一種面向微米級軟管與微球組件的裝配系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種面向微米級軟管與微球組件的裝配系統(tǒng)，屬于微米級軟管及精密 裝配的自動化裝配領域。
【背景技術】
[0002] 隨著微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)技術的發(fā)展，一些產 品的尺寸越來越小且結構復雜，如麥克風、顯微光學組件和微流體生物醫(yī)學設備等。這些產 品的許多機械部件尺寸在10微米到幾個毫米之間變化，因此迫切需要微小型零件的自動 化精密裝配技術和系統(tǒng)的建立及發(fā)展。
[0003] 很多MEMS機械部件屬于可變形材料，且由于其結構的特殊性，容易變形，如細長 型梁狀零件。這種柔性對象的自動化裝配是實現(xiàn)MEMS完全自動化裝配的非常重要且必要 的一步。在MEMS零件加工中，經常有這樣將柔性材料的零件插入到其他零件的操作，如一 些混合MEMS零件的集成，細長的微型機械金屬零件插入到深反應離子刻蝕的刻蝕孔中。目 前，這樣一些裝配操作主要由人工配合鑷子和顯微鏡或者高精密抓放機器人執(zhí)行（如發(fā)明 名稱：基于顯微視覺的微裝配機器人系統(tǒng)，申請?zhí)?1133684. 6)。一方面，由于這些微小零 件的高精度裝配要求，手工操作難以達到其要求；另一方面，由于零件材料與結構的特殊 性，其剛度小，夾持與定位困難，在批量化生產中，手工操作效率難以保證。
[0004] 為了克服傳統(tǒng)手工操作裝配過程的弊端，近年來出現(xiàn)了柔性自動化裝配技術。由 于柔性自動化裝配技術的模塊化裝配系統(tǒng)的可重配置、自動檢測技術、末端柔性卡具等設 計，使得其應用及其廣泛。
[0005] 經過文獻和專利檢索，與微米級微管相關的微裝配系統(tǒng)或裝置有如下幾項：
[0006] (1)早在 2006 年，題目為 "Realization of wire-in-hole operation with a two-finger precision manipulator"（作者 Zhiqi Liu, Tatsuya Nakamura,發(fā)表于 Int. J. Adv Manuf Technol，2006, 28:1230-1236)，該文提出了一種針對靈活組件的機械手微裝 配系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用機械手模擬人工操作，將操縱桿插入孔中，該方法在一定程度上提高了 機械化精度，然而由于人工操作環(huán)節(jié)的存在，精度有待進一步提高。
[0007] (2)申請?zhí)?01210260188. 4,發(fā)明名稱為：適用于微米級微管和微孔的裝配點膠 裝置，公開了一種包括夾持定位系統(tǒng)及顯微檢測系統(tǒng)的微米級微管和微孔的裝配點膠裝 置，該裝置可實現(xiàn)人機協(xié)同的微孔零件裝配和點膠作業(yè)。然而，該發(fā)明提出的裝配系統(tǒng)，一 方面其微孔零件夾持器定位組件的移動平臺為手動控制，在一定程度上不可避免的引入空 間定位誤差；另一方面其顯微檢測系統(tǒng)包含至少3個顯微鏡組件，需要多次對焦，從而加大 了人機協(xié)同控制難度。
[0008] (3)申請?zhí)?01310108701. 2,發(fā)明名稱為：基于單目顯微視覺的微管微球對準和 裝配裝置與方法，公開了利用單目顯微視覺系統(tǒng)實現(xiàn)了微管與微球對準和裝配方法。該發(fā) 明通過微管的三維運動，保證微管末端圖像清晰的同時，有效避免微管多次進出顯微視覺 系統(tǒng)和多次聚焦，實現(xiàn)了單目顯微視覺引導下的微管與微球對準與裝配。然而，該發(fā)明的運 動平臺自由度至少三個，如此多的自由度導致運動誤差累積與傳遞，一定程度上無法保證 精度的進一步提尚。
[0009] (4)申請?zhí)?01310196682. 3,發(fā)明名稱為：微零件裝配系統(tǒng)及相應的在線裝配方 法，公開了一種適用微零件裝配的裝配系統(tǒng)及相應的在線裝配方法。該發(fā)明方法基于空間 彼此正交排布的三路顯微視覺引導，適用于復雜結構零件的空間裝配。然而，該系統(tǒng)需要處 理大量圖像信息，從而系統(tǒng)計算量大、復雜度高，導致裝配效率低。
[0010] (5)申請?zhí)?01410081848. 1，發(fā)明名稱為：面向為裝配的亞微米精度同軸共焦對 準檢測方法與裝置，公開了一種采用等腰直角三角棱鏡的微器件裝配系統(tǒng)，實現(xiàn)了亞微米 精度的裝配對準和精度。該系統(tǒng)雖然精度高，然而成本高達上百萬人民幣，不容易普及和廣 泛適用。
[0011] 與上述專利（3)類似的文獻還有如下兩篇文獻：
[0012] 1) "微管與微球裝配中的姿態(tài)檢測與姿態(tài)對準"（高技術通訊2014年第24卷第 4期：401-406)，此文提出了一種雙目顯微視覺系統(tǒng)，實現(xiàn)了姿態(tài)測量與對準。然而，該方法 中找孔方法的自由度過多，同樣有多自由度導致運動誤差累積與傳遞的缺陷。
[0013] 2) "宏微結合的多機械手微裝配機器人系統(tǒng)"（機器人2015年1月第37卷第1 期：35-42)，此文提出了一套基于顯微視覺的多機械手微裝配機器人系統(tǒng)，實現(xiàn)了既定裝配 需求。然而，該機器人系統(tǒng)復雜而精度低，原因在于多機械手臂的自由度數量高，同樣會產 生因多機械手而引起的運動誤差累積與傳遞的缺陷。
[0014] 綜上所述，雖然目前有許多自動化微裝配系統(tǒng)，但大部分都是針對剛度較高的薄 壁類、深筒類或平板類零件，很少有目標零件為柔性材料的系統(tǒng)。上述檢索到的文獻只有 (1)文獻是針對軟管柔性零件的裝配。因此，為了實現(xiàn)MEMS零件完全自動化裝配，拓寬柔性 自動化裝配技術的實用范圍，必須要在保證裝配精度與效率的基礎上，解決柔性器件的自 動化夾持、檢測和裝配等問題。
[0015] 本發(fā)明提供的一種面向微米級軟管與微球組件的裝配系統(tǒng)，目前還未見類似的研 宄成果。

【發(fā)明內容】

[0016] 本發(fā)明的目的在于進一步提升傳統(tǒng)微裝配系統(tǒng)的精度，提出一種面向微米級軟管 與微球的裝配系統(tǒng)（后續(xù)內容將本發(fā)明簡稱為"微裝配系統(tǒng)"）。本發(fā)明的微裝配系統(tǒng)包括 夾持與裝配對象、輔助運動臺、同軸對位檢測系統(tǒng)、實時監(jiān)測系統(tǒng)、微器件夾持系統(tǒng)及正交 軸系微球空間定位系統(tǒng)六部分；
[0017] 其中，所述的夾持與裝配對象為軟管、帶微孔的診斷環(huán)和微球；
[0018] 所述的輔助運動臺包括Yl直線運動臺和Zl直線運動臺；
[0019] 所述的同軸對位檢測系統(tǒng)包括手動升降臺、Y3直線運動臺、C⑶相機1、立方體棱 鏡、棱鏡微調整機構；
[0020] 所述的實時監(jiān)測系統(tǒng)包括電動升降臺、X3直線運動臺、相機俯仰調整臺、C⑶相機 2 ；
[0021] 所述的微器件夾持系統(tǒng)包括微球固定夾具、診斷環(huán)固定夾具、微球吸附夾具、診斷 環(huán)吸附夾具、軟管定位管、微球固定夾具微調整機構、軟管運動機構；
[0022] 所述的正交軸系微球空間定位系統(tǒng)包括正交的α、β夾具旋轉軸和正交的X2、Y2 直線運動臺；
[0023] 本發(fā)明微裝配系統(tǒng)的裝配流程為：
[0024] 步驟一、通過同軸對位檢測系統(tǒng)對診斷環(huán)進行定位，即：使診斷環(huán)上的微孔豎直向 上；
[0025] 步驟二、通過同軸對位檢測系統(tǒng)，將穿過定位管的軟管豎直向下運動，插入診斷 環(huán)，此時的軟管與診斷環(huán)稱為軟管與診斷環(huán)組件，再將診斷環(huán)吸附在診斷環(huán)固定夾具上，Zl 直線運動臺豎直向上運動；
[0026] 步驟三、采用正交軸系的配置通過同軸對位檢測系統(tǒng)對微球進行空間定位；
[0027] 步驟四、利用同軸對位檢測系統(tǒng)將軟管插入到微球的微孔中，同時利用實時監(jiān)測 系統(tǒng)監(jiān)測插入過程，進行點膠；
[0028] 步驟五、豎直向上拉伸軟管與微球，通過實時監(jiān)測系統(tǒng)將微球固定在診斷環(huán)軸向 中心，并利用微球固定夾具將其吸附，使其位于診斷環(huán)徑向的中心；
[0029] 其中，所述的實時監(jiān)測系統(tǒng)在裝配過程中，通過C⑶相機2的上下移動，對夾持與 裝配對象的動態(tài)姿態(tài)進行監(jiān)測。
[0030] 有益效果
[0031] 本發(fā)明的一種面向微米級軟管與微球組件的裝配系統(tǒng)為細長型軟管類柔性零件 插入到微球的裝配提供了一種高精度的裝配方法，具有如下有益效果：
[0032] A)本微裝配系統(tǒng)中的夾持與裝配對象可以是中間尺度的平板類、薄壁類的微器 件，不一定局限于說明書及實施例中所述的微米級軟管；
[0033] B)本微裝配系統(tǒng)具有人機協(xié)同、可重配置的特點，為柔性自動化裝配大大擴展了 其實用范圍；
[0034] C)本微裝配系統(tǒng)具有操作簡便、自由度低及可移植的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0035] 圖1為用于細長型軟管與微球上微孔的裝配系統(tǒng)原理圖；
[0036] 其中，1是Zl直線運動臺；2是Yl直線運動臺；3是微球吸附夾具；4是α旋轉軸； 5是診斷環(huán)吸附夾具；6是Χ2直線運動臺；7是β旋轉軸；8是Υ2直線運動臺；9是隔振平 臺；10是C⑶相機2 ;11是相機俯仰調整臺；12是Χ3直線運動臺；13是手動升降臺；14是 電動升降臺；15是Υ3直線運動臺；16是C⑶相機1 ; 17是立方體棱鏡；18是棱鏡微調整機 構；19是診斷環(huán)固定夾具；20是軟管定位管；21是微球固定夾具；22是微球固定夾具微調 整機構；23是軟管運動機構。軟管運動機構包含一個旋轉軸和一個定滑輪，該旋轉軸在下 文中稱為γ旋轉軸；
[0037] 圖2為正交軸系微球空間定位原理圖；
[0038] 其中，3是微球吸附夾具；4是α旋轉軸；6是Χ2直線運動臺；7是β旋轉軸；8是 Υ2直線運動臺；
[0039] 圖3為同軸對位檢測原理圖；
[0040] 圖4中（a)為實施例的微球和軟管組件圖，（b)為實施例的診斷環(huán)零件圖；
[0041] 其中，24是微球；25是軟管；26是診斷環(huán)；
[0042] 圖5為本發(fā)明實施例中診斷環(huán)、軟管、微球裝配完成的姿態(tài)圖；
[0043] 圖6為本發(fā)明實施例中的微球夾具；
[0044] 圖7為本發(fā)明實施例中的診斷環(huán)夾具；
[0045] 圖8為本發(fā)明實施例中所提的控制系統(tǒng)原理圖。
【具體實施方式】
[0046] 本發(fā)明的微裝配系統(tǒng)結構配置如圖1所示，共有兩條數據傳遞鏈：一是宏動支鏈， 包括宏動的Yl和Zl直線運動臺，其行程均為