微小易损零件的精密装配及接触控制

随着微小型产品的特征尺寸不断减孝结构日益复杂，对其制造和装配提出了更高的要求↑年来，国内外针对微小型零件的自动装配技术进行了研究并取得了-定的成果 I4 J，但相比于微小型零件的制造技术仍旧比较落后。绝大多数的微小型零件采用传统的手工装配方法，并不能满足微小型产品的批量化生产要求。先进的微小型零件自动装配技术对于提高微小型产品的质量、缩短生产周期和降低成本等方面具有重要意义 。

从几何约束的角度讲，典型的装配关系有面面贴合、面面对齐、轴孔插入、孔孔对齐、锥面配合、球面配合等 J。微装配过程中XY平面内的位置精度主要是由视觉系统实现。视觉系统通过对目标零件进行图像采集、识别和处理，获得目标零件的特征信息，经过相应的数学运算，实现目标零件XY平面内的定位。对于z轴方向上的装配控制通常采用检测接触力的方式来保证。z轴方向上的装配力的检测方式主要有接触式和基金项目：国家部委十二五预研项 目和中央高校基本科研业务费专项资金资助(DUT10ZDG04)收稿日期：2012-02-29 收修改稿日期：2012-09-10非接触式两种。非接触式主要是通过视觉系统跟踪微夹钳的变形，计算出使夹钳变形的微力大小，其主要依赖于高精度的视觉系统，成本高且作业空间大∮触式检测主要是利用微力传感器对微力进行检测，通过对传感器信号进行采集及处理从而得到微力信息 。但在目标零件特别微小的情况下，接触式检测极易引入应力导致零件损坏。因此，对于作业空间有限且目标零件特别微小的装配任务，z轴方向上的装配控制采用检测接触力的方式来保证具有相当大的难度。目前，关于微小易损零件z轴方向上的装配控制的相关研究相对较少。

文中结合某微小易损零件的装配作业任务，对微装配过程中z轴方向上的接触状态检测与控制方法进行了研究。搭建了-套基于机器视觉和激光位移传感器的微装配系统，利用机器视觉系统实现了目标零件在XY平面内的定位。激光位移传感器与工控机所形成的闭环系统解决了微小易损零件装配过程中z轴方向的接触状态难以检测与控制的问题。

1 装配中的接触控制分析微小易损零件特征尺寸小，强度和刚度低，在夹持和装配过程中极易损坏。在某微小型器件的装配任务中，需要对如图1中所示的目标零件 l和2进行装配，各项装配精度均要求在第 1期 刘立平等：微小易损零件的精密装配及接触控制 49图6 导轨平行度误差分析图由式(2)可知，当导轨A 和 同步下降的位移量 L很小时，误差△几乎可以忽略。为了减小导轨 A：和 曰：不平行对小挠性片与小平台的接触状态检测精度的影响，文中在进行装配时采取如下措施 ：第-步：利用激光位移传感器分别测量小挠性片和小平台在z轴方向上的坐标；第二步：工控机控制导轨 和 同步下降，直到小挠性片与小平台相距200 m时导轨停止运动；第三步：工控机控制导轨A 和 以步进运动方式下降，每次下降位移量L2 m.同时，工控机不断的通过数据采集卡采集激光位移传感器的输出信号。导轨每下降2 Ixm，工控机会将激光位移传感器的输出信号清零并且将相邻两次的输出信号进行比较，此时处于如图7所示的接触前阶段。当相邻两次的输出信号的差值达到或者超出预设值时为已接触状态，则导轨停止运动。

第四步：装配进入微调整阶段，即工控机控制导轨 上升1 m，从而实现对小挠性片与小平台接触状态的精密调整。

通过上述措施减小了导轨不平行对测量精度的影响，实现了对目标零件的精密装配。

图7 激光位移传感器监测过程示意图3 微小零件精密装配系统微装配系统采用拈化设计，主要由3自由度机械手模块、3自由度精密视觉检测与测距传感拈、1自由度精密调整拈、夹具拈、零件上料拈及调整拈构成▲行装配时，第-步：将零件 1和零件 2分别固定在夹具的上、下底板上。然后，将装有零件的上、下底板分别放置在上料架和精密调整拈上。

第二步：由视觉系统分别对零件 2的底边和圆环孔的特征信息进行测量，然后作业机械手从上料架上拾取装有零件 1的夹具上底板并运动到视觉系统下方，经视觉系统测量零件 1的底边和圆圈的特征信息后，由精密调整平台对零件2的位姿进行细微调整，使得零件 1的底边与零件2的底边平行。

第三步：作业机械手运动到精密调整拈的上方进行圆圈与圆环孔的对准。最后，作业机械手在激光位移传感器和机器视觉系统共同引导下逐渐下降完成对目标零件的装配。

3.1 机械手机械手拈主要由3自由度高精度微动平台和真空吸附式夹钳组成。操作机械手具有 、y、z 3个平移自由度，它并非直接对目标零件进行操作，而是对装有目标零件的夹具上底板进行操作。由于夹具上底板表面光滑且平面度高，因此采用真空吸附式夹钳对其进行操作，其工作原理如图8所示。

真空吸附式央钳图8 真空吸附式夹钳原理图3.2 精密视觉检测与测距传感拈精密视觉检测与测距传感拈主要由3自由度高精度微动平台、CCD相机、辅助光源和LK-H080型高精度激光位移传感器组成。精密视觉检测系统主要完成对目标零件的图像采集、识别和定位。LK-H080型激光位移传感器主要实现对目标零件的小挠性片和小平台的接触状态进行检测。该传感器采用波长为 650 nm的红色半导体激光光源，直线性为±0.02%的F.s.(F.S.36 mIn)；安装方式采用漫反射式安装，测量范围为80±18 mm，测量误差为0.1 m。

3.3 夹具拈由于零件在装配完成后需要进行胶粘接，胶粘接过程需要零件1与零件2保持装配完成后的状态。另外，为了避免真空吸附式夹钳直接对目标零件进行操作时吸附力大小的不确定性对零件造成损伤。研制了-套专用夹具，它主要由夹具上底板、下底板、机械式夹钳 1和2、平行度调整销及锁紧件组成，如图9所示。

针对目标零件的特殊材质和形状，选择合适的夹钳和夹持位置以减小应力的引入。如图1(a)所示为目标零件，其小挠性片和圆圈的特征尺寸孝刚度低，夹持力过大或者不均匀都会引入应力导致零件损坏。零件的主体结构特征尺寸大、刚性强，不易损坏。文中针对目标零件的特点设计了2个微型的机械式夹钳并将其与夹具上底板集成在-起。夹持零件时，只需将目标零件按照如图9(b)中所示的位姿放置，然后旋转3个锁紧螺钉使得2个夹钳闭合，从而将目标零件夹紧。

装配完成后，首先在激光位移传感器的引导下利用平行度调整销将夹具的上、下两底板调平，然后将夹具 (下转第55页)