管座定位机构的运动方向。 绕y 轴旋转负责自动运送专用铝模条传送带的运动方向。 除了这几个方向运动外，机械手工作部分中还有进行坐标变换的运动，即将 机械爪的间距调整为9 m m 或1 2 m m 。 1 4 4 方案论证 起初，我们的设计是：x 轴通道位于设备的最底层，当塑料板运动到机械手 下方，机械手下降，抓取l o 个t o 管座；y 轴通道位于x 轴通道上一层，机械手 抓取l o 个t 0 管座后上升到y 轴通道上方，将t o 管座放入到铝模条中，铝模条 被送入收集箱中：然后机械手上升到起始位景准备下一次循环。 此方案过程简单，但铝模条中的1 5 个孔每次只被装入1 0 个t o 管座，这样 就浪费了资源。 最终，经过分析我们确定了这样的方案： 其它方面不变，只将y 轴通道置于x 轴通道下方。这样，x 轴塑料板中的1 0 个t 0 管座被下降的机械手取走后，塑料板后退；y 轴通道上铝模条被一个接一 个的送入机械手下方，机械手下降后，第一次将1 0 个t o 管座放入铝模条中，占 据第一个铝模条的l o 个空孔，第二次，将1 0 个t o 管座放入第一个铝模条的后 5 个空孔和第二个铝模条的前5 个空孔。这样，工作循环3 次可放满2 个铝模条， 避免了铝模条的资源浪费。 1 4 5 工作过程 整台改备的工作过程简单描述如下： xi h j 塑半4 板移动使行1 0 个7 r o 管座置于机械手的二i _ 2 作面上，机械手下降， 抓取1 0 个r 0 管座，然后机械手上升，同时对管座旋转定位，并完成从9 m m 到 1 2 m m 的坐标变换。x 向塑料板往回移动，让开机械手通道。机械手下降，此时， 1 0 个t o 管座均已完成定向，而且间距也己调整为1 2 m m ，机械手内的气路中由负 压转换为正压，将t o 管座吹入到铝模条中。然后机械手上升，丌始下一次循环。 具体工作过程如下： x 向塑料板通道，我们采用电控线性工作台。在行程起始位置时，将塑料板 安装在x 向塑料板托架上，然后程序控制工作台带动塑料板向前移动。到达机械 手_ f 方时，机械手将一排1 0 个t 0 管座取走，工作台在程序的控制下向后运动。 第二次循环时，工作台向前移动的距离比上一次循环多出塑料板的一行间距，以 第一章绪论 便使塑料板上第二行的1 0 个t 0 管座被取走，管座被取走后，工作台向后运动， 移动的距离比第一次多出塑料板上的一行间距，依此类推，第三次向前移动的距 离比第一次多出2 行f 刚距，向后移动距离比第一次也多出2 行间距，直到塑 料板上的t o 管座全部被取走，再换上另一个装满t o 管座的塑料板开始新的循环。 y 向专用铝模条通道。在这个通道上，我们还设计了专用铝模条的辅助送料 系统，包括链轮( 传送带) 机构和推杆机构。链轮机构负责将铝模条一根一根地 送到推杆机构前，推杆机构将铝模条推入y 向工作轨道。开始时，由程序控制， 链轮链条传动将铝模条传送到推杆机构前，随后，推杆机构将铝模条推入y 向工 作轨道，最后，程序控制机械手下降进行放入工件的动作。在y 向工作轨道的末 端，我们设计了一个铝模条储存架，用以储存装入t o 管座的铝模条，同时，储 存架上另有机构使铝模条上的压紧铜片压紧放入铝模条中的t 0 管座，防止t o 管座的滑落。 z 向机械手运动的通道。机械手含有l o 个机械爪和坐标变换机构，由电控线 性工作台带着机械手做整体运动。电控线性工作台将由程序控制，步进电机驱动， 精密滚珠丝杠传动。坐标变换机构是为了调整l o 个机械爪之间的间距而设计的， 当机械手到塑料板上吸取1 0 个t o 管座时，机械爪的间距应和塑料板的间距一致 为9 m m ，当机械手将1 0 个t 0 管座放入专用铝模条中时，机械爪的间距应和铝模 条的阳b 距一致为1 2 m m 。机械手的抓取与放下t o 管座的过程是这样的：当塑料板 运动到指定位置时，坐标变换机构调整机械爪间距为9 m m ，机械手下降到塑料板 上表面，开启负压，使机械爪内压强小于外界大气压，从而将t o 管座吸起；机 械手带着t o 管座上升，机械爪开始旋转，将t o 管座进行定向：定向完成后，坐 标变换机构将机械手的爪间距调整为1 2 m m ；当铝模条到达指定位置后，机械手 f 降至铝模条上表面，此时，机械爪已停止旋转，并且由负压变成正压，由于机 械手的爪内压强大于外界大气压，t o 管座便被吹落到铝模条内，然后机械手上 升，准备下一次循环。 1 4 6 方案实现 根掘总体设计，我们选择了相应的零部件来完成工作过程。 14 6 1 各方向上设备的选择 1 x 方向塑料板通道 我们选用北京卓力汉光仪器有限公司生产的t s a 系列电控平移台。该平移台 采用步进电机驱动，精密滚珠螺杆副传动，精密线性轴承导轨，具有精度高，承 载大等特点。我们选用的型号为t s a 3 0 0 的产品。它的移动行程是3 0 0 m m ，滑台 面积是1 2 0 1 2 0 ，总体积是5 5 6 1 1 2 5 5 ，分辨率是0 0 0 2 5 m m ，定位精度是 第一章绪论 - z - _ 0 0 0 m m ，可以满足我们对行程和精度的要求。 在x 方向上有一个塑荆板专用托架，它是设备工作中塑料板的保持架，可以 确保塑料板在工作过程中被精确定位。托架- - n 有一条挡边，是塑料板的定位基 准。前端有- - + 挡片，右后端有一弹簧卡盘。这种结构( 具体结构见第二章) 是 便于实现人工装卸，确保塑制板被精确定位在托架上。 2 y 方向铝模条通道 这个方向结构比较复杂。专用铝模条的辅助送料系统包括链轮( 传送带) 机 构和推杆机构，均采用步进电机驱动，程序控制。y 向工作轨道上设计了两个相 同的小薄片簧( 具体结构见第二章) ，带有斜边，当铝模条被送入y 向工作轨道 后斜边将铝模条上的薄铜片推丌，使铝模条上的孔完全暴露出来，以便于半导 体t o 管的顺利进入。 y 向来端设计了一个储料架。储料架安装了两个导向压紧轮，用来合上铝模 条的薄铜片，防止装入的t o 管座掉出来。 3 ，z 向机械手运动通道。 我们选用的是s m c 公司的电控线性工作台。该工作台由程序控制步进电机 驱动，精密滚珠丝杠传动，两根圆柱导轨导向，并带有断电自锁功能。我们选用 的型号是l x p b 2 s a 一5 0 s b 的产品。该工作台最大行程为5 0 m m ，定位精度是 0 0 0 5 m m ，最大速度达1 0 0 m m $ 最大承载能力5 0 n ，可以满足我们对行程及精 度的需要。 1 4 62 检测与控制部分 l ，双( 向) 作用气缸 本课题中，在z 轴方向上，坐标转换机构变换坐标是通过气缸活塞的往复运 动而实现的。由于坐标变换的两个位置都是工作位置，活塞前进或后退都需要有 输出力，所以我们选择双作用气缸。 双作用气缸的活塞前进或后退都能有输出力。结构简单，行程可根据需要选 择。气缸若不带缓冲装置，当活塞运动到终端时，特别是行程长的气缸，活塞撞 击端盖的力很大，容易损坏零件。经过气缸的各项性能比较和技术参数的确定， 最终我们选用缸径为2 0 m m ，行程为4 0 m m 的双动气缸。 2 负压传感器 机械爪t 安装有负压传感器( 真空丌关) ，作为检测机械爪定位工作状态的 传感器。当机械爪从塑料板上抓取t o 管座时，机械手在接近管座上表面的位置 打丌负压。当管座进入机械爪的空腔中，则管座的上表面、机械爪的内腔和真空 丌关之间形成的真空回路，考虑到回路中气体泄漏量，当1 0 个管座定位完成之 后，真空气压值将达到最大值，使负压传感器打开。传感器给出信号之后，机械 第一章绪沦 手可以继续工作。若有一个管座未被抓起或者未完成定位，信号将不会产生，c p u 提出警告，要求人工排除后，继续工作。 3 运动控制器 精密四轴控制器是多轴运动控制器中的一个系列，我们选用的是美国p a r k e r 公司的6 0 0 0 系列多轴运动控制器。 6 0 0 0 系列控制器中有多种型号的产品，其中以脉冲输出方式的有6 2 0 0 、 0 e , m 6 2 0 0 、a t 6 4 0 0 、o e m a i6 4 0 0 等：以l o v 模拟输出方式的有6 2 5 0 、0 e m 6 2 5 0 、 a 1 、6 2 5 0 、a t 6 4 5 0 。我们剥各型号产品的各项性能指标进行综合评价分析后决定 选用型号为a t 6 4 0 0 产品。 a t 6 4 0 0 产品有以下特点： 1 可用于步进电机驱动控制。 2 可用于真交流伺服电机驱动控制。 3 可对四个轴进行同步控制。 4 町进行直线圆弧的插补。 5 软件的运行界面是最流行的w i n d o w s 环境。 6 控制量有独立式和插卡式可供选择。 7 带有6 0 0 0 系列的易记易学的编码指令。 0 第二章机械设计 第二章机械设计 在本章中，将系统的介绍多轴精密机械手的机械结构。机械结构是整个设备 的物理基础，承载着设备的生产运动和功能的实现。我们从实际出发，仔细分析 研究了生产中将要使用的半导体t o 管座以及管座的承载体( 塑料板和专用铝模 条等) 的外形特点和尺寸，使所有设计符合最优化原则。其中设计出可以自动完 成t o 管座定位的机械爪结构，以及能够简单可靠完成精密坐标变换的结构，为 设备的研制成功奠定了基础，也成为设备机械结构中的闪光点。 2 1 机械设计的原则 2 1 1 机械设计中零件尺寸设计遵循的工艺准则 设计人员对所设计的零件【6 l ，不但要保证设计上的要求，同时还应满足工艺 上的要求。零件尺寸设计工艺性的好坏，将直接影响到产品的质量和成本。所以 设计的时候，基本遵循以下准则： 零件尺寸的标准化、规格化，对提高零件的工艺性具有重要的意义。它是实 现典型工艺规程的重要文件，有利于提高生产效率。 零件的尺寸基准是标注尺寸的起点，合理地选择尺寸基准，是在标注尺寸时 首先应考虑的主要问题同时必须注意以下几方面：( 1 ) 设计基准与工艺基准尽 量重合。( 2 ) 设计基准与定位基准尽量重合。 设计零件时，在满足设计要求的基础上要考虑到零件从毛坯制造、加工、测 量、装配的全部工艺过程。 零件尺寸的精度要与其功能相适应。根据零件的功用和在部件或产品中的配 置，应该合理的选定该零件的尺寸公差。 生产类型是决定工艺方法的重要因素之一。不同的生产类型，不仅零件的结 构形状应与之相适应，而且尺寸标注也要和工艺过程相适应。所以零件的尺寸标 注要与生产类型相适应。 2 1 2 装配尺寸链中组成环公差的确定 往装配t 、j 链的计算畔i ，各组成坏公差是依据代表装配精度的封闭环公差按 一定的力法分配而得。一般采用等公差法或等精度法【7 j 这两种方法比较简单、 易于计算。 第二章机械设计 按极值法确定组成环的公差： 极值法是基于能完全互换的要求所决定的计算方法。封闭环尺寸及公差计算 公式为 扩芝矾一艺瓦。 ( 2 1 ) 。：芝矾。一芝瓦、 占= j ， ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中：爿为增环，爿，为减环，j ，为组成环的公差。 按概率法确定组成环的公差： 采用极值法计算尺寸链，简单可靠，但当封闭环公差较小、组成环数较多时， 组成环公差过小，导致) j n t 困难、制造成本升高。实际上在装配时，组成环误差 同时达到极限值的概率很小，而大多数零件的尺寸是处于公差带的中部，符合正 态分布规律。 1 ) 等公差概率分配法 在正常生产条件下，若把各组成环的公差放大，并按此公差加工零件，其尺 寸超出原公差的超差率与公差扩大率是不成正比的，其均方根偏差盯与尺寸误差 分布范围的关系式为： 仃= 凡吆( 2 4 ) u 式中：k 为离散系数，j f 念分析时k = i 。 当o 增至2o 时缱6 也扩大一倍，但尺寸超出原公差的超差率仅为1 3 3 6 。 由此可见，6 适量超过6c 仍可保证其要求。根据正态分布的加法定理得6 ： 与6 的关系式： j = ( 2 5 ) 式中：k j 为各组成环的离散系数。若使各组成环取相等公差6 。时，则有 占。= j k 。( 月一1 ) ( 2 6 ) 式中：k 。为平均离散系数，般估算时取尺k 。= 1 5 。 2 ) 等精度概率分配法 为了使各组成环的加工精度相同，同样可按等精度概率法对组成环公差进行 分配，计算公式为： 第一章机槭i 5 2 汁 驴6 。j k 霉 2 1 3 机械设计选材的一般原p , i j ( 2 7 ) 机械设计不仅包括零件结构的设计，同时也包括所用材料和工艺的设计，一 个优秀的设计，必然要求材料选用合理。选用的材料必须保证零件在使用过程中 具有良好的工作能力，必须保证零件便于加工制造，必须保证零件总成本最低。 因此，正确选材一直是工程上的重要课题。 选材过程中，我们应陔遵循以下原p , , j t8 | ： 选材的使用性能原则使用性能是保证零件完成规定功能的必要条件。在 大多数情况下，它是选材首先要考虑的问题。使用性能主要指零件在使用状态下 材料应具有的力学性能、物理性能和化学性能等。不同零件功能不同，所要求的 使用性能也不一样。对于机器零件和工程结构，最重要的是力学性能。力学性能 要求，一般是在分析零件工作条件和失效形式的基础上提出来的。 选材的工艺性能原则材料的工艺性能表示了材料的加工难易程度。在选 材时，同使用性能比较，工艺性能处于次要地位，但在某些特殊情况下，工艺性 能也可成为选材考虑的主要因素。另外，一种材料即使使用性能很好，但若加工 板困难或者加工费用太高，它也是不可取的。因此材料的工艺性能，无论如何 都应该是选材时必须考虑的问题。 选材的经济性原则零件选用的材料必须要保证零件的生产和使用的总 成本最低。一个零件的总成本与零件寿命、零件重量、加工费用、研究费用、维 修费用和材料价格有关，其中材料价格是选材经济性的一个重要因素。因此，在 保证零件的使用性能和工艺性能的前提下，采用便宜的材料，把成本降至最低以 获取最大的经济效益，使产品在市场上具有最强的竞争力，始终是工程技术和设 计的一项十分重要的原则。 2 2 整体介绍 首先，整台设备从总体上分成两个部分：工作部分和辅助部分。 工作部分是设备的主要部分，实现功能的大部分动作都发生在这个部分，比 如机械手对t o 管座的抓取，t o 管座的定位，将t o 管座放入专用铝模条等等。 所以，这个部分也包含了设备的主要机构。主要有塑利板工作轨道，专用铝模条 工作轨道以及机械手。这三个机构呈立体式空间结构，运动方向可以用右手坐标 系来表示( 如图2 1 ) 。 第二章机械设计 阱扳j 、一kz 阿置i o 歹x 一 o 臼 铝模条 7 作位置 幽2 一i 机械于i - 作部分运功_ i 崽 位于最下方的是铝模条工作平面， 主要包括沿y 方向的铝模条工作轨道。 铝模条将由辅助部分的送料系统逐一 送入铝模条通道，等待机械手将已经完 成定位的t o 管座放入，之后，被送到 轨道末端的储料架上，等待收集用于后 续工序。 上方是塑料板工作平面，包括沿x 方向的塑料板通道。这个方向可以称得上是典型的通道，因为塑料板固定在其专 用保持架上，而保持架则是和电控工作台连接在一起。当工作台来回移动时，塑 料板的运动也就实现了。所以，电控工作台的运动轨迹决定了塑料板的运动轨迹。 工作台在导轨上来回移动，形成了塑料板的通道。 工作部分最重要的就是沿z 方向往返运动的机械手。机械手在运动过程中分 别与塑料板及铝模条的工作平面交叉形成两个工作位置( 图2 - 1 ) ，在这两个工 作位置上分别实现t o 管座的抓取与放入。机械手还有一个工作初始位罱，位于 行程的最上方，一般情况下，机械手完成任何动作后停留在该位置等待下一个动 作的执行，当然，这种运动方式是为了使机械手的运动变得更有规律，不易出错。 辅助部分主要是铝模条的送料系统( 图 2 2 ) 。当铝模条被乎确地放置在传送带上，链 轮传动就会将铝模条自动传送到铝模条通道的 延长线上，然后由推杆机构将铝模条推入通道 中的工作位置。 传送带是由片状的铝模条保持架整齐排列 两成，整个传送带固定在一条链条之上，链轮 传动就实现了传送带的运动。 推杆机构主要是一个齿轮齿条传动，在齿轮 上给一个原动力，带有齿的推杆( 其实是齿条) 就司以实现运动。 实物如图2 3 。 】i _ ：面，我们来看看具体的结构设计。 2 3 工作部分 2 3 1 铝模条工作轨道 y 。 ”一、 生一 、 一f 、j ， n f ，r 、r 1九、1 jf 河v j f ”t 图2 1 0 推杆传动放大机构 机械手的机械爪是机械手上的主要机构，利用机械爪，机械手将完成对t o 管座的抓取，定位和放入，所以机械爪是能否实现该功能的关键。 在确定方案时，考虑到是实现小型工件的抓取，选用了气吸式。那么，机械 爪中首先包含一个气路通道。要实现定位，机械爪需要有一个机构可以自动寻找 并且确定管座方向的机构。 我们设计的机械爪如图2 一1 1 所示： 、 j l ， l一 j 、 ，p if 1 l ； 1 、i ! f k i f l r l | 1 乙 v - ”羔。圳 。 、4 1 _ 图2 1 1 机械爪结构 1 9 路 内轴 第二章机械漫计 根据方案中的构想，内轴中空，形成气路通道。定位键配合在内轴上，成为 内轴的一部分，由于上方片簧的作用，定位键可以在垂直方向运动。外套和内轴 间隙配合，可以相互转动。工作时内轴固定时，由外力带动外套转动。 外套术端设有倒角，以便对管座实现顺利抓取。外套的尺寸是根据管座尺寸 精心设计的。根据管座外圆直径，外套的内孔直径为5 2 m m ，空腔直径为57 r a m ， 外套中形成个宽度为02 5 r a m 的环状端面。管座被抓取之后，上表面就紧靠在 这取环形端面t ，并且封闭了气路的出口，形成一定的真空腔。 关于机械爪尺寸的确定，经过谨慎的考虑和严密的推理。 首先，中5 7 是根据t 0 管座的直径而定的。管座的直径基本尺寸为d ) 56 ，公 差范围不超过0 1 m m ，因此中5 7 是满足要求的。 其次，中5 9 主要是考虑到机械瓜的晃动和塑料板尺寸洲距不均匀会引起误 差，巾5 9 能在最大尺寸范围内消除这些误差，使得每一个t 0 管座均能被吸入套 内，同时由5 9 到5 7 尺寸变化可形成一个导向面，将t o 管座导入外套空腔内。 第三，中6 2 是考虑到当t o 管座放入铝模条时，铝模条上铜片会影响到机械 爪能否将t o 管座放入孔内。铜片圆弧部分的直径大于6 2 ，因此只要使机械爪底 部最大尺寸小于6 2 就可使外套外径与铝模条上的孔充分吻合。 第四，( b7 尺寸设计的依据是塑料板上各孔的间距。由于1 0 个机械爪排成一 排，它们之删必须有一定的间隙，即外套直径必须小于9 m m ：又由于以上三点原 因决定吸套外径不得小- j 二中6 2 。因此，我们选择了一个适中的尺寸7 ，来满足 要求。 工作叫，在气压差的作用卜管座沿着外套的倒角进入外套的空腔中，上表 面会紧靠在环状端面上，此时，定位键的下端面与环状端面齐平。外套开始转动， 由于摩擦的作用，管座也随着外套转动。当管座的定位槽与定位键的位置一致时， 在片簧的作用下，定位键落入管座的定位槽中。此时，机械手完成对管座的定位， 即使外套继续转动，管座相对于机械爪内轴的位置不再变化。之后由机械爪带动 进行其他运动。 2 5 2 机械手中坐标变换的实现 由于采用多点工作方式，机械手上共安装有1 0 个机械爪。然而抓取和 放入管座时，机械爪的间距分别为9 m m 和1 2 r a m ，所以，我们必须设计一个机 构实现机械爪之削的坐标变换。 我们希望有这样两个标h 鸭i 构a 和b 。当用结构a 作用在】0 个机械爪上时， 将机械爪的问距调整为9 r a m ，结构b 作用在机械爪上时，间距调整为1 2 r a m ， 当然，两个结构不能同明作用。 第二章机械设计 具体设计见图2 1 2 ： 坐标变换板1坐标变换板2 组合1 粼蝴 图2 1 2 坐标蛮换设计 坐标变换板1 实现x 方向的限位，机械爪只能在y 方向自由移动。坐标变 换板2 圆弧槽两端间距分别为9 m m 和1 2 m m ，利用这两个精确的极限位置进行 y 方向的定位，当机械爪在槽中移动时，y 方向间距在9 m m 到1 2 m m 之间变化。 将两块坐标变换板进行组合，可以实现x 、y 方向的限位。如图中组合1 时， 机械爪间距为9 m m ，组合2 时，机械爪间距为1 2 m m 。只要坐标变换板实现相 对移动，就可以实现。 工作时。我们将坐标变换扳1 固定，由双动气缸推动坐标变换板2 进行运动， 分别实现两种组合，完成1 0 个机械爪间距9 m m 和1 2 m m 的变换。 一念钉 、上一r 、 厂2 2 2f r l | 心 、 、一一 矿7 q 一丁寸_ 7 lt| f ll |l ! | |7f ll | | | 一、u - t 、。fl l ， 丫u o 。7l 。7l l 7l ，7 l ， 图2 一坐标变换轨道设计 2 l 寸 第二章机械没计 关于坐标变换板2 的变换轨道设计，考虑到变换板运动过程中的受力均匀和 运动平稳，采用对称结构( 壹| ! l = i2 1 3 ) 。在这种结构中，越靠近中心，机械爪 在坐标变换的过程中y 方向运动距离越小，受到的阻力也越小。最外侧的变换 轨道，相比较之下y 方向的变化比较大，约1 3 5 r a m 。我们可以勾画出这样的直 角三角形，分别以y 方向的运动距离l 和d 为直角边，斜边t 则是机械爪坐标变 化时的运动轨迹。根掘勾股定理得： f - ，! + d 2 ( 2 8 ) 其中t 是坐标变化的轨道长度，i 为机械爪在y 方向的运动距离，分别为1 5 m m 4 5 m m ，7 5 r a m ，1 05 r a m ，l3 5 r a m ，d 为坐标变换板完成变换在x 方向的运动 距离。 直角边d 的选择对运动轨道影响很大。为了减小运动的阻力，使得坐标变换 的过程平稳，希望d 取较大值。但是当d 较大是，将使坐标变换板2 的运动距离 增加，使得运动的驱动难度增j j l | ，也使得效率低下。综合考虑这些因素之后，我 们希望最外侧的轨道的倾斜于n 不超过2 5 0 ，则 f p 2 5 n 堕( 2 9 ) 。d d 蔓里生。2 8 9 ( m m )( 2 1 0 ) 增2 5 “ 我们最后选取d = 2 8 m m 作为坐标变换板的运动距离。 第三章机械手的真空吸取器和气动部分 第三章机械手的真空吸取器和气动部分 本章主要介绍机械手实现抓取t o 管座的设计思路以及设备中的其它气动部 分。机械爪是参考传统的真空吸取器，并且结合本课题的特点设计而成的，它即 具有传统意义上真空吸取器实现吊运工件的功能，还具有自动纠f 管座位置的功 能，实为整台设备的点睛之作。 3 1 真空吸取器概述 真空吸取器【9 是一种特殊的真空装置。该真空装置与工件贴合能形成密闭的 真空腔，由于对真空腔抽气而形成内外压力差从而达到吸住工件和吊运工件的 目的。用于吸央、吊运工件的特殊真空装置称为真空吸取器，简称为吸取器。根 据使用的情况和习惯的不同，也可称为真空吸具、真空吊具、真空吸盘、真空爪 具等。 吸取器是真空技术与夹具、吊具的特殊需要相结合而产生和发展的，但吸取 器与机械夹具、机械吊具相比又有其独自的特点和功能。 真空吸取器 i 外抽式吸j ；叹器白吸式吸取器 广j 厂上 通 州 丌u 吸 】：o ( 器 夹 具 吸 取 器 吊 具 吸 取 器 外 球 面 驰 吸 取 器 内 球 面 ， 吸 墩 器 m 面 型 吸 取 器 柱 面 犁 吸 取 器 图3 1 吸取器分类 锥 面 型 吸 取 器 气 缸 活 塞 式 皮 碗 变 形 式 第二章机搬手的真空吸取器平【l 气动部分 吸取器有多种结构形势和多种用途，是类型繁多应用广泛的大群体，吸取器 就是这个大群体的总称。 按抽气的方式分类，可分为外抽式吸取器、自吸式吸取器。 按用途分类，可分为夹具吸取器( 简称真空夹具) 、吊具吸取器。 按吸取器的壳体状态分类，可分为硬壳体吸取器、软壳体吸取器。 按可吸取的工件型面分类，可分为外球面型吸取器、内球面型吸取器、平面 型吸取器、柱面型吸取器、锥面型吸取器、通用型吸取器等。 按吸取器吸口的数量分类，可分为单吸口吸取器、双吸口吸取器、多吸口吸 取器。 在吸取器种类较多的情况下，为了能形象而具体地按类别特征对各类吸取器 命名，并可明显区别各类不同的吸取器，可将分类名称叠用。并加进密封圈特性。 如外球面型圆截面密封圈双吸口吸取器、内球