摘 要

封盖移载机械手是一种定位精度要求较高的机械装置,主要用于贴片晶振的移载。本文通过分析贴片晶振封盖移载机械手的结构特点和产品的工艺需求，明确了机械手的精度需求。为了在满足机械手精度需求的基础上尽可能降低零件的制造成本，本文基于DH和MDH建模方法，从位姿误差建模、末端位姿计算、敏感性分析和公差分配等方面展开研究。在建立机械手末端位姿方程和末端位姿误差方程后，通过精度可靠性理论对机械手进行相关计算，得到各参数误差的最优公差分配方案。通过放大部分参数误差的最优公差，最终得到四个关节中零件的最优公差等级选择方案。

关键词：封盖移载机械手；MDH建模；误差模型

Abstract

The cover and transfer manipulator is a kind of mechanical device with high positioning accuracy, which is mainly used to move the chip crystal.In this paper, by analyzing the structural characteristics of the chip crystal cover to remove the robot and the process requirements of the product, the precision requirements of the robot are clarified. In order to reduce the manufacturing cost of parts as much as possible on the basis of meeting the requirements of robot accuracy, this paper studies the modeling of position error, end position calculation, sensitivity analysis and tolerance distribution based on DH and MDH modeling methods. After establishing the robot end position equation and the end position error equation, the optimal tolerance distribution scheme of each parameter error is obtained by the precision reliability theory. By placing the optimal tolerance of most parameter errors, the optimal tolerance level selection scheme for parts in the four joints is finally obtained.

Key Words：cover and transfer manipulator；MDH model；error model

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 3

1.2.1 工业机械手定位精度的研究现状 3

1.2.2 机械手精度分配的研究现状 3

1.3 本文主要研究内容 4

第2章 封盖移载机械手运动学建模 5

2.1 封盖移载机械手简介 5

2.1.1 贴片晶振的封盖 5

2.1.2 封盖移载机械手的结构特点 5

2.2 封盖移载机械手的精度要求 6

2.2.1 封盖移载机械手的末端位姿精度要求 6

2.2.2 封盖移载机械手的公差要求 7

2.3 封盖移载机械手的运动学建模 7

2.3.1 DH建模方法 7

2.3.2 DH建模方法的缺陷及MDH建模方法 11

2.3.3 封盖移载机械手的正运动学分析 14

2.4 封盖移载机械手的正运动学方程与末端位姿 16

2.4.1 封盖移载机械手的正运动学方程 16

2.4.2 封盖移载机械手的末端位姿 17

2.4.3封盖移载机械手正运动学方程验证 19

2.5 本章小结 20

第3章 封盖移载机械手末端位姿误差分析 21

3.1 封盖移载机械手误差来源分析 21

3.2 封盖移载机械手末端位姿误差建模 21

3.3 封盖移载机械手末端位姿误差仿真分析 25

3.3.1 基于蒙特卡洛法的末端位姿误差分析 25

3.3.2 基于蒙特卡洛法的末端位姿误差仿真 26

3.4 本章小结 31

第4章 封盖移载机械手末端位姿误差精度可靠性分析及优化 32

4.1 机械手末端位姿误差精度可靠性指标 32

4.2 各关节参数对机械手末端位姿误差精度可靠性分析 33

4.3 关节转角与机械手末端位姿误差精度可靠性比例分析 37

4.4 封盖移载机械手运动学参数精度计算 39

4.4.1 运动学参数精度的优化分配方法 39

4.4.2 封盖移载机械手的运动学参数精度计算 42

4.5 封盖移载机械手位姿精度优化 43

4.6 本章小结 45

第5章 全文总结与展望 46

5.1 全文总结 46

5.2 研究展望 46

参考文献 47

致 谢 48

第1章 绪论

1.1 研究背景

贴片式晶体谐振器(后文简称为贴片晶振)，是一种具有高精度和高稳定度的电子元器件，目前被广泛应用于高端电子产品中。

贴片晶振主要由晶片、封装底座、封盖、银胶和镀银面五个部分组成，其外形与结构如图1-1所示。本文研究的封装对象为常见的3225型晶体谐振器，其尺寸为3.22.50.8mm。

图1-1 贴片晶振外形和结构示意图

贴片晶振的生产工艺流程如图1-2所示。在整个生产流程中，较为重要的是封焊工艺，该工艺由四个阶段组成：高真空退火、预封定位、短边平行缝焊、长边平行缝焊^[1]。其主要封装过程如图1-3所示。

图1-2 贴片晶振生产流程图

图1-3 贴片晶振封装过程示意图

贴片晶振的封装工艺需要封装设备来完成，该设备由封装烤箱、上料点焊机械手、机械手移载装置、封装底座移载装置、短边平行缝焊装置、长边平行缝焊装置等装置组成。

为了使封装设备能够稳定运行，封装设备的各组成部分需要满足相应的精度要求。若其中某个装置的精度不满足要求，会影响相邻装置的正常运行，从而导致整个设备难以平稳运行。若某个装置过于精密，则会使得封装设备的制造成本大大增加。因此，对封装设备各个组成部分的精度进行合理分配就显得尤为重要。

本文以封装设备的关键组成部分——封盖移载机械手为研究对象。其主要作用是将封盖从供料装置移载到指定工作位置，并保证后续封焊作业的位姿精度。封盖的位姿精度直接决定了贴片晶振的产品质量，因此，有必要对封盖移载机械手的精度进行研究。封盖移载机械手结构如图1-4所示。