印刷电路板抓取机械手的设计

第33卷第1期2 0 18年2月

青岛大学学报（工程技术版）

JOURNAL OF QINGDAO UNIVERSITY (E&T)

Vol. 33 No. 1

Feb. 2 0 18

文章编号：1006 - 9798(2018)01 - 0112 - 04; D O I:10.13306/2.1006 - 9798.2018.01.022

印刷电路板抓取机械手的设计

任久帅，王继荣，苏明顺，牛山

(青岛大学机电工程学院，山东青岛266071)

摘要：针对手工抓取印刷电路板放人吸塑盒存在效率低且容易对P C B造成损害的问题，本文以某

印刷电路板公司为研究对象，设计了印刷电路板（printed c i rCuitb〇ard，P C B)自动化生产流水线，

对P C B抓取机器人进行了总体的结构设计，通过对几种机械手抓取方案的比较，选取柔性夹钳式

机械手。分析结果表明，本文设计的机械手在抓取P C B小板过程中，运动平稳，很好地实现了P C B

抓取和装盒操作。该研究为P C B抓取的研究和开发提供了理论依据，具有广阔的发展前景。

关键词：P C B;机械手部；柔性夹钳式；装盒

中图分类号：T H122;T P241.2文献标识码：A

印制电路板作为底盘，用来装载电子元器件，实现电子元器件的相互连接，传递信号[1]。美国马萨诸塞州州

立大学开发的、安装在手臂前端的仿人型机器人平台Dexter,安装了Barrett公司开发的多指机械手，该手具有 3 个手指，每个手指有4个自由度，并在指尖集成了触觉传感器25]。通过头部集成的立体视觉系统，对操作的物

体进行定位，利用设计的闭环规划控制器灵活地对物体进行抓取操作16]意大利推出的仿人机械手—Smart- H a n d手，通过腱驱动的工作原理，该机械手具有16个自由度，其中四个手指具有3个自由度，而拇指有4个自由

度68]。这个手采用Hirose欠驱动，传动结构是由滑轮、钢键和钢缆组成，并且能够驱动各个指节的运动，该手指

的运动轨迹是由扭曲刚度、滑轮半径和预载荷来确定的，可以实现精准捏取，精准力量抓取以及指尖动作等912];

德国S C H U N K公司Lightweight设计的A r m L W A3机械手[13-15]，可以承受的最大载重为0. 5 k g，机械手臂本

体重 4 K g，具有6个自由度，其定位精度为<0. 1 m m。它采用的处理器为P o w e r P C，可以兼容多个外设，且具有

嵌人式的L i n u x内核，因此该机械手通用性很强，而且能够跟其他设备集成，比普通的机械手具有更高的可操作

空间[16];北京航空航天大学机器人研究所开发了B U A A机械手，每个机械手都有四个自由度，而且结构相同，通

过直流伺服电机实现驱动，通过齿轮传动驱动，该机械手模块化的结构设计能够完成不同的动作[720]。基于此，本文设计了P C B自动化生产流水线，对P C B抓取机器人进行总体结构设计，通过对几种机械手抓取方案的比较，选取柔性夹钳式机械手。该机械手在抓取P C B小板过程中，运动平稳，能很好地实现P C B抓取和装盒操作。该研究实现了大规模机械流水线作业，提高了生产效率。

1P C B抓取机器人

1.1整体机构工作原理

1)定位模具。在导轨上定位紧固已经携带分好的P C B小板，此时机器人腰部旋转，运动到定位模具上方

2)机器人手臂完成水平方向的旋转，并通过放置的驱动气缸来完成机械手爪的竖直运动。

3)视觉定位系统识别P C B小板的信息状况，定位P C B小板的位置，并将P C B小板的信息状况传递给控系统，从而控制机械手完成下一步指令。

4)机械手接收到抓取命令后，夹持气缸张开，推动齿轮齿条工作，使手爪部分张开到与P C B板相对应的置。机械手靠末端执行器的4个小爪夹持器夹紧P C B，完成抓取动作。

5)手臂上升，上升到位后旋转90'机械手爪移动到吸塑盒上方。

6)机器人手臂完成水平方向的旋转，并通过放置的驱动气缸来完成机械手的竖直运动。

收稿日期：2017 -04- 01;修回日期：2017 - 09 -04

作者简介：任久帅（1992 -)，男，硕士研究生，主要研究方向为机械C A D。

通讯作者：王继荣，女，博士，教授，主要研究方向为机械C A D。Email:wangjirong43@

第1期任久帅，等：印刷电路板抓取机械手的设计113

7) 夹持气缸复位，机械手松开，将P C B 小板放人吸塑盒中。

8) 手臂上升，上升到位后旋转90°，恢复到初始位置，至此完成一个工作周期。

1.2机械手参数

本次设计所需抓取的P C B 质量较轻，约为50 g ，因此考虑采用气动方式驱动。气动驱动需要压缩的空气，粘 性小、流速大，所以机械手的动作较快。机械手的主要参数是机械手的动作速度、行 。本设计中机械手的操

作节拍对机械手的速度要求较高，如果机械手的速度过低会影响抓取速度，进而影响到整个流 的工作效率。

定机械手工作速度的主要因素是手臂的升

度、机械手腕的抓 度以及机械手回转速度。 、析算，设定机械手臂¥均升 度为150 m m /s ，手腕的不均速度为48m m /s ，¥3回转速度为90°/s ，压紧机构的

均速度为25 m m /s 。除了对机械手臂的运动速度做设计估算以外，还对机械手臂的工作半径做了现

量。所设计的机械手工作半径为1 000 m m ,大致相当于工人坐着手臂可达到的最大半径。

1) 设计技术参数。坐标形式为圆柱坐标，最大工作半径为1 000 m m ;手臂运动参数：升降行程为150 m m ， 升降速度为150 m m /s ;手部运动参数:夹紧行

20 m m ,夹紧速度为18 m m /s ;回转运动参数：回转范围为0°〜180'回转速度为36°/s ;压紧运动参数:压紧行 30 m m ,压 度为15 m m /s 。

2) 主要工作参数。P C B 小板如图1所示。分板前拼板面积为234 m m X 119 m m ;分板后，单板面积为 65 m m X 45 m m ;模块整体高度为24 m m 。P C B 板装载吸塑盒，吸塑盒材质为防静电P V C ，P C B 吸塑盒如图2所 东。整版体积为381 m m X 270 m m X 31. 5 m m ;小格排列方式为 5 X 5 ;小格体积为68. 2 m m X 48. 6 m m X

31. 5 m m 。P C B 小板抓取机械手模型示意图如图3所示。

图

1 P C B 小板 图

2 P C B 吸塑盒2 P C B 抓取机

器人方案的选择为实现上述功能，通过对多种抓取机器手进行分析比较。真空吸附

式机械手可以对P C B 实现精准定位操作，误差较小，且速度也相对较快，

但是本次抓取的P C B 零件，凹凸不¥，因此吸取难度较大；

机械手结构较为复杂，仿人性好，功能丰富，易实现P C B

的抓，但是机械手需要完成的动作较

单，仿人机械手设计成本相对较高，而且定位精度不高，很 抓 P C B 板；夹钳式机械手可以实现P C B 的抓取，且稳定性较好，设计成本相对较低，也不会对P C B 产生损

坏，因此本设

具有软抓 能的 式机械手。

3柔性夹钳式机械手的设计机械手爪部分也被称作末端操作器，由手指、传力结构、驱动装置等

图3抓取机械手模型示意图组成，是与所抓取工件

触的部件。机械手 持P C B 的动作，并按照指定运动轨迹将P C B 放到吸塑盒中，由于P C B

零件较多，本设计的机械手爪为柔性夹钳式。1) 选择运动方式。抓取P C B 的运动轨迹为循环往复半径式运动，因此机械手运动方式采用回旋型运动。

2) 机械手手 手爪的结构设计。机械手手

的结构设计是由P C B 的 、质量、外观及尺寸决定。被抓 设定为P C B 四角的4 ，考虑P C B 的 构的特殊性！ 凸不¥

，且为易损坏的电子零件），把手部设

柔性的内撑式夹钳机械手。为了准确定位P C B ，使P C B 与手；分持正确的相对 ，手爪内撑结构设计为与P C B 相对的两根小圆柱插人式手爪，抓取时通过夹紧气缸的动作

传动转换装置k 销子

伸缩弹簧