摘要：本文介绍了，采用由柔性机械手和光学振盘等机构组成的柔性自动上料机构，对电连接器零件进行自动筛选上料的方法。与传统振盘、传统视觉顶料识别分选机构相比，柔性自动上料机构具有精准识别、快速传输、避免零件外观损伤的特点，且能够适用于多品种不同结构的电连接器零件产品，提高了自动化设备的生产效率，扩大了自动化设备的应用范围，解决了电连接器零件上料筛选过程中造成的外观损伤、腐蚀氧化等问题。

关键词：柔性自动上料；气动夹爪；多品种；电连接器；外观损伤

1 引言

随着我国航天事业的飞速发展，传统人工劳动力越来越无法满足日益增长的生产需求，工业自动化设备普遍应用于航天产业的生产装配过程。其中，电连接器零件具有品种多样、产量较大、结构复杂等特性，且电连接器零件装配具有高标准、高质量、高效率等生产要求，因此电连接器自动化装配技术一度成为自动化设备研发与应用必须面对及攻克的难题。

为解决这一难题，实现由传统劳动力逐渐向自动化生产模式的转换，首先需要具备一种高效率、低风险、稳定可靠的自动上料机构。柔性自动上料机构以其精准、高效、美观、智能、多品种适用等优秀特点最终脱颖而出，并得以普遍应用。

2 使用柔性自动上料机构的必要性

电连接器零件装配是电连接器生产工艺中十分重要的一个工序，保证电连接器零件高质量、高效率装配以及电连接器零件在装配过程中不受损伤，是保障电连接器产品质量可靠的关键。然而，电连接器零件本身具备的尺寸较为细小、结构复杂、外形多样、镀层硬度低、批次产量大等特性，一度造成电连接器零件装配工序存在多方面装配难题及操作风险。

传统人工生产模式中，为免汗渍、油渍等物质污染腐蚀电连接器零件外观及表面镀层，生产人员在装配电连接器零件时往往需要佩戴橡胶指套，十分不便。国内也曾多次发生因生产人员违规操作导致电连接器零件外观及表面镀层遭受腐蚀，最终严重影响电连接器通电性能的质量事故。且传统人工装配模式难以保证电连接器产品的质量可靠性及一致性，也无法保障例如短小型接触体的分离力检测、线簧式插孔的前后套装配、绝缘体与接触体组装等细小零件的装配工序的生产效率。随着工业自动化生产模式的发展与进步，自动化设计与技术逐渐成熟，插孔自动测力、线簧孔前后套装配、针孔绝缘体自动装配等多种自动化设备正式应用于电连接器生产装配工序之中，替代了原有传统人工生产方法。

起初自动化设备皆由特制专用振盘实现电连接器零件全自动筛选上料的功能，但由于振盘采用共振原理盘旋上料，筛选功能单纯依靠手工制作，存在质量隐患、资源浪费、维修成本高等无法消除的弊端。随后出现的新型视觉顶料识别分选机构，一定程度上实现了多品种电连接器零件通用的功能，避免了电连接器零件外观及表面镀层因振动摩擦造成的氧化及损伤。但因受到步骤繁复、环境影响及产品批次特性等因素限制，导致该筛选上料机构识别及分选效率大幅下降，影响电连接器零件装配的正常生产周期。综上可知，随着航天产业的发展与繁荣，实现生产装配自动化已成为主流趋势，因此寻找一种稳定、可靠、准确、高效的新型全自动上料机构已刻不容缓。

随着全球自动化需求日益增大，机器人早已成为近年来主要研发与创新的热门领域。其中由自动补料仓、柔性抖料盘、CCD相机识别机构、柔性机械手及柔性气动夹爪四部分机构组成的柔性自动筛选上料系统，以其高效、智能、安全、稳定、适用性广等优势，迅速替代了工业生产装配中传统的自动上料机构，并在工业自动化领域占据一席之地。柔性自动上料机构与传统的自动上料机构相比具有明显优势：机械手判定识别准确率高，运行速度快，大幅度提高了自动化设备的生产效率；材料适应性更好，不会破坏柔性抖料盘表面结构；抓取可靠性更高，不会损伤电连接器零件外观及表面镀层；适用范围更广，可适应各种复杂外观的电连接器零件；可动性更高，能够实现多角度抓取散落分布的电连接器零件。因此，柔性机器人在电连接器自动化装配中具有十分广阔的应用前景。

3 传统的自动上料机构

传统振盘自动上料模块主要由振盘、振盘底座及控制盒组成。其工作原理为通过控制盒调节振动底座的输入电压及振动频率，令振动底座因共振原理产生振动，安装在其上的振盘及振盘中的电连接器零件产生同频振动，促使电连接器零件沿盘旋轨道旋转向上移动，通过手工锻造的金属轨道及筛选槽对电连接器零件进行分选，令输出的电连接器零件方向一致。

振盘自动上料模式虽然具有操作简单、筛选速度快的优点，但同时也存在适用产品单一、电连接器零件筛选反向、电连接器零件外观损伤、表面镀层污染氧化、无法分辨混合多余物等缺陷。由于振盘本身基于共振原理采取盘旋式上料的特性，以及电连接器零件形状短小的特制，往往需要保证振盘中存在多于500件以上的电连接器零件，才能确保零件能够持续输出，造成了大量的资源浪费，且存在不同批次混料的风险。

另一种传统自动上料机构为视觉顶料识别分选机构，主要由顶料盒、CCD相机视觉识别系统组成。其工作原理为，顶料盒顶料块由气缸控制抬升或降落。顶料块降落时，电连接器零件会随着盒底漏斗形滑坡落入顶料块顶端凹槽当中；顶料块抬升时，落入凹槽中的电连接器零件随顶料块升起，随后CCD相机拍照传输给视觉识别系统进行定位与筛选；移动夹爪根据视觉系统判定结果，将识别到的接触零件移送至第二个CCD相机工位上方判定电连接器零件待装配端朝向；判定完毕后，移动夹爪按照判定结果，将未能正常识别装配端朝向的电连接器零件放入未识别工件收集盒，将可正常识别的电连接器零件旋转至待装配端朝下已送至下一工位。

视觉顶料识别分选机构自动上料模式，通过快速更换不同尺寸的顶料块及对不同型号电连接器零件设定专属识别模版，一定程度上可实现多个品种的电连接器零件筛选上料，且不存在损伤电连接器零件外观及氧化表面镀层的隐患。但仍存在无法忽视的运行缺陷，如运行步骤繁琐，识别成功率较低，导致识别步骤重复运行，严重降低了设备生产效率；移动夹爪为金属夹爪，存在损伤电连接器零件外观及表面镀层、损坏非金属材质顶料块凹槽结构等风险；同一型号电连接器零件会因外观亮度、加工形状等批次性差别影响视觉识别系统的判断结果；运行一段周期后，需要重新标定移动夹爪的轴向零点及旋转参数，否则电机可能会出现跑位偏移，影响夹爪加持的一致性等；此外，CCD相机容易受到环境因素及产品本身的亮度影响，拍摄的照片与已建立的识别模版差异性较大，影响视觉识别系统的判定结果，导致顶料识别失败或电连接器零件装配端判定失误，直接影响生产装配合格率。

4 柔性机器人自动上料机构

4.1柔性自动上料机构的结构及工作原理

柔性自动上料机构主要由自动补料仓、柔性振盘、CCD相机视觉定位系统及柔性机械手四个关键组成部分

下面将分别对柔性自动上料机构的基本结构进行详细介绍。

4.1.1自动补料仓

自动补料仓是一种由送料仓、直振底座及振动控制器组成的输送工件的机构。启动时，直振底座内部的振动器通过电机驱动产生的激振力通过内部簧片转化为直线振动，令安装在底座上的送料仓同频振动。工件以此振动为动力，在送料仓中向前滑动，最终从输出口输出。

4.1.2柔性抖料盘

柔性抖料盘主要由柔性料盘、振动底座、LED灯板及振动控制器四个部分组成，其作用为利用共振和相干波的干涉原理使工件随机分散在料盘表面，以方便视觉系统识别定位及柔性机械手抓取工件。振动底座中四个内角分别安装了四个激励源，相当于存在四个振动点，通过控制振动频率使料盘中的工件产生共振，通过改变四个振动点的频率分布可以使工件按照预定方向运动或随机散落分布。

4.1.3 CCD相机视觉定位系统

CCD相机视觉定位系统是柔性自动筛选上料系统能够精准识别及定位待加工零件的关键，其结构较为复杂，主要包括CCD相机、正向光源、图像采集卡、PLC控制器及计算机视觉算法等部件。工作时，CCD相机拍照收集柔性振盘中的视觉图像，通过图像采集卡将数据传输给计算机视觉算法，随后计算机视觉算法从采集到的图像信息中计算出物体的三维空间信息，重建及识别物体形态及分布状态，然后通过PLC控制器将位置信息传输给柔性机械手控制器，生成柔性机械手的动作指令。

4.1.4柔性机械手

机械手是近年来发展与兴起的一种高科技自动生产装置，是柔性自动上料筛选系统的重要组成部分。它是一种能够一定程度上模仿人手及手臂运动，并按照固定程序动作抓取、运送物品的自动操作装置。其特点是可以通过编程控制代替人工劳动实现工业产品的自动化生产，兼具人手的灵活性与机器的耐用性，能够不断重复工作和劳动。机械手按照不同分类机构可分为如下类别：

1）按照驱动机构分类：气动式、电动式、液压式、机械式；

2）按照使用范围分类：专用机械手、通用机械手；

3）按照运动轨迹控制机构分类：点位控制机械手、连续控制机械手等。

机械手主要由执行机构、驱动机构以及控制系统三部分组成。

执行机构用于抓取工件，往往根据加工工件特性及加工工艺进行针对性设计，具有很高的专一性。常见执行机构的类型有夹持型、托持型、吸附型等。执行机构的性能高低对机械手的运行精准度、可靠性及生产效率等具有直接影响。基于电连接器零件尺寸细小、结构复杂、外形多样、镀层硬度低等特性，经过不断测试，最终确定采用夹持型执行机构——柔性气动夹爪。

柔性夹爪起初是模仿海星腕足形态研制出的一种创新性仿生夹具，夹爪的“手指”部分由高分子硅胶柔性材料制成，通过改变夹爪内部的气压使夹爪弯曲形变，实现无损伤抓取目标物体的功能，因此常被应用于抓取异形、易损物品。如下图所示，通过程序控制柔触驱动器调节气动夹爪内部气压，常压时夹爪处于放松状态，正压时夹爪张开，负压时夹爪闭合。

驱动机构是机械手运行的重要动力源，能够令执行机构能够完成各种移动、转动、复合运动等设定动作，以达到改变抓持工件位置和姿势的目的。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动机构，称为机械手的自由度。自由度是机械手重要的设计参数，自由度越大，机械手的灵活性越高，适用范围越广，同时结构越复杂，成本也越高。因此，工业自动化设备通常采用4自由度（即四轴）或6自由度（即六轴）的机械手。

控制系统是机械手最为核心的重要组成部分。其通过编程设计对机械手每个自由度的电机进行运行设定，令机械手能够完成各种较为复杂的预定动作，时刻控制着各个轴电机的运动状态，同时接收编码器输出的反馈信息，从而形成稳定的闭环控制系统。由于电连接器零件重量小、体积小，电连接器零件自动装配设备通常选用的是四轴气动式柔性机械手。

综上所述，柔性自动筛选上料的工作原理如下：

生产人员应首先在机械手控制软件中设定柔性机械手的参考原点及运行范围，然后在计算机视觉算法中建立待装配电连接器零件的识别模版，并通过20次以上重复测试，观察视觉算法标定结构是否存在失误，确认模版的可靠性及稳定性。正式生产时，生产人员将待装配的电连接器零件均匀铺撒在自动补料仓内，启动设备后，自动补料仓通过控制振动器振动使电连接器零件产生共振，沿直线移动，从输出口落入柔性振盘；柔性振盘依照编程设定调节四个振动点的振动频率，达到令料盘中的电连接器零件离散分布的目的；电连接器零件处于静止分散状态后，CCD相机拍照获取料盘中电连接器零件的分布图像，并传输给视觉算法对电连接器零件的形态及分布状态进行标定；视觉算法将识别到的电连接器零件状态信息传输给机械手控制器；机械手控制器将接收到的位置信息转化为执行命令输出给柔性机械手；柔性机械手按照接收到的运行指令完成对目标电连接器零件的抓取及移送动作。

4.3柔性自动上料机构的优点与不足

柔性自动上料机构在电连接器自动装配中具有以下应用优势：

（1）上料过程充分考虑了电连接器零件的固有特性，对电连接器零件外观及表面镀层无损伤、无污染，显著提高了自动化装配过程的可靠性；

（2）柔性自动上料机构的可视化及智能化程度较高，对电连接器零件的外形要求较低，能够适用于多种型号不同形状结构的电连接器零件，极大地扩展了自动化装配的适用范围；

（3）运行步骤减少，各机构运行动作稳定、迅速，大幅度提高了抓取与分选的运行效率；

（4）视觉定位算法识别率较高，受电连接器零件外观亮度差异性的影响较小，提高了生产效率，减少产品浪费，节约生产成本，提升了自动化装配的生产价值。

主要存在的不足之处如下：

（1）机械手控制软件和视觉检测定位系统的算法都较为复杂，生产人员需要经过严格培训及多次操作训练，方能熟练掌握如何设定机械手参考原点及运行范围、如何建立稳定可靠的不同型号电连接器零件的识别模版；

（2）由于柔性气动夹爪采用软性硅胶材料制作而成的，抓取工件时会与料盘表面产生摩擦，大量运行时，存在夹爪磨损导致无法正常抓取目标工件的可能。

5应用实例

国内对工业机械手的研究与开发起步较晚，上世纪70年代我国第一代机械手于上海研制成功，自此掀起了工业机器人的研制与发展热潮。随着国家对自动化智能制造行业越来越重视，工业机械手才被广泛应用于自动化生产装配的设计与制造当中。随着科技的进步及自动化需求越来越大，生产装配过程对自动化设备的可靠性、一致性、适应性、运行效率等指标要求随之提高，柔性机器人应运而生。当前，国内自动制造行业蓬勃发展，柔性机器人也多应用于各类精细化装配与特殊材质产品的自动化生产过程中，例如电连接器插孔自动测力设备、线簧孔前后套自动装配设备、电连接器针孔绝缘件自动装配设备等多种自动化设备中均有应用。因具备准确率高，运行速度快，生产效率高，可靠性高，适用范围广等特点，柔性自动上料机构的应用得到了行业内一致认可。

6结语

柔性自动上料机构在电连接器自动装配中的运用，不仅令自动化智能制造行业有了突破性的创新与发展，更是极大地扩展了工业自动化装配技术在航天电子制造行业的运用前景。它不仅能够提高自动化装配生产效率，节约生产成本，提高装配合格率，更加重要的是彻底解决了自动筛选上料过程中造成的电连接器零件外观及表面镀层氧化、污染、损伤等质量问题，为后续自动装配过程打下了坚实可靠的基础。当前，柔性自动上料机构在国内工业智能制造领域已得到广泛应用。

参考文献：

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[2]郭洪武 浅析机械手的应用与发展趋势 中国知网 2012-10-15

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[4]周微 机械手在柔性制造单元中的应用 数字化用户 2013年第03期

作者简介：高奇华（1995-），女，汉，河南省永城市，自动化-研制及工艺/助理工程师，本科，郑州航天电子技术有限公司，电连接器自动化装配。

（作者单位：郑州航天电子技术有限公司）