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(guó)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(lái)。順應(yīng)全球制造業(yè)轉(zhuǎn)型的大趨勢(shì)，我國(guó)提出了“中國(guó)制造2025”，國(guó)內(nèi)制造業(yè)在國(guó)家的號(hào)召下廣泛開(kāi)展智能生產(chǎn)、智能制造，伴隨而來(lái)的是對(duì)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(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用越來(lái)越普及。在國(guó)外，機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在半導(dǎo)體及電子行業(yè)，而在中國(guó)，視覺(jué)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(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品技術(shù)的普及不夠，國(guó)內(nèi)大多機(jī)器視覺(jué)公司基本上是靠代理國(guó)外各種機(jī)器視覺(jué)品牌起家，隨著機(jī)器視覺(jué)的不斷應(yīng)用，公司規(guī)模慢慢擴(kuò)大，技術(shù)上已經(jīng)逐漸成熟。攝像頭作為視覺(jué)系統(tǒng)的核心元器件，其設(shè)計(jì)、加工、制造和裝配等過(guò)程都已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jì)了一種新型的自動(dòng)擰緊裝置，將吸取和擰緊兩個(gè)工藝合二為一，可實(shí)現(xiàn)鏡頭的連續(xù)擰入。

1 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及原理

攝像頭模組簡(jiǎn)稱(chēng)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(gè)搬運(yùn)機(jī)構(gòu)將鏡頭從工位上進(jìn)行吸取，并移動(dòng)送至鏡座工位。其次需要一個(gè)擰緊裝置移動(dòng)過(guò)來(lái)將鏡頭擰緊到鏡座中，根據(jù)精度的不同設(shè)置高度檢測(cè)裝置，利用高度測(cè)量傳感器來(lái)測(cè)量鏡頭是否安裝到位。

以上鏡頭組裝工藝設(shè)計(jì)的自動(dòng)擰緊裝置的機(jī)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(dòng)真空吸取部分。

其工作原理如下：伺服電機(jī)啟動(dòng)，通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)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(guò)程中有良好的穩(wěn)定性。氣動(dòng)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(guò)螺釘連接在一起，二者固定不動(dòng)；轉(zhuǎn)子部分一端與軸連接在一起，跟隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，另一端與下安裝板連接在一起。浮動(dòng)軸上裝有直線軸承和光軸，在施加外力的情況下，浮動(dòng)軸可以在光軸上做直線運(yùn)動(dòng)。光軸的一端通過(guò)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(guò)帶座軸承進(jìn)行支撐。浮動(dòng)軸穿過(guò)旋轉(zhuǎn)套連接一個(gè)吸嘴。伺服電機(jī)啟動(dòng)，通過(guò)軸帶動(dòng)氣動(dòng)滑環(huán)的轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，最終帶動(dòng)浮動(dòng)軸和吸嘴旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而將鏡頭擰緊到鏡座中。氣動(dòng)滑環(huán)上有A、B兩氣路口，浮動(dòng)軸上鉆有螺紋孔C，在三個(gè)孔上分別接上快插接頭和氣管，將A口接通氣源，B口通過(guò)氣管連接C口。通過(guò)圖3可以看出，C口通過(guò)浮動(dòng)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(duì)鏡頭14進(jìn)行吸取。

其中，彈簧可以在吸取鏡頭時(shí)提供緩沖，避免鏡頭表面被壓傷。環(huán)形檢測(cè)片與其下方的光電傳感器用于伺服電機(jī)找原點(diǎn)。伺服電機(jī)通過(guò)三個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋PID調(diào)節(jié)，既能保證機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速和精度，又能夠提高機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

在此裝置中，伺服電機(jī)包括安裝板、底板、上安裝板、下安裝板和環(huán)形檢測(cè)片，在設(shè)計(jì)時(shí)使用常用材料Q235加工，可節(jié)省成本。對(duì)于軸、浮動(dòng)軸、選裝套和光軸，考慮硬度和耐磨性，在設(shè)計(jì)時(shí)可以使用材料45，并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。此外，設(shè)計(jì)浮動(dòng)軸的時(shí)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(dòng)滑環(huán)又稱(chēng)為氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)接頭，是一種電氣元器件，負(fù)責(zé)連接和傳送旋轉(zhuǎn)物體的電流和信號(hào)。氣動(dòng)滑環(huán)在360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)同時(shí)傳輸電力、流體壓力等。有些設(shè)備還需要控制信號(hào)源，如光纖信號(hào)、高頻信號(hào)等，都可以集成在氣動(dòng)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(hù)，使用簡(jiǎn)單，可傳輸模擬信號(hào)及數(shù)字信號(hào)，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(hào)不能中斷的場(chǎng)合，如各種自動(dòng)化非標(biāo)設(shè)備、鋰電池設(shè)備、手機(jī)測(cè)試設(shè)備以及電子半導(dǎo)體工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備等。

其工作流程如下：需要一個(gè)由2個(gè)伺服電機(jī)搭載的XY軸雙向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)接口設(shè)計(jì)安裝板，將該文所設(shè)計(jì)的裝置安裝于此XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上（由于XY軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)已經(jīng)是很成熟的產(chǎn)品，該文不再贅述）。X軸伺服電機(jī)啟動(dòng)，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)至鏡頭工位，然后Y軸伺服電機(jī)動(dòng)作，帶動(dòng)此擰緊裝置豎直方向移動(dòng)，到達(dá)鏡頭工位后，電磁閥動(dòng)作，真空發(fā)生器產(chǎn)生真空，吸嘴吸取鏡頭。Y軸電機(jī)動(dòng)作，帶動(dòng)鏡頭上升，然后平臺(tái)X軸向運(yùn)動(dòng)，將產(chǎn)品移動(dòng)至鏡座工位，Y軸移動(dòng)，擰緊裝置下落，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鏡頭擰入鏡座。

該設(shè)計(jì)所使用的鏡頭上面有2個(gè)旋入卡槽（如圖4所示），設(shè)計(jì)吸嘴時(shí)相應(yīng)地設(shè)計(jì)了2個(gè)凸起塊，吸取鏡頭時(shí)凸起塊插入到卡槽中，便于擰緊鏡頭。實(shí)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(jì)吸嘴結(jié)構(gòu)。根據(jù)鏡頭擰入指標(biāo)，可以使用伺服電機(jī)的扭矩模式來(lái)控制擰入扭矩，也可以外加高度傳感器來(lái)控制鏡頭擰入的高度。如果鏡頭因?yàn)楦鞣N干擾因素沒(méi)有正常擰入，浮動(dòng)軸會(huì)在外力作用下壓縮彈簧帶動(dòng)檢測(cè)環(huán)浮動(dòng)，光電傳感器檢測(cè)到檢測(cè)環(huán)后會(huì)通過(guò)PLC系統(tǒng)設(shè)置的程序發(fā)出警報(bào)。

另外，對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)講，鏡頭至關(guān)重要。所以在鏡頭的搬運(yùn)、組裝等過(guò)程中，都要時(shí)刻注意鏡頭的防護(hù)，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(jì)時(shí)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(jì)

通過(guò)以上工作原理的分析，該裝置采用氣動(dòng)系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制和運(yùn)行。

氣動(dòng)部分主要采用真空氣體來(lái)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(shí)現(xiàn)物件的抓取和移動(dòng)。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(chē)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(lái)進(jìn)行吸取搬運(yùn)[2]。

氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖5所示,該系統(tǒng)由氣源、空氣過(guò)濾器、調(diào)壓閥、電磁閥、真空發(fā)生器、真空過(guò)濾器以及真空壓力開(kāi)關(guān)組成。真空發(fā)生器用于產(chǎn)生負(fù)壓以吸取產(chǎn)品，體積小、經(jīng)濟(jì)方便[3]。真空壓力開(kāi)關(guān)用來(lái)檢測(cè)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(jìn)而調(diào)節(jié)吸盤(pán)吸取鏡頭的力度，保護(hù)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(lái)實(shí)現(xiàn)閥體功能的切換。過(guò)濾器用來(lái)過(guò)濾空氣，吸附空氣中的雜質(zhì)，保護(hù)系統(tǒng)中的氣動(dòng)閥。國(guó)內(nèi)市面上常見(jiàn)的氣動(dòng)生產(chǎn)廠家有德國(guó)FESTO、日本SMC、臺(tái)灣AIRTAC和日本CKD等，追求性?xún)r(jià)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(lái)控制。PLC控制系統(tǒng)是為了實(shí)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?，F(xiàn)階段PLC技術(shù)已經(jīng)與工業(yè)自動(dòng)化緊密結(jié)合，可對(duì)各自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)造。

PLC采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，其程序設(shè)計(jì)同樣可遵循軟件工程設(shè)計(jì)方法，程序工作過(guò)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(jì)算機(jī)程序框圖不同的是，PLC程序框圖在進(jìn)行輸出刷新后再重新開(kāi)始輸入掃描，循環(huán)執(zhí)行。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)主程序調(diào)用各個(gè)子程序來(lái)控制整個(gè)設(shè)備的動(dòng)作。設(shè)備啟動(dòng)，PLC自檢，完成設(shè)備初始化，然后等待信號(hào)輸入來(lái)控制各動(dòng)作。PLC控制采用順序控制的形式逐步執(zhí)行命令，程序編寫(xiě)可參照?qǐng)D6。

2 試驗(yàn)及改進(jìn)

經(jīng)過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一段時(shí)間的使用，該文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)擰入裝置運(yùn)行狀態(tài)良好。但在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)問(wèn)題，為了得到更好的使用體驗(yàn)，需要對(duì)原始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)：1）鏡頭吸嘴磨損問(wèn)題。在原始設(shè)計(jì)中，吸嘴所用材質(zhì)為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用后，吸嘴與鏡頭接觸表面略有磨損。通過(guò)對(duì)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(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。如果工作頻率高且精度要求也較高的話(huà)，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(jìn)行淬火處理。加工完成后，對(duì)吸嘴表面進(jìn)行拋光處理，以避免其劃傷鏡頭。2）氣動(dòng)滑環(huán)穩(wěn)定性問(wèn)題。該文所設(shè)計(jì)的裝置是一條鏡頭自動(dòng)化裝配線的一部分，受其他零件裝配工藝的制約，該裝置運(yùn)行節(jié)拍低，氣動(dòng)滑環(huán)完全足以滿(mǎn)足使用。但經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用的觀察和對(duì)結(jié)構(gòu)方面的分析，如果裝置高速運(yùn)行的話(huà)，氣動(dòng)滑環(huán)的穩(wěn)定性得不到足夠保證。考慮后續(xù)該裝置在工業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，在一些高頻使用場(chǎng)合時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)一套穩(wěn)定性更好的旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)來(lái)代替氣動(dòng)滑環(huán)。可以使用唇型密封圈和O型密封圈作為氣體密封的手段，并在旋轉(zhuǎn)體上開(kāi)環(huán)形槽和氣孔，內(nèi)側(cè)裝配轉(zhuǎn)動(dòng)軸。即設(shè)計(jì)一套適應(yīng)高速旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，代替滑環(huán)進(jìn)行鏡頭快速擰入。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)以上理論層面的分析和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用，該文所設(shè)計(jì)的鏡頭自動(dòng)擰入裝置實(shí)用性強(qiáng)。且具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）用一種裝置實(shí)現(xiàn)鏡頭的吸取和擰入2個(gè)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(lái)轉(zhuǎn)移鏡頭，不僅運(yùn)行平穩(wěn)，還可以在最大程度上保護(hù)鏡頭表面，同時(shí)又具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。3）氣動(dòng)滑環(huán)的應(yīng)用避免了氣管纏繞導(dǎo)致的一系列問(wèn)題。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)氣管會(huì)產(chǎn)生纏繞，伺服電機(jī)需要擰2圈倒退后再重新擰緊。該裝置實(shí)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(shí)還有效提高了生產(chǎn)效率。