（机械电子工程专业论文）微型零件的自动装配系统研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着机电产品的小型化和微型化，微装配在微机电产品的研发与装配中发挥着越来 越重要的作用。微装配系统则是针对微机电产品的装配所开发出来的装配系统，其集微 零件搬运、装配为一体。针对某种微型零件的装配，研制了一套微型零件自动装配系统， 设计了微型零件自动装配系统的整体结构，分析了微型零件的装配策略并在此基础上计 算了系统装配误差。 研制了包括微操作运动平台、显微视觉系统、具有力感知的真空吸附式微夹钳、系 统控制电路以及组合工作台在内的微型零件自动装配系统。显微视觉系统是自动装配系 统的关键部分，其应用图像信息进行微型零件装配过程的监视、零件位置及形状信息的 获取和反馈及智能决策。装配区域比较大。如果采用固定式显微视觉系统会使监测变得 困难。采用精密微操作运动平台驱动视觉系统使其能够在三个方向上运动，以便视觉系 统监测到整个装配区域。待装配零件小而薄，采用传统机械式微夹钳容易使得微型零件 损坏和划伤，因而研制了带有力感知的真空吸附式微夹钳完成零件从载件台到装配区域 的搬运和装配。微夹钳的x 、y 、z 三个方向上的运动是由另一套三自由度微操作运动平 台来实现。在安装真空吸附式夹钳的悬臂梁的末端集成了一个传感器，实现力的控制。 装配夹具及放置零件的载件台安装在回转运动平台上，组成回转装配平台。设计了组合 工作台用来安装自动装配系统。组合工作台包括主操作台和随动支架，合理的给出了装 配系统各部分的安装位置，并符合人体工程学设计。自动装配系统的硬件设计采用继电 器卡实现输入输出，输入实现人机对话。输出实现了对自动装配系统不同子系统的控制。 科学的装配策略和过程能够提高系统的装配稽度。本文分析确定了每个微型零件的装配 策略和过程，尽量减小装配方法和顺序引进的装配误差。基于随机误差理论极限误差合 成方法，在本文所确定的零件装配顺序的基础上，分析计算了微型零件装配的角度误差， 轴线对称度，同轴度等。 关键词：微装配系统；显微视觉系统；徽操作平台；装配策略；误差分析 一种微型零件的微装配系统 a u t o m a t i ca s s e m b l ys y s t e mo f m i n i a t u r ep a r t s a b s l ：r a e t a l o n gw i t ht h em i n i a t u l i 蕊o no ft h em e e h a n l z o n i e sp r o d u c t s ，a u t o m a l i ca s s e m b l y p l a y sm o l ea n dm o l ei m p o r t a n t r o l ei nt h es t u d ya n da s s e m b l yo f m i c r oe l e c t r o n i cm e c h a n i c s s y s t e mf m e m s ) m i c r o - a s s e m b l ys y s t e mf o rm i c r o - p a r tc o n v e y i n ga n da s s e m b l i n g 、j i 盈s d e v e l o p e df o rt h en 正m sa s s e m b l y f o rs o l l l i e m i n i a t u r ep s r t sa s s e m b l y 缸a u t o m a t i c a s s e m b l ys y s t e mw a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d 1 1 地m a i ns t r u c t u r eo fs y s t e mw a sd e s i g n e d a n dc o n t r o lc i r c u i t r yo f s y s t e mw a sa l s od e s i g n e d b a s e d0 1 3 t h ea n a l y s i so f a s s e m b l ys t r a t e g y ， t h es y s t e ma s s e m b l ye l t o i sw e l l 。a n a l y z e da n dc a l c u l a t e d a na u t o m a t i ca s s 锄b l ys y s t e mf o rm i n i a t u r ep a r t s 啪sd e s i g n e dm a dd e v e l o p e d , w h i c h i n c l u d e sm a n i p u l a t o r , v i s u a ls y s t e m , v a c u u n lg r i p p e r ，c o n t r o lc i r c u i t r ya n da s s e m b l e d w o r k - t a b l e v i s u a ls y s t e mi sac r u c i a lp a r tf o ra s s e m b l ys y s t e m , w h i c hc a nm o n i t o rt h e a s s e m b l yp r o c e s sa n df e e db a c kt h ei n f o r m a t i o no fm i n i a t u r ep a r t s m o n i t o r i n gt h ea s s e m b l y a r e ai sd i f f i c u l t , k 躲m t h ea s s e m b l yl l l t * e ai sb i g n 玲m a n i p u l a t o ro f3d o f 岫u s e df o r d r i v i n gv i s u a ls y s t e m t h a ti t c a nm o n i t o rt h ew h o l ea s s e m b l ya 玎强c o n v e n t i o n a l m e c h a n i c a lg r i p p e r sc a ne a s i l yd e s t r o yt h em i n i a t u r ep a r t s t h e r e f o r ev l t c i l u mg r i p p e r sw h i c h c o n s i s to faf o r c es e n s o rw e r l ：d e s i g n e da n dd e v e l o p e df o rt h ep a r t ss h i p p i n gf r o mt h ep a r t s c a r r i e r st ot h ea s s e m b l ya r e a 。a n o t h e rm a n i p u l a t o ro f3d o fw a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e df o r d r i v i n gv i i , c a mg r i p p e r s n l ef o r c es e r 】l s o rc a l lp e r f o r mt h ec o n t r o lo ff o r c e a s s e m b l yf j l x t l i r e a n dp a r t sc a l t i e l * sw e r ei n s t a l l e di nt h er o t a r ym o t i o nc o n t r o l l e r , t h e yf o r m e d 缸a s s e m b l y p l a t f o r m a na s s e m b l e dw o r k - t a b l ew a sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e dw h i c hi n c l u d e sm a i n s t a g ea n df o l l o w - u ps u p p o r t e r t h ea s s e m b l e dw o r k - t a b l ew 笛i ne r g o n o m i ed e s i g n , a n di n w h i c ht h ei n s t a l l a t i o nl o c a t i o mo fd i f f e r e n tp a r t so fa s s e m b l ys y s t e mw e r er e a s o n a b l yg i v 眦 n 砖h a r d w a r es y s t e mo fa s s e m b l ys y s t e mw 豁d e s i g n e dw h i c hu s i n gaf e i a yc a r dt or e a l i z e i n p u t s o u t p u t s i n p u t sr e a l i z et h ei a p u to fe o n t r o lc o m m a n d s o u t p u t sr e a l i z et h ec o n t r o lo f s u b s y s t e m s s c i e n t i f i ca s s e m b l ys t r a t e g ya n ds c i e n t i f i ca s s e m b l ys e q u e n c ec 锄i m p r o v et h e a c c u r a c yo fa s s e m b l y p r e d i g e s to p e r a t i o n , a n di m p r o v et h ec 伍e i e n e yo fa s s e m b l y e a c h m i c r o - p a r ta s s e m b l ys l r a t e g ya n ds e q u e n c e 、j l 懈i d e n t i f i e d b a s e do nt h et h e o r yo fi d l l d o l n e l t o l a n di d e n t i f i e da s s e m b l ys e q u e n c e ，t h ea n g l ee i t 0 1 ，t h es y m m e t r y 臼r o l a n dc o a x i a l d e g r e e i ：i t o ro f m i n i a t u r ep a r t sa s s e m b l ye r r o r , 陀r ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e d 一i i 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d $ ：m i c r o - a s s e m b l ys y s t c m ；：v i s u a ls y s t e m ；m a n i p u l a t o r a s s e m b l ys e q u e n c e e r r o r a n a l y s i s i i l 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名： 田年! 朔丝日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 微装配技术研究 1 1 ，1 微装配技术概述 所谓微装配一般是指微尺度( m i c r o s c a l e ，一般指1 1 0 0 岬1 ) 的零件和，或具有微尺 度公差中尺度( m e s o s c a l e ，一般指1 0 0 岬1 l 姗) 零件的装配。它很早就存在于人们 的生活中，铡妞钟表的装配。但随着微机电系统( m e m s ) 和纳米技术( n a n o t s c h n o l o g y ) 的发展，以及人们在生活中对微机电产品的迫切需求，使得微装配技术的地位越来越重 要【l 】。 1 1 2 微装配技术的主要应用领域 随着现代科学技术的发展，许多微机电产品应用于生物医学、汽车工业、航空航天、 环境监铡等领域，随之带来的装配问题需要徽装配系统来提高装配精度，降低劳动强度。 因此，微装配系统有着广泛的应用前景和研究价值 ( 1 ) 在微机械零件装配方面 现代机电产品微型化带来的深刻的技术革命，手提电话、光纤耦合、计算器、精密 手表、微型照相机、小型摄像机零件的组装面临着新的挑战。微装配系统通过采用专门 设计的工具、定位装置、照明装置和便于操作者的遥控作业或自动作业系统可以方便的 完成上述作业，并大大提高生产效率和装配质量。 ( 2 ) m e m s 的组装和封装方面 随着m e m s 的飞速发展，m e m s 技术及其产品正在迅速增长。m e m s 器件一般都 有活动部件，比较脆弱，在封装前不利于运输。所以m e m s 器件芯片制造与封装应统 一考虑。因此，能够完成h 伍m s 器件组装和封装的微装配系统将成为需求热点。 ( 3 ) 在医学领域 在医学领域，医疗机器人与计算机辅助外科手术技术是近年来多学科交叉领域中兴 起的前沿研究课题之一 1 1 3 微装配技术中的问题与难点 ( 1 ) 微观装配和宏观装配最基本的不同点就是装配的精度闭。在宏观装配中，装配 精度通常是几百个微米。而在微观装配中，装配精度则通常是亚微米级。这个装配精度 已经超过了传统装配系统的开环精度范围，所以在微装配系统中采用显微视觉系统进行 闭环控制补偿误差。系统的工作空间由二维变成三维使得操作更加困难，同时，操作信 一种微型零件的微装配系统 息的获取也是困难的，因为传感器太大而不能装在微小的精密设备上，而且传感器对那 些微小的力和位移要足够的敏感。图像处理也同样存在速度，价格，控制程序的难易等 问题，而且想要获得的图像位置往往被一些器件所遮挡。因此，微型传感器和高精度三 维微操作机器人被引进到微装配系统。 ( 2 ) 微观装配和宏观装配的另一个不同点就是被装配物体的相互力学影响。我们知 道在宏观装配中，操作力学是可预知的。例如，当钳口张开时，所夹持的物体会在重力 的影响下脱落。但是在微装配中，由于受尺度效应影响，重力不再起支配作用，取而代 之的是表面张力，静电力和范德华力【3 】。物体的重量和体积按尺寸的三次方减小，而表 面积按尺寸的平方减小。当物体的尺寸小于某临界值后，与物体表面积相关的粘附力如 范德华力、表面张力和静电力等将大于重力【4 】。所以微装配变得更加困难。 力 半径哂醇 图1 1 粘滞力与重力的比较 f i g 1 ig l u es t a g l l a t es t r e n g t ht oc o m p a r ew i t ht h eg r a v i t y 图1 1 是当微夹钳夹持球形物体时，重力和粘滞力的比较，从图1 1 中可以看出当 球直径小于l m m 时，表面张力总是大于重力，当球半径小于0 1 m m 时，范德华力总是 大于重力，当球的直径小于0 o l m m 时，静电力要大于重力，而在这三种力中，表面张 力的影响最大、表面张力主要受环境湿度和互相接触物体的表面材料影响、干燥或真空 的环境、不吸水的表面涂层都可以减小表面张力；静电主要产生于摩擦和物体的碰撞， 带不同电荷的物体将产生静电力，静电力的大小可以用公式( 1 1 ) 【l 】计算，其中e 为电 介质的电容率，e 为电场强度，o 为表面的电荷密度。 静电力的消除容易，只要将手爪接地即可。 大连理工大学硕士学位论文 p 。三占i 司2 ： ( 1 1 ) 一 2 。12 s 范德华力是分子间的力为f ， f - ，h r( 1 2 ) 6 矿 式中；h 为常数；r 为物体半径；z 为表面距离，z ，。 为了解决表面粘附力对微装配的影响，一些学者已经开展了这方面的研究。像 a r a i h ef u k u d a l 5 1 等研究了如何通过调节接触面面积和表面张力来控制微小物体粘附力， 以达到自如取放和灵活操作。 ( 3 ) 另一个重要的闯题是，在微装配中，显微镜和操作工具的使用限制了操作者直 接观察和处理被操作目标的能力。操作目标的工具不能像人手一样灵活，它拥有有限的 自由度。而操作者的视野被如下几个因素限制。首先高放大倍数使得视野区域变得很小， 使得操作者无法观察到整个装配空间。其次光学显微镜的景深太短使得非平面的物体失 真。再者镜头和目标物体的距离太短阻碍了对物体的操作。 1 2 微装配系统研究 1 2 1 微装配系统的体系分类 目前，按显微视觉分类，研制成功的微装配系统大致可分为2 大类，一种是基于 s e m 的装配系统，另一种是基于光学显微镜的装配系统。基于s e m 的微装配系统具有 放大倍数高、焦深大和分辨率高等特点，是一种理想的装配方法，但操作复杂且设备昂贵。 而基于传统光学显微镜的微装配系统具有操作简单，成本低廉等优点。国内外在微装配 方面的研究表明，采用显微视觉实现微器件装配过程的控制，是微装配技术的发展趋势。 按微装配机器人分类，微装配系统大致也可分为2 大类，一种是基于微操作机器人 的自动微装配系统，另一种是基于可移式微型机器人微装配系统。基于微装配机器人的 微装配系统具有结构紧凑，操作简单，可控性好等特点，是比较常见的系统结构。但是 工作空间小。移动机器人微装配系统具有全方位移动特性，自由灵活。能够适应复杂的 装配环境。并且能够独立组成操作系统完成装配任务。 在微装配系统的发展中，国内外研究人员提出了宏微主从微装配系统以及集成的桌 面系统。近年来，模块化微装配系统被提出，并成为微装配系统研究的热点之一。 1 2 2 微装配系统的发展现状 ( 1 ) 自动微装配系统 种微型零件的微装配系统 基于微操作机器人的自动微装配系统主要由精密微动平台、微操作器、显微视觉系 统、微夹钳等组成。其基本结构原理如图1 2 所示。 图1 2 自动徼装配系统基本组成 f i g 1 2 m a i ns t r u c t u r eo f a u t o m a t i c a s s e m b l ys y s t e m 由于工作对象的不同，不同的系统拥有不同的自由度，同时也将有不同的具有针对 性的附属系统。在自动微装配系统中，精密微动平台在计算机控制下进行移动将微夹钳 和待装配零件移动到一起。此过程在c c d 摄像机的监控下进行，c c d 摄像机由计算机 控制。此类微装配系统其结构紧凑，成本低，是目前研究中常见的微装配系统。国内外 出现了许多基于此种结构原理的微装配系统。 美国明尼苏达大学的g y a n g ，j a g a i n e s 等人研制了一套可监控的晶片级微装配 系统，用于m e m s 的制造 9 1 。该装配系统的主要结构如图l - 3 所示。该系统拥有4 个 自由度。水平运动由高精度的x - y 平台驱动，最大位移3 2 0 r a m ，可重复精度1 岫。晶 片能够进行垂直运动和旋转。垂直运动由线性滑轨完成，旋转运动由微动电机完成。任 务是拾取被转移到真空释放阵列台上的微小金属零件，并将它们插入硅片上经过深度离 子刻蚀的孔洞里。 一4 大连理工大学硕士学位论文 图1 3 晶片级微装配系统 f i g 1 3w a f e r m i c r o - a s s e m b l ys y s t e m 装配时，金属零件先被水平放置到微装配系统的真空释放阵列台。晶片则被放置在 晶片载台上。晶片载台与真空释放台垂直。如图1 4 所示。这种结构避免了微小金属件 的弹跳，并且具有很高的可靠性和效率。当系统初始化之后，金属零件首先被真空吸嘴 吸起并移动到待装配位置，接下来是零件插入晶片上深度离子刻蚀的孔洞里。 图1 4 装配区域 f i g 1 4a s s e m b l ya r e a 哈尔滨工业大学荣伟彬，谢晖，孙立宁等人研制了用于m e m s 传感器批量制造的 微装配系引1 0 1 。系统结构如图1 5 所示。该系统包括定位平台，视觉定位系统，柔性操 作手，加热器，夹具，供应站和附属装置。通过改变系统的物理机构，例如更换夹钳， 重新布置或者增加定位平台，更改显微镜的倍数，改变硬件模块，用户可以很快的建立 一个基于任务的结构，并且使得结构适合一系列的微传感器装配任务。 图1 5 传感器微装配系统结构 f i g 1 5 t h es 廿u c t u r eo f s e n s o rm i c r o - a s s e m b l ys y s t e m ( 2 ) 移动机器人微装配系统 微装配中，常常会遇到装配精度在纳米级，或者是待装配零件需要远距离运送，或 者是装配环境复杂，这些情况下自动微装配系统往往受到限制。基于移动机器人的微装 配系统被研究人员提出，并且做了大量的研究。在各类研究中，移动机器人技术是此类 型微装配系统研究的关键技术，也是研究的热点。移动机器人微装配系统和自动微装配 系统主要的不同之处在于前者的微操作装置安装在一个可移动的微型机器人上，通过机 器人的移动带动要装配的零件到达装配区域，完成安装。经过研究人员大量研究和实验， 移动机器人微装配系统已经广泛应用于微装配。移动机器人微装配系统的一般结构原理 如图1 6 所示。 图1 6 移动机器人微装配系统 f i g 1 6 t h er o b o tm i c r o - 鼬s e m b l ys y s t e m 大连理工大学硕士学位论文 德国卡尔斯鲁厄大学的s f a l i k o w 和u r e m b o l d 提出并建立了基于桌面移动机器人 的桌面微装配系统 1 1 】，如图1 7 所示。同时研制了i v l i n i m a n 和s p i n d r e r 移动机器 人，这些机器人能够在光学显微镜监视下完成装配任务。其中s f a b l b u s c h ，s f a t i k o w 等人研究并制造出m i n i m a n 1 2 】系列机器人最具有代表性。机器人基于黏附移动准则。 这将使得机器人分辨率达到1 0 n m ，移动速率达到3 0 m m s 。机器人能够在玻璃平板上以 三个自由度平移。机器人上装配有三个自由度的微夹钳。机器人能够接触到操作空间中 的任何位置。机器人上的工具也比较容易被替换。 图1 7 微移动机器人装配工作站 f i g 1 7 t h er o b o tm i c r o - a s s e m b l ys t a t i o n 玻璃平板安装在一个x y 定位平台上，这样就可以在显微镜的视野中观察到每一个 装配元件。显微镜上安装了一个相机组成了一个传感系统将视觉信息反馈给控制计算 机。机器人的粗定位由另一个相机和激光测量系统控制。两个传感系统得视觉信息被用 来生成命令以便控制机器人，显微镜和定位平台。 这个系统的优点在于移动机器人的灵活性。不同类型的机器人能够同时在相同的平 台上运行。每一个机器人都有它的特殊作用。一个机器人能够运输零件，同时另一个能 够执行装配任务，或者他们能够在装配中协作。此外，机器人和他们的工具能够很容易 的被置换。 日本东京电子信息大学机械工程和智能系统学院设计出一套移动机器人装配系统 【1 3 】。该系统结构如图1 8 所示。该系统是由多个机器人交互合作完成微操作。机器人首 先在粗定位下移动到工作区域，然后通过精定位完成操作任务。精定位是通过分析显微 视觉系统采集到的图像来控制的。当多个机器人移动到目标的过程中，它们将要避免冲 突，并根据操作设计出机器人操作的先后顺序。 一种微型零件的微装配系统 图1 , 8 移动机器人微装配系统 f i g 1 8 r o b o tm i c r o - a s s e m b l ys y s t e m 哈尔滨工业大学宋宇，郭伟等研发出了一种基于宏微双重驱动全无线( 无电源线、 无通信线) 微小型移动机器人的微操作系统1 1 4 1 。该系统以5 自由度微小型移动机器人为 主体，和外部智能视觉系统( 主控计算机、c c d 摄像机、光学显微镜和步进电机调焦 台) 组成。 上海交通大学研制成功了毫米级全方位移动机器人微装配系统嘲。该系统由微机器 人、微移动平台、普通摄像头和显微摄像头组成。微装配机器人在常规焦距c c d 视觉系 统监控下快速移动到显微焦距区域，即显微c c d 摄像头下的工作平台附近。移动微机器 人在显微视觉系统下可实现0 0 4 m m 精度的初定位，更高精度的装配则可通过控制移动平 台的二维平移。 ( 3 ) 主从控制微装配系统 为了提高操作人员的工作环境，例如避免危险环境下作业以及实现远距离操作等主 从控制微操作系统被提出。主从微装配系统主要是为了克服正常微装配的些缺点，例 如由操作人员接近而引起的质量问题，以及长时间使用显微镜对视力照成的伤害。主从 控制微装配系统包括两大部分。一部分是宏操作部分，主要是操作人员的控制部分，一 部分是微装配部分，主要用来实现微装配。微装配系统部分一般采用自动微装配系统。 如图1 9 所示。 大连理工大学硕士学位论文 图1 9 主从控制微装配系统组成 f i g 1 9 t h ef o r mo f m a s t e rs l a v ea s s e m b l ys y s t e m 德国慕尼黑科技大学的m i c h a e lf z a e h 和a n d r e ar e i t e r 开发了一套用于微装配的主 从控制微装配系统【1 6 】。该系统包括控制终端和从操作装置。从操作装置的视觉和力的信 息被传感器采集并传送到控制终端。控制终端有两个视场以便更好的帮助操作者观察工 作环境。一个视场显示的是微零件区域的图像，另一个视场显示的是整体主从操作装置 的图像。同时在夹钳的夹取和释放中采用力反馈技术。 从操作装置包括操作单元，工作平台和工具单元，工具单元拥有标准接口可以安装 不同的工具。工作平台能够保证较高的精确度和柔性。在z 方向上安装工具单元，工具 单元安装了一个真空吸附式微夹钳。在移动平台上集成了力的传感器。 日本东京大学的m a m o r u m i t s u i s h i 【l7 j 等人开发了一套主从微手术系统，并且在这 个系统下完成了直径大约l m m 的人工血管缝合实验。“操作室”和“手术地点”相距大 约7 0 0 k m 。主从微手术系统如图1 1 0 所示。 图1 1 0 主从控制微手术系统 f i g t 1 0m a s t e r - s l a v em i c r o - s u r g e r ys y s t e m 一种微型零件的微装配系统 “手术地点”和“操作室”之间由i n t e r n e t 连接。“操作室”中的主操作装置的信息 由实时控制器通过路由器传送到“手术地点”的从操作装置。从操作器的顶端安装有多 力传感器。能将收集到的信息转化成听力信息传送回“操作室”。视觉信息由c c d 相机 获得，c c d 相机安装在液晶显示器的上端。视觉方向和放大倍数随姿势的改变而改变。 ( 4 ) 模块化微装配系统 美国卡耐基梅隆大学的j a yg o w d y 1 8 - 2 0 等人提出并开发出模块化装配结构a a a ( a g i l ea s s e m b l ya r c h i t e c t u r e ) ，用于搭建小型的高精度微装配工厂。基于眦结构 的微系统由一系列稳定的自动化模块组成，每一个模块运行在一个限定的区域。这些相 互独立又互相联系的模块采用统一标准的设计，仿真，模块化，监视环境等，使得其能 够简化微装配工厂的设计和开发过程。a a a 系统的开发流程如图1 1 1 所示， a a a 产品周期 图1 1 1a 从产品周期 f i g 1 11 p r o d u c tc i r c l eo f a a a 首先，用户可以利用界面工具进行微工厂的设计规划和模拟。设计和规划的目标是 简化微工厂各模块的集成，并给出每一个模块的详细的纲要。模块之间是相互影响的， 所以规划的首要问题是解决模块空间布置问题。线下模拟可以在虚拟环境中发现装配中 的问题，调试微工厂规划，从而加快微工厂的建立。用户采用用户界面工具来设计模拟 以及实时监控微工厂。在工厂建立之后，需要对工厂进行校准和初始化。在初始化中， 系统模块要通过信息的使用识别其他模块，同时，传送装置( c o u r i e r s ) 探测它们周围的 环境来确定平台表面的几何环境以及其他静止模块的位置。通过信息交换技术，微工厂 大连理工大学硕士学位论文 完整的信息就可以在模块间和用户界面工具上建立。初始化之后可以进行产品的最终调 试和资源任务分配。微工厂就可以投入运行。在生产工程中可以随时快速改变所使用的 模块。生产任务完成后，可将模块拆卸重组形成新的微工厂完成新的任务。 j a yg o w d y 等人基于a 从组建了微工厂，如图1 1 2 所示。 图1 1 2 微工厂局部结构 f i g ，1 1 2 l o c a ls t r u c t u r eo f m i n i f a c t o r y 微工厂由一系列模块组成，包括能动模块例如操作装置模块和传送装置模块，以及 其他附属模块例如连接桥，可连接滚盘，基础梁结构等。每一个模块都是独立的具有自 身算法的模块，为了完成模块之间的配合，模块间能够采用a a a 的协议将彼此自身的 能力、性质和目前状态传送给和它们相关联的模块。 该微工厂能够实现高精度微机电系统的四个自由度的装配。传送装置( c o u r i e r ) 拥 有平面上的两个自由度，能够完成零件的传送。操作装置( m a n i p u l a t o r ) 拥有升降和旋 转两个自由度，能够完成零件的上下移动和旋转。作业时传送装置搭载待装配零件在平 台上的移动，在到达装配位置时和操作装置组成四自由度装配系统完成产品的装配。该 微工厂具有较高的操作精度和操作速度，而且其机电模块集成简单，能够修改或者扩展 而不影响其他部分，具有很高的灵活性。 法国b e s a n c o n 自动化实验室提出了一套模块化可重构的生产和装配的微系统 2 1 2 2 1 。此微系统和现有的微系统样机最大的不同就是其在工作站内采用模块化结构的概 念。即每一个驱动器都是一个基本的模块。这种结构可以给系统带来很大的柔性，并且 模块可以重复使用。 一种微型零件的微装配系统 如图1 1 3 所示，微系统基于一个微产品生产平台，在平台上边排列了不同功能的工 作站，这些不同功能的工作站是微产品加工和装配所必需的。所有的工作站由一个组织 系统所控制。用户可以根据实际生产及装配需要定性或者定量的选择工作站，然后在平 台上集成它们。工作站放置在一个储存室里备用。可以根据不同的微产品任务对这些工 作站进行配置。 备用工作站 嚣对 l 形 生产平台l 图1 1 3 微装配丁作站 f 蟾1 1 3m i c r o - a s s e m b l ys t a t i o n 1 2 3 微装配系统的发展趋势及研究热点 微装配系统在微机电系统装配过程中扮演着关键的角色。微装配系统的发展将以依 赖于其相关技术的进步。目前关于微装配系统有很多研究热点。 ( 1 ) 微夹钳技术是微装配系统研究的重要内容，目前许多不同类型的微夹钳已经被研 制出【2 3 1 。微夹钳的研究主要在诸如进一步降低或者消除夹钳同微型物体之间的表面吸附 力、可靠控制夹钳的夹持力以及提高夹钳稳定性和效率等。 ( 2 ) 微力传感器也是微装配系统研究的重要内容之一，以便更好的实现在多自由度下 力的控制等。同时由于操作对象尺寸的减小，尺寸在毫米级以下分辨率为n n ，p n 的传 感器将被研制出例。 ( 3 ) 在显微视觉系统方面，能够稳定的富有效率的自动聚焦和位置调整的发展也是研 究热点之一。此外显微视觉系统另外一个热点是视场和分辨率的转换。一个非常好的解 决方案就是将视觉显微系统集成在微操作机器人或微夹钳上。这样视场始终聚焦于被操 大连理工大学硕士学位论文 作物体上。难度在于如何制作这样的微型显微镜。以及如何在微夹钳上集成了一个微型 显微镜。 ( 4 ) 高效率高精度的移动机器人是微装配系统发展的关键技术。在桌面系统中，要求 移动机器人有较高的精度，分辨率以及快速的移动速度。另外，移动机器人的驱动技术， 机器人的微型化也是研究的热点。 ( 5 ) 微装配系统的模块化研究是目前研究的热点，微装配系统目前还处在研究阶段， 大量的研究结果还没有用于生产。模块化微装配系统不仅可以解决标准化问题，而且可 以批量生产。 1 3 本文主要研究内容及意义 要求针对某些微型零件的装配任务研制出一套自动装配系统。该装配系统能够完成 零件的装配，并满足装配要求。待装配零件装配示意图如图1 1 4 所示。 装配示意图中所对应的零件和材料如表1 1 所示。 表1 1 零件的材料 t a b t h em a t e r i a lo fp a r t s l 零件名称 零件1零件2 a零件2 b 零件3零件4 颜色绿色橙色黄色蓝色红色 材料漆包线圈硬铝高比重合金单晶硅高比重合金 图1 1 4 微型零件 f i g 1 1 4 m o d u l eo f m i n i a t u r ep a r t s 一种微型零件的微装配系统 装配要求如下： ( 1 ) 零件2 a 和零件2 b 之间呈1 8 0 度胶接在零件1 上，且内壁均处于装配夹具的外 圆上；、 ( 2 ) 零件3 胶结在零件2 a 与零件2 b 上，要求保证零件2 a 、零件2 b 相对于零件3 中心方孔的轴线具有0 0 5 的对称度，与零件l 具有0 0 5 的同轴度； ( 3 ) 零件4 粘接在零件3 上，并且对零件3 中心方孔的轴线具有0 0 5 的对称度。 零件装配误差要求如图1 1 5 所示。 图1 1 5 零件装配误差要求 f i g 1 1 5 t h ee n wl i m i to f a s s e m b l y 针对上述装配任务研制一套自动装配系统，该自动装配系统包括微操作运动平台， 视觉系统，带有力感知的真空吸附式作业工具，控制电路，气路系统，组合工作台等。 视觉系统对待装配零件进行图像采集和定位，并反馈到工控机中。系统软件对图像数据 进行分析，反馈给操作运动平台和回转运动平台。操作运动平台带动微夹钳完成零件的 吸附和搬运。回转运动平台带动零件夹具旋转，操作运动平台和回转运动平台相对运动， 并配合以人工上料、涂胶、上锁紧夹具等工序，最后完成微小型零件的装配。该自动装 配系统的装配误差精度应该满足使用要求，能够完成零件1 、零件2 a 、零件2 b 、零件 3 、零件4 的装配。 该自动装配系统在提高了装配的速度和效率的同时，也减轻了操作者的劳动，降低 了成本。解决了手工装配带来的自动化程度低，精度达不到要求，不能进行批量生产等 大连理工大学硕士学位论文 问题。目前微机电行业正在蓬勃的发展，该研究也为微装配技术和微装配系统的研究提 供了一些帮助，同时对把微装配技术应用于生产实践起到了一定的推动作用。 本文围绕一种微型零件的自动装配系统的研制，做了如下方面的工作： ( 1 ) 在查阅大量文献的基础上，探讨了微装配技术及微装配系统的发展现状，对现 有的微装配系统进行了总结，并对微装配系统的体系结构进行了分类。介绍了误差计算 和综合的方法，介绍了本文研究的主要内容。 ( 2 ) 研究并设计了一种微型零件的自动装配系统，对装配系统的总体方案进行了设 计，并完成了各相关子系统的设计。 ( 3 ) 设计了一种组合工作台，此组合工作台专门用于自动装配系统的安装 ( 4 ) 设计了零件自动装配系统的硬件，包括控制电路和气路系统。 ( 5 ) 通过论证和分析，以及不同方案的对比，确定了装配策略。并设计了零件1 、 零件2 a 、零件2 b 、零件3 、零件4 的装配过程。 ( 6 ) 在分析了误差计算理论的基础上，分析了装配系统的系统精度，分别计算了零 件l 、零件2 a 、零件2 b 、零件3 、零件4 的装配系统精度。 种微型零件的微装配系统 2 自动装配系统的研制 2 1 本章研究内容 分析了系统的功能要求和精度要求之后，针对上述分析研制了一套自动装配系统， 用以实现微型零件的装配任务。研究并设计自动装配系统的总体结构。研制了显微视觉 系统，带有力感知的真空吸附式夹钳以及气路系统，系统控制电路，微操作运动平台以 及组合工作台等。详细讨论了各个子系统的结构、性能、参数。 2 2自动装配系统的总体设计 对所要完成的装配任务进行分析，所设计的自动装配系统必须具有高度的可靠性和 较高的系统精度。对于微型零件的装配，自动装配系统必须能够提供微米级的装配精度。 自动装配系统采用“自上而下”的设计方式，即先分析系统需要完成的功能和精度指标， 然后进行结构和功能设计，最后再完成各部件的设计。 综合第一章中微装配系统的研究现状，本设计基于目前研究设计中常用的自动微装 配系统。由于装配零件材料不同以及尺寸形状复杂，夹持部分采用真空吸附式夹钳，这 样可以很好的解决不同形状、大小及材料的零件，并能够保证零件的表面材料不被破坏。 待装配零件从载物台上移动到装配位置，真空吸附式夹钳至少需要三个自由度的运动。 采用高精度高可靠性的x y 及z 移动导轨组合成微操作运动平台，来实现夹钳的三自 由度的运动。在装配过程中，需要对零件进行定位及检测，因此采用c c d 摄像机和显 微镜组成的视觉系统来完成监测及图像采集任务。同样为了定位不同零件和装配位置， 要求显微镜也要有三个自由度的运动。同样采用高精度高可靠性的x y 及z 移动导轨 组合成微操作平台，来实现视觉系统的三自由度的运动。由于装配零放置在载物台上的 角度不能确定，并且仅仅依靠真空夹钳的移动来完成装配比较复杂，所以采用回转运动 导轨驱动零件装配夹具及载物台来完成角度的旋转，配合真空吸附式夹钳的运动来完成 装配。上述分析可知整个自动装配系统是一套光机电系统。自动装配系统的原理图如图 2 1 所示。 大连理工大学硕士学位论文 数据采集模块 c c d 摄像机 显微镜 装配夹具l载件台 真空吸附式 夹钳 光源 i e e e l 3 9 4 视觉运动 平台 回转运动 平台 传感器 操作运动 平台 真空阀 光强 控制模块 控制按钮 步进电机区s 2 3 电源r 信号调理 模块 步进电机 电源 r s 2 3 2 图2 1 自动装配系统结构原理图 f i g 2 1 d i a g r a mo f t h ea u t o m a t i ca s s e m b l ys y s t e m 型 翮 一j 圈垂 机 a d 卡 2 2 ，1自动装配系统的总体结构 根据自动装配系统原理图，研制出了自动装配系统。自动装配系统实物图如图2 2 ， 图2 3 ，图2 4 所示。 自动装配系统主要包括微操作运动平台、显微视觉系统、带有力感知的真空吸附式 夹钳及真空气路系统、系统控制电路等。自动装配系统的主体安装在组合工作台的主操 作台上。自动装配系统的主体有微操作运动平台，显微视觉系统，真空吸附式夹钳。其 中微操作运动平台分为视觉运动平台、操作运动平台和回转运动平台。视觉运动平台安 装在主操作台的光学平板的左侧，其驱动单目显微视觉系统，操作运动平台安装在光学 平台的右侧，其驱动真空吸附式夹钳。回转运动平台和装配夹具及载件台构成装配平台。 系统控制按钮分别置于主操作台的光学平台两侧，便于指令的输入。工控机和步进电机 电源安装在组合工作台的随动支架里，监视器在支架的托板上，装配系统主体的后方。 各个部分相互独立，由系统的软件和硬件将各个部分集成为带有计算机视觉反馈控制的 微装配作业系统。 一种微型零件的微装配系统 幽2 2自动装配系统基本组成 f i g 2 2 t h es t r u c t u r eo f t h ea u t o m a t i ca s s e m b l ys y s t e m 图2 3 自动装配系统基本组成 f i g 2 3 t h es t r u c t u r eo f t h ea u t o m a t i ca s s e m b l ys y s t e m 1 8 一 大连理工大学硕士学位论文 图2 4 自动装配系统 f i g 2 4 a u t o m a t i ca s s e m b l ys y s t e m 2 ，2 2 微操作运动平台 微操作运动平台是自动装配系统的驱动部分。微操作运动平台分为三个，分别是视 觉运动平台、操作运动平台，回转运动平台。微型零件的装配精度是微米级的，微操作 运动平台的参数直接影响了系统的装配精度。微操作运动平台选择已有的产品，其选择 要满足精度、经济性、效率、可靠性、寿命、造型等要求，其中精度要求是第一位