（机械电子工程专业论文）电路板装配焊接自动生产线装配单元关键技术研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 首先，本文结合一个具体的工程项目( 电路板装配焊接自动生产线的研制) ， 介绍了常用的几种自动生产线输送方案，并且进行了论证，通过分析电路板装 配焊接自动生产线的特点和要求，确定了适合于该生产线的整体输送方案、工 艺过程，以及工艺过程中的关键技术。同时，本文设计了一种适用于电路板装 配焊接自动生产线总线上料的可调上料装置，分析了其机械结构和传动原理。 其次，本文就电路板装配工位中的三个主要组成部分，即电路板上料机构； 基壳的定位机构，以及电路板上料流水线中关键部件的机构进行了机械结构设 计，其中包括：料仓和其配套部件的机械设计；电路板上、下料传输机构的机 械设计；x 方向上的基壳定位机构设计；y 方向上的基壳定位机构设计。此外， 本文还阐述了装配机器人的现状与发展趋势，针对电路板装配机器人的功能需 求进行了分析，最终选定了电路板装配机器人的类型，确定了关键参数。 再次，在电路板装配工位中，本文使用了粗精两次图像测量的方法，做了多 次实验，通过变化摄像机光轴与扫描区域的垂直距离，得出一系列实验数据， 通过计算，得出每次变化距离后的图像误差，从而得到实验结果，即缩短摄像 机光轴与扫描区域的垂直距离，可以相应地减小图像误差，提高图像测量的精 度。同时，本文还分析了电路板装配工位中主要的系统误差源及其引起的误差 值，最终计算求得电路板装配工位中的总体误差值。 最后，对电路板装配工位的总体控制做了规划和设计，此外对该装配工位 的控制系统在硬件方面做了一定量的工作，包括：控制系统的结构设计；p l c 型号的选择；传感器的确定和分布；输入、输出口( i ，o ) 的确定；装配工位的 动作流程设计等，并对装配机器人以及装配作业流程做了运动仿真。 纵观全文，有以下几个创新点： ( 1 ) 设计了电路板上料装置，使其能够柔性化地应用于不同规格的同类 产品的上料作业，此项设计已经申请并获得了专利号； ( 2 ) 在电路板装配工位中，合理地设计了该工位的布局，同时设计了一 系列的机械结构，即简化了工作流程，同时又提高了生产效率，增 加了装配作业的可靠性； ( 3 ) 在电路板装配作业中提出使用两次图像测量的新方法，为获得较高 的装配精度作保障，此方法已被核心期刊录用，并将发表。 关键词：装配机器人，自动生产线，图像测量，p l c ，运动仿真 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i r s t l y , b a s e d 0 1 1ac o n c r e t ep r o j e c t ，t h er e s e a r c ho f a na u t o m a t i cp r o d u c t i o nl i n e u s e df o ra s s e m b l ya n dw e l d i n go fc i r c u i tb o a r d s ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h e a r g u m e n t a t i o no fs e v e r a lw i d e l y - u s e dm e t h o d so nt h et r a n s p o r to ft h ea u t o m a t i c p r o d u c t i o nl i n e a r e ra n a l y z i n gt h e c h a r a c t e ra n dr e q u e s to ft h ea u t o m a t i c p r o d u c t i o nl i n eu s e df o ra s s e m b l ya n dw e l d i n go fc i r c u i tb o a r d s ，t h es u i t a b l ew a y o f t r a n s p o r t , t h ep r o c e s so ft h ep r o d u c t i o n ，a n dt h ek e yt e c h n o l o g yu s e di nt h ep r o c e s s a r ed e c i d e d a n das o r to f d e v i c eu s e dt op r o v i d et h ep r o d u c t i o nl i n ew i t ht h ep a r t si s d e s i g n e d t h ed e v i c ec a l lb ea d j u s t e da n du s e di nt h ea u t o m a t i cp r o d u c t i o nl i n eu s e d f o ra s s e m b l ya n dw e l d i n go fc i r c u i tb o a r d s t h et h e s i sa n a l y z e st h em e c h a n i c a l s t r u c t u r ea n dt h ep r i n c i p a lo f m o v i n gi nt h ed e v i c e s e c o n d l y , t h et h e s i sm a k e st h em e c h a n i c a ld e s i g nf o rt h et h r e em a i np a r t si nt h e a s s e m b l yo fc i r c u i tb e a r d s t h et h r e ep a r t sa r et h ed e v i c eu s e dt op r o v i d ec i r c u i t b o a r d s ，t h ed e v i c eu s e dt op o s i t i o nt h ep a r t sa n ds e v e r a lk e yd e v i c e si nt h ea u t o m a t i c l i n eu s e dt op r o v i d ec i r c u i tb o a r d s t h ed e s i g nw o r ki n c l u d e st h ed e s i g no fa c o n t a i n e ru s e dt oc o n t a i nt h ec i r c u i tb o a r d s ，ad e v i c eu s e dt op r o v i d et h ec i r c u i t b o a r d sa n dd o w n l o a dt h e m ，ad e v i c eu s e dt op o s i t i o nt h ep a r t si nxd i r e c t i o na n d a l s oad e v i c eu s e dt op o s i t i o nt h ep a r t si nyd i r e c t i o n b e s i d e s ，t h et h e s i ss t a t e st h e p r e s e n t s i t u a t i o na n dt h ed e v e l o p i n gt r e n do ft h ea s s e m b l yr o b o t s b a s e do n a n a l y z i n gt h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n to ft h ea s s e m b l yr o b o tu s e dt oa s s e m b l et h e c i r c u i tb o a r d s ，t h et h e s i sf i n a l l yc h o o s e st h et y p eo ft h ea s s e m b l yr o b o ta n dt h ek e y p a r a m e t e r s t h e n , t h ew a yo ft w o - g r a d ei m a g em e a s u r e m e n ti su s e di nt h ec i r c u i t sb o a r d s a s s e m b l yl i n e a f t e rs e v e r a le x p e r i m e n t s ，b yc a l c u l a t i n g , t h ep a p e rc o n c l u d e st h e e r r o ro ft h ei m a g er e s p e c t i v e l y , a n dc o n c l u d e st h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n t s ，t h a ti s b ys h o r t e n i n gt h ev e r t i c a ld i s t a n c eb e t w e e nt h ea x e so ft h ec a m e r aa n dt h ew h i t e p a p e r , a n dt h ea r e ao f t h e s c a l eo fs c a n n i n g , t h ee r r o ro f t h ei m a g em e a s u r e m e n tc a l l b ec o r r e s p o n d i n g l ys h o r t e n e d f u r t h e r m o r e ，t h et h e s i sa n a l y z e st h em a i ns y s t e m e r r o rs o u r c 燃a n dt h e i rv a l u ei nt h ec i r c u i tb o a r d sa s s e m b l e , g a i n i n gt h et o t a le r r o ri n t h ec i r c u i tb o a r d sa s s e m b l eb yc a l c u l a t i n ga t1 a s t i nt h ee n d ，t h et h e s i sm a k e sap l a na n dad e s i g nf o rt h eg e n e r a lc o n t r o lo ft h e c i r c u i tb o a r d s a s s e m b l y i na d d i t i o n , i td o e ss o m er e s e a r c ho nt h eh a r d w a r ei nt h e v u 上海大学硕士学位论文 c o n t r o ls y s t e mo ft h ea s s e m b l ym s k , i n c l u d i n gt h es t r u c t u r ed e s i g no ft h ec o n t r o l s y s t e m , t h ec h o i c eo f p l c ，t h ec h o i c ea n d t h ed i s t r i b u t i o no f t h es e n s o r s ，t h ec h o i c e o ft h en u m b e ro fi o ，t h ed e s i g no ft h ew o r k i n gf l o wo ft h ea s s e m b l yt a s le t c b e s i d e s ，t h ea n i m a t i o no ft h ea s s e m b l yr o b o ta n dt h ep r o c e s so ft h ea s s e m b l yt a s k h a sb e e nm a d ei nt h et h e s i s s e v e r a li n n o v a t i o i l sa sf o l l o w ： ( 1 ) d e s i g n i nt h ed e v i c eu s e dt op r o “d et h ea u t o m a t i cp r o d u c t i o nl i n eu s e df o r a s s e m b l ya n dw e l d i n go fc i r c u i tb o a r d sw i 血p a r t s t h ed e v i c ec a l lb eu s e d i nt h es i m i l a rt a s kf l e x i b l y , a n dt h ed e s i g nh a sb e e na p p l i e da sap a t e n t a n db e e np r o v i d e dap a t e n tn u m b e r a l r e a d y ； ( 2 ) d e s i g nt h el a y o u to ft h ea s s e m b l yl i n eo fc i r c u i tb o a r d s a n dd e s i g na c o u p l eo fm e c h a n i c a ls t r u c t u r e s i nt h ea s s e m b l yt a s k , i tm a k e st h e w o r k i n gf l o we a s y , r e d u c e st h el a b o ri n t e n s i t y , i n e r e a s et h ee f f i c i e n c yo f t h ep r o d u c t i o n ，a n de n h a n c et h er e l i a b i l i t yo f t h ea s s e m b l yt a s k ； ( 3 ) i no r d e rt og a i nah i g hp r e c i s i o no ft h ea s s e m b l yt a s k , an e ww a yo n t w o g r a d ei m a g em e a s u r e m e n ti su s e di nt h ec i r c u i tb o a r d s a s s e m b l yt a s k , a n dt h en e wm e t h o dh a sb e e ne m p l o y e db yak e ym a g a z i n ea n dw i l lb e s o o np u b l i s h e d k e y w o r d s ：a s s e m b l yr o b o t ，a u t o m a t i cp r o d u c t i o nl i n e ，i m a g em e a s u r e a l l e n t ， p l c ，a n i m a t i o no f t h em o v e m e n t v l l i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：童1 递e t 期：! z ! 7 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：驵导师签名：斟日期：! 乙丑 上海大学硕士学位论文 电路板装配焊接自动生产线装配单元关键技术研究 1 1 课题来源及意义 第一章绪论 本课题源于为某研究所研制的一条电路板装配焊接自动生产线。整个生产过 程要完成基壳自动送料、点焊膏、检查焊膏点、电路板装配、对电路板施压、涂 阻焊胶、加温使保护胶固化并完成焊接，最后清洗。生产节拍为1 5 分钟件。原 先整条生产线大多是采用手工操作，这样使得生产节拍不能提高，从而使整个生 产线的效率低下，同时手工操作不能很好地保证产品质量的稳定性，因此电路板 装配焊接自动生产线的研发在国内还是具有重要的实用价值和应用意义，同时也 可以推广到多类产品的自动生产线中。 装配焊接自动生产的许多关键技术与小型零件自动装配具有共性，所取得的 成果可推广到大量的中小型、中高级产品的自动装配线上去( 如电表机芯、特种 电机、汽车配件、继电器、家用电器等) 。同时，装配焊接自动生产线的柔性化、 智能化的开发为自动装配线在各行各业的推广应用打下基础，使生产线具有相应 的先进性和竞争力：因此，本课题的研发对制造业中的装配具有一定的指导意义 和技术应用价值。 1 2 论文的主要研究内容 本课题就电路板装配焊接自动生产线中装配单元的关键技术进行了一定的 研究。本论文的研究内容主要分以下几个方面： ( 1 )电路板装配焊接自动生产线的整体规划和方案论证； ( 2 ) 电路板装配工位的机械结构设计，包括电路板上料装置的设计：基壳定 位设计等； ( 3 ) 基于图像测量技术，提高电路板装配精度的方法研究；图像测量技术 。精度分析实验；电路板装配工位整体精度分析； ( 4 ) 电路板装配工位的控制系统设计； ( 5 ) 电路板装配机器人的运动仿真；整个装配工位工作流程的运动仿真。 论文中提出的装配线整体工艺排布及各工位方案的分析，可以作为其它同类 行业生产线规划的参考依据；对于电路板装配工位的机械结构部分设计，可以应 用于其它产品的装配作业；对于图像检测技术的研究，可以作为提高装配精度的 一个新颖、有效的方案；对于装配机器人的运动仿真，可以作为其它机构运动仿 真的具体应用案例。因此课题的研究成果，具有较为广阔的应用前景。 上海大学硕士学位论文电路板装配焊接自动生产线装配单元关键技术研究 1 3 装配机器人的应用现状 现在许多产品的生产或是少品种大批量，或是多品种小批量。在制造零件时， 使用自动机或自动线，同时采用先进的工艺促使制造零件的劳动量下降。然而， 由于装配大多是手工劳动，使装配的劳动量在制造产品的总劳动量中还占相当高 的比例，致使产品零部件的装配成为生产中的薄弱环节。因此，现在许多企业都 纷纷采用自动装配线来装配产品零部件，以达到提高劳动生产率、降低产品成本 和提高产品质量的目的。自动化装配技术和生产线已经成为现代制造业中的重要 组成部分，在美、日和西欧等发达国家已得到广泛应用，尤其是在电子、电气、 仪表、汽车、摩托车等行业中应用更广。自动化水平的高低，已成为衡量一个企 业和国家科技水平的重要标志。 1 3 1 国内装配机器人的开发与应用 随着世界机器人技术的发展和市场的形成，我国在机器人科学研究、技术开 发和应用工程等方面取得了一定的进步。中国工业机器人研究开始于7 0 年代， 但由于基础条件薄弱、关键技术与部件不配套、市场应用不足等种种原因，未能 形成真正的产品。8 0 年代中期，在国家科技攻关项目的支持下，中国工业机器 人研究开发进入了一个新阶段，形成了中国工业机器人发展的一次高潮，从8 0 年代末到9 0 年代，国家8 6 3 计划把机器人列为自动化领域的重要研究课题，系 统地开展了机器人基础科学、关键技术与机器人元部件、目标产品、先进机器人 系统集成技术的研究及机器人在自动化工程上的应用，以交流伺服驱动器、谐波 减速器、薄壁轴承为代表的元部件，以及机器人本体设计制造技术、控制技术、 系统集成技术和应用技术都取得一定的成果。 面对国外机器人技术的不断发展和国际市场的激烈竞争，我国工业机器人进 展步履艰难。首先国内企业的现状对机器人的需求明显不足，其次国产机器人在 性能、价格、系列化、规模化生产上与国外同类产品相比还有一定差距。此外， 我国对自行设计和制造机器人自动化装配线的研究起步较晚，近年来有一定的进 展，陆续自行设计、建立和引进了一些半自动、自动装配线及装配工序半自动装 置。但国内设计的半自动和自动装配线的自动化程度不高，装配速度和生产效率 也较低，所以自动装配技术在我国有很大的开发与应用潜力，装配自动化必将成 为生产过程全盘自动化的下一个战略目标。综合国内外研究成果和经验，结合产 品量大、面广、品种规格多的特点，我国机器人柔性化自动装配，除需要在可靠 性上下功夫外，扩大柔性化、应用视觉定位和检测系统、开发具有特殊功能的末 端操作器等，进一步在机器人自动装配的柔性化、智能化、模块化方面开展研究， 2 上海大学硕士学位论文电路板装配焊接自动生产线装配单元关键技术研究 并达到国际先进水平，是十分迫切的。 同时，在我国也存在着机器人应用的前景和希望：第一，制造业仍占我国国 民经济发展的重要位置，随着改革开放的深入及与国际市场的接轨，新产品、新 工艺的要求需要有新的装备来武装制造业，尤其在汽车、电子、家电、机械、轻 工等行业尤为必须。第二，经过多年研究与实践，我国己经初步掌握了工业机器 人的设计技术，如机器人本体设计，控制系统硬件设计，实时操作系统，机器人 语言、通讯、可靠性等。第三，在机器人科学和工程方面有了较开放的国际环境， 使我们有条件学习、借鉴、引进和消化吸收国外的先进技术。这些也为我们开发 自主产权的工业机器人提供了一定的条件。 1 3 2 国外装配机器人的最新进展 从机器人诞生到本世纪8 0 年代初第一台s c a r 、装配机器人的出现，机器 人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。随着计算机技术、微电子技术、网络技 术等的快速发展，装配机器人技术也得到了飞速发展。 机器入操作机：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法 的运用，机器人操作机己实现了优化设计，拓展了机器人的工作范围， 加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能，此外采用先进 一 的r v 减速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。 控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6 轴机器 人发展到现在能够控制2 1 轴甚至2 7 轴，并且实现了软件伺服和全数字 控制，人机界面更加友好，基于图形操作的界面也已问世，编程方式仍 以示教编程为主，但在某些领域的离线编程已实现实用化。 传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中己得到 成功应用，并实现了自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精 密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本 k a w a s a k i 、f a n u c 和瑞典a b b 、德国k u k a 等公司皆推出了此类 产品。 网络通信功能：日本y a s k a w a 和德国k u k a 公司的最新机器人控制 器已实现了与c a n b u s 、p r o f i b u s 总线及一些网络的联接，使机器人由过 去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设 备向标准化设备发展。 上海大学硕士学位论文电路板装配焊接自动生产线装配单元关键技术研究 i 3 3 目前研究重点及发展趋势 目前国际机器人界都在加大科研力度，进行装配机器人共性技术的研究，并 朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下几个方面： 装配机器人操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进 一步提高负载自重比，同时机构进一步向着模块化、可重构方向发展。 机器人控制技术：重点研究开放式、模块化控制系统，人机界面更加友 好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络 化，以及基于p c 机网络式控制器己成为研究热点。编程技术除迸一步 提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化的完善成为研究重 点。 多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用 是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法， 特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。 另一问题就是传感系统的实用化。 机器人的结构要求更加灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方 向发展。 机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者 之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有延时 的情况下，建立预先显示进行遥控等。 虚拟机器人技术：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术， 实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。 多智能体( m u l t i a g e n t ) 协调控制技术：这是目前机器人研究的一个崭新 领域，主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感 知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。 4 上海大学硕士学位论文电路板装配焊接自动生产线装配单元关键技术研究 第二章电路板装配焊接自动生产线整体方案 2 1 引言 本章主要有三大部分组成：第一部分介绍电路板装配焊接自动生产线整体方 案论证，其中包括电路板装配焊接自动生产线的工艺分析，以及传输线的输送方 案确定：第二部分是电路板装配工位的方案分析；最后一部分是对电路板装配焊 接自动生产线中的总线上料装置结构进行设计。 2 2 电路板装配焊接自动生产线整体方案 电路板装配焊接自动生产线属小型零件、较高精度、中等规模、较快节拍的 自动化装配线。主要完成基壳与高介质电路板的装配、焊接等工作。生产线的产 品输送技术对整个装配线的结构形式、定位方式、装配精度、装配效率和成本等 起决定性影响。 2 2 1 电路板装配焊接自动生产线的输送方案 结合电路板装配焊接的生产需求，参照国内外的经验，分析比较以下四种输 送方案：多工位回转方案、随行托盘步进输送方案、随行托盘异步输送方案以及 产品底板直接同步输送、多次定位方案。 ( 1 ) 随行托盘步进输送方案 随行托盘步进输送方案，是将底板先装于随行托盘上，然后随行托盘沿生产 线步进输送至各个工位，每个工位对随行托盘定位后实施作业。 这种方案的优点是随行托盘的定位孔尺寸一致性好，对产品底板只需一次装 夹定位，因此定位精度高。且柔性化程度高，可在一条装配线上装配多种产品， 不需要节放装置， 但需要增加产品底扳装夹和产品卸料两个工位，并且需要有随行托盘返回输 送装置，使装配线结构相对庞大，另外该方案也属于同步输送，生产节拍受限于 费时最长的工位。若一个工位出现故障，整个装配线将无法正常工作。 上海大学硕士学位论文电路板装配焊接自动生产线装配单元关键技术研究 ( 2 ) 随行托盘异步输送方案 图2 1 随行托盘异步输送方案 如图2 1 所示，该方案的基本结构与随行托盘输送方案相同，但随行托盘不 是步进输送，而是沿输送带连续输送，因此需要节放装置。 其优于步进输送之处是传输线上可有缓冲位置，一个工位出现故障不影响其 他工位继续工作，操作人员能从容排除故障。 ( 3 ) 多工位回转方案 图2 2 多工位回转方案 如图2 2 所示，多工位回转方案以旋转工作台为中心，各装配工位按装配后 次序分布于工作台四周，产品底板一次装夹于工作台上，随工作台转动至各个装 配工位。 6 上海大学硕士学位论文电路扳装配焊接自动生产线装配单元关键技术研究 这种方案的优点是： 上下科工位接近，便于操作，且工位集中，易于故障排除； 不需多次定位，装配精度依赖于旋转工作台分度盘精度，可以达到比较 高的精度； 不需要节放装置。 它的缺点是： 工位越多，圆盘回转的占地面积也就越大； 属于同步输送，生产节拍受限于费时最长的工位； 若一个工位出现故障，整个装配线就无法正常工作； 本生产线中布有加温炉，不便采用回转方式。 ( 4 ) 产品底板直接同步输送、多次定位方案 本课题中的安放电路扳的基壳外形平整、方方正正，尺寸约为2 1 0 x 2 1 0 m m ， 其本身就象一个随行托盘，因此可由送料机构将基壳直接输送至输送带上，基壳 随输送带直接步进输送，并于每个工位对基壳直接定位。 专廖厘 画 加温炉 廖廖 铱 目o 目岁然 中；猡n 猡猡 u 。 点焊膏 检查焊膏点电路版装配对电路版施压涂阻焊胶 图2 3 产品底板直接同步输送、多次定位方案 如图2 3 所示，这种输送定位方式与随行托盘输送方式相比，底板需要多次 定位，但只要定位基准保持精度，其定位精度也是可以保证的。另外，即使基壳 的外形随型号不同而有所改变，但是整体形状还是四四方方的，所以仍然可以柔 性化地使用已有的定位基准进行定位，因此仍适合装配焊接的柔性自动生产线， 且同样具有输送速度快、可靠性高的优点。 根据上述输送方式的综合性能比较，结合电路板装配焊接自动生产线的特 点，此外，考虑到四种输送方式的综合性能比较( 见表2 1 ) ，本生产线采用产品 底板，即基壳直接同步输送、多次定位的方案。 7 上海大学硕士学位论文电路板装配焊接自动生产线装配单元关键技术研究 表2 1四种输送方式的综合性能比较 定位精度机构生产效率 节放装置 随行托盘步进输送 高 较简单 较低不需要 随行托盘异步输送 高 较复杂较高需要 多工位回转较高较复杂较高不需要 产品底板直接同步输送、 高 较简单较高不需要 多次定位 2 2 2 电路板装配焊接自动生产线的工艺分析 电路板装配焊接自动生产线原有的手工作业工艺流程，如图2 4 所示： 图2 4 手工作业工艺流程 图2 5 自动作业工艺流程 上海大学硕士学位论文 电路板装配焊接自动生产线装配单元关键技术研究 在电路板装配焊接自动生产线中，对图2 4 所示的手工作业工艺流程做了调 整和改进，如图2 5 所示，其中带有奈的部分是本文研究的重点。自动作业工 艺流程既满足了电路板的装配、焊接要求，又符合自动生产线的运行规律，针对 手工作业工艺流程中的一些不足，做了以下调整和改进： ( 1 ) 基壳上料装置的方案： 考虑到基壳上料装置的柔性化和灵活性，以用于不同尺寸的基壳上料，本课 题设计了一个可用于存放多尺寸的基板的可调上料装置。 左右两个带料架的自制传输带相向传输，将基壳一块一块地从上料装置内自 顶向下传输到下方的生产线上，实现了基壳的上料。同时，可调传输带的位置可 调，即可根据不同尺寸的基壳做相应的位置调整( 本章2 4 小节中将作具体描述) 。 ( 2 ) 原先在手工作业中是工人手工在高介质电路板上印刷焊膏，接着将印 刷完焊膏的电路板翻转1 8 0 。后安装在基壳中。考虑到自动化实现翻转的难度， 并且为了降低不必要的成本，在电路板装配焊接自动生产线中不采用“在电路板 上印刷焊膏电路板翻转1 8 0 。安装在基壳中”的工艺方案，而是换一种 思路，将该工艺改为“在基壳内点焊膏将电路板安装到印刷有焊膏的基壳 中”。 ( 3 ) 随着现代科技的发展，电路板在雷达、遥控遥测、航空航天等行业中 已占有核心地位。因电路板焊接不良造成的失效也越来越引起了人们的重视，因 为这种失效往往是致命的，不可逆的。 为了避免电路板焊接不良造成的失效，本课题要求高介质电路板与基壳的焊 接空洞率小于1 0 ，特别是四周焊缝不能有空隙，因此在完成“印刷焊膏”后 加入“检查焊膏点”这一工位。 焊膏点涂质量的检查用视觉图像处理来实现，根据不同的产品种类，事先输 入一个合格的产品图像信息作为标准的图像信息，检查时通过图像信息比对的方 法，判断焊膏是否合格，图像处理合格率可以根据实际检查的结果进行人工修正。 同时，检查出的不合格信号，发送到以下各个工位，防止各工位产生误操作。由 此，增设一个“不合格品下线”装置，将不合格品推入不合格品回收线。 ( 4 ) “夹具固定”是指在装配有电路板的基壳上加压，目的是使电路板与 基壳之间的焊膏均匀受力，充分作用在电路板与基壳接触的结合面上，以提高焊 接的质量。然而在面积小、厚度薄、高介质的电路板上加压不是一个简单的过程， 必须考虑以下问题： 夹具施加在电路板上的压力分布； 经过高温炉加温工艺后夹具性能的变化。 根据生产线的实际情况，分析这些问题后，得出如下一些方案： 9 上海大学硕士学位论文电路板装配焊接自动生产线装配单元关键技术研究 在“高介质电路板印刷焊膏”工艺中使用的焊膏中掺入一些胶水，以实 现电路板和基壳结合面的固定效果，用这种方案就无需在电路板上安装 夹具。但是，使用这种方案在实现电路板上的压力均匀分布这个目标上 可能会遇到问题，并且，这种胶水经高温的处理必须能够完全融化或是 蒸发，以保证不会对电路板造成负面的影响。 用类似于砝码的重量块代替夹具，机器人抓取若干重量块放置于电路板 上，实现电路板和基壳结合面的固定。然而这种方案最大的缺点是，在 产品加温炉固化、焊接完成后需增加道工位，即“取走重量块”，这 样就增加了工艺的复杂性，同时也提高了生产线的成本。 分析、比较了上述两种方案后，本课题采用第二种方案，即在电路板上安放 若干块类似于砝码的重量块。考虑到这种安放与抓取重量块的简易性和方便性， 本课题使用自制的重量块，如图2 6 所示： 图2 6 自制的重量块 重量块是依据在基壳中装配的电路板的位置、数量进行配置的随行夹具，可 以反复使用，同时为了增加其柔性度，以适用于不同尺寸、规格的产品，本课题 针对这种随行夹具的设计思路如下： 如图2 6 所示，重量块是由压头、弹簧、安装座和盖板四个部分组成的。在 安装座上排列着若干个沉孔，与压头配合。通过螺钉将盖板与安装座连接，此时 弹簧被压在压头内。当重量块压在电路板表面时，弹簧挤压变形，压头压入安装 座内，电路板受压固定在基壳内。 1 0 上海大学硕士学位论文电路板装配焊接自动生产线装配单元关键技术研究 自制的重量块有如下优点： 重量块表面布有一定数量的压头，每个压头内有一个弹簧，那么只要是 覆盖在重量块表面范围内的电路板，无论是怎样的尺寸、怎样的形状， 均可被固定在基壳内； 重量块及内部的弹簧可以承受一定的高温，所以当基壳及电路板进入高 温炉加温时，重量块也可以随行进入。 2 3 电路板装配工位的方案论证 电路板装配工位的工作过程是：电路板上料第一级图像测量一机器人 到位待命基壳上料、定位第二级图像测量机器人实现电路板装配。 本章对工作过程中的三个关键问题，即：电路板的堆料、上料机构的设计方案； 机器人路径规划和控制方案；基壳的精确定位，进行了方案论证： ( 1 ) 本课题中要求基壳中装配三块不同尺寸的电路板，以完成一个基壳的 装配任务，根据实际要求，电路板的堆料、上料机构的设计方案如下： 以三块电路板为一组放置于堆料、上料机构中，该机构由伺服电机驱动， 通过皮带输送将电路板层层往上顶，利用行程开关和光电传感器给出信 号，从而控制电机的启停( 如图2 7 所示) ； 图2 7 方案1 外罩 只使用堆料机构，机器人伸入推料机构吸取电路版，并使用光电传感器， 确保推料机构即将为空时给出信号灯，提示供料( 如图2 8 所示) ； 上海大学硕士学位论文电路板装配焊接自动生产线装配单元关键技术研究 托盘 光电传感器 料仓 图2 8 方案2 在电路板装配工位上布置三条流水线，每条流水线上传输一种尺寸规格 的电路板，机器人逐次吸取并进行装配( 如图2 9 所示) 电路板l 传输带。屯；三兰! ! 宣 传输带产肇? a 兰! ! 三萋雪 笮圣三歹匹二二二二二二二二二卫 图2 9 方案3 在电路板装配工位上布置一条流水线，使用随行托盘，将若干组电路板 放在随行托盘上，机器人通过图像识别电路板的位姿信息，将电路板逐 一装配到基壳中，该流水线还配置一个下料装置，将空的托盘收料。( 如 图2 1 0 所示) 。 摄像头 图2 1 0 方案4 1 2 嘲疹磅殉 上海大学硕士学位论文 电路板装配焊接自动生产线装配单元关键技术研究 比较上述四种电路板上料方案的优缺点，考虑到机器人的控制相对于机构控 制的复杂性，考虑到减小电路板装配工位的规模，同时考虑到降低生产线成本等 的诸多问题，本课题采用第四种方案，即安置一条配有随行托盘的流水线，以及 一个托盘收料装置( 本文第三章中将作详细描述) 。 ( 2 ) 机器人路径规划和控制方案： 用示教的方法： 示教盒是工业机器人控制系统的重要组成部分。示教再现型机器人是第 一代机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多自由度的机械，操作者通 过示教存储程序和信息，控制机器人达到不同位姿信息，并记录各个位姿点 坐标，工作时把这些信息读取出来，实现程序回放，然后发出指令，这样， 机器人可以重复地根据操作者当时示教的结果，再现出这种动作。 例如，汽车的点焊机器人，它只要把这个点焊的过程示教完以后，它总 是重复这样一种工作，它对于外界的环境没有感知，对于操作力的大小，工 件存在不存在，以及焊的好与坏，它并不知道，那么实际上这种示教机器人， 也就存在这种缺陷。 用视觉系统： 机器人的视觉系统涉及视觉系统的定位精度、图像处理、误差分析、多 感知系统的c c d 传感器的使用。 在实际应用中，由于各种原因，零件的位置往往不能严格固定，从而造 成装配机器人拾取零件时出错，这时需要机械手能根据工件的实际位置动态 调整抓取操作。目前，在工业领域中已经有很多以机械手、视觉系统为主体 的带感觉的机器人系统进入使用阶段。例如晶体管自动焊接系统、有视觉的 装配机器人、汽车车轮装入轮毂作业的自动系统等等。 将视觉系统引入工业机器人，可以大大地扩展机器人的使用性能和应用 范围，使机器人在完成指定任务的过程中，具有更大的适应性。但是视觉系 统存在视觉装配误差大和被动装配时间长的缺点。 用多传感器融合的控制方法： 多传感器融合在一起的机器人，也称为“带感觉的机器人”，这种带感 觉的机器人是类似人在某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、 听觉，和人进行相类比，有了各种各样的感觉，比方说在机器人抓一个物体 的时候，利用位置、力反馈，它实际上能感觉出力的大小，它能够通过视觉， 能够去感受和识别它的形状、大小、颜色。 这种控制方法顺应了机器人智能化的要求，可应用于智能化装配生产线 上，但也因为多传感器的融合使得机器人的成本提高。 上海大学硕士学位论文电路板装配焊接自动生产线装配单元关键技术研究 通过上述三种机器人路径规划和控制方案的比较，考虑到本课题中要求较高 的装配精度，以及相对低廉的成本，选用第二种方案，即在电路扳装配工位中使 用视觉系统，辅助机器人完成装配任务，为获得较高的装配精度作保障。 ( 3 ) 基壳的精确定位 基壳由生产线的传输带输送至电路板的装配工位，由于本课题的电路板装配 工位要求有一定的装配精度，因此基壳在装配工位中的定位精度就有了较高的要 求，同时考虑到简化装配工位的设计，以及降低生产线的制造成本，设计一套基 壳定位方案，用于将基壳在x y 平面内完全定位。( 本文第三章中将作详细描述) 2 4 生产线总线上料装置结构设计 通常，普通上料装置只适用于单一规格的零件，使用这种上料装置可能存在 的缺陷是缺乏柔性，如果生产线上需要生产多规格零件，则必须用适合需生产零 件的上料装置来更换该上料装置，这样可能导致该生产线上料装置部分的复杂 性，还可能导致部分或全部生产线停止以等待更换上料装置，同时也可能导致用 于该生产线的上料装置的成本提高。 同时，由国内外相关资料可知，通常用于矩形薄板类零件的上料装置是层叠 式的，即将多块零件层叠放置，使用这种上料装置可能存在的缺陷是难以避免各 个矩形薄板类零件在上料过程中的相互干涉，尤其是外形结构上有凸缘的矩形薄 板类零件；表面有焊点的矩形薄板类集成电路板；各板之间有相互吸引作用的矩 形薄板类零件等，从而影响各个矩形薄板类零件的独立上料。 为了避免上述的各种问题，同时为了增加上料装置的柔性，本课题中的生产 线总上料装置，即基壳的上料装置设计成一种用于多尺寸基壳的上料装置。如图 2 1 l 所示该上料装置是由两个同步传输且间距可调的传输带构成的，可根据不同 尺寸的基壳在一维方向上调整位置，从而实现该上料装置的柔性化。 1 4 上海人学颂1 ：学位论文电路板装配焊接自动生产线装配单元关键技术研究 电路板可调传输带 左支自敝底板右支架板 图21 1 生产线总线上科装置 机 在基壳的上料过程中最重要的是，必须保证两条间隔一定距离的传输带是同 步运行的，为此传动系统的设计如图2 1 2 所示： 电机 图2 1 2生产线总线上料装置传动原理 电机通过联轴器将旋转运动传递给锥齿轮1 和锥齿轮3 ，其中锥齿轮1 采用 花键联接，可以实现沿传动轴滑移，这样，当可调传动带移动的时候不会影响装 置上料运动。锥齿轮1 与锥齿轮2 啮合；锥齿轮3 与锥齿轮4 啮合，使得锥齿轮 1 5 簿大学硕士学位论文 电路板装配焊接自动生产线装配单7 关键技术研究 1 及锥齿轮3 的旋转运动转向9 0 。后分别传递给锥齿轮2 及锥齿轮4 ，然后，锥 齿轮2 将旋转运动传递给可调传输带；锥齿轮4 将旋转运动传递给传输带，最终 实现了传输带与可调传输带之间的同步相向旋转运动，相比使用两个电机且采用 传感器实现同步运行的方式而言，提高了上料装置的可靠性，同时也降低了成本。 同时，有一刚性杆件将锥齿轮1 、锥齿轮2 、可调传输带以及丝杠螺母副中 的螺母固联，可调装置电机将旋转运动通过丝杠螺母副转变成直线移动，从而实 现了锥齿轮l 、锥齿轮2 、可调传输带的同步直线移动，其中，导向装鬻由直线 导轨副构成的，这确保了可调传输带直线运动的精确性和较高的直线度。 生产线总线上料装置中的两条传输带是相同规格、相同尺寸和相同原理的， 其中每条传输带的表面设计有多条相同间距的隔离凸条，相邻两条凸条的间隔距 离比基壳的厚度要宽些，同时，两条传输带间隔一定距离，该距离比基壳的宽度 略微大些，将基壳平放在相应的两条隔离凸条上，通过这两条传输带的同步运行， 各个隔离凸条随之自顶而下运行，从而实现基壳的上料运动，如图2 1 3 所示： 传输带 电路板 自动生产线 图2 1 3生产线总线上料传输带 同时，生产线总线上料装置中的可调传输带部分是有两部分组成的，一部分 是传动机构，另一部分是导向装置，如图2 1 4 所示。