微小装配系统精密视觉测量模块设计 毕业论文.docx

微小装配系统精密视觉测量模块设计design of vision based precision measurement module for micro assembly system1. 绪论1.1 微小零件装配技术发展与应用1.1.1 微小零件装配概述微小零件装配是指对尺寸范围从几毫米到几十毫米之间的零件所进行的装配。微装配并不是一个新兴的领域, 它很早就进入了我们的生活, 例如钟表的装配, 只不过随着微机电系统(m ems) 、纳米技术的发展以及人们在生活中对微产品的迫切需要, 使得微装配技术的地位越来越重要。由于装配对象微小，微装配与传统意义上的宏装配是完全不同的。主要表现在零件的物理特性发生了变化，当器件的尺寸微小（甚至小于毫米时），器件的重力可以忽略，而范德华力、表面张力（包括静电力和粘滞力）起主要作用，这些力的力学性能尚不清楚，所以控制非常困难。由于装配器件微小，对装配过程中零件的位置精度要求极高，定位精度需达到5m，重复定位精度甚至需要达到0.5m。与此同时，装配过程中目视也很困难，一般需在显微镜下进行装配操作。另外，装配时不能对操作者直接地形成力的反馈，而这些微小器件又极易破碎，所以微小零件装配和传统宏装配相比要困难得多，牵扯的技术手段、理论基础也比较复杂。微装配一般常用于以下场合：(1) 组装不兼容材料制作的微部件。一个完整的微系统往往由不同材料所制作的部件组成，由于热膨胀系数、化学性质、强度、形状等因素，许多部件不可能通过键合、封装等微电子工艺组合装配在一起，这就需要采用微操作方法将微器件定位到正确位置，然后通过胶粘、焊接、激光烧结等方法将其连接装配。(2) 由采用表面工艺加工的薄膜建立教练结构。(3) 在微系统与不同尺度的其他系统间建立接口或连接。(4) 微系统中运动器件的制作与安装。在对微小零件装配技术的研究和开发过程中，微装配的基本过程和方法分化为并行和串行两种。当基板上的一些零件必须在一个操作过程中同时完成装配作业任务，然后再通过适当的手段将装配后的微型系统彼此分开时，一般采用并行装配。这种装配形式与常见的微技术加工方法相适应。在并行装配过程中，被装配在一起的物体外形尺寸较大，因此不存在单个微型系统装配中处理微型零件所遇到的问题，通过采用高精度、传统的定位和夹持装置，使这一精密的装配过程成为可能。并行装配的优点是批量生产，可获得很高的生产能力，但同时也存在对基板上各零件之间相互位置精度要求极高的问题，而这又是微装配作业所必需的如本课题所采用的串行装配是指对微型零件单个进行装配的作业过程。这种装配过程在原理上同精密机械和宏观尺寸下的装配相同，但是被装配的零件尺寸却有明显区别。首先，待装配的零件绝对尺寸微小，但相对于绝对尺寸来说有较大的允许误差；其次，待装配零件一般表面敏感，容易在夹持和放置过程中受到破坏；同时，用来夹持的表面也相当有限。目前的微装配主要通过有经验的操作人员手工操作完成，要加工一定数量并具有稳定质量的微技术产品并同时又满足经济要求几乎无法实现，这也是目前特别需要对串行化微型零件装配自动化、模块化进行研究的主要原因，这其中包括用于微装配的机器人技术、夹持技术及微粘接技术等。1.1.2 微小零件装配的发展及应用 微小零件装配起源于20世纪80年代，在微机电系统研究领域，当liga技术出现后，人们发现要将利用liga工艺制造的微器件装配起来非常困难，从而引发了微装配研究的热潮。随着现代科学技术的发展和科技水平的不断提高，人们对微观领域的研究也逐渐愈加深入，微机电系统（mems）的迅猛发展更带动了微小零件装配技术的发展。总的看来，微装配技术的发展历程大致可以分为以下三个阶段：（1） 手工装配。经过特殊培训的技术人员可以手工装配一些精密的光学和电磁器件。一些小型光纤已在illinois大学的微工艺应用实验室用手工装配实现。但随着零件的微型化，公差变得越来越小，手工装配将受到很大限制。（2） 常规尺寸部分自动装配。机械手在操作杆控制下实现多自由度运动，进行装配工作，但是尺寸通常较大，仅适用于特定的装配任务，精度依赖于手工灵活性。这是目前采用较多的装配模式。（3） 微机器人自动化微装配。为实现微系统高精度与高速度的自动装配，人们已开始采用为机器人进行微操作或微装配。这是目前微装配与微操作系统研究的方向。 目前市场上可选择的微系统大多数是由日本的leica、nikon和德国的eppendorf等公司生产的，这些微系统大多数都具有以下几个基本特点：（1） 采用模块化设计，用户可以根据要求选配不同组件；（2） 具有高清晰度的光学平面成像系统（460x）；（3） 可选手动、液压、气动、电动方式控制微定位；（4） 价格昂贵，具有简单图像处理和电动遥控功能的系统价格一般在200万元人民币以上，即使是一套具有基本功能的微操作系统的价格也在50100万元人民币之间。近年来，微装配已成为mems和机器人领域的一个研究热点。我国自1997年起就将微装配方面的研究列入了“863”机器人主题和国家攀登计划，针对mems器件的组装、粘接、微焊接和立体观测等作业，开展对精密定位技术、微操作器、作业工具、显微立体视觉系统和智能控制等mems微装配关键技术的研究。参与微装配项目研究的单位主要有清华大学、大连理工大学、北京航空航天大学、南开大学和中国科学院长春光学精密机械与物理研究所。在各方的辛勤钻研和不懈努力下，我国在20年间成功完成了如清华大学的“微型器件装配系统”、西安交通大学的“基于显微视觉反馈的微装配作业系统”等研制项目，诞生了如华中科技大学的“基于显微视觉的微装配机器人系统”等一系列相关专利。另一方面，我国针对微装配的研究虽然取得了一定的成果，但大都集中在微构件的设计和工艺研究上，对完整的微装配系统的研究很少，这阻碍了我国 mems的长远发展。与此同时，受制造和系统集成技术所限，我国还没有形成有能力批量生产微装配系统的企业。作为全新的研究领域，微装配的意义和应用涉及航空航天、军事、生物医学工程、太空探险和深海探查等诸多领域。一旦技术成熟并形成产业化，必将对国民经济建设、国防建设乃至社会发展产生深远的影响。1.2 微小装配系统的功能模块化简介在系统的结构中，模块是可组合、分解和更换的基本单元。模块化是一种通过分解成为更好的可管理模块以处理复杂系统的方式。微小装配系统模块化可以通过在不同组件上设定不同的功能，把一个系统分解成多个小的独立、具有特定功能、互相作用的模块，来处理复杂的微小零件装配问题。本文所针对的微小零件装配系统按功能可分为装配作业模块、精密测量模块、上料作业模块以及人机交互模块，如图1.1所示。操作者人-机界面人机交互模块信息交换接口装配作业模块精密测量模块上料作业模块图1 微装配系统功能模块1.3 课题研究背景和来源随着科技的飞速发展，微型产品在人民生产和日常生活的诸多方面所发挥的作用日益凸显，对微装配系统的结构和功能要求不断提高，模块化作为提高生产效率、适应大批量自动化生产要求的设计方式成为未来微装配技术发展的重要课题。装配作业模块是微小零件装配系统的最终执行机构，主要实现待装配器件的夹紧与释放、微器件位姿的精确调整以及夹紧力的监控等功能。完成微器件的装配，是微装配运动的关键，因此，装配作业模块的设计在整个系统的作用显得尤为重要。欲实施对微小零件的装配作业, 微夹持技术是一个关键问题， 它需要有高精度、可抓取微小零件的机械手。尽可能高的工作可靠性和对夹持力大小的监控, 是机械手设计中有待解决的技术难题, 所以研制和开发不同原理和结构的微型机械手,是装配作业模块设计方面的重要课题。 夹持器是微型机械手和装配零件之间的接口，因此它的选择十分重要。夹持器从直接动力来源上可以大致分为机械式夹持器和吸附式夹持器。随着多方面科学技术与微装配领域的结合与发展，先后产生了如压电微夹持器、静电力微夹持器、电磁微夹持器、电致伸缩离子交换薄膜材料驱动微夹持器、电热微夹持器、形状记忆合金微夹持器、真空微夹持器、组合式微夹持器等一系列基于不同原理设计而成的机械式夹持器；吸附式微夹持器也逐渐发展出真空吸附式微夹持器和液体吸附式微夹持器等。 以往的微装配系统装配作业模块中，一种是通过两个真空吸附吸嘴作为夹持器直接对待装配零件进行拾取、夹持和释放,这种设计虽然可以在气缸的带动下适应不同的零件尺寸，但零件在释放过程中定位精度难以保证，上层控制程序的设计和操作员的操作复杂性提高，与此同时还增加了机械手算占用的空间体积。 另一种微装配系统的装配作业模块中仅采用了一个真空吸附头，但通过引入与零件结构相适应的真空吸附块，在满足不同零件夹持要求的同时，保证了装配精度、提高了夹持的稳定性和可靠性。 1.4 论文主要研究工作 本课题致力于完成对能够满足微小零件15装配要求的微装配系统装配作业模块的空间结构、上层控制的设计工作。结构上能够实现对不同尺寸和形状待装配零件的拾取（吸附或夹持）、定位和放置；空间上在满足上料和装配位置要求的同时，充分考虑与其他模块，尤其是精密测量模块的工作协同性，并避免空间运动干涉；驱动控制上完成对控制程序的模块化处理，以便系统快速集成和投产。论文的主要研究工作有一下几个方面：（1）完成装配作业模块结构设计，模块由三自由度电控精密位移平台，并集成带有微力感知和真空吸附功能的作业机械臂，能够在制定位置上进行微小零件的拾取和放置。（2）完成装配作业模块作业空间设计，在满足装配空间要求的同时保证定位精度，电控精密位移平台的定位精度要求为5m，重复定位精度要求为0.5m，作业空间（运动范围）不小于xyz：100*200*50mm3。（3）完成装配作业模块驱动控制系统设计，开发模块软件，实现上层控制程序的模块化。2. 微小装配系统结构组成及功能模块2.1 微小装配系统的结构组成2.1.1 微小装配系统中应注意的关键问题（1） 装配系统由多功能模块组成，如何设计装配作业模块作业空间以在满足自身装配要求的同时避免与其他模块发生干涉？（2） 各待装配零件尺寸和结构差异较大，如何设计夹持器件以同时实现不同零件的拾取和放置，并能保证夹持过程中的可靠性？（3） 待装配零件一般轻薄小脆，如何设计机械臂结构以避免在夹持过程中对零件的破坏？（4） 各待装配零件在装配过程中有较高的同轴度及其他位置精度要求，需要采用精密测量系统进行图像采集和处理以进行精确定位。但同时零件尺寸跨度较大，如何保证足够的视觉模块视场以采集足够的图像信息？（5） 如何实现微装配系统的上层控制系统的控制程序模块化？2.1.2 装配系统的总体结构基于模块化、功能化的设计思想设计系统，根据功能的不同，该系统主要由装配作业模块、精密测量模块、上料作业模块以及人机交互模块组成。各个模块协调工作,共同完成整个产品的装配任务。装配作业模块主要由三自由度精密位移平台、力传感器以及组合式夹钳组。精密位移平台满足了零件拾取、放置的空间要求和定位精度；力传感器实现了对零件夹持过程中力信息的实时检测与反馈；组合式夹钳由真空吸附夹钳和机械夹持夹钳组成,实现了对不同尺寸、形状和材料零件的拾取、搬运以及放置操作。视觉测量模块由三自由度精密位移平台、单目视觉系统、位移传感器组成，以完成对待装配零件的图像采集和处理、目标零件的识别与定位等工作。上料作业模块主要由单自由度精密旋转平台以及工装夹具组成,通过精密调整零件放置过程中定位角度以完成产品的装配过程，并且在其上集成了多个零件的上料台,结构更加紧凑。人机交互模块主要由控制面板、1/0控制卡以及交互控制程序组成,此模块主要为精密装配系统增加了人工干预的功能。2.2 微小装配系统的功能模块组成2.2.1 装配作业模块在微小零件精密装配系统中,装配作业模块的设计需要充分考虑作业空间局限性、满足高度模块化要求并且需要对夹持力和装配力进行严格控制。与此同时，设计过程中还要考虑到装配零件的多样性,实现多尺寸多结构的有效拾取和装配。装配作业模块是微小零件装配系统的终端执行模块,是连接待装配零件和其他各模块的桥梁，精密测量模块所采集处理所获得的零件图像信息通过人机控制系统传递给装配作业模块并由其完成正确夹持和精密装配任务。装配作业模块一般由三自由度精密运动平台、气动传递部分、过载保护装置以及集成有组合式气动夹钳及应变传感器的机械作业臂等组成。为保证零件装配时的精度，精密测量模块和装配作业模块都采用了由精密步进电机带动的高精度运动导轨平台，其中x轴方向运动导轨的最大行程为100mm，最小分辨率为0.2m；y轴方向的运动导轨的最大行程为200mm，最小分辨率为0.2m；z轴方向的运动导轨的最大行程为50mm，最小分辨率为0.2m。所有导轨绝对位置精度小于5m，重复位置精度小于0.5m。高精度运动平台不仅满足了装配作业空间要求，而且也为装配作业能在极高的精度下完成提供了保证。 在模块中将应变传感器集成于作业机械臂上，能够实时地检测和监控微夹钳与待装配零件的作用力变化情况，既保证夹持和装配的可靠性，又能够避免因夹持力过大对设备及轻薄待装配零件的损坏。电压比较电路辅助应变传感器完成夹持力的控制，夹持装配过程中,应变传感器实时采集输出力信号,与原力设定阈值比较,如果装配力大于设定阈值,则输入急停信号,控制位移平台停止运动。加之过载保护装置能够在异常情况下自动切断电源,使得精密导轨、微夹钳以及操作对象均能得到更为有效保护。 组合式微夹钳由机械式夹钳和吸附式夹钳组合而成,共同安装于机械臂上,通过气动传递部分实现机械式夹钳夹指的开合动作以及吸附式夹钳的吸附释放动作。考虑到待装配零件（零件15）尺寸、结构差异较大且形状上以圆盘状为主,同时希望机械式夹钳能够针对不同形状的小尺寸零件采用夹指闭合、托持等方式进行装配，机械夹持部分（外夹钳）采用带有沟槽的阶梯状v形铁结构，同时吸附夹持部分（内夹钳）托夹吸附块，通过改变吸附块尺寸结构及其吸附点位置排布方式满足不同零件的吸附要求，真正实现对多种待装配零件的夹持。2.2.2 精密测量模块 精密测量模块在微小零件装配系统中实现目标零件识别定位以及运动坐标的获取,从而指导装配作业模块的对准和夹持运动,因此视觉图像的采集和处理质量在整个装配工作中十分关键。本课题所采用的精密测量模块主要由单目视觉系统、位移传感器和驱动模块动作的三轴精密运动导轨平台组成。其中单目视觉系统和位移传感器在装配系统中起到视觉和触觉的作用，分别完成平面测量和垂直方向接触控制功能。视觉测量方式根据装配零件的多样性以及不同的装配指标要求按视觉传感器的使用量可以分为单目视觉测量、双目视觉(立体视觉)测量和多(三)目视觉测量等。,本课题下采用单目机器视觉平面测量和位移传感器辅助控制实现对微小零件的装配工作。其中机器视觉硬件系统包括摄像机、光源、镜头等环节。（1）摄像机的选择摄像机是获取图像的前端采集设备，摄像机采集图像质量的好坏直接影响后期图像处理的效果,进而影响待装配零件的定位精度。摄像机的选择应从其分辨率、稳定性、cpu 占用率、传输能力和抗干扰能力等方面进行考虑。工业相机具有很强的图像稳定性、较好的图像质量以及较强的传输能力和噪声抑制能力，因而在工业领域得到了广泛的应用。数字摄像机的光电传感器主要有ccd 和cmos 两种，其中ccd 光电传感器具有体积小、重量轻等特点，能够获得高质量的图像,且采集的图像坏点少,又因其采集的数据以数字量的形式传输,能够直接显示在电脑屏幕上,因而数字可以有效避免传输过程中的图像衰减或噪声。综上，在精密测量模块中所选取的摄像设备宜采用数字工业摄像机。根据以上选择原则本课题装配系统中采用dh-sv1400fm 数字摄像机，技术参数指标如表2.1 所示。其具有体积小、重量轻、高分辨率、高精度、高清晰度、低噪声、cpu占用率低等特点。dh-sv1400fm 摄像机性能参数传感器1/2 英寸逐行扫描ccd最高分辨率1392*1040像素尺寸4.65m4.65m最大帧率7.5fps模数转换精度12 位数据接口ieee-1394a（2）镜头的选择光学镜头相当于人眼的晶状体,在机器视觉系统中发挥着极其重要的作用。镜头通过集聚光线，将被测场景中的待装配零件成像到视觉传感器（ccd 或cmos）的靶面上，使成像单元能获得清晰影像的结构。机器视觉行业内通常将光学镜头分为宏镜头、固定倍率镜头、变焦镜头、远心镜头、高精度镜头等，而如按照适用类型划分，又可分为监控级和工业级，由于工业级镜头图像质量好、图像畸变率低，因此多用于科学实验研究和工业零件检测中。在镜头的选取过程中，焦距、放大倍率、视场角、光圈系数、像差等都是镜头的重要内部参数,必须予以高度重视。于此同时,在选择镜头时还需要估计工作距离范围以及物体厚度所需要的景深,分析物体的尺寸、结构特征和材料反射率等。为满足本课题的装配精度要求，精密测量模块中选择了moritex mml2-hr65d 远心镜头，其主要技术指标如表2.2 所示。mml2-hr65d 镜头性能参数放大倍率2 倍wd65mm景深270mtv 失真0.02%最大兼容ccd2/3（3）照明光源和照明方式的选择光源的主要功能是以适当的方式将光线投射到待测物体上，为视觉系统提供足够的照度，以突出被检测零件表面与背景环境之间的对比度。传统的照明方式有前光源法、背光源法，前光源法又分为高角度照明和低角度照明等。在机器视觉系统中,好的光源与照明方案能够改善整个视觉系统的分辨率，减轻后续图像处理过程中的压力，对待装配零件的识别与成像具有重要的作用。而不合理的光源和照明方式会造成摄像机图像的花点、过度曝光、阴影等问题，并可能隐藏零件特征信息，影响待装配零件的识别定位精度，甚至造成零件边缘的误识别等。由于本课题中待装配零件为非透光零件且由于空间限制不宜放置背光源，所以选择前光源法照明。光源的选择必须符合所需的几何形状、均匀度、照明亮度、发光的光谱特性等,同时还要考虑光源的发光效率和使用寿命等因素。led光源因其具有发光强度高、光亮度稳定、显色性好、光谱范围宽且寿命长等特点，因此装配系统中选用了led 同轴和环形光源。同轴光源为聚集光源可以突出零件边缘特征，环形光源可大大减少背景阴影，同时采用0-255 级光强调节控制器动态调整测量不同零件特征时的光强照度，提高装配零件边缘的识别成功率和零件识别定位精度。位移传感器选择了keyence lk-h080 型激光位移传感器，该传感器采用波长为650nm 的红色半导体激光光源，直线性为0.02%的f.s. (f.s. = 36mm )；安装方式采用漫反射式安装，测量范围为8018mm，测量误差为0.1m，采用合理控制策略可以满足零件间z 向装配要求。2.2.3 上料作业模块本课题针对含有多个待装配零件的装配任务,且装配指标中包含同轴度要求,高精度的回转工作台能够很好的保证零部件装配过程中转角对准动作的定位精度，同时配合精密测量模块中的视觉系统在有限测量空间内完成多个零件的识别和定位。考虑到需要装配的零件数目多、形状尺寸各异,因而本课题在设计上料作业平台时,对平台上各待装配零件的定位装置设计应充分考虑零件能够实现定位的空间,保证稳固定位的同时提供足够的夹钳运动空间以不影响机械手对零件的夹持,如图2.7所示。模块中回转工作平台运动分辨率达0.025,绝对定位精度达到0.05,重复精度为0.005,如此高的回转定位精度使零件在装配过程中角度调整始终精确到位。回转平台顶端的定位装置保证装配腔体夹具锁紧于平台面,实物图如图2.8所示。工装夹具由两个可拆卸的固定块组成,用于零件1的装夹与定位基准量块安装于夹具的侧边,用于形位精度指标的检测,在程序初始化以后,检测零件1中心刻线与基准量块之间的角度差值;待组件装配完成后,再一次检测所装配零件的中心连线与基准量块的角度差值,最后计算出零件1中心刻线与所装配零件中心连线的平行度误差图2.11为回转平台模块的实体图2.2.4 人机交互模块为及时处理异常情况和对装配状态进行实时调整，微装配系统的控制采用人机交互方式，允许操作者对测量和装配过程进行有效的人工干预。在设计人机交互控制平台的过程中,既要保证自动装配过程的可靠性,又要充分考虑到操作人员的操作习惯,与此同时,异常情况下处理的迅速性和简洁性也不容忽视.因此,本课题中选取的人机交互控制模块主要由电源控制、程序控制面板、交互控制软件组成.操作员可以在装配系统上出现电荷异常的情况下通过外部电源盒开关实现急停操作,同时装配程序采用了简洁的程序控制面板，用户点击控制面板按钮就可实现装配任务顺序执行、某一步骤重复执行、装配过程中的光强调节、退出等操作。电源控制和程序控制面板界面如图2.7 所示。 2.3 微小装配系统的坐标系组成由于装配系统存在不同的功能模块，且各模块在不同的坐标系下实现运动，本装配系统中有3个独立的坐标系：夹持坐标系（由装配作业模块的三轴运动导轨平台构成）、视觉坐标系（由精密测量模块的三轴运动导轨平台构成）、旋转坐标系（由上料作业模块的旋转平台构成）。在控制系统中我们需要把各个坐标系放到一个系统中才能实现运动的准确控制，所以从独立坐标系到世界坐标系的转换是需要解决的问题。本课题在程序部分采用了坐标转换的方法使各个运动坐标系统实现向世界坐标系的转换。2.4 本章小结 本章主要介绍了本课题所采用的微小零件装配系统的总体结构，分析了微装配过程中有待解决的关键问题，并根据装配任务采用模块化设计思想对微装配系统硬件结构进行了模块设计。微小装配系统硬件主要分为精密测量模块、装配作业模块、上料作业模块，人机交互模块，在介绍各个模块的结构组成及相应功能之余，对微装配系统硬件抽象出的所包含的模块坐标系进行了简要分析。3 装配作业模块的结构设计3.1 待装配零件及装配要求3.1.1 待装配零件简介 本课题所需要完成的装配组件由五个尺寸和形状各异的微小零件组成,共同装配在如图2.3所示的圆形承载腔体中。 零件1为带有中心孔的盘状薄片零件，其外圆基本尺寸为16.50mm，厚度为0.55mm，中心孔基本尺寸为4.40mm，此外零件上还对称分布着两个直径为2.35mm的圆孔，如图2.4所示。 零件2为边缘带有凸台的盘状薄片零件，其外圆基本尺寸为18.40mm，凸台厚度为1.20mm。零件中心开有基本尺寸为3.30mm的正方形中心孔，此外，为满足功能需求，零件上还对称设置了两个厚度级薄的连接筋，零件具体尺寸如图2.4所示。 零件3也为带有中心孔的盘状薄片零件，其外圆基本尺寸为14.00mm，厚度为0.95mm，中心孔基本尺寸为2.80mm，此外零件上还对称分布着两个矩形孔、中心对称分布着两个圆形孔，如图2.5所示。 零件4为阶梯锥状短轴型零件，其轮廓尺寸最大端的外圆基本尺寸为3.90mm，最小端的外圆基本尺寸为2.50mm，零件高度为2.40mm，且中心开有直径为2.00mm的通孔，如图2.6所示。 零件5为开有中心孔的翘曲碟状零件，其外圆轮廓的基本尺寸为4.88mm，垂直方向上基本尺寸为0.50mm，零件厚度为0.10mm，中心孔基本尺寸为1.60mm，如图2.7所示。 以上待装配零件需在装配作业模块机械臂的直接作用下装配于承载腔体中，并采用机械方式进行紧固。本课题主要讨论能够实现对待装配零件进行精确定位、拾取夹紧和放置的装配作业模块的设计工作。3.1.2 零件装配作业过程中的几点精度要求（1） 待装配零件在装配过程中以腔体底面特征激光刻线和中心阶梯轴，零件1、3、4、5的中心特征孔以及零件2的中心特征方孔为精度特征点。（2） 零件1中心孔圆心与腔体中心轴轴心的同轴度误差要求控制在10m以内，且两侧边孔圆心连线与腔体刻线的平行度也要控制在10m以内。（3） 零件2方孔中心与腔体中心轴轴心的同轴度误差需控制在25m以内，且方孔侧边与腔体刻线的平行度也要求控制在10m以内。（4） 零件3中心圆孔圆心与腔体中心轴轴心的同轴度误差要求控制在10m以内，且两侧边孔圆心连线与腔体刻线的平行度也要控制在10m以内。（5） 零件4与零件5的中心孔圆心与腔体中心轴轴心的同轴度误差需控制在10m以内。 3.1.3 零件装配过程中的装配策略本课题所研究的装配方式采用串行装配，其中每一个微小零件的装配是一个集上料、驱动、测量、装配四个环节的开环控制过程。首先将各待装配零件按一定位置要求放置在上料台上,驱动装配作业机械臂运动到待装配零件的准确位置,拾取待装配零件,并驱动作业机械手运动到工作平台的上部；然后采用ccd相机对所要装配的零件进行精密测量,由于一些操作对象需要较大范围的多参数测量,单纯提高ccd相机的性能将会提高整个系统的成本,且不大现实,可以采用三自由度精密位移平台和ccd相机组成可移动的视觉系统完成较大尺寸范围的高精密测量任务；最后实现待装配零件的准确定位,系统根据零件定位的差值,控制上料回转平台或装配作业机械臂运动,使零件装配特征重合。每个零件的整体装配过程流程图如图2.8所示。3.2 微小零件装配作业中的关键问题（1） 操作对象很难用肉眼清晰观察。当待装配零件尺寸在毫米甚至微米级时，人们很难用肉眼清晰观察，更无法用常规量具精确定位，因此必须借助特定的显微精密视觉测量装置进行装配。然而各类显微镜均有其对应的观察范围，很难兼顾多种尺度上的成像，这会造成从微观到宏观尺度上所获得的信息彼此不相匹配。此外，视觉系统在对图像信息拾取和处理后，必须能够得到清晰完整的图像信息，以指导装配作业模块的相应动作。因此，在选用具有多种放大倍数及多自由度观察能力显微镜的基础上，必须合理设计装配作业模块的作业空间和机械结构，以保证与其他模块功能上的协调配合。（2） 制约微操作过程的物理化学规律与大尺寸零件有所区别。当待装配零件尺寸或重量极其微小时，与物体表面积相关的黏附力（如范德华力、表面张力和静电力等）将会大于重力、惯性力等体积力，出现所谓的“尺度效应”或“黏附效应”。由于mems器件中悬臂结构在表面张力作用下粘附到基板上，随后在范德华力的作用下发生永久连接，因而在装配作业装置的设计过程中，不但需要规划抓取动作，还要规划释放操作。与此同时，周围环境（如工作温度、湿度等）及待装配零件本身特性（如几何形状、表面状况、材料特性和导电性能等）对黏附力的大小都会产生一定程度的影响。（3） 操作对象重量轻、结构脆弱，易于损毁。微装配条件下的待装配零件一般采用薄脆材料制成，断裂强度很小，因此在夹持前必须对所施加的夹持力进行正确估计，并且装设灵敏度极高的应力传感器以便对装配过程中所施加的力进行实时监控。（4） 操作对象形状复杂。由于操作精度与对象本身在尺度上基本相当，因此对象的形状及表面对装配操作过程的影响是巨大的，因而造成的操纵不确定性也较多一些，且易于失败。3.3 装配作业模块的结构组成装配作业模块在待装配零件的拾取、搬运、放置和装配过程中起着至关重要的作用。本课题在进行模块设计时,需遵循以下原则: （1）机械结构要求紧凑合理；（2）机械臂运动行程需满足作业空间要求；（3）能够提供足够的夹持力,且能够安全可靠地实现对待装配零件的拾取和放置；（4）具有很高的运动精度,以保证装配定位精度。微装配系统装配作业模块宏观上由三自由度精密位移平台、装配作业机械臂两个主要部分组成。三自由度精密位移平台实现模块在作业空间内的自由移动及精确定位，而装配作业机械臂主要实现待装配零件的拾取、移动和放置以及夹持力的实施监控、过载保护等功能。 3.3.1 三自由度精密位移平台 （1）导轨驱动电机的选择为了适应数字控制技术的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。步进电机是一种随着现代数字控制技术发展应运而生的离散运动装置，在目前国内的数字控制系统中应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上却存在着较大的差异。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下, 电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数, 而不受负载变化的影晌, 即给电机加一个脉冲信号, 电机则转过一个步距角，并且通过选用高性能的步进电机，可以使得步距角达到很小。另一方面，本课题中装配作业机械臂质量不大且相对稳定，不需要驱动电机有很强的过载能力，这使得对负载要求较为严格的步进电机亦可应用于本系统。此外，步进电机的控制规律符合线性关系、只存在周期性的误差而无累积误差等特点使得微装配系统在保证装配精度的同时，对于机械臂的速度、位置等的控制程序设计变得非常简单，并且在一定程度上节约了成本。综上，本课题中选用步进电机作为三自由度精密位移平台的导轨驱动电机。（2） 导轨类型的选择 直线滚动导轨是机械设备中用来支撑和引导运动的部件,发明于法国,最初由于承载能力差、装配复杂等缺点并没有得到推广。随着数控技术在当今机械制造行业中所占比重不断加大，经过发展改造后定位精度高、使用寿命长的直线滚动导轨逐渐取代了传统的滑动导轨，广泛应用于各种数控设备中，成为相对理想的承载导向装置。本课题之所以选用直线滚动导轨作为导向装置，是因为相对于滑动导轨，新型的直线滚动导轨具有诸多方面的优势。首先，它的定位精度较高，能够更好地满足零件装配过程中的功能要求。由于滚动直线导轨的运动借助滚珠滚动实现,导轨摩擦阻力和动静摩擦阻力差值均相对较小,低速时不易产生爬行，满足机械臂做微小位移调整的精度要求。另外，它的重复定位精度高,适合于作频繁启动或换向的运动部件。与此同时，当根据需要适当增加预载荷时，能够实现平稳运动,减小了装配过程中的冲击和振动。其次，导轨磨损较小，很大程度上延长了使用寿命。滚动直线导轨系统所采用的滚动接触方式由于摩擦耗能小,滚动面的摩擦损耗也相应减少,故能使其长期处于高精度状态。同时,由于使用润滑油也很少,使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易。此外，承载能力强、组装容易、能够大幅降低驱动功率并具有互换性等特点使它成为精密位移平台所用导轨的最佳选择。综上，三自由度精密位移平台采用分别在x、y、z三个方向上运动的由步进电机驱动的带滑台直线滚动导轨系统，三个方向上的行程分别是100mm、200mm和50mm。为满足微装配所需的定位精度、承载力等各方面要求，选取kxl06100型号系列导轨。以x轴方向导轨为例，其相关参数如表3.1所示。3.3.2 装配作业机械臂装配作业机械臂作为装配作业模块的终端结构,用于对待装配零件进行高精度定位拾取和释放操作，同时兼顾力学监测、过载保护等功能。如实体图3.2所示，装配作业机械臂主要由微力传感器、柔性弹簧片、气动传递系统、组合式夹钳以及微动开关组成。（1）微力传感器由于微装配系统中待装配零件一般尺寸微小，且大多数结构上薄而脆，极容易发生塑性变形或破损，因而对微小零件在夹持和装配过程中的接触力和夹持力进行实时监控是必不可少的。对夹持力进行监测一般主要采用两种方式。一种是非接触式,即通过视觉系统检测微夹钳的变形程度来计算微力大小或者利用基于光技术的传感器来实现微力监测;另一种是利用微力传感器对夹持力进行接触式监测,通过对传感器输出信号进行处理以得到微力信息。微装配系统所使用的微力传感器大多数为接触式,具有很高的测量精度。通过传感器与计算机所形成的闭环控制系统,适时地将夹钳受力信息反馈给操作者。目前在微系统领域广泛使用的接触式微力传感器类型主要分为应变式传感器、压阻式传感器、电容式传感器、压电式传感器以及基于磁效应的传感器等等，它们在空间体积、动态响应速度、测量精度、负载能力等性能特征也随着工作原理的不同而存在很大差异。应变式传感器主要是利用特定材料发生线性形变时,应力与应变呈正比的原理进行微力测量。因其有体积小、动态响应快、测量精度高、使用简便等优点，普遍应用于测量微装配过程中微小型零件的应变、应力、位移以及扭矩等参数。本课题采用bk-5d悬臂梁式应变传感器，如图3.6所示，具有量程范围广，精度高，性能稳定可靠，安装使用方便等优良特性，可以较为精确地检测装配组件的受力与变形情况之间的关系信息。（2） 柔性弹簧片微力传感器与组合式夹钳部分采用平行四边形结构布置的四片柔性弹簧片进行连接，如图3.9所示。通过构成两组并列平行四边形结构的四片柔性弹簧片，可以避免机械臂上组成部分间的直接刚性接触，有效减小装配零件接触时的接触力，从而起到结构保护作用。与此同时，由于四边形结构具有平行特性，可以保证吸附式组合夹钳在对待装配零件的家吃过程中不受接触力的影响，使过渡吸附块下端面始终保持处于水平位置，从而有效防止了装配过程中由于待装配零件受夹持力影响发生的水平位置偏斜现象，保证了装配精度。（3）气动传递系统 气动传递系统包括真空发生器、气动电磁阀、气路连接块以及气动夹钳等装置。其中气动夹钳选用mhz 2-6型号，结构如图3.7所示，在上层程序控制下，通过继电器、气动电磁阀等硬件结构完成夹钳的开闭动作，从而驱动与夹钳连接的内外夹指进行对待装配零件的夹持和释放。 气路连接块一端通过导气管与真空发生器相连，另一端直接连接吸盘联接柱，从而构成真空气路，为对待装配的吸附式夹取提供气路条件。在气路连接块的设计过程中，需注意在满足其功能要求的情况下，尽量减小空间体积，这样不但能够保证作业臂结构紧凑，为组合式夹钳提供更大的作业空间，最重要的是能够为精密测量模块对待装配零件图像信息采集提供充足的视野，从而的到相对完整的图像信息。本课题所用的气路连接块如图3.8所示。(4) 组合式夹钳 为提高装配作业模块的通用性,实现对不同尺寸、结构及装配条件下微小零件的装配，本课题以对零件15的装配为例，设计了一套由气动手指驱动的组合式气动夹钳，它由机械式微夹钳、吸附式组合夹钳两部分组成，结构如图3.9所示。 由左右两个对称内夹指所构成的机械式微夹钳主要用于基本尺寸在5mm5mm4mm以下的微小零件的夹持和装配，且待装配零件一般材料强度和结构刚性均较大（如零件4）。相对于吸附式微夹钳，机械式微夹钳一方面能够对因尺寸微小或结构特征无法布置吸附点而不能采取吸附式拾取的零件进行装配；另一方面，由于其与待装配零件直接接触，无需引入过渡结构体，精确地保证了零件的定位精度。另外，机械式微夹钳在装配作业进行过程中始终保证精密测量模块能够获得更加广阔的视野，以收集到更加充分的图像信息，从而间接地提高了装配精度。于此同时，机械式夹取的便易性也提高了微装配系统的工作效率，降低了上层控制程序的编写难度。 但由气动手指驱动的机械式微夹钳，在使结构紧凑、成本降低的同时也对待装配零件的刚度提出了更高程度的要求。在对脆性材料或薄片状零件的夹持中，很容易因瞬间夹持力过大而导致零件的变形或破损。在实际工作中如有需要，可在两夹钳夹指上设置应力应变片，以监控装配过程中y轴方向上对待装配零件的夹持力。本课题中需要满足机械式微夹钳对零件4的夹持和装配，且装配过程中需将零件探入有一定深度的腔体中进行放置。因此在夹指的设计中，既要考虑到避免与吸附式组合夹钳的工作空间发生干涉，又要在z轴方向具有一定高度以满足装配要求，综合以上，夹指的设计采用倒l型空间结构，如图3.9所示。另外，为满足对零件4的夹持要求并使其具有一定的通用性，夹指末端采用阶梯状类v型铁结构，如图3.10所示，可以实现对块状、柱状及凸台等不同结构形状的微小零件的装配。 吸附式组合夹钳如图3.11所示，主要实现对如本课题中待装配零件13结构的大尺寸薄片状零件的装配。吸附式微夹钳的设计采用了新型组合式吸附结构,通过引入过渡吸附块装置,提高了微夹钳的通用性和夹持过程中的可靠性,同时有利于保持装配精度。气动手指带动两对称外夹钳夹指夹持过渡吸附块，连接于气路连接块的吸盘连接柱和橡胶气头通过过渡吸附块与待装配零件间接相连，构成真空气路，实现真空气体的传递，从而完成对零件的吸附和释放。如图3.12所示，以待装配零件2的夹持和装配为例，由于零件必须探入腔体进行放置，因此过渡吸附块夹钳（即外夹钳）必须在z轴方向上保持一定长度。同时，为使零件放置后能够保持其定位精度，对吸附块采用托持方式，因此夹指末端设计为与吸附块相配合的台阶面形式。过渡吸附块作为提高通用性和夹持稳定性的装置，在吸附式组合夹钳中的作用至关重要。以用于装配零件2的过渡吸附块为例，其总体结构如图3.13所示，通过侧面开有的台阶面，吸附块能够与夹钳夹指相配合，从而满足定位精度要求。其内部开有贯通的气体通道，从而实现气体的传送，吸附孔设在过渡块底面按照一定位置规律布置的三个小台阶面内。过渡吸附块作为吸附头与零件直接接触，增大了可吸附面积，能够使吸附零件受力均匀，减少吸附应力，提高了吸附过程中的稳定性、可靠性和安全性。利用引入过渡吸附块而设计的吸附式组合夹钳，我们能够通过设计面向不同结构类型薄壁零件的过渡吸附块，实现对多种微型零件的夹持和装配。图3.14所示为过渡吸附块的几种基本结构模型，在过渡块的设计过程中，要结合具体零件的结构特征、吸附点位置排布以及可视性等多个方面进行考虑，从而满足零件的装配精度要求。（5） 微动开关微动开关安装于机械臂上护板，能够对作业机械臂以及薄脆材料的待装配零件起到过载保护作用，其结构如图3.15所示。在异常情况下,当对零件进行吸附、夹取或放置过程中z轴方向压力过大时，柔性弹簧片相应产生过大变形,微动开关随即被触动，进而自动切断电源,从而保护精密位移导轨、作业机械臂以及待装配零件。3.4 本章小结本章主要介绍了微装配系统中装配作业模块的结构方面设计思路。首先通过分析待装配零件的尺寸结构特征、装配精度要求、装配过程策略以及需注意的几点问题，明确了装配作业模块的具体任务和工作要求。然后从模块中三自由度精密位移平台、装配作业机械臂两大结构体展开，就其中的各部件的选用、结构、功能和特点等方面一一进行了详尽的介绍。4 装配作业模块的空间设计4.1 模块的空间体积与作业空间分析 4.1.1 模块的空间体积分析 装配作业模块整体尺寸如图4.1所示，图中三个方向上的导轨均运行到最大行程处。因为机械臂在三自由度精密位移平台的作用下，会在一定空间范围内自由移动，这样模块静止状态下并不会与之发生干涉的模块或装置，也有可能在导轨或机械臂的运动过程中发生碰撞。因此在分析模块所占空间体积大小时，不应以静止的模块体积为衡量标准。 另一方面，合理的工作流程布置和控制程序设计能够有效避免因模块空间体积过大而造成装配过程中模块间空间结构的干涉。例如采用“先看-后动”的视觉控制模式，首先依靠精密测量模块对待装配零件等进行图像的采集和处理，待视觉模块在完成工作，得到可以指导完成装配作业的有效数据后，即可利用模块的导轨运动移出工作区域，为装配作业模块的后续夹持和装配工作提供了充足的作业空间，从而化解了模块间空间体积方面的矛盾。 4.1.2 模块的作业空间分析装配作业模块的空间运动完全是依靠三自由度精密位移平台中x、y、z轴三个方向上运动的精密直线导轨实现的，位移平台与装配作业机械臂的空间相对位置保持不变，因而模块的装配作业空间大小也等于导轨所能实现的运动空间大小。由于x、y、z轴方向上导轨的行程分别为100mm、200mm和50mm，因而装配作业机械臂能够实现在大小为110-3m3立方体空间内的装配作业，如图4.2所示，保证了与精密测量模块及上料作业模块有体积较大的共同作业空间，满足了装配功能需求。 由于在结构设计中，针对不同类型待装配零件的装配作业采用了不同的方式，因而在作业空间分析中也应将机械夹持作业空间与吸附夹持作业空间分开考虑。然而由于内外夹钳的空间位置关系始终保持不变，因而机械夹持和吸附夹持在作业空间大小上始终相等，只是位置上沿xoz面发生了一定程度的平移。4.2 模块的空间布置设计 4.2.1 空间布置中应注意问题（1）满足功能要求。在对各模块进行空间布置设计的过程中，必须优先考虑模块功能的实现，保证在整个系统工作过程中各模块充分发挥自身功能。（2）避免结构干涉。空间布置中要充分考虑各模块静态空间体积和动态运动空间，严禁装配工作进行中模块结构间发生碰撞或摩擦。（3）保证布局紧凑。良好的空间布置设计应在满足系统功能和避免模块干涉的基础上，尽量保证系统总体结构的紧凑。（4）便于坐标转化。为进行系统程序设计，各模块的空间位置信息必须转化在同一坐标系下，因此，在模块的空间布置过程中，应充分考虑模块间坐标的转化和拟合。4.2.2 各模块空间布置设计 本课题的空间布置设计主要是对系统中装配作业模块、精密测量模块以及上料作业模块三个模块的空间位置关系的选择和确定。由于上料作业模块只有一个自由度即实现在z轴上的旋转，因此我们主要考虑装配作业模块与精密测量模块在空间中相对位置的确定。 z轴方向上，为满足功能和空间需要，精密测量模块的设计过程中在导轨下方安置了有一定高度的基座，有效地避免了两模块间的空间干涉，同时保证了作业空间的部分重叠，实现模块间工作的协调配合。因此，以下主要考虑x、y轴方向上模块的布置。 为保证足够的作业空间，本课题中两模块均选择了行程较大的直线导轨，而导轨结构尺寸相应地也较长，尤其是y轴方向导轨，基本尺寸甚至达到了392.50mm。因此，较以往两模块在xoy平面内垂直布置的设计不同，本课题将两模块平行放置，即y轴轴向导轨相互平行，使两导轨在x轴方向上相距360mm，在避免结构干涉的同时，增大了两模块作业空间的重合面积，从而改善了系统的整体性能。上料作业模块布置于其他两模块y轴轴向导轨之间，其精密旋转平台中心距装配作业模块长导轨在x轴方向上的距离为165mm，系统空间布置情况如图4.4、4.5所示。 4.3 模块坐标的转换和拟合4.3.1 坐标变换原理常见的坐标变换分为平移、旋转和放缩，下面分别就三种情况下的坐标变换和变换矩阵mtranslation的推导作简要介绍。(1) 图像平移变换及平移矩阵mtranslation的推导坐标系xaoaya和坐标系xbobyb中的度量单位一致，对应的坐标轴分别平行,假设p点在坐标系xaoaya中的坐标为xa，ya,在坐标系xbobyb中的坐标为xb，yb,如图4.5所示,对应的齐次坐标