王曉東

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連116023)

0 引言

裝配過程技術(shù)密集、勞動強(qiáng)度大,其成本在整個(gè)產(chǎn)品制造中占有較高的比重。各種產(chǎn)品,無論微觀,還是宏觀,即使尺度有顯著的不同,裝配都是其制造的關(guān)鍵[1]。由于裝配直接影響器件或產(chǎn)品的質(zhì)量和性能,因此對于高性能微小器件或產(chǎn)品,如航空、航天等領(lǐng)域慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的加速度計(jì)、陀螺等,裝配關(guān)鍵環(huán)節(jié)尤其重要。

隨著我國精密/超精密加工技術(shù)的快速發(fā)展,零部件加工精度和一致性得到顯著提高,裝配環(huán)節(jié)對產(chǎn)品性能的保障作用日益凸顯[2]。近年來,精密裝配得到普遍的重視,越來越多的微小器件或產(chǎn)品的制造企業(yè)希望應(yīng)用精密裝配自動化技術(shù)來提升產(chǎn)品的質(zhì)量及一致性、提高批量生產(chǎn)能力,同時(shí)降低對工人技能的要求。

微小型化是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能集成的關(guān)鍵,也是產(chǎn)品發(fā)展的趨勢之一。微系統(tǒng)技術(shù)(MST)或微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)通過提升器件或系統(tǒng)集成度,從而避免非必要的裝配以簡化工藝流程,然而,由于各功能元見件材料及加工方法不同,制造的元件在單片上集成,實(shí)現(xiàn)各種功能往往是不可能的,或由于費(fèi)用昂貴,不適用于工業(yè)生產(chǎn),而被放棄。而各種微型功能元件最后只有通過裝配才能成為功能器件或系統(tǒng)[3-4]。

與MEMS相對應(yīng)的微裝配技術(shù),一般是指微尺度(microscale,一般指1~100 μm)的零件和/或具有微尺度公差中尺度(mesoscale,一般指100 μm~1 mm)零件的裝配。大多數(shù)情況下,微裝配是指零件尺寸≤1 mm時(shí)的裝配,而微小裝配涉及零件的尺寸范圍更大,為亞毫米至數(shù)十個(gè)毫米(0.1~10 mm),而零件上的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸則會小至微米量級(注:這里的數(shù)字代表相應(yīng)的數(shù)量級)。

微小裝配技術(shù)仍是目前急需的技術(shù),通過對工業(yè)界生產(chǎn)微小型產(chǎn)品的企業(yè)進(jìn)行調(diào)研,總結(jié)出進(jìn)行微小型產(chǎn)品裝配的技術(shù)要求包括:①精度:0.1~10 μm;②零件的大小:0.1~10 mm;③各種幾何形狀;④避免污染(往往需要在潔凈房間內(nèi)完成裝配)。

待裝配微小零件的特點(diǎn)還大致包括:①多個(gè)尺寸和形狀不同的零件,特征結(jié)構(gòu)包括方孔、扇環(huán)、圓環(huán)等不同的形狀;②零件之間的尺寸跨度較大;③零件采用不同的材料,具有不同的顏色和表面加工質(zhì)量;④裝配定位存在多個(gè)(設(shè)計(jì))基準(zhǔn)。此外,各類微小器件或產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)機(jī)械、電子、生物、化學(xué)等各種不同的功能,涉及眾多領(lǐng)域。因此,微小裝配技術(shù)的研究和開發(fā)具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。

微小裝配的關(guān)鍵技術(shù)大致可以歸納為:①微小零件的操作技術(shù)(微型夾鉗);②微小零件的連接技術(shù);③高精度操作裝置(裝配機(jī)器人);④用于微小裝配的傳感器與測量技術(shù);⑤微小裝配的過程規(guī)劃、控制與優(yōu)化;⑥微小裝配系統(tǒng)集成技術(shù)等。

待組裝微小零件上用于對準(zhǔn)定位的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸微小,能否實(shí)現(xiàn)配合零件之間準(zhǔn)確定位,以及配合過程中的接觸控制等,都需要精確的測量,因此,微小裝配必然是基于傳感器的精密裝配[5-6],傳感器與測量技術(shù)是實(shí)現(xiàn)裝配作業(yè)目標(biāo)的基礎(chǔ)和前提。

本文首先對用于微小裝配的視覺、力覺等各類傳感器進(jìn)行了介紹,在此基礎(chǔ)上對微小裝配中應(yīng)用的測量技術(shù)和方法進(jìn)行分析,并對目前的應(yīng)用需求和今后的發(fā)展趨勢進(jìn)行分析和總結(jié)。

1 用于微小裝配的傳感器

傳感器是測量裝置或系統(tǒng)的核心,應(yīng)滿足在裝配作業(yè)中實(shí)現(xiàn)所需測量功能的需求。圍繞裝配作業(yè),傳感器可以分為裝配過程中使用的傳感器和非裝配過程中使用的傳感器。

由于大多數(shù)零件的裝配過程具有一定的相似性,比如對準(zhǔn)、精密定位等,用于裝配過程中的傳感器也具有一定的相似性,并涉及共性的技術(shù)問題。在微小零件裝配過程中,可靠拾取零件的前提下,首先需要精確測量待裝配零件之間相對位置和姿態(tài)的偏差,然后控制配合零件之間的接觸力或接觸狀態(tài)。微小裝配過程中使用的傳感器大致可以劃分為三類:①視覺傳感器,主要用于待裝配零件之間位置和姿態(tài)偏差的測量;②力覺傳感器,主要用于控制配合零件之間的接觸力測量;③接近覺和其它類型傳感器,用于保證裝配作業(yè)安全、可靠,及滿足其它裝配要求的傳感器對裝配起輔助作用。

非裝配過程中使用的傳感器包括裝配前和裝配后使用的傳感器。裝配前使用的傳感器主要用于零件的檢測,包括:①配合尺寸測量;②影響配合性質(zhì)的表面微觀形貌;③有性能要求的零件配對,以及其它與器件功能相關(guān)的性能測量。裝配后的測量主要是形位誤差的測量,而器件性能的測量則隨著器件的不同而有不同的測量內(nèi)容。

1.1 視覺傳感器

最常用的視覺傳感器是由圖像傳感器、光學(xué)鏡頭(顯微鏡頭)和照明光源構(gòu)成的機(jī)器視覺系統(tǒng),用于零件特征結(jié)構(gòu)的位置和姿態(tài)的測量,文獻(xiàn)[7]介紹了機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用的主要關(guān)鍵問題。

完整的機(jī)器視覺系統(tǒng),其組成除包括圖像傳感器等硬件外,還應(yīng)包括軟件,如表1所示。

表1 機(jī)器視覺系統(tǒng)的組成Tab.1 Components of machine vision systems

近年來,計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度、內(nèi)存容量和圖像傳感器性能的大幅提升,機(jī)器視覺系統(tǒng)的硬件成本逐年降低,而軟件開發(fā)則逐漸成為應(yīng)用中需要解決的主要問題,其實(shí)現(xiàn)的主要功能包括:①裝配過程的監(jiān)視和信息記錄;②基于圖像信息的自動調(diào)焦;③圖像處理及信息提取;④裝配對象的檢測與識別;⑤裝配對象位置和姿態(tài)的測量。視覺系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的流程,如圖1所示。

圖1 視覺系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)流程Fig.1 Process of vision system function

將圖像傳感器安裝在光學(xué)顯微鏡上,利用獲取的圖像信息可以獲得十幾個(gè)納米的高分辨力。掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)采用電子束“看”被測對象,具有比光學(xué)視覺傳感器更高的檢測分辨力。

分辨力的提高會使視覺系統(tǒng)的視野變得狹小,同時(shí)又很容易獲得模糊的圖像。既要保證足夠的分辨力,又要有較大的視場:一種方式是裝配系統(tǒng)采用了“全局(global)”和“局部(local)”兩個(gè)視覺系統(tǒng)[8],或者在裝配的不同階段采用不同的視覺圖像傳感器[9];另一種方法是采用圖像拼接的方式,重建全局范圍內(nèi)高分辨力的圖像[10]。

基于平面二維視覺微型零件的裝配,目前已經(jīng)在工業(yè)中得到不少的應(yīng)用,如用于表面貼裝芯片(SMD)、Flip-Chip芯片等安裝的高精度設(shè)備,其裝配精度一般為3~5 μm;汽車上測量距離和速度的雷達(dá)傳感器(Radar sensor)上GaAs芯片的安裝[11],其裝配允許公差為±5 μm,用于傳感器中光纖的安裝,其定位精度優(yōu)于3 μm[12]。慕尼黑工業(yè)大學(xué)開發(fā)研制的微裝配系統(tǒng)SATURN(Sensor-based Micro Assembly Tool Using Robot Vision)[13]所安裝的視覺系統(tǒng)的視野范圍為2.5×2.9 mm2,分辨力為3.3 μm。由于平面二維視覺相對簡單并能滿足目前大多數(shù)應(yīng)用場合,上述雖是早期研制的裝配設(shè)備,但已建立了機(jī)器視覺在微小裝配中應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)。隨著硬件技術(shù)水平的發(fā)展,性能不斷提高、成本降低,基于平面二維視覺微型零件的裝配技術(shù)目前仍能得到廣泛重視,應(yīng)用被不斷地拓展。

雖然工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用,很多場合并不需要立體三維視覺,但是能夠具有垂直于平面的距離信息,仍是機(jī)器視覺追求的目標(biāo)之一。微小零件裝配過程中,如需要獲取三維空間的位置和姿態(tài),可以采用多個(gè)安裝在不同方位的平面二維視覺傳感器進(jìn)行測量。獲取深度信息、實(shí)現(xiàn)三維視覺測量的方法主要有雙目立體視覺、聚 焦(Depth-from-focus)[14-15]、離 焦(Depthfrom-defocus)[16]、利用激光三角法測距、飛行時(shí)間法(Time of Flight,ToF)測距等。

用于微小零件測量的雙目立體視覺,可以在立體顯微鏡的“雙目”上安裝圖像傳感器,利用視差獲取三維信息,但由于視差較“弱”,很難獲得較高的測量精度。立體攝影測量通常采用兩個(gè)獨(dú)立的相機(jī)在不同的位置或角度拍攝同一物體,兩張圖片具有相對較大的視差,有利于獲得精確的測量結(jié)果,圖2中所示3D視覺傳感器[17-18]只有一個(gè)相機(jī),利用特殊布置的反射棱鏡和兩個(gè)平面反射鏡,棱鏡的屋脊邊緣將相機(jī)的視場分成兩個(gè)對稱的部分,這樣就通過CCD相機(jī)獲得兩個(gè)從不同角度拍攝物體的圖像,該3D視覺傳感器的結(jié)構(gòu)緊湊,與采用兩個(gè)相機(jī)的立體視覺裝置相比縮小了體積和重量。

圖2 3D視覺傳感器Fig.2 3D vision sensor

聚焦、離焦的方法可在不增加硬件的條件下實(shí)現(xiàn)深度方向上距離的測量,其基本原理與自動聚焦相同,由于放大倍率高的鏡頭其景深很小,因此利用這些方法也能獲得較高的測量精度。

激光三角法測距是指在機(jī)器視覺基礎(chǔ)上增加的測量距離的功能或傳感器。一種方式是通過照射激光束或結(jié)構(gòu)光,基于三角法的原理,利用獲取的光斑或結(jié)構(gòu)光的圖像得到距離信息;另一種方式是直接采用基于三角法的激光位移傳感器,兩種方式在微小裝配系統(tǒng)的研制中均有應(yīng)用[8,19-20]。

飛行時(shí)間法測距(ToF)是通過向目標(biāo)發(fā)射紅外光線脈沖,接收待測物體傳回的光信號,通過計(jì)算光線往返的飛行時(shí)間或相位差,來獲取目標(biāo)物體方向的深度信息?；赥oF測距技術(shù)與圖像傳感器的結(jié)合,誕生了固態(tài)測距相機(jī),第一個(gè)成功研制出完整的、基于ToF測距的3D相機(jī)發(fā)布于2001年[21],2003年樣機(jī)產(chǎn)品達(dá)到亞厘米的分辨力[22]。此后,多家公司開發(fā)出基于ToF測距的相機(jī)產(chǎn)品[23],Basler基于Sony DepthSenseTM芯片技術(shù)推出的ToF相機(jī)Basler blaze可進(jìn)行精確到毫米級的光學(xué)測量[24]。2020年基于ToF的3D傳感技術(shù)已逐步開始應(yīng)用于蘋果、華為、三星等高端手機(jī)[25]。目前基于ToF的相機(jī)應(yīng)用于微小零件裝配,雖然還存在一定的差距,但由于這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展很快,非常值得關(guān)注。

1.2 微力傳感器

微小零件裝配過程中需要考慮兩種“類型”的力,即:①裝配過程中需要控制的零件之間的接觸力或者操作零件時(shí)微型夾鉗的夾持力;②微小零件、夾持裝置以及環(huán)境物體之間的表面吸附力。前者是主動控制的力,而表面吸附力則是存在于接觸或接近的物體之間的力。

隨著零件尺度的縮小,與體積成比例的重力的影響顯著降低,表面吸附力(包括范德華力、表面張力和靜電力)相對增強(qiáng)。表面吸附力難以測量和控制,其消極作用遠(yuǎn)大于其積極作用。對于微小零件,特別是微尺度的零件,表面吸附力起主導(dǎo)作用。表面吸附力的影響會使零件難以準(zhǔn)確地放置,甚至吸附在夾鉗上而無法釋放。對于微小尺度的零件,相互作用的表面吸附力可能小至納牛(nN),微牛(μN(yùn))量級,但也能達(dá)到毫牛(mN)量級,超過微小零件的重力大小。

表面吸附力不可控,主要是采取一些措施降低其大小。如日本名古屋大學(xué)Fumihito Arai等在與微型物體接觸的微型夾鉗表面上,采用微加工的方法制作微金字塔,用來減少與微型物體之間的吸附力[26];采用金屬鍍層并接地的方法降低微型夾鉗與微型物體之間的靜電吸附力,而采用疏水性涂層可用來降低表面張力。

在裝配過程中,通過力傳感器實(shí)現(xiàn)對接觸力的測量和控制。對于接觸控制來說,在保證可靠接觸的前提下,接觸力越小越好。一般接觸會達(dá)到幾個(gè)牛頓(N)的力,而對于操作微尺度的零件,相互作用力在微牛(μN(yùn))到毫牛(mN)之間,這種級別的力一般統(tǒng)稱為微力。外形尺寸較大的微小零件在微小裝配過程中,相互之間的接觸力可能允許大至數(shù)十毫?；蛘吒?。另外,從接觸可靠的角度來說,允許的接觸力越大,相對來說控制越容易。因此,總的說來,微小裝配中的力傳感器需要能夠?qū)崿F(xiàn)微力的測量,并具備一定的測量范圍。

對于應(yīng)用于微小裝配中的力傳感器,涉及力傳感器在裝配系統(tǒng)中的集成方式問題,即力傳感器的配置形式。力傳感器在應(yīng)用中主要有兩種配置形式,即:①獨(dú)立的力傳感器。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是傳感器本身可以是通用的,與不同的微型夾鉗連接使用。大部分宏觀尺度的力傳感器屬于這種類型,使用中要求傳感器有足夠的結(jié)構(gòu)剛度,來支持微型夾鉗等帶來的靜載荷,這個(gè)載荷往往比力的分辨力要大很多。②嵌入式的力傳感器。力的敏感元件集成在微型夾鉗或微操作末端,這種配置避免了靜態(tài)負(fù)載的問題。這種配置的力傳感功能的實(shí)現(xiàn)依賴于微型夾鉗的設(shè)計(jì)。

不少學(xué)者圍繞微小力傳感技術(shù)的原理、方法和應(yīng)用,進(jìn)行了比較全面的綜述[27-30]。微小力傳感的主要原理可以歸納為以下幾類:

1)應(yīng)變計(jì)(Strain Gauges)

采用應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測力的技術(shù)成熟,在彈性結(jié)構(gòu)上粘貼應(yīng)變片是獨(dú)立配置力傳感器的主要形式。應(yīng)變計(jì)(有時(shí)也稱應(yīng)變片)的工作原理是基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力作用下產(chǎn)生變形,使其電阻值發(fā)生變化。應(yīng)變片的檢測精度能夠達(dá)到毫牛(mN)或者亞毫牛(sub-mN)的水平。半導(dǎo)體應(yīng)變片比金屬應(yīng)變片具有更高的靈敏度,因此可以檢測相對更小的力,其主要缺點(diǎn)是電阻溫度系數(shù)大。應(yīng)變片的檢測精度受很多因素影響,其中包括溫、濕度的變化,因此,通常采用惠斯通電橋來克服這些問題。

2)壓阻效應(yīng)(Piezoresistive Effect)

壓阻效應(yīng)是指金屬或半導(dǎo)體材料在應(yīng)力的作用下,其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象。半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí),由于載流子遷移率的變化,使其電阻率發(fā)生變化?；诎雽?dǎo)體的壓阻效應(yīng)不僅能夠用于制造半導(dǎo)體應(yīng)變片,更重要的是使壓阻傳感器件微小型化和集成化。壓阻傳感器是最早采用微加工技術(shù)制造的硅微器件,基于壓阻效應(yīng)的微小傳感器件已廣泛用于力、位移、加速度、壓力等測量,制造更小、價(jià)格更低、高性能傳感器件的需求,推動了MEMS技術(shù)的發(fā)展[31]。壓阻現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)距今已超過160年,但壓阻傳感器仍具有非常大的研究空間[32],除具有壓阻效應(yīng)的金屬和半導(dǎo)體材料外,近年來有許多學(xué)者針對聚合物復(fù)合材料的壓阻效應(yīng)開展了研究。文獻(xiàn)[31]介紹了半導(dǎo)體壓阻器件的研究背景、物理特性、微加工工藝、器件制備及應(yīng)用;文獻(xiàn)[32]介紹了壓阻傳感器的原理、技術(shù)、材料、電路設(shè)計(jì)等,以及研究進(jìn)展等。

3)壓電效應(yīng)(Piezoelectric Effect)

壓電效應(yīng)是指壓電材料(石英晶體、壓電陶瓷、PVDF等)在沿一定方向上受到外力作用時(shí),其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象,在兩個(gè)相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后,又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)。由于兩個(gè)相對表面上的電荷很快會中和,因此利用表面電荷與外力成比例關(guān)系的壓電傳感器不適用于靜態(tài)力的測量,但是采用其它參數(shù),如諧振頻率、電阻抗、衰減時(shí)間常數(shù)、電容等,使得基于壓電效應(yīng)的傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)力的測量[33]。

4)壓磁效應(yīng)(Piezomagnetic Effect)

鐵磁性材料受到機(jī)械力的作用,其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力,引起磁導(dǎo)率的變化。這種由于機(jī)械力作用引起鐵磁性材料磁性變化的物理效應(yīng)稱為壓磁效應(yīng)。壓磁傳感器有很多優(yōu)點(diǎn),與應(yīng)變片傳感器相比,這種傳感器無需粘貼,安裝簡單;與壓電傳感器相比,壓磁傳感器既可以測量動態(tài)力,也可以用于靜態(tài)力的測量,且信號放大電路簡單,不需要電荷放大器。壓磁傳感器具有很好的抗過載能力和很強(qiáng)的抗干擾能力。理論上,基于磁彈性效應(yīng)的力傳感器的精度很高,但是容易受到電磁干擾導(dǎo)致精度下降。大多數(shù)的壓磁傳感器都是采用電磁效應(yīng)(electromagnetic effect)的測量方法,其中包括磁阻(magnetoresistive)、磁致伸縮(magnetostrictive)、霍爾元件(hall elements),電磁效應(yīng)檢測的分辨力非常高,應(yīng)用范圍涵蓋了微牛(μN(yùn))、納牛(nN)和皮牛(pN)。

5)電容式傳感器(Capacitive Sensor)

微小結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生微小變形或位移,引起兩個(gè)電極之間電容的變化,通過測量電容變化獲取微小力的測量值。與壓阻傳感器相比,電容式傳感器具有能耗低、靈敏度高、頻率響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn),其檢測精度可達(dá)到微牛頓或亞微牛頓。電容式微力傳感器可以直接集成于基于MEMS工藝制作的微型夾鉗中[35]。

6)激光拉曼分光光度計(jì)(Laser Raman Spectrophotometer,LSR)原理

拉曼效應(yīng)(Raman scattering)也稱拉曼散射,指光波在被散射后頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。當(dāng)結(jié)構(gòu)受拉應(yīng)力時(shí)頻率增加,當(dāng)結(jié)構(gòu)受壓應(yīng)力時(shí)頻率減小,通過檢測拉曼散射光的峰值頻率和帶寬,測量被測物體的內(nèi)部應(yīng)力,進(jìn)而得到施加在被測結(jié)構(gòu)上的作用力大小[36]。

7)基于視覺的力傳感器(Vision-based force sensor)

利用機(jī)器視覺對彈性結(jié)構(gòu)變形前后的圖像進(jìn)行處理,根據(jù)得到的變形量及其與作用力的關(guān)系得到結(jié)構(gòu)對應(yīng)的受力情況?；谝曈X的力檢測對象可以是微夾持器或者被操作物體,也可以是能夠反映被操作對象受力情況的其他間接受力物體。文獻(xiàn)[37]介紹了基于顯微視覺測量微型移動機(jī)器人末端微力的傳感器,彈性結(jié)構(gòu)集成于機(jī)器人末端,可以實(shí)現(xiàn)平面兩個(gè)方向上微力的檢測,微力測量的分辨力約1.5 μN(yùn),測量范圍0~20 μN(yùn);文獻(xiàn)[38]介紹了基于顯微機(jī)器視覺通過測量彈性體變形,檢測懸臂梁和微夾鉗的受力,檢測精度分別達(dá)到±3 nN和±3 mN。由于顯微視覺是微小零件操作與裝配作業(yè)所需要主要的設(shè)備,基于視覺的力傳感器易于實(shí)現(xiàn),并且能夠可靠地進(jìn)行測量,但對于微小力的測量,需要視覺系統(tǒng)能夠檢測到微小的運(yùn)動,視覺檢測的分辨力和彈性結(jié)構(gòu)的剛度決定了微小力檢測的能力。

對于目前大多數(shù)的微小零件裝配作業(yè)來說,雖然一維的微力傳感器已能夠滿足需求,但隨著新的裝配作業(yè)需求的不斷提出,以及裝配作業(yè)環(huán)境越來越復(fù)雜,多維力傳感器將得到更多的重視,并在提升裝配作業(yè)的能力方面發(fā)揮重要的作用。

1.3 接近覺和其它傳感器

對于精密微小零件的裝配,視覺和力覺是目前裝配系統(tǒng)中最主要的兩類傳感器,并滿足絕大多數(shù)裝配作業(yè)需求。由于微小器件或產(chǎn)品的種類繁多,待裝配零件具有多樣性,不同的器件或產(chǎn)品裝配要求和過程控制也有很大的差異,因此,除了視覺和力覺傳感器之外,自動化裝配作業(yè)系統(tǒng)中往往還需要其它的各種傳感器。

1)接近覺傳感器(Proximity sensor)

用于微小裝配作業(yè)中的接近覺傳感器主要集成于微型夾鉗等操作末端,避免與環(huán)境物體碰撞而造成損壞,保證裝配作業(yè)安全、可靠。M.Brunner在其研制的真空吸附微型夾鉗系統(tǒng)中集成了接近覺傳感器,該傳感器的原理是使吸管的尖端在諧振頻率處振動,當(dāng)其接近物體表面時(shí),吸管尖端同物體表面的相互作用使得振動頻率發(fā)生變化,從而能夠獲得接近的距離信息,避免吸附尖端與被操作物體或環(huán)境發(fā)生碰撞而造成硬件損壞[39]。

2)測距傳感器

測距傳感器可以用來測量物體之間在某一方向上的偏差,如高度差等,以方便裝配過程中的調(diào)整和控制;利用測距傳感器還能夠幫助顯微視覺裝置實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的對焦。此外,本文1.1中有關(guān)獲取機(jī)器視覺深度信息時(shí)提到基于激光三角法測距方法,其中包括直接使用激光位移傳感器。國內(nèi)一些激光位移傳感器在精密裝配中的應(yīng)用研究,參見文獻(xiàn)[40]和文獻(xiàn)[41]。

3)微小扭矩傳感器

微小扭矩傳感器主要用于微小螺釘擰緊連接和微小螺紋副裝配。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15054.1-2018《小螺紋第1部分:牙型、系列和基本尺寸》給出了公稱直徑范圍為0.3~1.4 mm的小螺紋的牙型和基本尺寸[42]。參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3098.13-1996《緊固件機(jī)械性能螺栓與螺釘?shù)呐ぞ卦囼?yàn)和破壞扭矩公稱直徑1~10 mm》給出的破壞扭矩的數(shù)據(jù),12.9級M1.4螺釘最小破壞扭矩0.16 N·m[43],裝配過程中微小扭矩控制值估計(jì)不超過0.1 N·m。

2 微小裝配中的測量技術(shù)

微小裝配中的測量技術(shù),是指集成視覺或力覺等各類傳感器,建立測量裝置或系統(tǒng),為獲取微小裝配過程中所需測量信息而形成具體的流程和方法。作為測量裝置或系統(tǒng)中集成的關(guān)鍵器件,各類傳感器的選取或開發(fā)應(yīng)依據(jù)裝配中的測量要求,實(shí)現(xiàn)裝配作業(yè)控制的目標(biāo)。微小裝配中的測量主要包括被裝配零件位置和姿態(tài)的測量、零件之間的接觸控制等。

2.1 微小零件位置姿態(tài)的測量

大多數(shù)微小零件的裝配,只需要測量零件在平面內(nèi)的位置和姿態(tài),并根據(jù)零件之間位置和姿態(tài)偏差進(jìn)行調(diào)整,通過垂直方向的接觸控制實(shí)現(xiàn)零件的裝配。

一般情況下,微型零件的目標(biāo)特征可以完全進(jìn)入相機(jī)的視場,測量和定位過程相對較為容易,然而,對于尺寸跨度較大的微小零件,由于高分辨力相機(jī)視場的限制,測量范圍相對較小,需要解決高精度、高分辨力相機(jī)視場狹小和裝配作業(yè)空間較大的矛盾。由三軸精密位移滑臺、工業(yè)數(shù)字相機(jī)、遠(yuǎn)心光學(xué)鏡頭、照明光源等構(gòu)成基于機(jī)器視覺的精密測量模塊,能夠完成較大裝配作業(yè)空間內(nèi)的圖像采集、目標(biāo)零件的特征識別、零件位置和姿態(tài)的精密測量[44-46]。

精密測量模塊設(shè)計(jì)實(shí)體圖如圖3所示,其組成如圖4所示。該模塊由顯微機(jī)器視覺裝置和高重復(fù)定位精度的精密運(yùn)動平臺構(gòu)成,采用圖像拼接等圖像處理技術(shù),并經(jīng)過標(biāo)定,實(shí)現(xiàn)較大空間內(nèi)零、組件位置和姿態(tài)的測量,通過集成同軸和環(huán)形光源,并合理選擇照明光源的顏色,適應(yīng)由于零件采用不同材料而具有不同的顏色和表面加工質(zhì)量。通過在測量點(diǎn)進(jìn)行精確標(biāo)定的方法,可使測量精度得到進(jìn)一步提高。

圖3 精密測量模塊設(shè)計(jì)實(shí)體圖Fig.3 Stereogram of precision measurement module design

圖4 基于機(jī)器視覺精密測量模塊的構(gòu)成Fig.4 Components of precision measurement module based on machine vision

標(biāo)定是保證微小裝配設(shè)備組裝精度的重要技術(shù),具體包括視覺裝置內(nèi)部的標(biāo)定、與模塊中主要精密運(yùn)動平臺直線運(yùn)動的軸線之間的夾具,以及與其它模塊之間相對位姿的標(biāo)定。機(jī)器視覺裝置內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定主要是指橫向和縱向兩個(gè)像素間距的標(biāo)定。由于機(jī)器視覺裝置的鏡頭采用遠(yuǎn)心鏡頭,測量平面(物方)與像平面平行,且畸變很小、可忽略,標(biāo)定通過測量橫向和縱向兩個(gè)像素間距代表的距離,替代放大倍率、偏斜系數(shù)。視覺裝置與模塊中主要精密運(yùn)動平臺軸線之間的夾角和不同模塊坐標(biāo)系之間夾角,可采用帶有直線條的高精度模板進(jìn)行標(biāo)定。

集成基于機(jī)器視覺精密測量模塊的微小器件自動裝配系統(tǒng)[47-48]如圖5所示。對大多數(shù)裝配作業(yè)任務(wù),單個(gè)豎直向下的機(jī)器視覺裝置能夠滿足測量需要,如果零件側(cè)面或底面的特征結(jié)構(gòu)需要對準(zhǔn)定位,則需要輔助測量模塊,如圖5中所示集成的水平視覺輔助模塊。圖6所示為集成了水平視覺輔助模塊測量微小零件側(cè)面特征結(jié)構(gòu)。

圖5 大連理工大學(xué)研制的微小器件自動裝配系統(tǒng)Fig.5 Automated assembly system for miniature devices developed by Dalian University of Technology

圖6 水平視覺輔助模塊測量微小零件側(cè)面特征結(jié)構(gòu)Fig.6 Horizontal vision aid module measuring side feature structure of miniature devices

采用視覺測量模塊對尺寸跨度較大的微小型零件進(jìn)行測量時(shí),由于視場狹小,顯微視覺單元無法采集零件的全局特征圖像,因此可通過移動視覺裝置或零件采集多幅局部圖像,分別進(jìn)行圖像處理并提取零件的局部特征,通過拼接擬合的方式獲取零件的位置和姿態(tài)。圖像拼接的方式,必然會降低效率,為兼顧測量精度與裝配效率,可采用不同放大倍率的視覺裝置[45],也可采用變倍率視覺裝置[49-50]。

對于變倍率機(jī)器視覺裝置,需要對其不同倍率下主點(diǎn)偏移、偏轉(zhuǎn)角度、像素當(dāng)量重復(fù)性等進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)研究。圖7所示為集成于微小裝配系統(tǒng)中的變倍率機(jī)器視覺裝置[50],該視覺裝置具有以下特點(diǎn):①適應(yīng)零件外形尺寸:根據(jù)零件外形尺寸自動調(diào)整放大倍率,不采用或少采用圖像拼接;②不同高度位置結(jié)構(gòu)特征的測量:具有自動變焦功能,能夠精確測量零件裝配目標(biāo)位置和換接工具所拾取零件的位置;③機(jī)器視覺裝置的校準(zhǔn):采用內(nèi)部或外部輔助校準(zhǔn)的方法,保證不同變焦變倍狀態(tài)下的測量精度。

圖7 微小裝配系統(tǒng)中集成的變倍率機(jī)器視覺裝置Fig.7 Zoom machine vision device integrated to miniature devices assembly system

由于平面二維的機(jī)器視覺技術(shù)成熟,因此大量的面向?qū)嵱玫奈⑿⊙b配系統(tǒng)采用了多個(gè)相機(jī),通過從不同角度采集的圖像,獲取零件的三維信息,這些微小裝配系統(tǒng)中集成的視覺裝置大多采用相互之間垂直或正交的布置放置[47-48,51,54];M.Probst等研制微裝配系統(tǒng)采用了沿半球環(huán)形布置的多個(gè)相機(jī)和光源[55],如圖8所示,這樣的布置使系統(tǒng)能夠通過調(diào)整滿足更多不同的裝配作業(yè)需求。

圖8 沿半球環(huán)形布置的多個(gè)相機(jī)和光源Fig.8 Cameras and light sources set along the hemisphere

對于微小器件或產(chǎn)品,待組裝零件的CAD模型在設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)確定,利用CAD模型所提供的3D信息,使得在機(jī)器視覺的視場中存在遮擋時(shí),仍能夠得到零件的位置和姿態(tài)信息。融合CAD模型信息,能夠解決測量和裝配過程中零件結(jié)構(gòu)特征識別、視覺跟蹤等方面信息不足的問題[56-58]。

裝配過程中的“對準(zhǔn)”也是微小零件位置姿態(tài)測量中的典型問題,主要包括兩類應(yīng)用:一類是光纖、透鏡等光學(xué)元件在裝配過程中的對準(zhǔn);另一類是微小孔軸類零件的裝配或壓裝。光學(xué)元件在裝配過程中的對準(zhǔn)主要有主動和被動對準(zhǔn)兩種方式。主動對準(zhǔn)是指通過檢測光學(xué)系統(tǒng)性能作為反饋來控制的閉環(huán)對準(zhǔn);而被動對準(zhǔn)主要是通過檢測形狀或幾何尺寸來進(jìn)行的對準(zhǔn)[59]。

孔軸類零件配合或壓裝前的對準(zhǔn),可采用具有上、下雙視野的視覺系統(tǒng),具體利用棱鏡、反射鏡和相機(jī)等實(shí)現(xiàn)[60]。圖9所示微小組件自動壓裝設(shè)備[61-62],采用上下兩個(gè)機(jī)器視覺裝置進(jìn)行對準(zhǔn),上下視場通過反射鏡進(jìn)入水平放置的相機(jī)。上下視覺裝置的標(biāo)定利用在配合位置形成壓痕,并移動至對準(zhǔn)測量位置,通過相機(jī)采集圖像進(jìn)行處理來實(shí)現(xiàn)。

圖9 微小組件自動壓裝設(shè)備Fig.9 Automated pressing equipment for miniature devices

2.2 裝配過程中接觸控制

裝配是將由不同材料、采用不同工藝加工、具有不同功能的零件連接起來,形成器件或組件。對于微小零件的裝配,由于零件微小、易損壞、有敏感表面等原因,需要可靠接觸控制,避免產(chǎn)生過大的接觸力或接觸變形,防止零件和操作裝置損壞。

裝配過程中的接觸控制主要包括:①待組裝零件之間的接觸力或接觸狀態(tài)的控制;②微型夾鉗與微小零件之間的接觸控制。接觸控制需要檢測力和/或位置信息。

裝配過程中,待組裝零件之間接觸力的控制主要是利用拾取零件的操作裝置上集成微力傳感器進(jìn)行控制,同時(shí)還應(yīng)合理設(shè)計(jì)拾取裝置的剛度。零件之間的接觸可以看成質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)和剛體之間的接觸,如圖10所示。裝配過程的接觸力控制基本上是一維的力控制,如果不考慮表面吸附力等的影響,很多宏觀力控制技術(shù)方法可以應(yīng)用于微力控制,如阻抗控制、力/運(yùn)動混合控制等,有關(guān)表面吸附力在微小零件操作中的影響,可參考文獻(xiàn)[63]。

圖10 零件接觸過程力控制的模型Fig.10 Force control model of part contact process

對于尺寸微小、剛度低、受力敏感的撓性零件,裝配中接觸力小,無法測量而又必須避免零件產(chǎn)生過大變形的問題,無法采用接觸力控制的方法。在空間允許的情況下,可以采用顯微機(jī)器視覺檢測零件之間的縫隙,進(jìn)行控制接觸狀態(tài)的方案。在空間狹小、無法觀測的情況下,可利用激光微位移傳感器進(jìn)行非接觸測量,所開發(fā)的接觸狀態(tài)測量與控制技術(shù)原理如圖11(a)所示,圖11(b)是接觸狀態(tài)檢測過程中的高分辨力激光位移傳感器的信號變化,解決了撓性片零件裝配過程中接觸力極其微小,而又有接觸狀態(tài)要求的零件裝配。

圖11 撓性零件裝配中接觸狀態(tài)檢測原理Fig.11 Principles of contact status detection during flexible parts assembly

除了操作裝置夾持零件進(jìn)行接觸力控制外,還有操作裝置直接接觸并控制零件,如文獻(xiàn)[64]采用集成微力傳感器的尖端抬起和轉(zhuǎn)動微鏡的裝配作業(yè),[65]采用集成應(yīng)變計(jì)的兩個(gè)正交的鑷子,通過力反饋來操作方形微塊。

微型夾鉗與微小零件之間的接觸控制,主要通過微型夾鉗上集成的微力傳感器控制拾取零件時(shí)的夾持力,或者拾取柔軟物體時(shí),通過控制夾鉗夾指開合的大小間接控制夾持力。

同時(shí)集成了夾指開合驅(qū)動和夾持力測量結(jié)構(gòu)的微型夾鉗原理,如圖12所示[66]。

圖12 集成驅(qū)動和傳感兩部分結(jié)構(gòu)的微操作夾鉗的示意圖Fig.12 Schematic diagram of micro grippers of integrated drive and sensor structures

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH)研發(fā)的帶有夾持力測量的微型夾鉗FemtoTools GmbH,如圖13所示[67]。

圖13 帶有微力測量的FemtoTools GmbH夾鉗Fig.13 FemtoTools GmbH gripper with micro force measurement

微型夾鉗是操作機(jī)構(gòu)與微型零件之間的接口,直接與被操作物體接觸,因而特別重要。將傳感器功能集成到微型夾鉗系統(tǒng)中,是微型夾鉗技術(shù)的發(fā)展趨勢之一[68]。隨著零件尺度的縮小,微型夾鉗夾持力控制的難度增大,文獻(xiàn)[66]綜述了微米和納米尺度物體兩支微型夾鉗夾持力的測量與控制。

可靠、穩(wěn)定的夾持是微型夾鉗開發(fā)的重要目標(biāo),B.Komati等利用微型夾鉗上集成的微力傳感器信息和微型夾鉗的模型,結(jié)合估計(jì)的夾持位置,實(shí)現(xiàn)不同剛度微小物體的夾持[69]。

微小螺紋副連接,也可以算作一類需要接觸控制的應(yīng)用,螺紋副的連接需要準(zhǔn)確測量扭矩,目的是實(shí)現(xiàn)精確的預(yù)緊力控制。大連理工大學(xué)提出一種改進(jìn)的扭矩/時(shí)間控制方法,如圖14所示[70],研制的微小螺紋副裝配模塊[71],集成于自動裝配設(shè)備中,實(shí)現(xiàn)微小螺母零件的自動拾取、螺旋運(yùn)動控制、扭矩測量與預(yù)緊力的控制。

圖14 微小螺紋副連接示意圖Fig.14 Schematic diagram of micro screw thread pair connection

圖15 集成于自動裝配設(shè)備的微小螺紋副裝配模塊Fig.15 Micro screw thread pair connection assembly module integrated to automated assembly equipment

3 發(fā)展趨勢和展望

微小器件或產(chǎn)品的裝配不僅需要解決微小零件操作、測量與控制中的難題,還需要通過融合多種測量和操作技術(shù),實(shí)現(xiàn)可靠的自動化裝配作業(yè),解決系統(tǒng)集成和應(yīng)用中的問題。用于微小零件裝配作業(yè)的視覺、微力等傳感器與測量技術(shù),經(jīng)過近三十年的發(fā)展所形成的技術(shù)基礎(chǔ),目前雖然已能滿足系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)部分類型微小器件裝配自動化的需求,但是也還存在很多的問題和不足。受其局限影響,微小裝配技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)不能滿足微小器件和產(chǎn)品發(fā)展的需求。展望今后微小裝配中傳感器與測量技術(shù)的發(fā)展,具體包括以下內(nèi)容:

1)重視微小裝配中傳感器技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

雖然不同類型微小器件的裝配,往往需要不同的傳感器和測量技術(shù),但針對一類或某些特殊類型的器件,應(yīng)注重開發(fā)具有一定程度通用化、滿足一些共性需求的產(chǎn)品,如集成微力傳感器的微型夾鉗或操作裝置,即能開拓市場,又能滿足部分迫切的應(yīng)用需求。FemtoTools GmbH商業(yè)化的帶有微力測量功能的微型夾鉗產(chǎn)品在國內(nèi)售價(jià)非常昂貴,但它既能用于微小器件的裝配,還能用于生化領(lǐng)域。

2)傳感器的小型化和多功能化

相對于被組裝的微小器件,目前研制開發(fā)的裝配系統(tǒng)都是非常龐大的,這主要受限于其組成的傳感器等關(guān)鍵器件,現(xiàn)有可用的器件往往體積較大、集成困難,產(chǎn)品的小型化、提高性能水平本身也是傳感器技術(shù)發(fā)展的趨勢。多功能化主要包括:①視覺傳感器方面,目前主要應(yīng)用的是平面二維視覺,其多功能方面主要是指獲取深度信息,實(shí)現(xiàn)三維視覺,基于飛行時(shí)間測距的ToF相機(jī)雖然目前還難以滿足微小裝配的應(yīng)用需求,它和采用特殊光路結(jié)構(gòu)的雙目視覺同樣值得關(guān)注,此外,實(shí)現(xiàn)三維視覺,除硬件外,軟件不可忽視;②對于微力傳感器,多功能化主要體現(xiàn)在多維微力/微扭矩信息的獲取,以解決復(fù)雜裝配過程中的測量問題,多維微力/微扭矩傳感器方面在過去二三十年間已開展了不少的研究[72]。

3)注重集成問題和技術(shù)的研究

以傳感器為基礎(chǔ)建立測量裝置,集成于裝配系統(tǒng)中,需要充分研究傳感器的局限性,包括應(yīng)用條件、各種干擾、測量結(jié)果的不確定性等,如應(yīng)用視覺傳感器進(jìn)行測量時(shí),被測物體表面特性的影響、雜散光的干擾等;此外,實(shí)際裝配中的測量問題往往需要融合視覺、微力等多種傳感器的信息。因此,集成問題包括多種不同類型傳感器的集成和測量裝置在裝配系統(tǒng)中集成方面的應(yīng)用問題。

4)需求牽引研制開發(fā)新型傳感器與測量技術(shù)

隨著新的微小器件和產(chǎn)品的出現(xiàn),對裝配及傳感測量技術(shù)也不斷提出新的要求。基于現(xiàn)有產(chǎn)品和技術(shù),滿足新的要求,研制的測量系統(tǒng)如果復(fù)雜且昂貴,則應(yīng)考慮研制開發(fā)新型傳感器與測量技術(shù),從而占領(lǐng)未來應(yīng)用的制高點(diǎn)。

5)不斷提高測量的準(zhǔn)確性與可靠性

微小裝配系統(tǒng)研究的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠、高效率的微小器件批量自動化裝配。隨著零件尺度的縮小,表面吸附力(范德華力、表面張力和靜電力)等各種干擾因素的影響顯著,使得傳感器的測量結(jié)果具有較大不確定性。雖然各國學(xué)者對表面吸附力的影響進(jìn)行了多年的研究,但其對微小器件測量與裝配作業(yè)控制的影響仍難以控制。不斷提高傳感器件的質(zhì)量和性能,同時(shí)應(yīng)用諸如深度學(xué)習(xí)等智能化技術(shù)和方法,提高測量的準(zhǔn)確性和可靠性,具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

本文對用于精密微小裝配中的視覺、力覺等主要傳感器進(jìn)行了綜述,結(jié)合裝配中的測量問題和應(yīng)用需求,介紹和分析了微小零件位置姿態(tài)誤差測量和裝配過程中接觸控制等技術(shù),并對今后發(fā)展進(jìn)行了展望。目前,微小精密裝配中的傳感器與測量技術(shù)還存在較多的問題和局限,相信為滿足微小器件或產(chǎn)品的可靠、高效的自動化裝配需求,今后將推動技術(shù)水平的不斷進(jìn)步。