毫米器件半自動(dòng)微裝配系統(tǒng)研制*

吳文榮，余大海，裘祖榮，黃心漢，王紅蓮，羅 敏

(1.中國(guó)工程物理研究院 激光聚變研究中心，四川 綿陽(yáng)621900;2.天津大學(xué) 精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072;3.華中科技大學(xué) 控制科學(xué)與工程系，湖北 武漢430074)

0 引 言

核聚變研究是當(dāng)前解決能源問(wèn)題的重要研究課題，激光慣性約束聚變是實(shí)現(xiàn)核聚變的主要方法之一［1，2］;而由球和2 個(gè)薄壁空腔組裝而成的微靶是慣性約束聚變(ICF)實(shí)驗(yàn)研究中的關(guān)鍵組件之一，其要求多路注入激光能同時(shí)準(zhǔn)確地注入柱腔，并對(duì)微球形成均勻的輻照?qǐng)?，微球在柱腔中的位置精度是提高輻照?qǐng)鰧?duì)稱性和減緩R－T 不穩(wěn)定性的發(fā)展的關(guān)鍵因素之一［3，4］。

微靶尺度小于1 mm，其裝配屬于典型的空間三維微裝配。目前，該類(lèi)靶的裝配主要采用手工裝配方式，由熟練的裝配技術(shù)人員利用輔助夾具和顯微鏡來(lái)完成，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、裝配周期長(zhǎng)、裝配精度低、重復(fù)性差等問(wèn)題，不能滿足ICF 研究的不斷發(fā)展。隨著對(duì)ICF 靶制備精密化要求的提高，采用半自動(dòng)裝配方式勢(shì)在必行。

本文針對(duì)ICF 實(shí)驗(yàn)用微靶的裝配，研制了一種半自動(dòng)微裝配系統(tǒng)，系統(tǒng)具有顯微在線檢測(cè)、微零件自動(dòng)無(wú)損夾取、三維空間角度姿態(tài)調(diào)整、精密定位等功能，整個(gè)裝配過(guò)程由計(jì)算機(jī)控制完成。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

微靶結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由2 個(gè)半腔和微球組成，微球與柱腔均為薄壁件，材質(zhì)脆弱，尺寸微小(直徑小于1 mm)，裝配完后要求微球相對(duì)柱腔中心的位置偏差:軸向與徑向均不超過(guò)10 μm，2 個(gè)半腔同軸度不超過(guò)20 μm，柱腔觀察口在圓周方向?qū)?zhǔn)，角度偏差小于1°。

圖1 微靶三維示意圖Fig 1 3D diagram of micro target

針對(duì)裝配精度要求與零件特性，研制了由三維微操作手組成的微器件半自動(dòng)裝配系統(tǒng)(如圖2)，該系統(tǒng)采用三手協(xié)調(diào)動(dòng)作、以工作空間為中心分布的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意由左、中、右、零件傳送平臺(tái)等多自由度微動(dòng)平臺(tái)，顯微圖像與激光共焦兩路顯微在線檢測(cè)系統(tǒng)、靶零件微夾持系統(tǒng)組成，總共包含21 個(gè)電動(dòng)軸，具有裝配過(guò)程靶零件位置在線檢測(cè)、三維空間姿態(tài)調(diào)整、靶零件自動(dòng)傳送及運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的精確控制等功能，系統(tǒng)操作空間:40 mm×40 mm×50 mm，XYZ 重復(fù)定位精度≤2 μm，分辨率為 1 μm;θxθyθz旋轉(zhuǎn)重復(fù)定位精度≤0.005°，分辨率為0.002°。

圖2 系統(tǒng)組成框圖Fig 2 Block diagram of system composition

系統(tǒng)以顯微在線檢測(cè)系統(tǒng)為反饋環(huán)節(jié)，形成閉環(huán)控制，裝配過(guò)程中顯微在線檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)靶零件的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，控制系統(tǒng)根據(jù)顯微在線檢測(cè)系統(tǒng)反饋的位置信息，控制左、中、右3 個(gè)微操作平臺(tái)和微夾持系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)靶零件的自動(dòng)拾取、釋放和精確定位，從而完成裝配。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

本半自動(dòng)微裝配系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括:微操作系統(tǒng)、微夾持技術(shù)、顯微在線檢測(cè)技術(shù)等。

2.1 微操作系統(tǒng)

微操作系統(tǒng)主要完成40 mm×40 mm×50 mm 操作空間定位精度達(dá)到μm 的三維平移運(yùn)動(dòng)以及相應(yīng)的姿態(tài)調(diào)整。主要包括:左、中、右3 個(gè)微操作平臺(tái)、2 個(gè)柱腔微夾持器和1 個(gè)微球微夾持器;其中，左、右微操作平臺(tái)前端集成安裝有柱腔微夾持器，進(jìn)行半腔的精密定位;由于零件微小，半腔為壁厚只有幾十微米厚空腔件，夾持精度不高，需要進(jìn)行三維空間姿態(tài)調(diào)整，為了實(shí)現(xiàn)半腔精確配準(zhǔn)，采用6 自由度微操作平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示，XYZ 行程為100 mm ×60 mm ×100 mm，θxθyθz行程為 360° ×10° ×10°，3 個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心交于同一點(diǎn)，且距離微夾持器安裝端面500 mm，偏差為10 μm，以保證柱腔中心與旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)重合，從而能有效地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)姿態(tài)的調(diào)整。中微操作手具有4 自由度，末端安裝有微球微夾持器，主要進(jìn)行微球的精密定位，結(jié)構(gòu)如圖3(b)，XYZ 行程為50 mm×60 mm×60 mm，θy行程為 360°。

微操作控制系統(tǒng)采用了兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖3 微操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig 3 Structure of micro operating system

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig 4 Structure of control system

2.2 微夾持技術(shù)

微夾持器是實(shí)現(xiàn)對(duì)微小對(duì)象進(jìn)行夾持、運(yùn)送和放置等操作的重要工具，是微操作系統(tǒng)的末端執(zhí)行器［4，5］。本系統(tǒng)中分別采用真空吸附式和雙晶片壓電式2 種類(lèi)型的微夾鉗分別對(duì)微球和柱腔進(jìn)行夾持、運(yùn)送、放置和對(duì)接等操作。

柱腔微夾持器采用雙晶片壓電式結(jié)構(gòu)。壓電陶瓷雙晶片存在逆壓電效應(yīng)，即當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓加在壓電陶瓷雙晶片的中間電極和上下兩層晶片之間，使上下晶片產(chǎn)生的電場(chǎng)方向相反，而它們的極化方向相同，電場(chǎng)與極化方向相反的一側(cè)晶片伸長(zhǎng)，相同的一側(cè)縮短，從而引起雙晶片的彎曲變形，在自由端產(chǎn)生位移;改變驅(qū)動(dòng)電壓的大小和極性，可改變其彎曲的程度和方向［6］。柱腔微夾持器根據(jù)壓電陶瓷雙晶片的逆壓電效應(yīng)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖5 所示:由兩片并行雙晶片構(gòu)成雙懸臂梁結(jié)構(gòu)(圖5(a))，兩片雙晶片的尺寸、材料相同，一端由固定件固定，另一端為自由端，在驅(qū)動(dòng)電壓的作用下自由端會(huì)產(chǎn)生彎曲形變，兩片雙晶片的彎曲形變形成末端的開(kāi)閉運(yùn)動(dòng)，開(kāi)閉程度和方向由控制驅(qū)動(dòng)電壓的大小和極性進(jìn)行調(diào)節(jié);在雙晶片根部粘貼應(yīng)變計(jì)，檢測(cè)微夾鉗形變產(chǎn)生的應(yīng)變信號(hào)，當(dāng)微夾鉗受到外力作用時(shí)，會(huì)改變由驅(qū)動(dòng)電壓產(chǎn)生的正常形變，實(shí)現(xiàn)對(duì)微夾持力的感知與檢測(cè)。

柱腔微夾持器與驅(qū)動(dòng)電源的連接方式如圖5(b)所示，雙晶片的驅(qū)動(dòng)電壓加在中間電極(導(dǎo)電碳纖維基板)和上下兩層晶片之間，使上下晶片產(chǎn)生的電場(chǎng)方向相反，從而引起雙晶片的彎曲變形;通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)電壓的大小和極性，可改變其彎曲的程度和方向。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為0 時(shí)，微夾持器處于初始狀態(tài)，不發(fā)生形變(圖6(a));當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為正時(shí)，雙晶片1 和2 相向形變，產(chǎn)生閉合運(yùn)動(dòng)(圖6(b));當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為負(fù)時(shí)，雙晶片1 和2 反向形變，產(chǎn)生張開(kāi)運(yùn)動(dòng)(圖6(c))。因此，控制驅(qū)動(dòng)電壓的極性和大小，就可確定微夾持器末端(手指)開(kāi)閉合運(yùn)動(dòng)的方向和程度，實(shí)現(xiàn)半腔的夾持和釋放。

圖5 壓電雙晶片微夾持器Fig 5 Piezoelectric bimorph micro-gripper

圖6 雙晶片微夾持器三種工作狀態(tài)Fig 6 Three working state of bimorph micro-gripper

微球?yàn)閬喓撩壮叨鹊谋”谇驓ぃb配過(guò)程中，由于尺寸效應(yīng)，微球其重力的影響下降，靜電力、范德華力、表面張力占統(tǒng)治地位，將致使不能自由釋放靶零件時(shí)，從而降低裝配效率和破壞了裝配的定位精度［7］。為了克服這種影響，采用真空吸附原理設(shè)計(jì)微夾持器，其可以對(duì)微球進(jìn)行無(wú)損吸取、移動(dòng)、自由釋放等操作。其工作原理是利用真空吸管的粘著力和真空吸附產(chǎn)生的負(fù)壓力對(duì)微球進(jìn)行吸取，利用正壓力進(jìn)行放置，其氣路結(jié)構(gòu)如圖7 所示:當(dāng)吸取微球時(shí)，電磁閥1 接通，電磁閥2 斷開(kāi)，通過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥控制吸附力的大小，以避免損壞微球;當(dāng)釋放微球時(shí)，電磁閥1 斷開(kāi)，電磁閥2 接通，通過(guò)壓力閥和速度閥精確控制氣路正壓力，以克服微球與吸嘴間的表面作用力，實(shí)現(xiàn)自由釋放微球。為了有效地吸取和釋放，根據(jù)文獻(xiàn)［9］，吸嘴前端最佳尺寸確定為50μm 左右，這時(shí)拾取釋放的成功率較高，而且可減少其對(duì)微球位置檢測(cè)精度的影響。同時(shí)為了減少球與吸嘴間的表面粘附力，在吸嘴表面濺射與微球材料相同的涂層。

圖7 微球微夾持器氣路圖Fig 7 Gas path of microspheres micro-gripper

2.3 顯微在線檢測(cè)技術(shù)

相對(duì)于宏觀器件，由于操作者不能通過(guò)感知來(lái)判斷微觀物體的加工裝配過(guò)程，因此，采用在線檢測(cè)的方式變得很重要，它是唯一可以觀測(cè)微觀尺度的途徑［8］。本文的顯微在線檢測(cè)系統(tǒng)由顯微視覺(jué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和在線共焦檢測(cè)系統(tǒng)兩部分組成，采取懸臂式結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 顯微在線檢測(cè)系統(tǒng)Fig 8 Micro online detection system

為保證整體結(jié)構(gòu)的平衡和穩(wěn)定性，Z 向運(yùn)動(dòng)軸增加了配重裝置，該種結(jié)構(gòu)具有簡(jiǎn)單、緊湊、耗材少以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，特別是設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了結(jié)構(gòu)精度，將光柵尺均安裝在各運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的底面或側(cè)面，由運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的角偏擺所產(chǎn)生的阿貝誤差較小，有效避免了移動(dòng)橋式的阿貝臂較大的缺點(diǎn)。系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)變形主要會(huì)發(fā)生在Z 向連接板，即懸臂梁上，但是由于該變形屬于簡(jiǎn)單力變形，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料的選擇可以盡量避免其變形量。系統(tǒng)測(cè)量范圍由3 個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的行程決定，為100 mm ×100 mm ×50 mm(XYZ);其中顯微視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)主要完成柱腔對(duì)接裝配過(guò)程中微球的粗定位和兩半腔姿態(tài)調(diào)整、配準(zhǔn)的實(shí)時(shí)位置檢測(cè);在線共焦檢測(cè)系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)柱腔對(duì)接時(shí)微球的徑向精定位檢測(cè)。顯微視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)采用兩路成像系統(tǒng)對(duì)裝配過(guò)程進(jìn)行微小靶零件的空間三維位置檢測(cè)，硬件配置為UP2000 CCD 相機(jī)，其有效像素為 1 628 ×1 236，鏡頭選用GCO-260203 型5 ×遠(yuǎn)心測(cè)微鏡頭，共焦測(cè)頭選用KEYENC LT-9031M，其檢測(cè)范圍為 ±1 000 μm。

為了確定系統(tǒng)檢測(cè)精度，需對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量不確定度進(jìn)行分析，其顯微在線檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量不確定度同時(shí)受許多因素影響，為了確定它們對(duì)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)所產(chǎn)生的影響，需建立其數(shù)學(xué)模型，由于顯微在線檢測(cè)系統(tǒng)中的2 個(gè)測(cè)量子系統(tǒng)在建立坐標(biāo)系時(shí)，都將主軸(Z 向運(yùn)動(dòng)平臺(tái))的坐標(biāo)原點(diǎn)建立在測(cè)量裝置的中心，不存在測(cè)端相對(duì)于主軸的偏置;由于系統(tǒng)中增加了配重裝置，能夠使顯微在線檢測(cè)系統(tǒng)在整個(gè)工作范圍內(nèi)的重心位置均處于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)滑塊的中心附近，故可以不考慮直線運(yùn)動(dòng)的滾轉(zhuǎn)誤差;實(shí)際測(cè)量中在Y 向和Z 向上發(fā)生的實(shí)際位移量很小，而且偏擺角和俯仰角誤差所產(chǎn)生的是二次誤差，在此可以不考慮;垂直度誤差將作為系統(tǒng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，在下面的不確定度分析中不予考慮。經(jīng)上述分析，本系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)測(cè)量不確定度的影響的數(shù)學(xué)模型可簡(jiǎn)化為

Δx= δx(x)+ δx(y)+ δx(z)，

Δy= δy(x)+ δy(y)+ δy(z)，

Δz= δz(x)+ δz(y)+ δz(z)，

式中 Δx，Δy，Δz 分別為測(cè)量軸 X，Y，Z 的測(cè)量誤差;δi為i 軸的定位誤差;δi(y)為 i 軸 Y 向直線度誤差;δi(z)為 i 軸Z 向直線度誤差。

各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)誤差測(cè)量結(jié)果如表1 所示，將表中數(shù)據(jù)代入公式中，由運(yùn)動(dòng)誤差引起的各個(gè)測(cè)量方向的測(cè)量誤差為:X 軸 0.43 μm、Y 軸 1.08 μm、Z 軸 1.22 μm。

表1 測(cè)量誤差Tab 1 Measuring error

采取直徑999.36 μm 的標(biāo)準(zhǔn)球?qū)υ诰€檢測(cè)系統(tǒng)的顯微視覺(jué)檢測(cè)方式進(jìn)行了檢測(cè)精度驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如表2 所示，其檢測(cè)誤差小于1 μm，考慮到實(shí)際微球?yàn)榘胪该髑蝮w，其成像比標(biāo)準(zhǔn)球要差，其誤差可小于3 μm。

將共焦測(cè)頭與TESA 電感測(cè)頭進(jìn)行位移測(cè)量的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證其檢測(cè)精度，結(jié)果見(jiàn)表3，可見(jiàn)LT-9011M 型共焦測(cè)頭相對(duì)電感測(cè)頭的極限偏差為0.5 μm，其檢測(cè)精度可以滿足裝配在線檢測(cè)要求。

表2 測(cè)量結(jié)果Tab 2 Measuring result

表3 對(duì)比測(cè)試結(jié)果Tab 3 Result of contrast test

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

利用本系統(tǒng)對(duì)圖1 所示結(jié)構(gòu)的靶進(jìn)行了半自動(dòng)裝配實(shí)驗(yàn)，并分別對(duì)直徑為 1，0.8 mm 的柱腔，直徑為 0.25 ～0.5 mm的微球各種不同規(guī)格的靶零件進(jìn)行裝配，裝配實(shí)驗(yàn)圖片如圖9 所示。

圖9 裝配過(guò)程圖Fig 9 Picture of assembling process

對(duì)裝配完后的靶實(shí)驗(yàn)樣品采用微CT 進(jìn)行了裝配精度測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖10 所示，微球相對(duì)于柱腔中心的徑向偏差為:X 向 6 μm，Y 向 5 μm，軸向偏差為 23 μm。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出:微球的徑向裝配精度較高，滿足系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)指標(biāo)10μm，但軸向裝配精度較差，大于初始設(shè)計(jì)指標(biāo)10 μm。徑向裝配精度主要是由于裝配過(guò)程引起的偏差，支撐膜的不均勻性引起偏差較小可以忽略不計(jì);而軸向裝配精度影響因素有左、右半腔支撐膜厚度不一致、兩半腔軸向加工精度(約10 μm)、裝配過(guò)程柱腔運(yùn)動(dòng)方式等因素，其中前兩者是主要影響因素，且無(wú)法在裝配過(guò)程中修正;因此，若進(jìn)一步提高軸向精度需要提高零件的加工精度，同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定運(yùn)動(dòng)軌跡減少裝配過(guò)程引起的偏差。

圖10 樣品CT 檢測(cè)結(jié)果Fig 10 Detection result by CT of sample

4 結(jié) 論

本文針對(duì)ICF 實(shí)驗(yàn)用微靶研制了一種微器件半自動(dòng)裝配系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用顯微視覺(jué)檢測(cè)與激光共焦檢測(cè)相結(jié)合的顯微在線檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行裝配中的零件位置的實(shí)時(shí)檢測(cè)，以形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高裝配精度。針對(duì)柱腔、微球等零件特性，分別采用真空吸附式和壓電雙晶片夾持式微夾持器實(shí)現(xiàn)零件的無(wú)損拾取與釋放;裝配實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明:本系統(tǒng)裝配精度可以達(dá)到10 μm。

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