微系统装配关键技术

1、微系统与微装配微系统微系统：是指由集成电路制造技术和微加工技术制造的微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型系统，全称为微机电系统（micro-electro-mechanical system，MEMS） 。典型 MEMS 的尺度在毫米或毫米量级。MEMS 具有微型化、智能化、低能耗、易集成、低成本、高性能等显著优点。微装配微装配：微装配是指在微小误差范围内对毫米以下微米以上尺度的微零件的装配。在结构复杂的 MEMS 生产中，微装配技术的使用不仅能够降低生产成本，提高生产效率。另外，使用最合适的材料和微细加工方法生产的零件能获得最佳的性能，相应的也提高了

2、 MEMS 的整体性能。微装配的特点1 1、定位精度高定位精度高：在微装配中，被装配的零件尺寸通常都是从 1m 到 1 mm，因此，微装配中经常要求亚微米的定位精度。这样的定位精度远远超出了工业中传统开环精密装配设备的能力。2 2、工具性能限制：工具性能限制：显微镜景深有限和其它传感能力的缺失限制了对被装配零件的各种状态的反馈。高分辨率的需求要求显微镜具有高的光学放大倍数，这限制显微镜的视场和景深，以致很难获得微零件的完整信息。3 3、操作难以控制：操作难以控制：一些力（静电力、范得华力和表面张力等）的作用机理尚未被人们完全理解，也不易控制。微装配系统设计法国 FEMTO-ST 学院 Tama

3、dazte 等人将轴孔插入装配从开始到结束分为十二个任务，建立了微装配系统。美国 Lawrence Livemore 国家实验室为装配激光核聚变中用于点火的冷冻靶，在自动光学测量系统SmartScope Vantage 650的工作平台上建立了一套由五个机械手和微夹钳组成的复杂半自动微装配系统，该系统解决了在线测量微装配过程中的装配精度问题。日本贸易与工业部机械实验室 Tanaka研制的便携式微工厂系统德国 Karlsruhe 大学的 Fatikow 等人建立了一套基于微机器人 Miniman 的微装配系统。清华大学段瑞玲等人设计了一套由Nikon公司的SMZ-2T 型立体显微镜，Mintro

4、n 公司的 MTV-1801C 型 CCD 和电动平移台及其驱动装置组成的自动微装配系统南京航空航天大学王化明等人建立的由宏/微定位系统、双目显微视觉系统、同轴照明系统、末端执行器和控制系统构成的微装配系统吉林大学于保军等人将压电执行器用于微操作时的精确定位，开发了一套宏/微定位结合的微装配系统。上海交通大学李江昊等人研制了由零件搬运微机器人 OMMR-I 和微装配微机器人 CRABOT 和视觉系统组成的微装配系统。自动微装配系统原理图典型微装配系统的构成p显微视觉系统显微视觉系统p承载系统承载系统p微夹持操作系统微夹持操作系统p控制驱动系统控制驱动系统显微视觉系统视觉系统包括 CCD 相机、

5、放大镜头、图形采集处理设备等，可以完成对零件的识别、空间的定位，对装配过程进行监视，通过视觉反馈对装配过程进行引导。承载系统一般包括行程大、速度快的宏动精密工作台、定位精确、分辨率高的微动工作台和真空吸附台等。精密工作台可以带动夹持器在操作空间内移动，微动工作台可以实现零件位置的微小调整，真空吸附台可以对待装配零件进行装夹、定位。微夹持操作系统微夹持操作系统一般由钳式夹持器和真空吸附式夹持器组成，可以完成微小零件的拾取、移动和装配，是实现微装配的关键部分，微夹持器的性能直接关系到装配的成败。控制驱动系统控制驱动系统包括各种需要驱动的元件的控制系统，并将这些控制系统集成在一起由计算机控制，可以根

6、据图像反馈、力反馈来引导微装配的进行。微夹持技术微夹持器是完成微装配的直接操作机构，微夹持器的性能直接决定了微装配的成败。微装配的零件通常尺寸较小、形状不规则，对外界影响比较敏感。目前，针对不同材料、形状的零件有机械夹钳式和真空吸附式两种微夹持器。钳式微夹持器可以完成对轴类零件的夹持，且在夹持过程中对夹持力实时可控，但释放时受粘附力影响较大。吸附式夹持器可以完成对片状不规则零件的夹持操作，但夹持力不易控制。总之，对微夹持技术的研究是微装配系统的一个研究重点。微夹持器的分类钳式微夹持器钳式微夹持器真空吸附式微夹钳真空吸附式微夹钳 热变形驱动微夹持器 静电驱动式微夹持器静电驱动式微夹持器 静电驱动

7、式微夹持器 静电驱动式微夹持器 静电驱动式微夹持器 电磁力驱动式微夹持器 记忆合金驱动式微夹持器记忆合金驱动式微夹持器 记忆合金驱动式微夹持器 压电驱动式微夹持器压电驱动式微夹持器 1.1热变形驱动微夹持器热变形驱动微夹持器是利用材料的热膨胀效应来驱动夹持器的运动，将热能转化为机械能。下图为一典型的热驱动夹持器，当受热时，上操作臂向下弯曲，下操作臂向上弯曲，完成零件的夹持动作。1.2静电驱动式微夹持器 静电驱动式微夹持器一般以多晶硅为原材料制造，利用平板电容器产生的侧向静电吸引力来驱动夹持器运动，通常电容器设计为叉指状或梳齿状。图为美国的 KIM 等人研制的梳齿状静电驱动微夹持器，厚度为 2m

8、，长度为 500m，在 20V 电压驱动下位移量可达 10m，夹持力的大小与加载电压成线性关系，当电压撤销时，夹持臂依靠自身弹性势能恢复原位。静电驱动式微夹持器体积小巧、集成性高，但夹持力和张合量较小。1.3电磁力驱动式微夹持器电磁式微夹持器利用电磁线圈通电时产生的电磁力作为驱动源来完成夹持、释放动作。电磁驱动式微夹持器具有原理简单、响应速度快、分辨率高等优点，但工艺复杂、加工难度大、成本较高。 1.4记忆合金驱动式微夹持器 记忆合金是一种具有两种不同金属相的功能材料，在一定条件下产生塑性变形，在需要时加热到该材料的固有临界温度，材料会恢复到原来的形状。形状记忆合金即可作为驱动材料又可作为结构

9、材料，可以实现夹持器的小型化，但是形状记忆合金在临界温度附近时几何尺寸变化大，在释放时，受温度影响较大，难以精确控制。1.5压电驱动式微夹持器 压电驱动式微夹持器利用了压电陶瓷的逆压电效应，即在通电情况下长度发生变化，但压电陶瓷输出位移较小，一般需要放大机构来将位移放大输出。压电驱动式微夹持器具有体积小、位移分辨率高、响应速度快、功耗小、控制简单等特点，在近年来得到广泛应用。微夹持器的设计要求微夹持器是微装配系统中的末端执行元件，它的性能关系到整个微装配的成败。针对微装配操作空间有限，微小型零件体积小且具有轻、薄、脆、与、易损坏的特点，对微夹持器提出以下性能要求：（1）微装配系统中操作空间有限

10、，夹持器应设计合理、结构紧凑、体积小巧、方便安装。（2）宏微结合，微夹持器能在较大的空间范围内运动，完成零件的拾取、移动，又具有高的位移分辨率和定位精度。（3）微夹持器驱动方式应简单可靠、易于操作。能准确可靠的完成零部件的拾取与释放。（4）为了防止夹持过程中造成零件的损坏，夹持器的夹持力应该可以控制，并在夹持过程中能实时监测。微装配序列规划任务任务 1 1：自动调焦。：自动调焦。该任务应用基于双侧预测求交的自动调焦方法分别实现在光轴垂直布置的显微视觉系统的视场中压电致动微夹钳的夹爪和微型金属圆柱腔的自动调焦。任务任务 2 2：检测零件。：检测零件。该任务应用阈值分割和基于八邻域轮廓跟踪方法查找

11、在双目显微视觉系统视场中的微型金属圆柱腔和夹爪的轮廓。任务任务 3 3：识别零件。：识别零件。该任务对提取和识别的轮廓，应用 定义的特征集和基于余弦值的角点提取方法识别压电致动微夹钳的夹爪、带缺口的微型金属圆柱腔和无缺口的微型金属圆柱腔并计算各个特征在图像中的坐标。任务任务 4 4：夹爪定位。：夹爪定位。该任务应用基于图像的显微视觉伺服控制方法将压电致动微夹钳夹爪移动到夹持无缺口的微型金属圆柱腔的位置。任务任务 5：夹持零件。：夹持零件。该任务通过压电陶瓷驱动器驱动压电致动微夹钳，使压电致动微夹钳的夹爪闭合夹持无缺口的微型金属圆柱腔。在夹持微型金属圆柱腔过程中，应用基于图像的夹爪间距和夹持力控

12、制方法确保零件既能可靠夹持又不损坏微型金属圆柱腔。任务任务 6：升起零件：升起零件。该任务应用基于图像的显微视觉伺服控制方法升起压电致动微夹钳，使无缺口微型金属圆柱腔离开工作台到达堆叠前的期望高度。任务任务 7：旋转零件。：旋转零件。该任务应用基于图像的显微视觉伺服控制方法，通过控制工作台的旋转控制带缺口的微型金属圆柱腔的缺口在水平布置的显微视觉系统的视场中的大小，使带缺口的微型金属圆柱腔的缺口旋转到期望角度。任务任务 8：自动调焦。：自动调焦。该任务应用基于双侧预测求交的自动调焦方法实现在光轴垂直布置的显微视觉系统的视场中工作台上的带缺口的微型金属圆柱腔的聚焦。任务任务 9 9：特征提取。：

13、特征提取。该任务应用阈值分割和八邻域轮廓跟踪方法提取带缺口的微型金属圆柱腔的轮廓并拟合该轮廓，计算拟合轮廓的圆心坐标。任务任务 10：自动调焦。：自动调焦。该任务应用基于双侧预测求交的自动调焦方法实现在光轴垂直布置的显微视觉系统的视场中被压电致动微夹钳夹持的无缺口微型金属圆柱腔的聚焦。任务任务 11：特征提取。：特征提取。该任务基于轮廓点余弦值的角点提取方法提取在光轴垂直布置的显微视觉系统的视场中被压电致动微夹钳夹持的无缺口微型金属圆柱腔的轮廓并拟合该轮廓，计算拟合轮廓的圆心坐标。任务任务 12：对准和堆叠零件。：对准和堆叠零件。该任务应用基于图像的显微视觉伺服控制方法将夹爪移动到夹持无缺口的微型金属圆柱腔的位置。任务任务 1313：释放零件。：释放零件。在微型金属圆柱腔的对准和堆叠后，该任务通过减小压电陶瓷驱动器的驱动电压，使压电致动微夹钳的夹爪张开，释放无缺口的微型金属圆柱腔。任务任务 1414：夹爪返回初始位置：夹爪返回初始位置。移动压电致动微夹钳的夹爪到初始位置。应用上述的装配序列规划，在构建的自动微装配系统上可实现微型金属圆柱腔的自动对准和堆叠任务。参考文献自动微装配系统的关键技术研究_吴