基于微小型平板類零件微裝配系統(tǒng)的研究*

慕 麗，孫全偉，郝永平，劉 揚

（沈陽理工大學(xué)遼守省先進制造與裝備重點實驗室，沈陽 110159）

基于微小型平板類零件微裝配系統(tǒng)的研究*

慕 麗，孫全偉，郝永平，劉 揚

（沈陽理工大學(xué)遼守省先進制造與裝備重點實驗室，沈陽 110159）

文章針對平板類微小型零件的裝配，提出了基于主機與三維精密電控臺的圖像識別為一體的控制系統(tǒng)，多種傳感器相協(xié)調(diào)的工作方法，并根據(jù)平板類微小零件不易直接夾持的特點，設(shè)計了吸附式微夾持器并進行了相關(guān)可靠性的分析，同時建立了一套以視覺為基礎(chǔ)的圖像識別以及示教編程微裝配軟件控制系統(tǒng)，通過Halcon機器視覺軟件進行模板創(chuàng)建和模板匹配，實現(xiàn)了微小件的精密拾取與裝配，最后通過試驗證明了可以達到一定的精度要求。

微裝配系統(tǒng)；吸附夾持器；模板匹配

0 引言

隨著高科技的不斷發(fā)展，微小型零件的裝配技術(shù)越來越被得到高度重視，由于該項技術(shù)是武器彈藥微小型化的關(guān)鏈技術(shù)之一，是精密微小型制造技術(shù)中的重要組成部分，裝配質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響小型系統(tǒng)的運行特性和可靠性。在近些年的研究中，已經(jīng)初步實現(xiàn)了單一結(jié)構(gòu)的零件裝配的自動化，在其裝配的安全性和可靠性方面也有了突破性進展，但是對于小批量來說，從根本上看并不符合自動化生產(chǎn)成本效益，需要制作專用模具和制定穩(wěn)定可靠地特殊工藝，過程復(fù)雜且耗時。因此手工藝裝配被人們所青睞，并且到目前為止仍占裝配工作量的90%左右，由于這些產(chǎn)品尺寸微小，加之人們對微觀尺度上把握比較困難，并且裝配時過于依靠個人經(jīng)驗，這樣就造成精度和可靠性及一致性差，極大影響了產(chǎn)品質(zhì)量，微裝配技術(shù)已經(jīng)成為制約微小型制造技術(shù)發(fā)展的關(guān)鏈技術(shù)之一，因此微裝配技術(shù)的研究已引起國內(nèi)外研究人員的高度重視。鑒于微裝配技術(shù)的需求和廣闊的發(fā)展前景，德國，日本，歐美在微裝配系統(tǒng)的研究方面取得了顯著成果，德國Karlsruhe［1］大學(xué)設(shè)計的桌面微操作系統(tǒng)通過微型機器人協(xié)調(diào)工作，完成微器件的抓取、運輸、定位、校準和夾緊等裝配作業(yè)，東京工大學(xué)在體式顯微鏡的監(jiān)控下，實現(xiàn)了直徑30μm的物體自動排列。美國Sandia［2-3］國家實驗室研制的微裝配系統(tǒng)研究了微鉗夾取微環(huán)的動作，該系統(tǒng)能將直徑50μm的齒輪裝配到直徑為44μm的軸上。中國在微裝配技術(shù)方面也取得了可喜的成果，清華大學(xué)精儀系研究的基于光學(xué)顯微系統(tǒng)的微裝配系統(tǒng)主要包括精密承載工作臺系統(tǒng)，顯微立體視覺分系統(tǒng)，左右微夾持器已經(jīng)控制驅(qū)動微系統(tǒng)，通過實驗證明能實現(xiàn)微孔/軸的三維裝配［4-5］。此外，北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、大連理工大學(xué)在微裝配研究方面也取得了較好的成果。本文針對平板類微小零件提出了多自由度的微裝配控制技術(shù)以及針對平板類零件拾取的吸附式夾持器。

1 微裝配的總體設(shè)計

硬件和軟件組成一個完整的微裝配系統(tǒng)，硬件主要完成裝配任務(wù)的定位、搬運、抓起、夾緊、釋放。而軟件系統(tǒng)主要完成硬件參數(shù)的管理、分配與調(diào)度，負責(zé)將相關(guān)參數(shù)命令通過硬件接口發(fā)送給硬件執(zhí)行?；诒疚牡奈⑿〖b配系統(tǒng)，這里將系統(tǒng)分為硬件區(qū)和軟件區(qū)，硬件區(qū)包括底層硬件（含執(zhí)行硬件）、邏輯控制硬件和控制平臺硬件，軟件區(qū)主要包括界面層、數(shù)據(jù)層、邏輯層。如圖1所示為微裝配系統(tǒng)硬件及軟件架構(gòu)組成。

圖1 微裝配系統(tǒng)的分層架構(gòu)

（1）底層硬件：邏輯硬件下達的命令以后由底層硬件接受，然后執(zhí)行指定裝配動作，從而完成裝配工藝。

（2）邏輯硬件：接受軟件區(qū)下達的命令，繼而分配底層硬件的邏輯裝配動作順序。用以確保底層硬件執(zhí)行順序的可靠。

（3）總控制平臺：監(jiān)控微裝配過程，管理界面層、數(shù)據(jù)層、邏輯層的調(diào)度，負責(zé)微裝配的決策控制。

（4）界面層：主要提供交互式的操作界面，處理整個系統(tǒng)中各類數(shù)據(jù)，是數(shù)據(jù)層和邏輯層的通信橋梁。

（5）數(shù)據(jù)層：對界面層發(fā)出的輸入/輸出、通信數(shù)據(jù)操作，為界面層和邏輯層提供數(shù)據(jù)，告知邏輯層。

（6）邏輯層：當(dāng)界面層下達命令后，調(diào)用數(shù)據(jù)層的控制數(shù)據(jù)，將命令通知邏輯硬件。

1.1 微裝配的硬件系統(tǒng)組成

基于本文研究的微裝配硬件系統(tǒng)主要包括：北京卓立漢光的三自由度精密電位移臺和MC600控制箱，西安維視的CMOS面陣式工業(yè)相機，阿爾泰高速數(shù)據(jù)采集卡及信號調(diào)理模塊，SMC精密氣動系統(tǒng)，奧突斯工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的氣泵，真空吸附頭組成。圖2所示微裝配系統(tǒng)的機械系統(tǒng)組成。

圖2 微裝配硬件系統(tǒng)組成

1.2 微裝配的軟件系統(tǒng)設(shè)計

微裝配軟件系統(tǒng)的構(gòu)建，采用Viusal C++6.0做為開發(fā)工具，應(yīng)用模塊化的軟件開發(fā)方法。軟件總體界面采用1行2列的界面布局，總體界面如圖3所示。圖3所示［6］界面用于手動裝配或示教編程微裝配場合。

圖3 微裝配手動裝配與示教裝配界面

點擊圖3所示界面，菜單欄的“操作窗口切換”選項，即可進入微裝配模式識別裝配界面。進行模式識別微裝配，首先應(yīng)完成工業(yè)相機的標定［7］；其次通過相機參數(shù)校正圖像的變形；再次采用模板匹配算法完成微小件的定位；最后結(jié)合標定的視覺比例因子，進而完成微小件的裝配任務(wù)。

采用模塊化的軟件設(shè)計方法，整個系統(tǒng)分別由電位移臺控制子模塊、圖像采集子模塊、真空吸附子模塊、示教編程子模塊、相機標定與模式識別子模塊組成。對于一個軟件控制系統(tǒng)來說，分層模型的提出不僅有助于各模塊之間的通訊和移植，而且使復(fù)雜問題變得結(jié)構(gòu)更加清晰、層次更加分明。這里將微裝配系統(tǒng)軟件層分為三個層次，包括界面層、數(shù)據(jù)層、邏輯層。

根據(jù)軟件的分層架構(gòu)，建立了相關(guān)的VC++類，以提高程序的可重用性，同時分離出管理數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)顯示的程序代碼，這符合MFC框架的MCV思想。微裝配系統(tǒng)軟件框架類的繼承關(guān)系如圖4所示。

為使控制軟件具有良好的程序響應(yīng)，采用了多線程技術(shù)。如果單純的用一個主線程來處理各模塊的數(shù)據(jù)通信，那么主界面很可能出現(xiàn)一些問題。要使硬件的性能充分發(fā)揮就很困難了，無法獲得最佳的使用率。在實際應(yīng)用中，一般以主線程處理所有的用戶輸入和界面管理，讓其保持中樞的地位，使用一個以上的輔助線程來進行耗時計算處理或端口通信。因此，基于視覺組建的微裝配軟件，這里應(yīng)用了若干個線程，在線程的同步方面，采用臨界區(qū)域法，保證了線程間的通信和數(shù)據(jù)共享。

圖4 控制軟件MFC框架類繼承關(guān)系

2 平板類微小零件的吸附式夾持器

基于平板類微小零件的特點，我們設(shè)計并制造出了真空吸附夾持器，按照拾取零件尺寸的不同，微夾持器采用不同孔徑的吸嘴，最小0.05mm，最大0.3mm，總共被分成5類，可以吸取0.5～10mm不同尺寸的零件。為了保證吸附夾持器在下落的過程中不至于撞擊到零件表面，在吸附頭的上方裝有傳感器，傳感器與Z軸的控制線路相連，從而保證了吸附針端點的安全。為了驗證夾持方案的可行性，我們從以下另個發(fā)面考慮，第一，吸附釋放力的大小，主要考察能否順利拾取和釋放零件，這里通過微器件的靜力學(xué)模型來闡釋。第二，所設(shè)計的夾持器內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)密封性的可靠性。

2.1 微器件靜力學(xué)模型

吸附狀態(tài)和釋放狀態(tài)是微器件靜力平衡狀態(tài)下主要包括的兩種情況，因此建立這兩種狀態(tài)下的力學(xué)模型，不僅能夠從理論上準確確定吸附氣壓或釋放氣壓，而且能提高裝配的成功率。

當(dāng)真空吸附式微夾持器拾取零件時，需要克服兩方面的力，即零件自身的重力和零件與托盤間的粘附力，吸附狀態(tài)下微器件受力情況如圖5所示。為了簡化計算微尺度力中只考慮范德華力。

由圖5可知完成零件吸附的條件為：

其中，F(xiàn)vac為微吸頭產(chǎn)生的負壓吸附力；Fvdw為微器件與微吸頭之間的范德華力；G為微器件自身的重力；fvdw為微器件與托盤之間的范德華力。

當(dāng)微夾持器拾取到零件并運動到指定位置后，需要將零件進行可靠釋放，但是由于尺度效應(yīng)的存在，粘附力遠大于重力，這時僅僅依靠自身重力無法完成對零件的釋放，因此就需要微夾持器產(chǎn)生正壓力來保證零件的成功釋放，釋放時的力學(xué)模型如圖6所示，則完成零件成功釋放的條件為：

其中，F(xiàn)vac為微吸頭產(chǎn)生的正壓釋放力。

在公式（1）和（2）中Fvac分別表現(xiàn)為吸附力和釋放力，它是通過微夾持器真空回路與大氣之間的壓力差來產(chǎn)生的，因此其計算公式為：

其中，A為微吸頭吸附面積；d為微吸頭內(nèi)徑；Δp為真空回路與大氣間的壓力差。

圖5 微器件吸附受力圖

圖6 微器件釋放

2.2 密封結(jié)構(gòu)的密封性能分析

為了保證氣密性的要求，在吸附頭頂端拉釘與拉桿之間以及吸附頭內(nèi)部拉釘與內(nèi)套之間都設(shè)置有密封結(jié)構(gòu)，采用O形密封圈進行密封。根據(jù)具體結(jié)構(gòu)尺寸和相關(guān)標準，O形圈密封槽標準結(jié)構(gòu)參數(shù)［8］為：槽深h=1.4mm，槽寬b=2.2mm，O形圈線徑d=1.8mm。密封結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示，由于加工條件的局限，經(jīng)測量加工后密封槽的結(jié)構(gòu)尺寸為：槽深h=1.3mm，槽寬b=2.11mm。這樣可能就會影響O形圈的密封效果，因此，決定通過ANSYS軟件對密封效果進行仿真。

O形圈屬于橡膠制品，橡膠材料是一種超彈性、可高度變形的材料，在實際應(yīng)用中，橡膠材料存在著復(fù)雜的邊界條件和接觸非線性等各種問題［9］。Mooney-Rivlin本構(gòu)模型可以很好地描述橡膠類不可壓縮超彈性材料在大變形情況下的力學(xué)特性。簡化的Mooney-Rivlin函數(shù)可以表示為：

式中：W—應(yīng)變能；

C1、C2—Mooney-Rivlin系數(shù)，可由從實驗獲得的經(jīng)驗公式中根據(jù)橡膠材料的硬度或彈性模量計算

得出［10］，根據(jù)本文 O形圈材料的硬度與彈性模量，計算得C1=1.86，C2=0.47；

I1、I2—第一、第二應(yīng)變張量不變量。

本文在橡膠的計算模型中假定密封圈材料具有確定的彈性模量E和泊松比μ，并且取E=14.04MPa，μ=0.499，其拉伸與壓縮的蠕變性質(zhì)相同且蠕變不引起體積的變化。在ANSYS仿真模型中，橡膠單元采用超彈單元PLANE182，套和軸單元采用線性實體單元PLANE42，設(shè)置單元的材料屬性和Mooney-Rivlin系數(shù)，采用智能網(wǎng)格劃分，得到的有限元模型如圖8所示。接觸單元采用建立接觸對時ANSYS自動生成的TARGE169單元和CONTA172單元。建立接觸對時以密封圈作為接觸體，套和軸作為目標體。

圖7 密封結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 O形圈有限元模型

給內(nèi)套的Y方向施加一個位移，視為壓縮量，內(nèi)套的X方向和軸的X、Y方向自由度定義為0，設(shè)置分析類型和分析選項，求解結(jié)果。密封圈線徑d=1.8mm時發(fā)現(xiàn)由于結(jié)構(gòu)尺寸的變化考慮到摩擦給密封圈帶來的損害其仿真結(jié)果并不理想，于是采用密封圈線徑d= 1.5mm的密封圈，接觸壓力和范·米塞斯（Von Mises）應(yīng)力如圖9和10所示。密封圈的密封能力主要體現(xiàn)在接觸壓力的大小，保證密封的必要條件就是密封界面上的最大接觸壓力大于或等于密封圈兩側(cè)流體壓力，越大密封性能越好，但過大會加劇密封圈的磨損，影響使用壽命。我們希望密封圈既能有良好的密封效果，又不會有太大的接觸壓力和Von Mises應(yīng)力。

由圖9和圖10可以看出d=1.5mm時，最大接觸壓力為2.386 MPa，最大Von Mises應(yīng)力為2.028 MPa，兩側(cè)的氣體的最大壓力是0.5MPa，所以本文所采用的1.5mm的密封圈密封效果良好。

圖9 d=1.5mm時O形圈接觸壓力

圖10 d=1.5mm時O形圈Von M ises應(yīng)力

3 基于形狀的模板匹配

模板匹配是圖像處理過程中的核心部分，它決定著整個裝配過程的成敗，但是如果單純的采用VC++來編程將會非常的復(fù)雜，因此我們采用德國MVTec公司開發(fā)的Halcon機器視覺開發(fā)軟件作為輔助開發(fā)軟件，不僅降低了工作難度而且大大提高了工作效率，Halcon的HDevelop開發(fā)環(huán)境中提供的匹配的方法主要有三種，分別是基于組件的匹配、基于灰度值的匹配、和基于形狀的匹配，這三種匹配方法各具特點，分別適用于不同的圖像特征，這里根據(jù)需要我們選擇基于形狀的模板匹配。

3.1 模板的創(chuàng)建

Halcon提供的基于形狀匹配的算法主要是針對感興趣的區(qū)域來建立模板，創(chuàng)建模板前對待裝配的零件進行相關(guān)參數(shù)檢測，用來選擇出合適的模板零件，確定待識別零件的ROI的矩形區(qū)域，并用gen-rectangle（）生成一個矩形，然后由算子reduce-domain（）獲取該矩形區(qū)域，隨后進行一系列的形態(tài)學(xué)的處理，比如用media-image（）進行均值濾波，用smooth-image（）進行圖像平滑，接下來創(chuàng)建一個模板，可以使用createscaled-shape-model（）這個函數(shù)，并用具有檢測參數(shù)功能的inspect-shape-model來檢測模板參數(shù)，然后用get -shape-model-contours（）獲取模板輪廓，最后再用write-shape-model（）將建好的模板保存到指定的位置，其基本流程圖如圖11所示。

圖11 模板創(chuàng)建的流程圖

3.2 模板匹配

模板匹配就是在新的圖像中尋找與模板匹配圖像的過程，首先用read-shape-model（）從內(nèi)存中讀取一個模板，并由get-shape-model-contours（）獲取到模板的輪廓，然后將適時采集到的待匹配的圖像輸入，下一步就可以用find-scaled-shape-model（）進行模板匹配，通過對函數(shù)中參數(shù)的設(shè)置來控制尋找模板的速度和精度，最后對已經(jīng)匹配的圖像設(shè)置吸附點。這樣圖像匹配的過程就基本完成了，由Halcon編好的程序最終要導(dǎo)入到Visual C++6.0中編出一個可視化的程序，通過信號的觸發(fā)、反饋最終控制位移臺對已經(jīng)識別的零件進行拾取，搬運，裝配等一系列的動作。模板匹配的流程圖如圖12所示，創(chuàng)建模板和模板匹配的實物圖如圖13。

圖12 模板匹配的流程圖

圖13 創(chuàng)建模板和模板匹配的實物圖

在部分人工干預(yù)的情況下，我們總共進行了5組裝配試驗，將5組裝配測量數(shù)據(jù)，經(jīng)四舍五入求取平均值，整理后如表1所示。

通過表1數(shù)據(jù)可以看出，最高裝配定位精度可達4.9μm，可以達到實際的精度要求，滿足生產(chǎn)的使用需求。面向微裝配的真空吸附控制系統(tǒng)具有較強的實用性，控制軟件操作簡單可靠，有效的保證了微小零件的裝配精度和產(chǎn)品合格率。

表1 裝配精度測量數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

本文針對平板類微小型零件的裝配，提出了基于主機與三維精密電控臺的圖像識別為一體的控制系統(tǒng)，多種傳感器向協(xié)調(diào)的工作方法，并根據(jù)平板類微小零件不易直接夾持的特點，設(shè)計了吸附式微夾持器并在理論上進行了可靠性的分析，在試驗中取得了較好的效果；通過Halcon提供的算子實現(xiàn)了模板的創(chuàng)建與匹配，由VC++編出可視化的程序界面，通過實驗測得的裝配精度可以達到預(yù)想的數(shù)值。由于本實驗還不能完全實現(xiàn)全自動化的操作，部分需要人工示教編程，并且在圖像識別的過程中，由于光線的影響偶爾會出現(xiàn)圖像采集失敗等缺點，相關(guān)改進正在進行。

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（編輯 趙蓉）（編輯 趙蓉）

Study on Based on Micro-plate Parts Micro-assembly System

MU Li，SUN Quan-wei，HAO Yong-ping，LIU Yang
（Key Laboratory of Advanced Manufacture and Equipment of Liaoning Province，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China）

This paper presents a micro-assembly control system direct at micro-plate parts，and introduce the control system based on master computer and three-dimensional precision console with image recognition，and various sensors coordination of work methods.On the basis of micro-plate on picnic was clamped，so absorbing micro-gripper was designed，and Analyzed the relative reliability，At the same time to establish a set of vision based image recognition and teach programming software control system for micro assembly，Create templates and template matching by Halcon machine vision software，To achieve the precision of pickup and assembly of micro small，finally the experiment proves that can meet the precision requirement.

micro-assembly-system；adsorption-holder；template-matching

TH165；TG65

A

1001-2265（2015）06-0149-05 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.06.041

2014-09-17；

2014-10-28

國家863計劃資助項目（2009AA04Z167）；遼寧省自然科學(xué)基金（201102182）

慕麗（1965—）女，沈陽人，沈陽理工大學(xué)教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向為機械工程中測控技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)等方面信號采集及分析、虛擬儀器開發(fā)、機器狀態(tài)檢測，（E-mail）muli98@sohu.com。