劉艷梅 付趙磊

（1．青島青鑄裝備有限公司，山東 青島 266000；2．軟控股份有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

德國政府提出“工業(yè)4.0”這一概念標(biāo)志著第四次工業(yè)革命的到來。順應(yīng)全球制造業(yè)轉(zhuǎn)型的大趨勢，我國提出了“中國制造2025”，國內(nèi)制造業(yè)在國家的號召下廣泛開展智能生產(chǎn)、智能制造，伴隨而來的是對生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量等方面的更高的要求。作為提高工業(yè)化效率的重要組成部分，機器視覺的應(yīng)用越來越普及。在國外，機器視覺的應(yīng)用主要體現(xiàn)在半導(dǎo)體及電子行業(yè)，而在中國，視覺技術(shù)的應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代。該行業(yè)本身就屬于新興領(lǐng)域，因此機器視覺產(chǎn)品技術(shù)的普及不夠，國內(nèi)大多機器視覺公司基本上是靠代理國外各種機器視覺品牌起家，隨著機器視覺的不斷應(yīng)用，公司規(guī)模慢慢擴大，技術(shù)上已經(jīng)逐漸成熟。攝像頭作為視覺系統(tǒng)的核心元器件，其設(shè)計、加工、制造和裝配等過程都已實現(xiàn)自動化和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。該文基于攝像頭模組的裝配工藝，設(shè)計了一種新型的自動擰緊裝置，將吸取和擰緊兩個工藝合二為一，可實現(xiàn)鏡頭的連續(xù)擰入。

1 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及原理

攝像頭模組簡稱CCM，它的基本組成如圖1所示，包括鏡頭、鏡座、濾光片、傳傳器、PCB電路板等[1]。其中，鏡頭和鏡座之間是螺紋連接，鏡座是內(nèi)螺紋，鏡頭是外螺紋。將鏡頭組裝到鏡座上，首先需要一個搬運機構(gòu)將鏡頭從工位上進行吸取，并移動送至鏡座工位。其次需要一個擰緊裝置移動過來將鏡頭擰緊到鏡座中，根據(jù)精度的不同設(shè)置高度檢測裝置，利用高度測量傳感器來測量鏡頭是否安裝到位。

以上鏡頭組裝工藝設(shè)計的自動擰緊裝置的機械結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。主要包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)部分和氣動真空吸取部分。

其工作原理如下：伺服電機啟動，通過聯(lián)軸器帶動軸旋轉(zhuǎn)。帶座軸承起支撐旋轉(zhuǎn)的作用，可以保證軸旋轉(zhuǎn)過程中有良好的穩(wěn)定性。氣動滑環(huán)分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分。其中定子部分與上安裝板通過螺釘連接在一起，二者固定不動；轉(zhuǎn)子部分一端與軸連接在一起，跟隨軸一起轉(zhuǎn)動，另一端與下安裝板連接在一起。浮動軸上裝有直線軸承和光軸，在施加外力的情況下，浮動軸可以在光軸上做直線運動。光軸的一端通過螺釘和鎖緊墊片緊固在下安裝板上，另一端緊固于旋轉(zhuǎn)套上，旋轉(zhuǎn)套通過帶座軸承進行支撐。浮動軸穿過旋轉(zhuǎn)套連接一個吸嘴。伺服電機啟動，通過軸帶動氣動滑環(huán)的轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，最終帶動浮動軸和吸嘴旋轉(zhuǎn)，進而將鏡頭擰緊到鏡座中。氣動滑環(huán)上有A、B兩氣路口，浮動軸上鉆有螺紋孔C，在三個孔上分別接上快插接頭和氣管，將A口接通氣源，B口通過氣管連接C口。通過圖3可以看出，C口通過浮動軸內(nèi)部的氣孔連接到吸嘴上。給A口提供一路真空氣源，則吸嘴可以對鏡頭14進行吸取。

其中，彈簧可以在吸取鏡頭時提供緩沖，避免鏡頭表面被壓傷。環(huán)形檢測片與其下方的光電傳感器用于伺服電機找原點。伺服電機通過三個閉環(huán)負反饋PID調(diào)節(jié)，既能保證機構(gòu)的轉(zhuǎn)速和精度，又能夠提高機構(gòu)運動的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

在此裝置中，伺服電機包括安裝板、底板、上安裝板、下安裝板和環(huán)形檢測片，在設(shè)計時使用常用材料Q235加工，可節(jié)省成本。對于軸、浮動軸、選裝套和光軸，考慮硬度和耐磨性，在設(shè)計時可以使用材料45，并進行調(diào)質(zhì)處理。此外，設(shè)計浮動軸的時候，因內(nèi)部裝有直線軸承，也要考慮軸承安裝孔的尺寸公差。

氣動滑環(huán)又稱為氣動旋轉(zhuǎn)接頭，是一種電氣元器件，負責(zé)連接和傳送旋轉(zhuǎn)物體的電流和信號。氣動滑環(huán)在360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)同時傳輸電力、流體壓力等。有些設(shè)備還需要控制信號源，如光纖信號、高頻信號等，都可以集成在氣動滑環(huán)中。精密式導(dǎo)電滑環(huán)結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，可免維護，使用簡單，可傳輸模擬信號及數(shù)字信號，主要應(yīng)用于360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)且需要保證氣壓、真空、電源和信號不能中斷的場合，如各種自動化非標(biāo)設(shè)備、鋰電池設(shè)備、手機測試設(shè)備以及電子半導(dǎo)體工業(yè)自動化設(shè)備等。

其工作流程如下：需要一個由2個伺服電機搭載的XY軸雙向運動平臺，根據(jù)運動平臺接口設(shè)計安裝板，將該文所設(shè)計的裝置安裝于此XY運動平臺上（由于XY軸運動平臺已經(jīng)是很成熟的產(chǎn)品，該文不再贅述）。X軸伺服電機啟動，平臺運動至鏡頭工位，然后Y軸伺服電機動作，帶動此擰緊裝置豎直方向移動，到達鏡頭工位后，電磁閥動作，真空發(fā)生器產(chǎn)生真空，吸嘴吸取鏡頭。Y軸電機動作，帶動鏡頭上升，然后平臺X軸向運動，將產(chǎn)品移動至鏡座工位，Y軸移動，擰緊裝置下落，伺服電機旋轉(zhuǎn)，帶動鏡頭擰入鏡座。

該設(shè)計所使用的鏡頭上面有2個旋入卡槽（如圖4所示），設(shè)計吸嘴時相應(yīng)地設(shè)計了2個凸起塊，吸取鏡頭時凸起塊插入到卡槽中，便于擰緊鏡頭。實際工業(yè)生產(chǎn)中，鏡頭的卡槽結(jié)構(gòu)各有不同，需要根據(jù)鏡頭結(jié)構(gòu)設(shè)計吸嘴結(jié)構(gòu)。根據(jù)鏡頭擰入指標(biāo)，可以使用伺服電機的扭矩模式來控制擰入扭矩，也可以外加高度傳感器來控制鏡頭擰入的高度。如果鏡頭因為各種干擾因素沒有正常擰入，浮動軸會在外力作用下壓縮彈簧帶動檢測環(huán)浮動，光電傳感器檢測到檢測環(huán)后會通過PLC系統(tǒng)設(shè)置的程序發(fā)出警報。

另外，對視覺系統(tǒng)來講，鏡頭至關(guān)重要。所以在鏡頭的搬運、組裝等過程中，都要時刻注意鏡頭的防護，避免出現(xiàn)劃傷、摔碎。與鏡頭直接接觸的吸嘴在結(jié)構(gòu)設(shè)計時要注意標(biāo)注其表面粗糙度、拋光等技術(shù)要求。

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

通過以上工作原理的分析，該裝置采用氣動系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)來實現(xiàn)控制和運行。

氣動部分主要采用真空氣體來吸取鏡頭。真空吸取的原理是利用真空系統(tǒng)與大氣壓力差形成的力實現(xiàn)物件的抓取和移動。目前，真空吸取技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在電子及半導(dǎo)體、航空航天、汽車和家電等行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用。尤其是一些易碎的、不適合夾持的物品，都可以用真空來進行吸取搬運[2]。

氣動系統(tǒng)原理圖如圖5所示,該系統(tǒng)由氣源、空氣過濾器、調(diào)壓閥、電磁閥、真空發(fā)生器、真空過濾器以及真空壓力開關(guān)組成。真空發(fā)生器用于產(chǎn)生負壓以吸取產(chǎn)品，體積小、經(jīng)濟方便[3]。真空壓力開關(guān)用來檢測真空壓力，確保系統(tǒng)能安全可靠地工作。調(diào)壓閥用以調(diào)節(jié)氣體壓力，進而調(diào)節(jié)吸盤吸取鏡頭的力度，保護鏡頭不被損傷。電磁閥可以選用兩位三通單電控，由PLC控制電磁鐵通電、斷電來實現(xiàn)閥體功能的切換。過濾器用來過濾空氣，吸附空氣中的雜質(zhì)，保護系統(tǒng)中的氣動閥。國內(nèi)市面上常見的氣動生產(chǎn)廠家有德國FESTO、日本SMC、臺灣AIRTAC和日本CKD等，追求性價比可以選擇AIRTAC和SMC,追求高品牌、可互換，可以選擇FESTO。

電氣部分采用PLC來控制。PLC控制系統(tǒng)是為了實現(xiàn)一整套完整的控制邏輯，以PLC控制器為核心，多種控制器及相關(guān)軟件系統(tǒng)相輔相成構(gòu)成的一套完善的解決方案。現(xiàn)階段PLC技術(shù)已經(jīng)與工業(yè)自動化緊密結(jié)合，可對各自動化設(shè)備運行情況進行實時監(jiān)造。

PLC采用計算機控制技術(shù)，其程序設(shè)計同樣可遵循軟件工程設(shè)計方法，程序工作過程可用流程圖表示。由于PLC的程序執(zhí)行為循環(huán)掃描工作方式，因此與計算機程序框圖不同的是，PLC程序框圖在進行輸出刷新后再重新開始輸入掃描，循環(huán)執(zhí)行。系統(tǒng)運行過程中，通過主程序調(diào)用各個子程序來控制整個設(shè)備的動作。設(shè)備啟動，PLC自檢，完成設(shè)備初始化，然后等待信號輸入來控制各動作。PLC控制采用順序控制的形式逐步執(zhí)行命令，程序編寫可參照圖6。

2 試驗及改進

經(jīng)過工業(yè)現(xiàn)場一段時間的使用，該文所設(shè)計的自動擰入裝置運行狀態(tài)良好。但在使用過程中發(fā)現(xiàn)了兩個問題，為了得到更好的使用體驗，需要對原始設(shè)計方案進行機械結(jié)構(gòu)方面的改進：1）鏡頭吸嘴磨損問題。在原始設(shè)計中，吸嘴所用材質(zhì)為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，經(jīng)過一段時間的使用后，吸嘴與鏡頭接觸表面略有磨損。通過對比常用的材料，考慮吸嘴的工作頻率較高，但精度要求不高，將其材質(zhì)更換為45鋼并進行調(diào)質(zhì)處理。如果工作頻率高且精度要求也較高的話，可以更換為耐磨性好的合金工具鋼，比如Cr12、SKD11等，根據(jù)材質(zhì)特性進行淬火處理。加工完成后，對吸嘴表面進行拋光處理，以避免其劃傷鏡頭。2）氣動滑環(huán)穩(wěn)定性問題。該文所設(shè)計的裝置是一條鏡頭自動化裝配線的一部分，受其他零件裝配工藝的制約，該裝置運行節(jié)拍低，氣動滑環(huán)完全足以滿足使用。但經(jīng)過對現(xiàn)場使用的觀察和對結(jié)構(gòu)方面的分析，如果裝置高速運行的話，氣動滑環(huán)的穩(wěn)定性得不到足夠保證?？紤]后續(xù)該裝置在工業(yè)領(lǐng)域的進一步推廣應(yīng)用，在一些高頻使用場合時，應(yīng)設(shè)計一套穩(wěn)定性更好的旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)來代替氣動滑環(huán)?？梢允褂么叫兔芊馊蚈型密封圈作為氣體密封的手段，并在旋轉(zhuǎn)體上開環(huán)形槽和氣孔，內(nèi)側(cè)裝配轉(zhuǎn)動軸。即設(shè)計一套適應(yīng)高速旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，代替滑環(huán)進行鏡頭快速擰入。

3 結(jié)論

經(jīng)過以上理論層面的分析和現(xiàn)場的實際應(yīng)用，該文所設(shè)計的鏡頭自動擰入裝置實用性強。且具有以下優(yōu)點：1）用一種裝置實現(xiàn)鏡頭的吸取和擰入2個工藝，縮小了占地空間，降低了加工和裝配成本，并大大縮短了工期。2）利用真空吸取來轉(zhuǎn)移鏡頭，不僅運行平穩(wěn)，還可以在最大程度上保護鏡頭表面，同時又具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕和無污染等優(yōu)點。3）氣動滑環(huán)的應(yīng)用避免了氣管纏繞導(dǎo)致的一系列問題。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，連續(xù)旋轉(zhuǎn)時氣管會產(chǎn)生纏繞，伺服電機需要擰2圈倒退后再重新擰緊。該裝置實現(xiàn)了鏡頭的連續(xù)擰入，在提高設(shè)備安全指數(shù)的同時還有效提高了生產(chǎn)效率。