懸絲擺式加速度計擺組件自動裝配系統(tǒng)

任同群，錢志龍，徐 龍，王曉東*

（1. 大連理工大學 精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧 大連 116024；2. 大連理工大學 微納米技術及系統(tǒng)遼寧省重點實驗室，遼寧 大連 116024；3. 陜西寶成航空儀表有限責任公司，陜西 寶雞 721006）

1 引 言

微型懸絲擺式加速度計具有小型化、大量程和高抗沖擊振動的特點，被廣泛應用于航空、航天等慣性導航領域。擺組件作為其核心組成部分，裝配精度直接影響加速度計的測量準確性。長期以來，該類型加速度計的裝配主要依靠手工完成，勞動強度大，自動化程度低，裝配一致性差，批量化生產困難。因此，亟需研制開發(fā)擺組件自動化精密裝配設備，滿足裝配效率和精度的要求。

擺組件自動裝配的難點在于：待裝配零件多，形狀及尺寸跨度大；撓性細懸絲的長距離穿絲。針對多個跨尺度異形零件的裝配，一種解決思路是增加裝配系統(tǒng)自由度，在不同自由度末端采用不同的夾持裝置，進而實現多類型零件的精密裝配［1-2］。自由度的增加必然導致系統(tǒng)復雜，功能存在冗余，控制難度較大。另一種解決思路是將不同的夾持裝置整合成工具庫，利用特殊的末端結構，通過換接不同的工具來實現多類型零件的精密裝配［3-4］。該方法不增加裝配系統(tǒng)自由度，結構緊湊，控制簡單，但末端結構設計相對較難，工具庫的空間配置需要嚴格規(guī)劃。

對于細懸絲的穿絲，送絲機構主要包括機械式和氣壓輔助式。其中，機械式送絲主要采用滾輪［5-6］或者鋸齒撥動［7-8］的方式，實現穿絲進給。這種方式穿絲機構簡單，再輔以導向機構可以實現平穩(wěn)送絲［9］，但容易對細絲造成機械損傷，一般適用于硬質金屬絲。氣壓輔助式送絲利用壓縮氣源或真空發(fā)生器產生送絲通道的內外腔壓強差，為送絲提供動力。該方法可實現小尺寸柔性細絲的無損穿絲，如清華大學提出了高壓氣體引導穿絲的自動穿絲方法［10］，通過仿真驗證氣壓輔助式穿絲的可行性，并分析了壓強、入口氣體流速、噴管口徑等對穿絲過程的影響；哈爾濱工業(yè)大學研制了一種低摩擦恒張力的送絲系統(tǒng)［11］，利用真空導絲器對直徑25 μm 的金絲進行引導并送入1 mm 的錐形孔中，并利用真空張緊器實現金絲張緊力的控制。但該方法穿絲機構及控制相對復雜，送絲通道要求連續(xù)，可視化程度一般較低。

綜上所述，根據待裝配零件的特點和相關方法與裝置的優(yōu)缺點，研制了一套專用于微型懸絲擺式加速度計擺組件自動裝配系統(tǒng)。開發(fā)專用的裝配夾具，解決多個跨尺度零件的夾持問題，保證擺組件的方便拆卸及精度保持；基于帶坡度的精密引導槽，實現撓性細懸絲的長距離穿絲；采用反射棱鏡，實現基于單相機的空間視覺測量功能。

2 設備總體方案

微型懸絲擺式加速度計擺組件包括：渦流片、擺框架、接線片、玻璃管及撓性細懸絲。重慶大學路永樂針對懸絲擺式加速度計結構及原理進行詳細闡述［12］。參照文獻12 中的加速度計慣性組件，對其零件和組件結構進行了集中示意，如圖1 所示。其中擺框架是支撐整個慣性組件的零件，尺寸為毫米級，其兩邊及下端加工有對稱的彎耳。懸絲是慣性組件中最小的零件，且具有彈性，由導電材料鉑銀合金制造而成，其橫截面為矩形，截面尺寸為微米級。兩個玻璃管內徑小于0.5 mm，接線片和渦流片外形尺寸都不大于4 mm。慣性組件的五種零件形狀復雜、外形尺寸跨度較大，且待裝配零件易變形。

圖1 待裝配零件描述Fig.1 Description for the parts to be assembled

其裝配完成效果如圖1（b）所示。該設備裝配技術要求參見圖1（c）：以兩側彎耳內邊緣以及擺框架內表面為對齊基準，將接線片裝配到擺框架下端兩彎耳之間并居中，且接線片與擺框架平行度小于20 μm；將渦流片裝配到擺框架左側彎耳處，位置精度Δ1為0.1 mm，且渦流片與擺框架兩平面的平行度小于20 μm；將懸絲穿入兩個同軸放置的玻璃管內，且保證在玻璃管內居中，其對稱度為0.03 mm，懸絲中心與擺框架上側內表面的位置精度Δ2為0.05 mm；將穿入懸絲的玻璃管放入擺框架下端彎耳內并保證玻璃管中心與渦流片中心位置精度Δ3為0.05 mm；控制懸絲張緊力精度為±0.5 g。

裝配過程可分解為接線片裝配、渦流片裝配、穿絲及調心對中、玻璃管裝配等環(huán)節(jié)，每一環(huán)節(jié)完成后均需要獨立的烘膠工藝處理。由于待裝配零件較多，需實現玻璃管、接線片、渦流片相對擺框架的居中且懸絲實現相對玻璃管的穿入及水平和豎直方向的調心，使該裝配設備所需調整自由度較多，因此該設備采用部分專用夾具來保證裝配精度，此方式可降低系統(tǒng)復雜程度。由于需獲取接線片、懸絲及玻璃管的三維信息，采用雙相機立體視覺測量會提高系統(tǒng)復雜度且空間布局局促，因此采用單相機＋45°斜面外反射棱鏡的測量方式來獲取零件的三維信息。穿絲過程中，由于玻璃管是分離的兩段，采用輔助氣流的方式難以實現送絲控制，又由于玻璃管內徑較小，因而懸絲穿入采用帶斜坡導向槽的方式完成。進一步對裝配任務進行分析，設計了四個主要功能模塊，包括視覺測量模塊、上、下裝調模塊和穿絲調心模塊，如圖2 所示。

圖2 設備整體結構Fig.2 Overall design of the assembly system

3 設備搭建及工作原理

3.1 功能模塊

3.1.1 裝調模塊

裝調模塊分為上裝調模塊及下裝調模塊，上裝調模塊包含三軸精密位移滑臺、真空吸附裝置和對應不同裝配環(huán)節(jié)的上工裝夾具，其結構如圖3 所示。上裝調模塊的主要功能是實現上夾具工裝的拾取和移動，以完成待裝配零件的相對位置調整。

圖3 上裝調模塊及其夾具工裝Fig.3 Upper operating module and corresponding fixture

渦流片裝配中，渦流片及擺框架通過各自的壓片安裝于上工裝夾具，Y，Z方向的裝配位置由夾具工裝保證。其中，渦流片與擺框架的安裝面的平行度通過其對應的夾具定位面保證；在視覺模塊的輔助下，X方向的位置調整通過手動旋轉進給絲桿完成。接線片裝配中，接線片安裝于下工裝夾具，移動擺框架實現兩者的裝配。此時需要三個移動自由度以及調整姿態(tài)的旋轉自由度。其中，Y方向的位置對準通過45°反射棱鏡獲取擺框架及接線片的位姿信息（參見3.1.3），下裝調模塊完成姿態(tài)的調整，上裝調模塊完成位置的調整；Z方向的位置調整通過上、下工裝合體實現。懸絲相對于玻璃管的居中及玻璃管相對于擺框架的居中與上述原理類似。

真空吸附裝置包括真空吸盤及吸盤安裝臂。由于上夾具工裝無俯仰自由度的調整，因此在上下夾具工裝合體時，軟質吸盤可減少由俯仰角造成的沖擊，保證工裝合體時的穩(wěn)定。綜合考慮夾具工裝的重量及其形狀，工裝上表面設計為吸附面，采用4 個直徑為15 mm 的真空吸盤，氣源壓力為0.5～0.6 MPa。上夾具工裝 如圖3（b）所示，其側面集成渦流片裝配機構，利用高精密耐熱型直線導軌作為導向裝置，進給絲桿長度通過裝配尺寸鏈計算所得，通過進給絲桿和拉簧來保證渦流片的進給，使渦流片裝配精度Δ1 小于0.1 mm。右側渦流片鎖緊板實現裝配完成后的裝配位置保持。

下裝調模塊主要通過精密轉臺提供旋轉自由度的調整，配合上裝調模塊三自由度精密位移滑臺來實現慣性擺零件的位姿調整，即實現玻璃管或接線片旋轉自由度的調整，該模塊主要由精密旋轉平臺、下夾具工裝安裝支座、彈簧夾緊裝置頂升氣缸、下夾具工裝鎖緊氣缸以及下夾具工裝構成，如圖4 所示。

圖4 下裝調模塊及其夾具工裝Fig.4 Lower operating module and corresponding fixtures

精密轉臺安裝在光學平臺上，實現接線片或玻璃管相對于擺框架在水平面的角度調整以及懸絲在玻璃管內的姿態(tài)調整。精密轉臺上通過螺釘固連下夾具工裝安裝支座，安裝支座上板中心設有矩形通孔用于頂升氣缸通過。安裝支座上表面設有多個定位塊，用于下夾具工裝的定位。鎖緊氣缸用來將下工裝固定在安裝支座上，避免轉臺轉動時發(fā)生竄動。下夾具工裝為可換接式夾具，分別安裝接線片夾具片和玻璃管夾具片，如圖4（c）～4（d）所示，借助工業(yè)相機獲取零件各個裝配位姿信息，通過移動真空吸盤及轉臺使上下工裝到達裝配狀態(tài)，最后實現上下工裝合體，如圖4（b）所示。其中，下夾具工裝的中心設有豎直階梯通孔，用于安裝彈簧夾緊裝置，裝配時頂升氣桿推出將彈簧夾緊裝置的夾緊桿頂升，合體時頂升氣桿退回，利用彈簧夾緊力上下夾具工裝合體功能。

玻璃管夾具片細節(jié)如圖5 所示。通過下工裝的左、下側定位面保證夾具片的安裝精度，玻璃管夾具片采用帶斜坡懸絲引導槽的方式保證懸絲平穩(wěn)穿入兩同軸玻璃管。由于需實現懸絲相對兩段玻璃管的穿入，兩玻璃管通過夾具片上的兩同軸V 型槽定位，同時為保證玻璃管的夾緊，設置夾持機構。撥動開關可90°旋轉，懸絲穿入玻璃管后通過夾具片上的懸絲夾緊機構實現懸絲夾緊。懸絲的裝配采用部分通過夾具保證，玻璃管夾具片的懸絲定位面保證懸絲相對玻璃管在豎直面的居中。懸絲夾緊機構中懸絲夾采用波紋狀接觸面，拉直后其張緊力不變。擺框架與接線片或玻璃管的裝配通過上下夾具工裝合體保證其相對姿態(tài)。

圖5 玻璃管夾具及其夾緊原理Fig.5 Fixture for glass tubes and its locking principle

3.1.2 穿絲調心模塊

穿絲調心模塊實現懸絲前后自由度以及穿絲進給方向自由度的調整，通過步進直線電機驅動穿絲夾鉗實現懸絲相對于玻璃管的穿入，并由微力傳感器控制懸絲張緊力，主要由穿絲機構及兩側懸絲微調機構組成，如圖6 所示。

圖6 穿絲調心模塊Fig.6 Schematic diagram of threading module

裝配時，右側懸絲夾鉗將懸絲夾緊，并將懸絲穿入裝夾在玻璃管夾具片上的兩個同軸玻璃管中。穿絲完成后左側懸絲微調夾鉗夾緊懸絲末端，結合微力傳感器驅動直線電機精確控制懸絲張緊力，懸絲張緊力控制精度可達到±0.5 g。懸絲豎直方向的居中已通過玻璃管夾具片的懸絲定位面保證，借助視覺模塊，通過自動調整左右兩側精密位移滑臺完成懸絲相對于玻璃管在水平方向的居中。

裝配零件的姿態(tài)調整通過精密轉臺實現，Y方向的位置調整通過裝調模塊UP_Y軸實現，懸絲相對于玻璃管的居中通過左右兩側R_Y，L_Y軸實現，因此該設備對轉臺、R_Y，L_Y及UP_Y軸的精度要求較高。由于X方向的調整是在同一視場范圍內，因此對UP_X軸精度要求較低。該設備運動模塊的主要參數如表1 所示。

表1 運動模塊主要參數Tab.1 Main parameters of motion module

3.1.3 視覺測量模塊

視覺測量模塊主要功能是采集不同位置待裝配零件的位姿信息，主要由工業(yè)相機、遠心鏡頭、同軸/環(huán)形光源及光源控制器和三軸精密位移滑臺構成，如圖7 所示。

圖7 空間圖像數據測量原理圖Fig.7 Schematic diagram of visual measurement module

該設備采用“單相機＋反射棱鏡”的測量方式，獲取零件三維空間的位姿信息，測量原理如圖7 所示。工業(yè)相機安裝在三軸精密位移滑臺上，且拍攝方向與Y軸平行。根據裝配需求，選擇兩倍放大倍率，采用畸變率低的遠心鏡頭。該測量方式可降低系統(tǒng)復雜度，反射棱鏡相當于虛擬攝像機［13］。視覺模塊V_X軸移動相機至不同測量位置；視覺模塊V_Y軸及V_Z軸可調整相機的上下位置ΔZ實現直接拍攝和棱鏡反射拍攝的切換。根據圖示當相機通過精密位移滑臺調整到被測零件的正前方時，可以采集到零件A 面的圖像數據；當相機通過精密位移動到45°斜面外反射棱鏡正前方時，利用光路的反射成像可拍攝被測零件B 面的圖像數據，以此獲取被測量零件在三維空間的位姿信息。45°斜面反射棱鏡粘接在上夾具工裝的擺框架安裝座內部，通過上裝調模塊吸附上夾具工裝進行三軸的運動，實現不同位置零件的位姿信息獲取。

3.2 控制系統(tǒng)

該設備控制系統(tǒng)包括電路控制系統(tǒng)及氣路控制系統(tǒng)。其中，電路控制系統(tǒng)采用分布式結構。

3.2.1 電路控制系統(tǒng)

電路控制系統(tǒng)主要實現精密位移平臺、轉臺及步進直線電機的運動控制，力反饋閉環(huán)控制回路，同軸光源和環(huán)形光源的自動控制以及電磁閥和氣缸的通斷等。該設備共有十個調整自由度，需實現十軸的運動控制。針對不同的步進電機類型需選擇不同的運動控制方案，其中精密轉臺和直線電機為兩相步進電機，8 個精密位移滑臺均為五相步進電機。該設備中的兩相步進電機的控制采用“PC＋運動控制卡（MPC08E）＋驅動器”結構，五相步進電機的控制采用“PC＋運動控制器（DS112）”結構，如圖8 所示。

圖8 運動控制系統(tǒng)原理圖Fig. 8 Schematic diagram of motion control system

工控機根據控制程序由PCI 總線向運動控制卡發(fā)送運動指令，后者根據相應指令向各步進電機驅動器發(fā)送脈沖及方向信號，同時自動檢測滑臺限位開關，從而完成對10 個精密位移滑臺、轉臺及步進直線電機的控制。當摁下急停按鈕時，運動控制卡外接急停的輸入端口其信號變高電平，隨即運動控制卡停止輸出脈沖信號，實現全部滑臺停止運動。電磁閥采用MPC08E 運動控制卡的通用I/O口來控制電磁閥的動作，實現真空吸盤、鎖緊氣缸及頂升氣缸的開關控制。

力反饋控制回路主要實現懸絲張緊力的精確控制，在穿絲機構中將穿絲夾鉗安裝在高靈敏度的微型拉壓力傳感器上，來實現張緊力的實時檢測并通過控制程序即時控制穿絲夾鉗的進給與退回確保懸絲張緊力在預設范圍內。當懸絲張緊力超過設定閾值時，運動控制卡外部報警輸入呈高電平，則步進直線電機停止運動，使懸絲張緊力達到預設值。其次，相機與光源控制器通過PCI 轉USB 接口與工控機進行通信，其同軸光及環(huán)形光可選用PC 控制模式或者手動控制模式實現不同光照環(huán)境的調整。

圖9 氣路控制系統(tǒng)原理圖Fig. 9 Schematic diagram of gas-path control system

3.2.2 氣路控制系統(tǒng)

其中，為避免水汽或雜質進入氣路而造成氣缸損壞，因而在氣源出口處設置空氣潔凈器，同時設置減壓閥及壓力表，確保設備氣路氣壓在設定范圍內。上工裝及合體工裝在裝配時均需要實現“鎖緊-松開”的雙向動作，且動作要求平穩(wěn)，避免破壞待裝配零件的定位，因而在其支路上均采用兩位五通電磁閥，同時設置調速閥。真空吸盤需產生負壓來實現上工裝的吸附，因而在其支路上設置真空發(fā)生器，為避免真空吸盤吸附微小顆粒雜質而造成吸盤堵塞，同時設置空氣過濾器。氣路連接采用快速連接的方式，其安裝便捷，適應性好。

4 裝配試驗與分析

4.1 裝配設備誤差分析

該設備基于視覺反饋的裝配策略采用“先看-后動”的控制方式，相機的視場大于零件進行一次調整的范圍，即相機可以單次拍攝完成待裝配零件的特征區(qū)域，在該方式下根據同一圖像通過一次調整即完成裝配。參考表1，精密位移滑臺及轉臺的定位精度較高，在此前提下各運動軸安裝偏角誤差對裝配精度有較大的影響。

以接線片裝配為例，上裝調模塊的UP_Y軸實現接線片與擺框架在水平面的對中，UP_Z軸實現上下工裝合體功能，視覺模塊VY 軸獲取不同零件位姿信息，因此其偏轉角會造成測量誤差進而影響裝配精度。因此，需對視覺模塊的VY軸以及上裝調模塊的UP_Z軸及UP_Y軸進行偏轉角誤差標定，其中大連理工大學郝彪針對UP_Z軸的標定原理進行詳細闡述［14］。

UP_Y和VY 的偏角誤差采用一種空間自標定方法，將裝卡接線片的夾具片頂/側面中心線和擺框架側面兩彎耳中心線作為特征線來計算視覺模塊V_Y軸的偏角，測量原理如圖10（a）所示?；_偏轉角是影響裝配精度的主要誤差來源，若由其產生的誤差過大，會導致玻璃管無法正常嵌入擺框架彎耳內，進而導致零件不可逆損壞。因此，對該偏角需進行標定，保證玻璃管嵌入彎耳內。棱鏡安裝角度存在偏差，會影響X，Y方向的裝配精度。在拍攝及裝配操作位置固定時，上述誤差為系統(tǒng)誤差，可通過重復性實驗將其標定得到。按照獲取夾具片頂面中心線-擺框架兩彎耳中心線-夾具片側面中心線的拍攝順序，由于夾具片為標準長方體，其頂面中心線和側面中心線重合，因此擺框架兩彎耳中心線在X方向的像素點坐標X1與夾具片頂面中心線在X方向的像素點坐標X0的偏差值由自身偏差δx及相機沿視覺模塊Y軸后退距離S1造成；同理，擺框架兩彎耳中心線在X方向的像素點坐標X1與夾具片側面中心線在X方向的像素點坐標X2的偏差值由自身偏差δx及相機沿視覺模塊Y軸后退距離S2造成；當移動距離S1，S2遠小于相機工作距離時，根據幾何關系可得到視覺V_Y軸相對于工件坐標系的偏角α的近似約束關系：

圖10 視覺模塊與上裝調模塊Y 軸誤差分析Fig.10 Y axis error analysis of visual module and upper operating module

其中：X0，X1，X2分別為夾具片頂面、兩彎耳側面、夾具片側面中心線像素橫坐標，δx為擺框架兩彎耳中心線與夾具片頂面中心線在X方向的自身偏差，即可求得視覺V_Y軸的偏角α 以及δx：

δx理論計算結果可作為X方向偏差調整量的參考值。以擺框架彎耳中心線作為特征線，上裝調UP_Y軸和視覺模塊VY 軸同時移動距離ΔY，其理論分析圖如圖10（b）所示，根據幾何關系可得上裝調模塊UP_Y軸與視覺坐標系V_Y軸的夾角γ：

4.2 裝配試驗

微型懸絲擺式加速度計擺組件自動裝配設備實物如圖11 所示。其中，設備前部為視覺測量模塊，后部為上裝調模塊，左右兩側為穿絲模塊。

圖11 微型懸絲擺式加速度計擺組件自動裝配設備實物Fig.11 Automatic assembly equipment of pendulous accelerometer pendulum assembly

以接線片裝配為例，如圖12 所示，通過棱鏡獲取接線片及擺框架XOY平面的位姿信息，利用自動聚焦算法及圖像處理獲得兩者平行度誤差，調整旋轉平臺使兩者平行；同理，通過UP_Y軸補償兩者在Y方向的位置誤差，UP_X軸補償兩者在X方向的位置誤差，最終實現兩零件的互裝配。懸絲相對于玻璃管的調心及玻璃管相對于擺框架彎耳的居中與上述方法類似。

圖12 接線片裝配策略Fig.12 Assembly strategy for connection piece

玻璃管相對于擺框架內表面的位置偏差Δ2由合體工裝夾具保證，渦流片相對于懸絲的位置偏差Δ3 由上夾具工裝渦流片安裝座及合體工裝保證，渦流片與擺框架兩平面的平行度由渦流片安裝定位面及擺框架安裝定位面保證，通過電感測微計在標準水平工作臺對裝配夾具兩平面調整，測得其平行度為12.5 μm，滿足平行度要求。

使用該設備對隨機抽取的4 套擺組件零件進行裝配，其中懸絲屬于敏感元件，易損傷，因此每套擺組件零件進行兩次裝配實驗。由于待裝配零件的一致性較差，因此不同零件的裝配誤差存在一定的差異。單視場下，由于設備相機測量精度可達到檢測要求，裝配完成后對裝配件重新觀測，檢測懸絲玻璃管對稱度、接線片擺框架中心偏差以及接線片擺框架平行度；通過SMARTSCOPE ZIP-250 光學測量儀對位置偏差Δ1 進行檢測，實驗數據如圖13 所示。

圖13 裝配實驗檢測結果（μm）Fig.13 Assembly Test Results（μm）

懸絲相對于玻璃管的對稱度、接線片相對于擺框架的中心偏差、接線片相對于擺框架的平行度通過裝配設備的視覺反饋圖像，對像素點進行計算得出。裝配后渦流片的位置精度遠遠優(yōu)于0.1 mm 且平行度優(yōu)于15 μm，接線片、懸絲及玻璃管的位置精度優(yōu)于0.01 mm，對稱度優(yōu)于15 μm，平行度優(yōu)于15 μm，滿足擺組件的裝配精度要求。在裝配精度方面，原用戶現場缺乏裝配精度的有效測量手段，僅對組件最終功能的整體測試。結果表明，合格率約為70%。在裝配效率方面，渦流片裝配效率提升明顯，穿絲及玻璃管裝配涉及烘膠工藝且裝配難度大，單個零件裝配時間較長，因此，裝配效率相比現有手工裝配大大提高，平均裝配時間對比數據如表2 所示。

表2 裝配平均時間對比數據Tab.2 Comparison data of average assembly time（min）

5 結 論

針對微型懸絲擺式加速度計擺組件人工裝配難點，設計了上下固定式和可拆裝式工裝夾具，研制了一臺用于慣性組件的自動精密裝配設備，詳細介紹了該設備的設計方案以及各個模塊的工作原理。該設備可實現5 種跨尺度異性零件的精密裝配，完成渦流片、接線片、玻璃管相對于擺框架的裝配以及懸絲相對于玻璃管的穿入和調心居中，裝配期間工裝夾具方便拆卸且拆卸中精度保持不變。

通過慣性擺組件自動裝配系統(tǒng)進行了裝配實驗，裝配試驗結果表明：渦流片最大位置偏差為10.6 μm，接線片與擺框架居中，接線片中心與擺框架彎耳中心最大偏差為9.7 μm，平行度誤差最大為13.0 μm，懸絲相對于玻璃管中心線最大偏差為14.3 μm。因此，該設備滿足擺組件的裝配精度要求。