（北京理工大學微小型制造研究所，北京100081）

0 引言

微小型零件裝配是指中間尺度（幾何尺寸在數(shù)十微米到數(shù)十毫米）的復雜微小結(jié)構(gòu)件的組裝。復雜三維結(jié)構(gòu)體是指三維結(jié)構(gòu)復雜、加工工藝復雜的零部件。小剛度零件是指零件的剛度極其微小，在夾持與裝配過程中極易受力變形，此類結(jié)構(gòu)的裝配極其困難。

1）裝配對象的尺寸跨度極大，尺寸相差幾倍甚至十幾倍，而高分辨率的相機或者顯微鏡必然具有較小的視場和工作距離。在視覺上，零件尺寸的跨度會造成高分辨與小視場之間的矛盾。

2）復雜三維結(jié)構(gòu)體由于外形的復雜，形狀不規(guī)則，零件難以實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的夾持。小剛度零件極易受力變形，造成裝配卡死現(xiàn)象。

3）零件裝配工序復雜，在滿足裝配需求的前提下，需合理設計裝配系統(tǒng)及裝配工藝以降低成本及控制的難度。

一套完整的精密微裝配系統(tǒng)主要涉及檢測與調(diào)整技術(shù)、夾持與操作技術(shù)、運動控制技術(shù)等。零件的檢測技術(shù)主要采用視覺、力覺技術(shù)來檢測零件位姿以及裝配缺陷，通?？梢允褂靡曈X、力覺相結(jié)合的方法［1］來進行檢測，也可以應用微力反饋和控制系統(tǒng)來指導裝配［2］。 Shen 等［3］則根據(jù)激光三角測距原理和視覺控制的方法，設計了一套三維高精度全自動裝配系統(tǒng)。零件的調(diào)整運動主要考慮調(diào)整行程、調(diào)整精度以及運動干涉的問題，調(diào)整軸過多會限制工作空間甚至會導致干涉。Montesanti等［4］設計了一臺微靶裝配系統(tǒng)，其具有29個調(diào)整自由度，Das等［5］的MAPS裝配系統(tǒng)也有20個運動平臺。夾持與操作技術(shù)要保證對裝配零件進行無損、可靠的夾持，直接決定了裝配的成敗?，F(xiàn)有的夾持方法主要分為吸附式和機械式，吸附夾持主要為真空吸附式［6］， Chen 等［7］設計的顎式夾持器則屬于典型的機械式夾鉗。通常為了使零件不破損，夾爪采用形狀記憶合金［8］或者超彈性合金［9］材料。然而，柔性夾持已成為一種必然趨勢，各種仿生柔性夾持器［10-12］正在大量問世，但由于它們的夾持精度過低，還無法用于精密裝配。我們曾使用一種單方向氣囊夾持器，來柔性抓取小型薄壁圓柱結(jié)構(gòu)并用于精密裝配［13］。運動控制技術(shù)不僅要有高的定位精度，還需要有良好的動態(tài)響應。Chen等［14］曾應用軟伺服的裝配方法完成某些裝配任務。為了使操作更靈活直觀，科學家們提出了遙操作方法［15］和遙控力反饋的控制方法［16］。Chu的自動并行操作系統(tǒng)，自動抓取與插入的成功率分別為93%以及61%［17］。全自動控制需要預先確定任務，裝配狀態(tài)簡單；而人機協(xié)同操作可以發(fā)揮操作工和計算機的優(yōu)勢，實現(xiàn)在復雜狀態(tài)下的精密裝配。

由此，當裝配零件結(jié)構(gòu)復雜、尺度跨度大時，需要采用合理的檢測技術(shù)、高精度的位姿調(diào)整與裝配技術(shù)、無損可靠的夾持技術(shù)以及簡單穩(wěn)定的運動控制技術(shù)。本文為了解決復雜三維結(jié)構(gòu)體及小剛度零件的自動裝配問題，設計了一套高精度的人機協(xié)同裝配系統(tǒng)，并通過軸孔對位裝配實驗驗證了該裝配系統(tǒng)能完成零件間2μm～3μm高精度裝配。

1 待裝配零件

本文中，待裝配件主要為本體件、零件1、零件2以及零件3這4個零件，如圖1（a）所示。本體件的形狀復雜，其外圓盤面為錐面，零件1極怕劃傷，零件2極易變形，零件3是一個外徑約2mm的中空圓柱體，其外形尺寸與其他零件跨度很大。裝配順序上分別是兩端的零件3先后安裝在本體件兩個圓盤外端面的孔中，裝配間隙為雙邊3μm；零件1和零件2先后安裝在本體件對應的槽中，裝配間隙為10μm，但零件2的變形可能會導致裝配卡死現(xiàn)象，裝配細節(jié)如圖1（b）所示。每裝完一個零件都要進行烘膠處理，為保障裝配精度，裝配完零件1和零件2之后，要與本體件臨時固定再去烘膠，這些均為裝配的夾持和對位提供了難度。

圖1 裝配對象Fig.1 Assembly objects

2 人機協(xié)同裝配系統(tǒng)

根據(jù)以上待裝配零件的形狀特點及裝配要求，基于同軸對位檢測原理設計了一臺高精度人機協(xié)同裝配系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)主要包括裝配執(zhí)行模塊、精密調(diào)整模塊、視覺對位檢測模塊、傳感器監(jiān)測模塊、夾持模塊（本體快換式夾持器、真空吸附式夾持器、氣囊柔性夾持器）以及輔助模塊。

圖2 多用途高精度人機協(xié)同裝配系統(tǒng)Fig.2 High precision man-machine cooperative assembly system

裝配執(zhí)行模塊配有360°轉(zhuǎn)臺和豎直位移臺，其六工位轉(zhuǎn)接頭上裝有真空吸附式夾持器和氣囊柔性夾持器，可以完成待裝配件的上下料以及精密裝配運動。精密調(diào)整模塊是一個六自由度精密調(diào)整平臺，其直線位移精度可以達到20nm，角度旋轉(zhuǎn)精度高達0.4μrad，調(diào)整平臺上安裝有快換功能的本體夾持器，能夠?qū)崿F(xiàn)本體零件位姿的高精度調(diào)整。視覺對位檢測模塊實現(xiàn)人機協(xié)同過程中的視覺對位檢測，其基本對位原理為同軸對位［18］。不同的是，鑒于待裝配零件的尺寸跨度大，為了保證裝配精度，本文采用圖像拼接的方法，擬合多段圓弧確定圓心，可以降低單次邊緣識別的誤差，進而提高系統(tǒng)對位及裝配的精度。在裝配過程中，真空吸附式夾持器和氣囊柔性夾持器上的傳感器實現(xiàn)裝配力監(jiān)測，根據(jù)微力／微位移映射，實時反饋調(diào)整量，由六自由度精密調(diào)整平臺實時調(diào)整，提高裝配精度。整個系統(tǒng)采用模塊化布置，針對待裝配件的不同，只需更換必要的工裝夾具，便可實現(xiàn)不同工件的高精度裝配。該裝配系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。

圖3 裝配系統(tǒng)工作原理圖Fig.3 Working principle diagram of assembly system

其控制系統(tǒng)主要分為運動控制、氣路控制、光源控制、圖像采集和處理以及力信號處理。待總控系統(tǒng)復位清零后，氣路控制模塊打開，手工上料后氣囊柔性夾持器工作并夾持零件；待零件及圖像采集模塊運動到工作區(qū)，光源控制模塊打開光源并調(diào)節(jié)到合適的亮度；圖像采集模塊通過同軸對位原理采集兩側(cè)圖像的位姿；六自由度微動調(diào)整平臺調(diào)整本體零件位姿，使之與目標零件匹配；高精度直線位移臺帶動目標零件進行裝配，期間六維力傳感器感知裝配力，經(jīng)過換算通過六自由度微動平臺進行微力／微位移自適應調(diào)整，直到零件裝配完成。裝配過程的對位和裝配時刻如圖4所示。

圖4 裝配過程的對位和裝配時刻Fig.4 Counterpoint time and assembly time of the assembly process

3 夾持模塊

裝配系統(tǒng)的夾持模塊主要包括本體件快換式夾持器、零件3真空吸附式夾持器以及針對零件1、零件2的氣囊柔性夾持器。

本體件形狀復雜，裝配工藝繁瑣，需臨時固定和反復拆卸?？鞊Q式夾持器如圖5所示，主要包括徑向定位夾緊機構(gòu)、軸向支撐機構(gòu)、快換鎖緊機構(gòu)和臨時壓緊機構(gòu)。快換鎖緊機構(gòu)固定在六自由度微動調(diào)整平臺上，徑向定位夾緊機構(gòu)、軸向支撐機構(gòu)以及臨時壓緊機構(gòu)組成快換部分。通過徑向定位夾緊機構(gòu)以及軸向支撐機構(gòu)，實現(xiàn)了對本體件的可靠夾持。通過 “一面兩銷”實現(xiàn)快換，使得快換部分翻轉(zhuǎn)180°夾持，可以對本體件兩端進行裝配。臨時壓緊機構(gòu)起到對本體件和零件1、零件2裝配成功后暫時固定的作用，各部分的壓緊力固定并且可調(diào)，在裝配需求下，通過協(xié)調(diào)合作能夠?qū)崿F(xiàn)對本體件的可靠、無損夾持及裝配后固定壓緊。

圖5 本體件快換式夾持器Fig.5 Quick change type gripper for complex structures

針對零件3設計的真空吸附式夾持器的特點為：基于單軸力傳感器監(jiān)測裝配力，既可以避免裝配失敗時破壞零件，裝配力顯示又可以指示是否裝配到位。該夾持器主要由真空發(fā)生器、控制閥、真空吸頭以及單軸力傳感器組成，如圖6所示。

圖6 真空吸附式夾持器Fig.6 Vac-sorb gripper

經(jīng)過分析，吸附頭吸附零件3后，先是夾持器整體旋轉(zhuǎn)180°，零件3由裝配面朝上變?yōu)槌拢缓筘Q直向下運動進行裝配。為保證吸附可靠，吸附力應同時滿足：

式中，Gpart為零件重力，dhole為吸附孔直徑，n為吸附孔數(shù)量，βabs為安全系數(shù)，Vr為相對真空度。

式中，θ為零件與豎直方向的夾角且很小，μ為零件與吸附頭之間的靜摩擦系數(shù)，mpart為零件質(zhì)量，α為轉(zhuǎn)臺角加速度，R為零件到旋轉(zhuǎn)中心的距離。

式中，β為直線位移臺運動加速度。

式 （1）表示吸附力大于重力。 式 （2）～式 （4）表示旋轉(zhuǎn)運動時，法線方向上，吸附力大于重力在法線方向上的分力；切線方向上，吸附頭與零件之間的靜摩擦力大于慣性力與重力在切線上的分力。式（5）表示在直線運動時，吸附力大于軸承重力與慣性力之和。

氣囊柔性夾持器主要是針對零件1極怕劃傷、零件2極易變形的特點設計的，采用氣囊內(nèi)外脹緊的形式來柔性夾持零件，可以極大地減小零件的受力變形及破壞，保障裝配零件不損壞，裝配過程不卡死。其結(jié)構(gòu)形式及關(guān)鍵零件如圖7所示，由于內(nèi)部壓力，大變形的氣囊在保持架開窗處膨脹，達到內(nèi)外同時夾緊零件的效果。由于夾持零件的外形尺寸較大，為防止裝配時圓周方向受力不均勻造成裝配失敗，故采用六維力傳感器監(jiān)測其裝配力。閑置時，傳感器保護裝置可以抵消夾持器的重力，避免傳感器因長期受拉狀態(tài)而破壞。

以小剛度的零件2為例，仿真計算了氣囊夾持器對該零件受力變形的影響。選取保持架、氣囊及零件2這3個零件，采用Abaqus顯示求解器分析。氣囊的接觸摩擦系數(shù)設為0.25，其余為0.1，工作氣壓為0.15MPa，保持架的材料為45鋼，零2材料為銅，氣囊材料為硅膠。氣囊設為Mooney-Rivlin模型，參數(shù)為 c10＝ 0.46667，c01＝0.11667，d＝0.06857。此分析中的零件2不與保持架接觸，即只考慮氣囊對零件的影響。初始時，限制零件2上邊緣沿Y方向的移動，最后去掉此約束，零件的變形如圖8所示。裝配特征面在XZ平面傾斜高度差為1μm，在X、Y方向變形均為1μm左右，夾持變形非常微小，不會導致裝配卡死的現(xiàn)象。

圖7 氣囊夾持器極其關(guān)鍵零件Fig.7 Air-filled gripper and key parts

圖8 零件變形結(jié)果Fig.8 Deformation results of part

4 裝配工藝及實驗驗證

以裝配零件1或零件2為例，操作工手工上料后，相關(guān)部件運動到工作區(qū)，圖像采集并處理后進行視覺對位。裝配過程中應用微力監(jiān)測并進行微位姿自適應調(diào)整，裝配完成后，使用快換夾持器臨時固定本體件與裝配件，之后將快換部分取走進行其他處理，最后系統(tǒng)回零。具體裝配工藝流程如圖9所示，再次安裝時，只需將快換部分翻轉(zhuǎn)180°安裝，即可進行接下來的裝配動作。

為驗證裝配系統(tǒng)的裝配精度，選用直徑為2.994mm、圓柱度為0.0021mm的零件3，以及直徑為2.9971mm、圓柱度為0.0012mm的孔做對位裝配實驗，完成一次CCD同軸對位，六自由度微動平臺高精度調(diào)整再到最后的精密裝配運動。CCD相機采集的視覺圖像如圖10所示，這里軸孔直徑之差為3.1μm，可以認為單邊間隙不大于2μm。經(jīng)實驗驗證，此裝配系統(tǒng)能完成零件間2μm～3μm高精度裝配。

圖9 裝配工藝流程Fig.9 Flow of assembly process

圖10 對位圖像Fig.10 Counterposition image

5 結(jié)論

本文將高精度檢測技術(shù)、高精度位移技術(shù)、自適應控制技術(shù)等結(jié)合，設計了一套基于同軸對位檢測技術(shù)的人機協(xié)同的高精度裝配系統(tǒng)。并根據(jù)待裝配件的形狀特點和裝配要求，分別設計本體件快換式夾持器、真空吸附式夾持器以及氣囊柔性夾持器，能夠?qū)崿F(xiàn)零件的可靠、無損傷夾持。經(jīng)仿真計算得到，氣囊柔性夾持器可以極大地改善零件的夾持變形情況，保障裝配過程中不出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，提高裝配質(zhì)量。最后通過軸孔對位實驗，證明該裝配系統(tǒng)能完成零件間2μm～3μm高精度裝配。

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