孫 鵬，王曉東，何文鑫，徐 征

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，大連 116024)

0 引言

精密點膠技術(shù)指通過在目標(biāo)位置定量分配膠液來實現(xiàn)機(jī)械或電氣連接和保護(hù)[1]，是先進(jìn)制造技術(shù)的關(guān)鍵一環(huán)。目前，傳統(tǒng)的點膠技術(shù)可分為接觸式點膠和非接觸式點膠兩大類[2-4]，其中接觸式點膠技術(shù)在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在微小裝配領(lǐng)域，微粘接[5]作為主要的連接技術(shù)之一，在微系統(tǒng)制造工藝中發(fā)揮重要作用，提升微粘接環(huán)節(jié)的點膠精度對改善粘接強(qiáng)度和減小內(nèi)應(yīng)力等方面有重要作用。

時間-壓力型[6-8]點膠是發(fā)展較為成熟的接觸式點膠技術(shù)，具有操作簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好等特點，在大部分膠接領(lǐng)域獲得廣泛的使用?；跁r間-壓力的點膠受到多種因素的影響，如膠粘劑粘度[9]、點膠時間、供給壓力、針尖與基板距離[10]等。許多國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究，以實現(xiàn)對點膠量的精密控制，LUTFURAKHMANOV等[11]研究了表面張力、注射壓力、針頭半徑及針尖與基板的距離等因素對點膠量的影響規(guī)律，實現(xiàn)了對小于針頭內(nèi)徑10%～15%的微膠滴的點樣。LI等[12]提出了一種簡單的基于魯棒模型的流體點樣建模與控制及方法，可應(yīng)用于未知流體的精密點樣，實現(xiàn)了良好的控制效果。LIU等[13]針對微孔膠粘劑填充問題，提出了基于顯微視覺和激光距離傳感器的納升流體閉環(huán)分配方法并開發(fā)了一種流體點膠系統(tǒng)，該方法控制流體點高度誤差小于2 μm。以上研究實現(xiàn)了特定應(yīng)用場景下的精密點膠和控制，而在實際的工程應(yīng)用中，對于微小零件的批量自動化裝配過程，如何將自動化點膠集成于微小裝配系統(tǒng)中，實現(xiàn)裝配流程中點膠的精密控制以及提升料筒更換后的點膠一致性是一個關(guān)鍵性的問題。因此，研究一種適用多種零件、點膠精度高、便于設(shè)備集成的精密自動化點膠方式具有重要的意義。

本文設(shè)計了基于精密測量和點膠自動標(biāo)定的精密點膠系統(tǒng)，并集成于微小裝配設(shè)備。該系統(tǒng)可利用點膠標(biāo)定模塊進(jìn)行自動標(biāo)定和膠滴預(yù)點樣，實現(xiàn)對針尖位置的自動定位和點膠工藝參數(shù)的確定，使用機(jī)器視覺視覺結(jié)合激光測距方法確定零件和點膠位置，實現(xiàn)精密點膠過程的自動定位和對點膠針尖與零件表面初始距離的控制，快速和準(zhǔn)確地實現(xiàn)在零件表面的精密自動化點膠。

1 微小裝配設(shè)備及精密點膠系統(tǒng)

集成于微小裝配設(shè)備的精密點膠系統(tǒng)如圖1所示，包括精密測量和點膠模塊，作業(yè)工作臺以及點膠標(biāo)定模塊3個部分。其中精密測量和點膠模塊基于兩自由度機(jī)械臂，集成一個工業(yè)數(shù)字相機(jī)、激光位移傳感器和一個氣動滑臺以及時間壓力點膠模塊。兩自由度機(jī)械臂可實現(xiàn)沿X軸和Z軸的移動，工業(yè)數(shù)字相機(jī)安裝于機(jī)械臂之上，其光軸與機(jī)械臂Z軸平行。此外，機(jī)械臂上還安裝了一個精密氣動滑臺，具有Z軸方向的移動自由度，用于調(diào)整點膠工作位置，點膠模塊和激光位移傳感器集成于滑臺上并保證激光位移傳感器光軸同樣平行于機(jī)械臂Z軸，可實現(xiàn)測量與精密點膠；作業(yè)工作臺主要包括一個3自由度調(diào)整平臺，具有X軸和Y軸的移動自由度以及繞Z軸的轉(zhuǎn)動自由度，可以對零件的位置進(jìn)行微調(diào)和對準(zhǔn)；點膠標(biāo)定模塊基于力傳感器搭建，可實現(xiàn)對點膠模塊針尖位置的標(biāo)定和膠滴的預(yù)點樣。

圖1 精密點膠系統(tǒng)

為了便于控制裝配設(shè)備和精密點膠系統(tǒng)各個模塊間的配合和動作，在裝配設(shè)備的各模塊上建立了笛卡爾坐標(biāo)系。如圖1所示，在精密測量和點膠模塊建立世界坐標(biāo)系OwXwYwZw和視覺坐標(biāo)系OvXvYvZv，相機(jī)上建立圖像坐標(biāo)系OUV，在3自由度調(diào)整平臺上建立作業(yè)工作臺坐標(biāo)系OtXtYtZt。圖像坐標(biāo)系原點與圖像像素原點重合。視覺坐標(biāo)系和作業(yè)工作臺坐標(biāo)系X軸和Y軸分別平行于圖像坐標(biāo)系的U軸和V軸，視覺坐標(biāo)系Z軸指向工作空間，工作臺坐標(biāo)系Z軸遠(yuǎn)離工作空間。在實際設(shè)備搭建中，由于作業(yè)工作臺X向滑臺和Y向滑臺可能存在非垂直情況，即作業(yè)工作臺Y向滑臺與OtXtYtZt坐標(biāo)系存在夾角，因此，定義矩陣Mt為作業(yè)工作臺移動的誤差補償矩陣。此外，兩軸機(jī)械臂Z向滑臺與視覺坐標(biāo)系Z軸之存在夾角，但其沿Z軸運動引起的誤差會在基于膠滴預(yù)點樣的針頭位置標(biāo)定過程中得出，不需要額外補償。另外，定義轉(zhuǎn)換矩陣M1和M2分別表示OUV與OwXwYwZw以及OwXwYwZw和OtXtYtZt與間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，通過對裝配設(shè)備的標(biāo)定可得到相應(yīng)矩陣。

2 精密的點膠控制

精密的點膠控制體現(xiàn)在點膠的準(zhǔn)確定位和膠滴的定量控制兩個方面。為了實現(xiàn)點膠過程中針尖的準(zhǔn)確定位，除了通過視覺測量得到零件當(dāng)前位置信息外，還需要確定點膠模塊針尖的位置；為了實現(xiàn)膠滴的定量控制，除保證常規(guī)的點膠工藝參數(shù)外，還需要保證點膠過程中針尖與零件表面之間的初始距離，通過激光測距手段并結(jié)合針尖高度位置信息便可實現(xiàn)對該初始距離的控制。綜上所述，要想實現(xiàn)精密的點膠控制，獲取針尖的位置信息十分重要。

然而，在實際的點膠過程中，點膠模塊料筒與針頭的安裝和更換會導(dǎo)致其針尖產(chǎn)生圖2所示的位置偏差，從而造成點膠一致性偏差的問題，因此，實現(xiàn)點膠模塊針尖位置信息的自動標(biāo)定是實現(xiàn)自動化精密點膠的關(guān)鍵一環(huán)。

(a) 設(shè)計安裝位置 (b) 偏差安裝位置圖2 點膠模塊安裝偏差示意圖

本文采用基于力傳感器的接觸式標(biāo)定方法，設(shè)計了點膠標(biāo)定模塊。利用該模塊可進(jìn)行對針尖高度的自動標(biāo)定以及膠滴的預(yù)點樣。由于硅片具有一致性好，便于清洗等優(yōu)點，選用其作為膠滴預(yù)點樣的載體。如圖3所示，力傳感器固定于設(shè)備平臺上，在其輸入端連接一個內(nèi)部設(shè)計有氣路的測量端塊，通過真空吸附固定薄硅片作為基板。當(dāng)力傳感器示數(shù)發(fā)生變化時，判定針尖與基板接觸，得到針尖高度信息；在硅片基板上進(jìn)行膠滴預(yù)點樣，通過機(jī)器視覺手段測得膠滴中心，進(jìn)而得到針尖位置信息。

圖3 點膠標(biāo)定模塊

2.1 針尖與基板距離控制

為了實現(xiàn)對精密點膠環(huán)節(jié)的膠量的精確控制，需要嚴(yán)格控制點膠過程中針尖與零件表面的初始距離δ。激光位移傳感器可測量零件表面待點膠位置的高度信息，要想控制δ還需要通過自動標(biāo)定獲取針尖的高度位置，即針尖與激光位移傳感器間的相對距離。

要實現(xiàn)對零件待點膠位置表面高度的檢測，激光位移傳感器需要實現(xiàn)準(zhǔn)確定位。由于激光位移傳感器和相機(jī)間的安裝位置固定不變，因此可對二者間的相對位置關(guān)系進(jìn)行離線標(biāo)定。調(diào)整兩軸機(jī)械臂使激光位移傳感器對準(zhǔn)某一特征點，移動相機(jī)至該特征點處于相機(jī)視野中，此過程兩軸機(jī)械臂模塊X軸的位置從X0運動至X1，此時該點在圖像坐標(biāo)系中的位置計為(u1,v1)。則激光位移傳感器與相機(jī)視野中心在世界坐標(biāo)系中OwXwYw平面的位置偏差可以表示為：

(1)

針尖與激光位移傳感器間的相對距離是非固定值。為了便于確定該值，將某一安裝狀態(tài)下的針頭接觸一標(biāo)準(zhǔn)量塊即可通過激光位移傳感器測得該相對距離值為H，將其定為該相對距離的基準(zhǔn)值，再使針頭接觸點膠標(biāo)定模塊基板并記錄Z軸位置為Z0。在每次更換料筒和針頭后，通過點膠標(biāo)定模塊進(jìn)行自動化標(biāo)定，記錄針頭接觸硅質(zhì)基板時Z軸位置為Z1，那么此時點膠模塊針尖與激光位移傳感器間的相對距離便可通過基準(zhǔn)值得出。

在對零件表面進(jìn)行點膠工作前，將激光位移傳感器移動至某一固定高度，通過機(jī)器視覺引導(dǎo)激光位移傳感器至待測位置，測量其與零件表面某待點膠位置的距離計為Hi，那么，以初始距離δ點膠時，此機(jī)械臂Z軸需要向下移動的距離為ΔZi，其值可以表示為：

ΔZi=Hi+H-Z1+Z0-δ

(2)

2.2 點膠針尖的定位

圖2所示的針頭位置偏差對點膠過程中針尖的定位有較大影響，為了保證膠滴位置的準(zhǔn)確性，更換點膠模塊后，需要在點膠標(biāo)定模塊進(jìn)行膠滴預(yù)點樣，使用機(jī)器視覺得到預(yù)點膠滴的中心，并通過此值引導(dǎo)點膠過程針頭的定位。如圖4所示，基于上節(jié)提到的針尖高度標(biāo)定值，以初始距離δ在點膠標(biāo)定模塊的硅質(zhì)基板上進(jìn)行膠滴的預(yù)點樣，通過視覺和圖像處理得出該膠滴的中心，再經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換便可實現(xiàn)點膠過程中針尖的準(zhǔn)確定位。

(a) 膠滴預(yù)點 (b) 膠滴質(zhì)心檢測

(c) 識別待點膠位置 (d) 零件表面點膠圖4 針尖定位過程示意圖

在硅質(zhì)基板上進(jìn)行膠滴預(yù)點樣時，兩軸機(jī)械臂模塊X軸位置記為xvd0，相機(jī)模塊在膠滴上方進(jìn)行圖像采集時兩軸機(jī)械臂X軸位置為xvd1，則該過程兩軸機(jī)械臂模塊在OvXvYv平面的運動向量可以表示為：

(3)

預(yù)點膠滴的中心在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)用(ud0,vd0)表示。在精密點膠環(huán)節(jié)中，通過相機(jī)采集零件圖像，經(jīng)過圖像處理可得到待點膠位置在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(udi,vdi)。通過調(diào)整作業(yè)工作臺使得上述待點膠位置與預(yù)點膠滴中心位置再圖像坐標(biāo)系OUV中重合，再以-VD移動機(jī)械臂模塊X軸，便可實現(xiàn)對點膠過程中針尖的定位。最后根據(jù)式(2)中的ΔZi調(diào)整針尖高度位置，完成自動化點膠作業(yè)。上述針尖定位過程中作業(yè)工作臺的運動可以通過式(4)計算。

(4)

2.3 點膠工藝參數(shù)的確定

實際點膠環(huán)節(jié)中，精密點膠系統(tǒng)的膠量需求會隨點膠工藝的微調(diào)而改變，即該系統(tǒng)的需求膠量會有所調(diào)整。此外，時間-壓力式點膠在受到某些因素的影響可能會導(dǎo)致點膠量的浮動，即采用相同點膠工藝參數(shù)下的膠滴直徑與預(yù)期可能存在一定偏差。以上情況要求精密點膠系統(tǒng)可根據(jù)不同階段的點膠任務(wù)自動調(diào)節(jié)點膠工藝參數(shù)。

如圖5所示，基板上的液滴與基板間的接觸角θ和其鋪展直徑D決定了其體積的大小。理想狀態(tài)下液滴的體積V[14]可以表示為：

圖5 理想液滴形態(tài)示意圖

(5)

對于相同材料基板上的液滴，其體積的變化主要體現(xiàn)為液滴直徑的不同，雖然對于同種流體在兩種不同材料基板上形成的液滴而言，其接觸角的值會有所不同，但可以根據(jù)實際的接觸角估算相同體積下二者液滴直徑間的關(guān)系。基于這種思路，通過在某種材料的基板上的膠滴預(yù)點樣得到膠滴直徑，便可估測同種點膠參數(shù)下目標(biāo)材料基板上膠滴的直徑。

為了適應(yīng)不同階段下的點膠量需求的改變，提出了基于膠滴預(yù)點樣的點膠工藝參數(shù)調(diào)整方案。設(shè)待點膠零件表面膠滴接觸角為θp，點膠要求的直徑為Dp，膠滴預(yù)點樣位置為點膠標(biāo)定模塊上吸附的薄硅片，其接觸角為θa，硅片上預(yù)點膠滴目標(biāo)直徑為Da，以上參數(shù)之間關(guān)系可表示為：

(6)

對于時間-壓力式點膠，點膠時間是最適合調(diào)節(jié)的點膠參數(shù)，設(shè)某一情況下膠滴直徑為Di，此時點膠時間為Ti，目標(biāo)達(dá)到的直徑為D，則需要調(diào)節(jié)的點膠時間T可表示為：

(7)

通過在點膠標(biāo)定模塊硅質(zhì)基板上進(jìn)行膠滴預(yù)點樣，使用相機(jī)視覺檢測當(dāng)前膠滴直徑后與目標(biāo)直徑Da進(jìn)行比較，當(dāng)二者之間誤差小于2%時結(jié)束對點膠參數(shù)的調(diào)整，否則需要調(diào)節(jié)點膠時間后重復(fù)以上操作，直至膠滴符合需求。

3 點膠實驗與分析

微小裝配設(shè)備如圖6所示，將精密點膠系統(tǒng)設(shè)計方案集成于裝配設(shè)備中，主要包括精密測量及點膠模塊、點膠標(biāo)定模塊，裝配作業(yè)操作機(jī)械臂、作業(yè)工作臺以及上料機(jī)械臂等幾個部分。

1.上料機(jī)械臂 2.精密測量及點膠模塊 3.作業(yè)工作臺 4.裝配作業(yè)操作機(jī)械臂 5.點膠標(biāo)定模塊6.力傳感器 7.激光位移傳感器 8.料筒 9.工業(yè)數(shù)字相機(jī) 10.點膠控制器圖6 微小裝配設(shè)備

用于視覺測量和點膠的兩軸機(jī)械臂模塊，其精密滑臺運動分辨率為1 μm，重復(fù)定位精度可達(dá)0.5 μm。工業(yè)數(shù)字相機(jī)分辨率達(dá)3088×2064，單像素尺寸為2.43 μm×2.43 μm，并配備遠(yuǎn)心光學(xué)鏡頭，其工作距離為65 mm，可沿Z軸方向運動。用于位置調(diào)整的氣動滑臺重復(fù)定位精度可達(dá)2 μm，其上安裝有激光位移傳感器，工作距離為50 mm，分辨率為1.5 μm；實現(xiàn)零件操作和位姿調(diào)整的3自由度調(diào)整平臺，其X軸和Y軸的運動分辨率為1 μm，重復(fù)定位精度0.3 μm，精密轉(zhuǎn)臺的角位移分辨率可達(dá)0.002 5°。選用的時間-壓力式點膠控制器，點膠時間分辨率可達(dá)1 ms，壓力分辨率為100 Pa，動作能力為1200 cycle/min。

對裝配設(shè)備以及精密點膠系統(tǒng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣和工作臺兩軸間垂直度誤差補償矩陣進(jìn)行標(biāo)定，分別得到M1、M2、Mt。

3.1 點膠參數(shù)調(diào)整實驗

在25 ℃下，使用接觸角測量儀分別對環(huán)氧樹脂膠在硅片和磁鋼表面的液滴接觸角進(jìn)行測量，圖7為測量過程。

(a) 磁鋼表面 (b) 硅片表面圖7 膠滴接觸角測量

根據(jù)測量結(jié)果，得到待點膠零件表面膠滴平均接觸角θp為59.85°，硅片表面膠滴平均接觸角θa為48.59°。計算可得：

利用點膠標(biāo)定模塊，使用內(nèi)徑400 μm的精密針頭，設(shè)置點膠吐出壓力為150 kPa，分別進(jìn)行硅片預(yù)點樣膠滴直徑為900 μm、1000 μm和1100 μm的膠滴調(diào)整實驗，并根據(jù)標(biāo)定結(jié)果分別進(jìn)行3次點膠，實驗結(jié)果如表1所示，圖8為目標(biāo)直徑1000 μm的參數(shù)調(diào)整過程以及零件表面實際點膠情況。

表1 膠滴預(yù)點樣驗證結(jié)果

(a) 膠滴預(yù)點樣及參數(shù)調(diào)查 (b) 實際點膠結(jié)果圖8 點膠參數(shù)調(diào)整實驗

根據(jù)以上實驗結(jié)果可知，零件表面的膠滴直徑與預(yù)點樣膠滴直徑與之比平均為0.893。因此，可在確定點膠工藝參數(shù)的實際應(yīng)用中，以此值作為零件表面膠滴與硅片表面膠滴的直徑之比。

3.2 精密點膠實驗

根據(jù)某零件點膠工藝需求，需要沿環(huán)形路徑在零件表面進(jìn)行均勻分布的數(shù)次點膠?；诘诙?jié)提出的點膠針尖定位和點膠初始距離控制方案，使用精密點膠系統(tǒng)進(jìn)行點膠實驗，并對膠滴位置精度和膠滴大小一致性進(jìn)行分析。

精密點膠實驗使用內(nèi)徑為400 μm的精密針頭，設(shè)置點膠機(jī)的吐出壓力為150 kPa，分別進(jìn)行目標(biāo)膠滴直徑為600、700、800 μm的點膠實驗，對應(yīng)的膠滴中心于零件中心距分別為2400、2500、2600 μm。圖9為膠滴直徑700 μm點膠實驗后采集的圖像，膠滴數(shù)量為8滴，其中di為膠滴直徑，Ri為膠滴中心與零件中心的距離，3次實驗中膠滴直徑和位置的一致性如圖10和圖11所示。

圖9 直徑700 μm點膠實驗

圖10 膠滴直徑分布圖 圖11 膠滴位置分布圖

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析可知，對于目標(biāo)直徑分別為600 μm、700 μm和800 μm， 距零件中心的目標(biāo)距離分別為2400 μm、2500 μm和2600 μm的點膠實驗，其實際膠滴中心位置與目標(biāo)位置偏差最大值分別為21 μm、26 μm和27 μm；實際膠滴直徑相對于目標(biāo)直徑的最大偏差分別為4.5%、2.4%和3.5%。

4 結(jié)論

本文面向微小零件裝配的精密點膠需求，提出了一種基于精密測量和點膠自動標(biāo)定的自動化點膠方案，研制了集成于微小裝配設(shè)備的精密點膠系統(tǒng)并進(jìn)行了測試實驗，得出以下結(jié)論：

(1)基于該方案的精密點膠系統(tǒng)可實現(xiàn)微小裝配流程中的自動化精密點膠，有效提升了微小零件精密裝配流程的自動化水平。

(2)點膠參數(shù)調(diào)整過程中，點膠標(biāo)定模塊預(yù)點樣膠滴直徑與零件表面膠滴直徑之比平均為0.893，基于膠滴預(yù)點樣的點膠參數(shù)調(diào)節(jié)方法具有良好的可行性。

(3)對于膠滴直徑600～800 μm的精密點膠，膠滴位置偏差小于30 μm，膠滴直徑的一致性偏差小于5%。精密點膠系統(tǒng)在精度和穩(wěn)定性方面滿足微小裝配中的點膠需求。