【摘要】 目前,國內制造業(yè)的自動化需求不斷提升,工業(yè)機器人技術、視覺伺服技術和氣動技術等隨之發(fā)展日益成熟,越來越多的自動化生產(chǎn)設備將這些技術應用其中。在現(xiàn)今的電子制造業(yè)中,受到國內勞動力成本提升和雇工難等問題的影響,企業(yè)由勞動密集型向技術密集型轉變的要求愈發(fā)迫切。本論文的選題是依據(jù)國內某電子制造企業(yè)的需求而提出的。在該企業(yè)的實際產(chǎn)線上,某型產(chǎn)品仍主要依靠人工完成產(chǎn)品加工,但由于貼合精度要求較高,產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效能對于操作員的熟練程度依賴較大,同時雇工問題對其生產(chǎn)也有較大影響,因此,急需研發(fā)自動化設備來緩解目前的問題。論文中詳細研究了用于該類產(chǎn)品生產(chǎn)的一款基于智能機器人的自動剝離貼合設備的設計和研發(fā)過程,全文包含了：設計方案的確定、機械設計的理論研究、機械機構的設計研究、視覺伺服系統(tǒng)的設計、氣動系統(tǒng)的設計、控制系統(tǒng)的設計和最后的設備組裝調試以及針對設備目前應用情況的總結。論文各部分的研究內容如下：(1)設計方案的確定針對產(chǎn)品現(xiàn)有的工藝進行了分析,明確了產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的動作鏈,通過拆解動作鏈確定了相關機構的設計方案,并根據(jù)應用需求給出了控制系統(tǒng)的設計方案。(2)機械設計的理論研究對設備的兩個主要運動單元完成了運動學與動力學分析,為后續(xù)的設計提供了理論參考。(3)機械結構的設計研究針對設備中的基座、翻轉機構、剝離臺、機械手爪和送料機構等的重點設計參數(shù)進行了分析研究。(4)視覺伺服系統(tǒng)的設計針對視覺伺服系統(tǒng)進行了設計,研究了硬件組成、視覺標定以及目標定位等方面內容。(5)氣動系統(tǒng)的設計繪制了氣動系統(tǒng)的氣路原理圖,根據(jù)實際應用需要完成了相關氣動元件的選型。(6)控制系統(tǒng)的設計繪制了系統(tǒng)的控制原理圖,研究了控制端口的分配,編寫了控制程序的編寫。(7)設備的組裝調試研究了設備的組裝流程給出了相關測試數(shù)據(jù)。(8)總結與展望針對設備目前的使用情況進行了總結,并提出了對設備改良建議。本課題設計的基于智能機器人的自動剝離貼合設備具有產(chǎn)能高、低污染和產(chǎn)品合格率高等特點。課題設計能滿足目前的實際生產(chǎn)需要,因此,本文中的研究內容對于同類設備的設計具有一定的借鑒參考價值。

第一章緒論

1.1課題研究背景

目前，電子行業(yè)正處于蓬勃發(fā)展階段，隨著智能終端設備突飛猛進的更新發(fā)展，各類智能終端的換機速度也不斷提升，各大電子產(chǎn)品公司為了更為快速的占領相應的市場，成為技術主導，及時推出蘊含新技術的高品質產(chǎn)品，成了各家公司的訴求。

在手機行業(yè)，隨著產(chǎn)品中的相應部件的模組化生產(chǎn)模式的日趨完善，許多手機品牌公司都選擇代加工模式完成產(chǎn)品制造，而中國地區(qū)作為巨大的消費市場和全球制造工廠，因此，越來越多的代加工工廠在許多地方應運而生，目的就是為各類電子產(chǎn)品公司提供代加工業(yè)務。

縱觀全球，可有效實現(xiàn)資源合理化的是全球經(jīng)濟一體化合作的必由之路。為了適應當前的經(jīng)濟發(fā)展，越來越多的企業(yè)開始調整自己的競爭戰(zhàn)略，逐步從以擴大生產(chǎn)規(guī)模和降低生產(chǎn)成本為目的的生產(chǎn)型方式向著以加強新技術應用、快速推出新產(chǎn)品為目標的市場經(jīng)營方式轉化。從IDC的數(shù)據(jù)來看，電子產(chǎn)品的生命周期在50~60年代其數(shù)值為10、12年，而進入90年代其數(shù)值下降到了1~18個月。因此，在如今的電子信息時代，越來越多的企業(yè)經(jīng)營者為了在競爭中占得先機，競相加大對新產(chǎn)品的研發(fā)投資力度，而如何將研宄成果盡快轉化為商品，從而迅速占領市場？許多大企業(yè)普遍選擇了在自身把握核心技術的前提下將相關產(chǎn)品中的非技術核心零部件承包給其他企業(yè)代為生產(chǎn)的方式，既縮短了生產(chǎn)周期，又節(jié)約下了一些相應的生產(chǎn)成本，同時，還可以有效提升企業(yè)對市場需求的反映速度，合理整合了外部資源。而作為代加工工廠，OEM客戶就意味著市場，擁有越多的客戶，或與越為知名的大企業(yè)合作就說明產(chǎn)品的市場占有率越高。因此，提升自身的生產(chǎn)效能即是各代加工工廠關心的重點問題。

現(xiàn)階段，國內的很多代加工工廠規(guī)模有限，自動化程度低，仍屬于勞動密集型企業(yè)，在很多生產(chǎn)環(huán)節(jié)仍舊依賴于人工完成。自2008年5月1日起，新《勞動法》開始頒布實施，這使得原來面領著雇工難、勞動力流動性過大和用人成本高等一系列問題的很多工廠更為迫切地需要對現(xiàn)有的生產(chǎn)設備進行自動化改造和引入新的自動化加工設備。同時，如何應OEM對客戶對其非標產(chǎn)品更新所帶來的生產(chǎn)適應問題，對自動化加工設備提出了新的挑戰(zhàn)。

1.2國內外研究動態(tài)

1.2.1國內外工業(yè)機器人技術發(fā)展現(xiàn)狀

工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多個學科先進技術于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。現(xiàn)今，在制造業(yè)，機器人的制造和應用水平，可體現(xiàn)一個國家的整體制造業(yè)水平和科技發(fā)展水平。將工業(yè)機器人合理的應用到自動化生產(chǎn)設備中來，不僅可以提高生產(chǎn)效率，減輕勞動強度，而且能改善工人的勞動環(huán)境，對提升工人的素質也有著現(xiàn)實意義。同時，機器人具備標準化特點，通過編輯不同的應用程序，借助不同的機械手爪機構，可快速適應不同的應用需求，具有很高的重復利用率，具有好高的經(jīng)濟效益。

與國外相比較，中國國內在機器人領域與發(fā)達國家仍存在較大的差距。這樣的差距尤其體現(xiàn)在工業(yè)機器人的制造上，國內制造的機器人的許多關鍵部件，主要是高性能交流伺服電機和高精密減速器等核心部件，目前仍需依賴于進口，國內許多技術企業(yè)目前都不足以提供高性價比的產(chǎn)品用于同類替代。但隨著我國政府相關科研計劃的扶持，我國的工業(yè)機器人技術在一些技術攻關問題上得到了長足的進步，已逐步掌握了其設計、制造和應用等多方面的技術，并且在一些關鍵技術方便也已達到或接近世界領先水平。

我國作為世界公認的制造業(yè)大國，隨著雇工難，用工成本高等問題的不斷加劇，提高制造業(yè)自動化水平刻不容緩，而為此產(chǎn)生的巨大市場勢必將有效推動我過工業(yè)機器人技術領域的快速發(fā)展。

當前，“IE+機器人自動化”生產(chǎn)模式成為了當今制造業(yè)熱點，這一模式可實現(xiàn)無人化生產(chǎn)。IE作為工業(yè)之父，在自動化及無人化的生產(chǎn)規(guī)劃過程中，通過對生產(chǎn)管理，工藝的細致了解和把握，并結合自動化、機器人及相關技術，從而實現(xiàn)了生產(chǎn)的無人化過程。

放眼世界，不難看出，工業(yè)機器人將成為第三次革命浪潮的主角。

1.2.2國內外機器視覺技術的發(fā)展現(xiàn)狀

機器視覺是研究用計算機來模擬生物視覺的科學技術，機器視覺系統(tǒng)的首要目標是用圖像創(chuàng)建或恢復現(xiàn)實世界模型，然后認識現(xiàn)實世界。通常，機器視覺系統(tǒng)需要由光源、光學系統(tǒng)、相機、圖像處理器、圖像處理軟件和通訊輸入輸出單元等共同組成。其工作原理為：相機采集圖像信號并將其轉化為數(shù)字信號，傳送給專用的圖像處理器，由圖像處理軟件來完成圖像處理對這些信號進行各種運算以抽取目標的特征，如面積、輪廓、數(shù)量、位置等。

第二章系統(tǒng)總體方案設計

2.1概述

本章對客戶提出的工藝要求和現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝特點進行了分析，指出了實現(xiàn)該產(chǎn)線自動化的可行性和設計方向，確定了整套設備的相關設計方案為后續(xù)的機械結構設計、電氣控制方案等明確了方向。

2.2設計目標分析

2.2.1來料分析

客戶提供的材料樣品如圖2.1和圖2.2所示，鋼網(wǎng)片的來料方式為：以片鋼網(wǎng)片為一組，等距間歇性附著在一定長度并具有一定粘性的離型膜上，并被卷在塑料卷筒上；而雙面膠片的來料方式為：雙面膠片以4*4的組合方式分布在一定尺寸并具有一定粘性的離型膜上，而該離型膜上加工有若干定位孔。單從材料自身的特性來說，鋼網(wǎng)片具有一定的強度朝性，雙面膠片相對質地柔軟。

從來料方式來看，成卷的鋼網(wǎng)片可通過人工或專用剝離機構實現(xiàn)鋼網(wǎng)片從離型膜上的剝離；而附著有雙面膠片的離型膜上己加工有若干定位孔，可以加以利用，通過這些孔定位可確保在某一特定平面范圍內離型膜上的每一片雙面膠片保持穩(wěn)定的位置坐標。

2.2.2工藝要求分析

通過對現(xiàn)在有的工藝流程來看，鋼網(wǎng)片具有正反面之分，在貼合鋼網(wǎng)片和雙面膠片時，需保證鋼網(wǎng)片的正面與雙面膠片上的貼合面接觸貼合。此外，需要注意的是附著于離型膜上的鋼網(wǎng)片均是以正面朝上，反面附著在離型膜粘性表面上的。鋼網(wǎng)片的正面附有離型膜。

2.2.3現(xiàn)有產(chǎn)線的不足

該公司現(xiàn)有的產(chǎn)線為人工產(chǎn)線，每條產(chǎn)線由若干名產(chǎn)線工人組成，同一產(chǎn)線上的工人以相同距離依次坐下，通過專用夾具固定附著有雙面膠片的離型膜，通過人工將展開于產(chǎn)線工作臺面上附著有鋼網(wǎng)片的離型膜上的鋼網(wǎng)片取下后，人工完成貼合。

2.2.4設計目標

通過前面的分析，該智能機器人自動剝離貼和設備的主要設計目標可明確為：

設備需自動完成物料的傳送，從離型膜卷材上自動剝離鋼網(wǎng)片，借助一定的機械結構完成對鋼網(wǎng)片的翻轉，借助一定的技術手段，確保鋼網(wǎng)片和雙面膠片以正確位姿關系完成精確貼合，同時，設備應具有較高的穩(wěn)定性和安全性。

第三章動力學與運動學分析......19

3.1機械手運動學分析......19

3.2翻轉機構運動學與動力學分析.......24

3.2.1翻轉機構運動學分析.......24

3.2.2翻轉機構動力學分析.......28

3.3小結.....30

第四章設備機械結構設計.......31

4.1概述........31

4.2整體機械結構的設計.......31

4.3設備基座設計......33

4.4剝離臺設計........34

第五章視覺伺服系統(tǒng)設計.......55

5.1視覺系統(tǒng)設計......55

5.2視覺系統(tǒng)中的成像變換......56

第八章設備的安裝與調試

8.1設備安裝

按照前章的設計研宄內容完成設備的設計之后，設備需要首先經(jīng)歷安裝流程，通常，設備的組裝過程分為以下幾個步驟：

（1）清點機加零件、外購電氣元件，并予以記錄；

（2）對機加零件的機加尺寸進行測量，并予以記錄；

（3）組裝設備的基座部分，將其移動到預定的調試位置，利用水平儀等工具，調整工作臺面的水平度，最后鎖緊地腳螺檢，確保設備基座位置固定；

（4）機器人的定位安裝由于機器人是設備最主要的動作單元，其他的運動機構均都是以其為中心進行的分布安裝，因此，需首先對其進行定位安裝。

（5）機械手爪的安裝定位為了確保機械手爪各吸盤在動作做時能與翻轉機構末端吸盤上的各吸附位置保持準確的對位，在將機械手爪安裝到機械手上時，需要對吸盤的整體水平度和平面度進行精確調整。

（6）進料機構的安裝由于該機構的體積較大且質量較大，安裝是需要注意進料機構的固定，確保該機構在運動過程中不會出現(xiàn)緊固件松動而出現(xiàn)機構移位的問題。

（7）翻轉機構的安裝首先確定翻轉機構與機械手之間的位置關系，確保翻轉機構的待取料區(qū)域在機械手的理想工作位置，對翻轉機構的末端吸盤的水平度和平面度進行微調。

（8）剝離機構的安裝對應翻轉機構，安裝剝離臺，并在剝離臺的預定位置安裝頂舌機構，手動操作翻轉機構看相互運動關系能達到理想工作狀態(tài)，在對應剝離臺安裝剝離機，保證剝離機和剝離臺的正確對應位置關系。

（9）確定機械部件部分安裝正確之后，完成供電電路和控制電路以及氣動系統(tǒng)氣路的連接。

（10）前期調試檢驗各運動機構能否實現(xiàn)預期的動作，檢驗各機構運動過程中的動作銜接情況，根據(jù)檢驗情況對其進行微調。

（11）控制程序的編寫調試，將編寫好的程序導入機器人控制器中，對設備行運行調試。

（12）組裝設備的防護罩和相關的安裝報警器件等。

總結與展望

總結

針對鋼網(wǎng)片和雙面膠片的實際貼合需要，通過工業(yè)機器人技術，視覺伺服技術，傳感器技術，現(xiàn)代控制理論等多種技術相結合，本文設計了一款基于智能機器人的自動剝離貼合設備，通過產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)，有效的提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，實現(xiàn)了產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)。本文中設計的該套自動化生產(chǎn)設備具有一定的獨創(chuàng)性，融合機械、氣動、計算機視覺和傳感器等多各領域的技術。主要研宄成果如下：

（1）對現(xiàn)有的工藝流程進行了分析，提出了基于智能機器人的自動剝離貼合設備的可行性，通過設計方案的討論，確定了機械結構設計的任務目標和設計思路。這對同類應用需求的設計方案有一定的借鑒價值。

（2）對設備中個別運動機構的設計進行了重點分析研究，通過建立機器人運動數(shù)學模型，對機器人進行了運動學分析，研宄了機器人的運動情況；通過建立翻轉機構的數(shù)學模型，對設備翻轉機構進行了運動學和動力學分析，研究了翻轉機構的運動情況和末端吸盤在設備中運動位置關系。對于同類的數(shù)學模型的建立有一定的參考價值。

（3）完成了設備機械結構設計：

）針對設備的剝離機構部分的剝離臺進行了設計，重點對剝離刃角進行了理論分析和研宄，從材料力學的角度對剝離工藝的原理進行了了分析研究，完成了理論計算，為剝離刃角的設計提供了參考。

2）針對翻轉機構完成了機械結構的設計，針對翻轉機構的末端吸盤設計進行了分析，通過理論計算分析得出，需要加入頂舌機構協(xié)助翻轉機構對剝離臺待取料區(qū)域的鋼網(wǎng)片完成完全剝離取料工作。

3）完成了機械手爪的機械設計，針對機械手爪吸盤設計進行了分析研究；

4）完成了進料機構和雙面膠片片狀來料的定位裝載托盤的設計。

（4）完成了設備的氣動系統(tǒng)設計，繪制了設備的氣路設計圖，對氣動進行了選型計算；

（5）完成了設備的控制電路設計，對機械手控制的IO端子進行了分配，繪制了相關的電氣連線圖，利用EPSON機械手控制器RC5.0+完成了控制程序的編寫。

（6）完成了設備的安裝調試，通過測試數(shù)據(jù)驗證了該自動化設備對該產(chǎn)品生產(chǎn)的產(chǎn)能的提升。

展望

經(jīng)過設備的一段時間實際使用情況來看，設備中還是存在一下問題和缺陷，這些問題都是有待改進的。現(xiàn)總結如下：

（1）翻轉機構和頂舌機構在配合剝離鋼網(wǎng)片時，有時會因為鋼網(wǎng)片來料卷材上的鋼網(wǎng)片的移位等問題造成翻轉機構末端吸盤的漏真空，使得鋼網(wǎng)片不能被完全對位吸附，而直接導致該次取料的失敗，影響生產(chǎn)效率。因此，后續(xù)設計中應當考慮如何控制鋼網(wǎng)片在剝離臺待取料區(qū)域中保持相對位置的固定。

（2）翻轉機構在長時間的使用后，擺動氣虹擺動軸會出現(xiàn)輕微的徑向擺動，在后續(xù)的改良設計中可以考慮加入平衡塊等，以改良該運動機構的動平衡問題。

（3）產(chǎn)品的合格率雖然較之前有很大提高，但仍然不理想，這說明設備在精確定位貼合中存在一定的問題，有待進一步提高。

由于時間的限制和設計水平有限等客觀因素的存在，最終擱置了這些問題。希望各位同行專家能批評指教，在此深表感謝。
 

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