模塊化微小零件精密裝配自動化設(shè)備研制

摘要：微小零件具有尺寸小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，裝配過程中存在操作困難、難以實(shí)現(xiàn)自動化等問題。所研制的微小零件自動化精密裝配設(shè)備采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，通過模塊間的相互配合實(shí)現(xiàn)自動上下料、自動點(diǎn)膠、基于機(jī)器視覺的精密測量、微小零件操作等功能。設(shè)計(jì)配合設(shè)備使用的組合夾具，實(shí)現(xiàn)膠粘接微小零件裝配后的自動鎖緊，對于鎖緊狀態(tài)下微小零件的受力進(jìn)行分析。所研制的裝配設(shè)備實(shí)現(xiàn)了某微小零件全自動的精密裝配。

關(guān)鍵詞：精密微小裝配；裝配自動化；模塊化設(shè)備；自動鎖緊

中圖分類號：TP271+.2; TP278文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號：1671-5276（2024）06-0201-04

Abstract：Micro parts， small in size， light in weight etc. suffer difficulties in operating and automizing in assembly process. The automatic precision assembly equipment of small parts is developed by adopting modular design scheme. The mutual cooperation between modules is implemented to achieve automatic loading and unloading， automatic dispensing， precision measurement based on machine vision， small parts operation and other functions. The combined fixture coordinating with the equipment application is designed to realize the automatic locking after the assembly of the adhesive small parts， and the force of the small parts in locking status is analyzed. The developed assembly equipment realizes the precision assembly of a small part.

Keywords：precision micro-assembly; assembly automation; modular equipment; automatic locking

0引言

微小零件具有質(zhì)量輕、裝配過程復(fù)雜、裝配過程易受到外界環(huán)境干擾、裝配完畢后需要鎖緊等特點(diǎn)，在MEMS系統(tǒng)、陀螺儀等精密微組件中得到了廣泛應(yīng)用［1-2］。當(dāng)前微小零件的裝配通常采用膠粘接的方式，由工人手動或者半自動的方式完成［3］。手動或者半自動裝配雖然存在靈活的優(yōu)勢，但同時(shí)也存在裝配效率低、裝配質(zhì)量參差不齊、膠粘接后容易受到烘干過程等外部因素?cái)_動等不足。為解決上述問題，研發(fā)出具有自動鎖緊功能的微小零件精密裝配自動化設(shè)備便顯得尤為關(guān)鍵［4-5］。

目前針對微小零件裝配已經(jīng)研制出部分微裝配設(shè)備，大部分屬于半自動設(shè)備，比如張嘉易等［6］針對MEMS平板類零件，研發(fā)出真空吸附式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了微小零件拾取過程的自動化；李海鵬等［7］針對微小圓形零件，基于顯微視覺伺服研發(fā)出一套集成有6個(gè)機(jī)械手的微裝配設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了單套微小零件的自動化上下料以及視覺測量。雖然此前研制的半自動化設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了微小零件拾取、視覺測量等裝配過程的自動化，但是點(diǎn)膠、夾具上下料、鎖緊等功能仍然需要由工人進(jìn)行操作。

為實(shí)現(xiàn)微小零件的自動化裝配，本文對應(yīng)用于微小零件精密裝配的自動化設(shè)備展開研究。將自動上下料功能、自動點(diǎn)膠、基于機(jī)器視覺的精密測量以及微小零件操作等功能集成于微小零件精密裝配自動化設(shè)備之中，實(shí)現(xiàn)微小零件全自動批量化裝配。針對微小零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用膠粘接的方式容易受到烘干過程等外部因素?cái)_動等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了具有自動鎖緊功能的組合夾具，能夠?qū)崿F(xiàn)裝配后微小零件的自動鎖緊。對于鎖緊狀態(tài)下微小零件的受力情況進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了某微小零件全自動精密裝配。

1微小零件精密裝配自動化設(shè)備

微小零件精密裝配自動化設(shè)備的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)待裝配微小零件高精度自動化裝配。設(shè)備整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，設(shè)備功能模塊主要包括：裝配作業(yè)模塊、精密測量與點(diǎn)膠模塊、上料模塊、上料平臺模塊、作業(yè)工作臺模塊、上料轉(zhuǎn)臺模塊和點(diǎn)膠測試模塊。

1.1自動上、下料功能

自動上、下料功能是指裝配過程中微小零件裝配前后的自動上料和下料。上料模塊和上料平臺模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

上料模塊通過單軸機(jī)械手實(shí)現(xiàn)空間大范圍運(yùn)動，通過前端電動夾爪帶動夾指開閉實(shí)現(xiàn)組合夾具的拾取和放置，讀碼器進(jìn)行組合夾具信息讀取。上料平臺模塊能夠同時(shí)放置多套組合夾具，實(shí)現(xiàn)微小零件批量化裝配的功能。通過托盤對于多套組合夾具進(jìn)行分隔，上料模塊按順序進(jìn)行連續(xù)自動上、下料。

作業(yè)工作臺模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示，上料轉(zhuǎn)臺與之結(jié)構(gòu)類似。采用定位塊對于組合夾具進(jìn)行限位，確保微小零件位姿的準(zhǔn)確性。背光模塊和微小零件裝配位置接近，從下方提供背光光源，輔助進(jìn)行微小零件特征識別。

1.2自動點(diǎn)膠及精密視覺測量功能

自動點(diǎn)膠及精密視覺測量功能是指裝配過程中微小零件的自動化點(diǎn)膠以及視覺測量。通過自動化點(diǎn)膠功能提升微小零件裝配的膠粘接質(zhì)量，視覺測量引導(dǎo)的微小零件位姿檢測能夠確保微小零件的裝配精度。

精密測量及點(diǎn)膠模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

精密位移滑臺能夠?qū)崿F(xiàn)相機(jī)和點(diǎn)膠模塊在xz平面的移動；相機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)微小零件位置信息采集。工業(yè)相機(jī)分辨率為3 088×2 064，視野范圍為7 054μm×5 016μm，工作距離為65mm。集成有同軸光和環(huán)型光，保證了微小零件圖像采集的質(zhì)量。點(diǎn)膠模塊通過氣動滑臺進(jìn)行z方向工作位置的調(diào)整，通過外部氣壓實(shí)現(xiàn)自動點(diǎn)膠。激光位移傳感器能夠測量微小零件表面待點(diǎn)膠位置的高度信息。

1.3微小零件自動操作功能

微小零件自動操作功能指的是微小零件指定位置的拾取和放置。裝配作業(yè)模塊通過精密位移滑臺實(shí)現(xiàn)作業(yè)機(jī)械臂空間運(yùn)動。作業(yè)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如圖5所示。使用彈簧片進(jìn)行柔性支撐；彈性柱塞和微動開關(guān)從作業(yè)機(jī)械臂的上方和側(cè)面限制其變形量；作業(yè)機(jī)械臂前端進(jìn)行微小零件的拾取和放置。移動定位塊固定在針形氣缸前端，對于組合夾具進(jìn)行限位，組合夾具拾取后吸盤和夾具氣路相連接，在外部真空發(fā)生器的作用下使得組合夾具內(nèi)部處于真空狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對微小零件的吸附。

2自動鎖緊功能及誤差分析

微小零件需要通過膠粘結(jié)等方式進(jìn)行連接，裝配完畢后烘干等外部因素容易對微小零件的裝配精度產(chǎn)生影響，因此微小零件裝配完畢后的自動鎖緊十分重要。

2.1自動鎖緊功能和方法

自動鎖緊功能主要包括組合夾具和操作方法兩部分。組合夾具能夠?qū)崿F(xiàn)微小零件的放置和鎖緊功能，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。壓緊架模塊結(jié)構(gòu)如圖7所示。壓緊架模塊通過彈簧施加鎖緊力，彈簧兩端分別作用在壓緊架模板以及墊圈上。壓緊架模塊拾取過程中，下壓力使得彈簧自由壓縮，彈簧力通過壓緊架模板傳遞至微小零件，實(shí)現(xiàn)零件的自動鎖緊。吸附塊固定在壓緊架模塊下端，在外部真空發(fā)生器的作用下其內(nèi)部氣路形成真空狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)微小零件的吸附。

鎖緊底板模塊實(shí)現(xiàn)微小零件和壓緊架模塊的放置。兩側(cè)設(shè)計(jì)為對稱結(jié)構(gòu)，裝配前后壓緊架模塊分別放置在鎖緊底板模塊兩側(cè)，避免拾取和放置過程中作業(yè)機(jī)械臂和組合夾具產(chǎn)生干擾。鎖緊底板兩側(cè)開有凹槽，可以和上料模塊單軸機(jī)械手前端夾指相配合。

上料支架模塊的主要作用是放置待裝配微小零件，上料支架兩側(cè)開有凹槽，可以和上料機(jī)械臂前端夾指相配合。

2.2微小零件自動鎖緊過程

鎖緊狀態(tài)示意圖如圖8所示。圖中FS表示壓緊架模塊兩側(cè)彈簧力，F(xiàn)N表示下方微小零件提供的支持力。在彈簧力的作用下，鎖緊架釋放過程中微小零件將保持現(xiàn)有位姿。

壓緊架模塊自身質(zhì)量輕，因此產(chǎn)生的重力忽略不計(jì)，微小零件鎖緊力等于彈簧力FS，計(jì)算如式（1）所示。

式中：k為彈性系數(shù)，0.098N/mm；l為彈簧初始長度，15mm；lf為彈簧鎖緊狀態(tài)下的長度，8.3mm。求出彈簧力大小約為1.31N。

基于設(shè)備模塊提出了一種與之相匹配的操作方法，主要包括以下步驟。

1）進(jìn)行壓緊架模塊的拾取，拾取過程如圖9所示，機(jī)械臂移動至可拾取位置后，兩側(cè)針形氣缸帶動移動定位塊向前伸出，如圖9（a）所示；2）機(jī)械臂沿z軸方向移動至定位塊上表面低于壓緊架模板下表面0.2mm后停止，如圖9（b）所示；3）移動定位塊收回，和下壓氣缸共同實(shí)現(xiàn)壓緊架模塊的定位，完成整個(gè)壓緊架模塊的拾取過程，如圖9（c）所示。

壓緊架模塊拾取完畢后，作業(yè)機(jī)械臂帶動壓緊架模塊移動至微小零件的拾取位置，通過真空吸附的方式進(jìn)行微小零件的拾取，拾取過程中相機(jī)位于作業(yè)機(jī)械臂上方，進(jìn)行微小零件特征識別。

微小零件自動鎖緊過程如圖10所示。作業(yè)機(jī)械臂移動至壓緊架模塊釋放位置后（圖10（a））；機(jī)械臂沿z方向向下移動，直到力傳感器數(shù)值達(dá)到設(shè)定閾值后停止（圖10（b））；最后壓緊氣缸和針形氣缸收回，作業(yè)機(jī)械臂撤出，壓緊架模塊釋放，實(shí)現(xiàn)微小零件的自動鎖緊（圖10（c））。

3裝配流程測試

研制的微小零件自動化精密裝配設(shè)備如圖11所示。通過研發(fā)的裝配設(shè)備對于某微小零件進(jìn)行了自動化裝配流程測試，設(shè)備裝配流程如圖12（a）—圖12（h）所示。1）上料模塊將組合夾具上料支架模塊以及鎖緊底板模塊從上料平臺模塊分別上料至上料轉(zhuǎn)臺和作業(yè)工作臺；2）點(diǎn)膠模塊對待裝配微小零件進(jìn)行自動點(diǎn)膠；3）作業(yè)機(jī)械臂進(jìn)行壓緊架模塊拾取；4）相機(jī)模塊進(jìn)行微小零件位姿檢測；5）作業(yè)機(jī)械臂帶動壓緊架模塊進(jìn)行微小零件拾??；6）作業(yè)機(jī)械臂將微小零件和壓緊架模塊放置在鎖緊底板模塊上；7）微小零件通過壓緊架模塊實(shí)現(xiàn)自動鎖緊；8）上料模塊將組合夾具進(jìn)行下料。本次研制的微小零件精密裝配自動化設(shè)備很好地完成了自動化裝配流程。

4結(jié)語

針對當(dāng)前微小零件半自動裝配設(shè)備存在的點(diǎn)膠、夾具上料和下料、鎖緊等功能需要工人操作的問題，設(shè)計(jì)了微小零件精密裝配自動化設(shè)備，采用了模塊化的設(shè)計(jì)思路；通過建立誤差補(bǔ)償模型的方式對于設(shè)備安裝過程中產(chǎn)生誤差進(jìn)行了補(bǔ)償；并且針對微小零件膠粘接后容易受到烘干過程等外部因素?cái)_動的問題，設(shè)計(jì)了一種具有自動鎖緊功能的組合夾具和操作方法，實(shí)現(xiàn)了微小零件的精密自動化裝配。對微小零件自動化精密裝配設(shè)備進(jìn)行了流程測試，很好地完成了某微小零件的精密自動化裝配任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 欒飛，蔣柏斌，榮偉彬，等. 錐殼靶自動精密微裝配系統(tǒng)［J］. 機(jī)器人，2016，38（5）：563-568.

［2］ 強(qiáng)林森. 用于微裝配的顯微視覺斷層掃描圖像深度信息獲取方法［D］. 重慶：重慶大學(xué)，2020.

［3］ 黃心漢. 微裝配機(jī)器人：關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展與應(yīng)用［J］. 智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2020，15（3）：413-424.

［4］ LU Q B，WANG Y N，WANG X X，et al. Review of micromachined optical accelerometers：from mg to sub-μg［J］. Opto-Electronic Advances，2021，4（3）：200045.

［5］ BORTOLINI M，F(xiàn)ACCIO M，GALIZIA F G，et al. Design，engineering and testing of an innovative adaptive automation assembly system［J］. Assembly Automation，2020，40（3）：531-540.

［6］ 張嘉易，劉揚(yáng)，郝永平，等. 平板類微小型零件的自動化裝配［J］. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2017（9）：101-104.

［7］ 李海鵬，邢登鵬，張正濤，等. 宏微結(jié)合的多機(jī)械手微裝配機(jī)器人系統(tǒng)［J］. 機(jī)器人，2015，37（1）：35-42.

收稿日期：20230509

基金項(xiàng)目：遼寧省“興遼英才計(jì)劃”項(xiàng)目（XLYC2002020）

第一作者簡介：王思超（1996—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)槲⑿×慵詣踊b配系統(tǒng)，wangsichao13@163.com。

DOI：10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2024.06.040