摘 要
加速度計作為慣性導航器件中重要的組成部分,可用于感知運動(dòng)載體沿一定方向的加速度。加速度計中的力矩器磁鋼組件所提供的磁鋼越均勻,則加速度計的非線(xiàn)性誤差越小,因此磁鋼組件的裝配精度可直接影響加速度計的感測精度。以往加速度計磁鋼組件的裝配、點(diǎn)膠等操作大多由人工在顯微鏡、鑷子等工具或半自動(dòng)設備的輔助下進(jìn)行,其依賴(lài)操作員的個(gè)人技術(shù)水平,且裝配效率較低、一致性較差、工序分散,因此迫切需要針對加速度計磁鋼組件研制新的高精度全自動(dòng)裝配設備以解決這一問(wèn)題。本文針對加速度計磁鋼組件的裝配任務(wù)要求,設計了一套集裝配、鎖緊、點(diǎn)膠、測量等功能為一體的精密全自動(dòng)裝配系統,以及一種分體式快速自動(dòng)鎖緊組裝夾具及鎖緊方法,并對裝配系統的誤差來(lái)源進(jìn)行分析,之后通過(guò)仿真計算模擬裝配過(guò)程,優(yōu)化了機械臂結構。
首先基于模塊化的設計思想,將裝配任務(wù)分解,設計了高精度自動(dòng)化裝配設備的整體硬件結構及與其配套的裝配作業(yè)流程。將裝配設備分為 8 個(gè)模塊,分別為裝配作業(yè)模塊、基于機器視覺(jué)的精密測量模塊、上料機械臂模塊、作業(yè)工作臺模塊、上料轉臺模塊、上料平臺模塊、點(diǎn)膠位置標定模塊、平臺與支架。裝配作業(yè)模塊為主要執行模塊,負責執行裝配、鎖緊等操作;基于機器視覺(jué)的精密測量模塊負責對待裝配零件的位姿進(jìn)行監測,并采取先看后動(dòng)的方式進(jìn)行位姿調整;作業(yè)工作臺模塊負責裝配時(shí)組裝夾具的裝卡;上料機械臂模塊負責快速上下料;上料轉臺模塊可將組裝夾具從上料側運動(dòng)至裝配側,實(shí)現裝配與上料的并行操作;上料平臺模塊可實(shí)現大容量的組裝夾具上料;點(diǎn)膠位置標定模塊用于更換點(diǎn)膠頭后其 Z 向位置的標定。最后設計了裝配作業(yè)流程。
其次,依據待裝配零件本身特性及裝配任務(wù)要求,制定了鎖緊工藝流程,設計了一套可用于零件定位、鎖緊、上下料的自動(dòng)組裝夾具。該自動(dòng)組裝夾具主要由三部分組成,分別為鎖緊壓板、鎖緊底板和上料支架。鎖緊壓板主要用于為底座零件提供壓緊力以固定磁鋼組件;鎖緊底板用于固定磁鋼零件,與鎖緊壓板配合使用以實(shí)現鎖緊;上料支架可用于上下料時(shí)對鎖緊壓板、鎖緊底板和底座的定位,也可在點(diǎn)膠時(shí)提供輔助支撐。
最后,分析了磁鋼自動(dòng)裝配系統的主要誤差來(lái)源,并利用仿真軟件模擬裝配過(guò)程,計算分析了在裝配過(guò)程中磁性干擾力所引起的磁鋼組裝機械臂末端的變形,并對磁鋼組裝機械臂的機械結構做出相應改進(jìn)。
關(guān)鍵詞:磁鋼組件裝配;精密裝配設備結構設計;自動(dòng)組裝夾具設計;機械臂結構優(yōu)化;
Abstract
As an important part of inertial navigation device, accelerometer can be used to sense the acceleration of moving carrier along a certain direction. The more uniform the magnetic steel supplied by the magnetic steel component of the torquer in the accelerometer is, the smaller the nonlinear error of the accelerometer will be, so the assembly accuracy of the magnetic steel component can directly affect the sensing accuracy of the accelerometer. Past accelerometer magnetic steel component assembly, dispensing operations such as mostly by artificial, tweezers and other tools, or a microscope under the auxiliary of semi-automatic equipment, its dependence on the operator's personal skill level, and low efficiency, poor consistency, assembly procedure, so the urgent need for the development of new magnetic steel components accelerometer high precision automatic assembly equipment in order to solve this problem.Based on accelerometer magnetic steel component assembly task requirements, design a set of assembly, lock, dispensing, measurement, and other functions as one of the precision automatic assembly system, and a split type fast automatic locking assembly fixture and locking method, and the error source of the assembly system were analyzed, and then through the simulation computation simulation of assembly process, optimize the structure of the mechanical arm.
Firstly, based on the modular design idea, the assembly tasks were decomposed, and the overall hardware structure of the high precision automatic assembly equipment and its assembly process were designed. The assembly equipment is pided into 8 modules, which are assembly operation module, precision measurement module based on machine vision, feeding manipulator module, working table module, feeding turntable module, feeding platform module, dispensing position calibration module, platform and bracket. The assembly operation module is the main execution module, which is responsible for assembly, locking and other operations.Precision measurement module based on machine vision is responsible for monitoring the pose of assembly parts, and takes the way of seeing first and moving then to adjust the pose. The workbench module is responsible for mounting the fixture during assembly. Feeding manipulator module is responsible for fast loading and unloading; The feeding turntable module can move the assembly fixture from the feeding side to the assembly side to realize the parallel operation of assembly and feeding. The feeding platform module can realize the loading of assembly fixture with large capacity. The dispensing position calibration module is used to calibrate the Z direction position after replacing the dispensing head. Finally, the assembly process is designed.
Secondly, according to the characteristics of the parts to be assembled and the requirements of the assembly task, the locking process was formulated, and a set of automaticassembly fixtures for positioning, locking and loading and unloading of parts was designed.The automatic assembly fixture is mainly composed of three parts, namely, the locking plate, the locking bottom plate and the feeding bracket. Lock plate is mainly used to provide compression force for the base parts to fix the magnetic steel components; The locking bottom plate is used to fix the magnetic steel parts, and it is used with the locking plate to achieve locking. The feeding bracket can be used for positioning the locking plate, the locking bottom plate and the base when loading and unloading, and can also provide auxiliary support when dispensing.
Finally, the main error sources of the magnetic steel automatic assembly system were analyzed, and the assembly process was simulated by using simulation software. The deformation of the end of the magnetic steel assembly manipulator caused by magnetic interference force in the assembly process was calculated and analyzed, and the mechanical structure of the magnetic steel assembly manipulator was optimized accordingly.
Key Words:Steel Magnet Parts Assembly; Design of Precision Assembly System Structure; Design of Automatic Assembly Fixture; Structure Optimization of Manipulator
目 錄
1 緒論
1.1 課題背景及意義
現代機電產(chǎn)品正不斷朝著(zhù)微型化、多功能化和精密化的方向發(fā)展,而現有的機械加工技術(shù)和制造設備難以一次加工出形狀復雜、多功能集成的微機電系統。同時(shí)為了提高了微機電系統的整體性能,一個(gè)復雜系統的不同零件需要采用不同的加工材料和不同的微細加工工藝制作。所以通過(guò)采用一定的精密裝配技術(shù)將多個(gè)獨立的零件集成組裝從而微機電系統就成為最佳選擇[1].作為慣性導航系統中重要組成之一的加速度計,可用來(lái)感測運動(dòng)載體沿一定方向的加速度,在航空航天、工業(yè)汽車(chē)、制導武器、工業(yè)自動(dòng)化、機器人等領(lǐng)域得到了廣泛地應用[2],其制造和裝配精度密切影響慣性導航的準確性。隨著(zhù)加速度計的應用領(lǐng)域不斷擴寬,對高性能加速度計的研制和精密裝配成為現如今微機電產(chǎn)業(yè)下炙手可熱的焦點(diǎn)[3].經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,國內外各大研究機構相繼設計出多種結構形式及工作原理的加速度計,其中撓性擺式加速度計以其優(yōu)良的特性在中高精度要求的場(chǎng)景下脫穎而出[4],得到了廣泛的應用。它依靠符合胡克定律的撓性關(guān)節產(chǎn)生無(wú)摩擦的形變,性能穩定,檢測精度高,在常見(jiàn)線(xiàn)性加速度計中屬于較為成熟的產(chǎn)品,并將在相當長(cháng)的時(shí)間內繼續使用[5].
在撓性擺式加速度計中存在一個(gè)力封閉式平衡系統,即使用通過(guò)恒定磁場(chǎng)的力矩線(xiàn)圈產(chǎn)生的反饋力去平衡輸入加速度對力敏感的擺組件所產(chǎn)生的慣性力,使擺組件一直處于平衡狀態(tài)[6].通過(guò)檢測加載在力矩器線(xiàn)圈中的反饋電流,即可完成對加速度的測量[7].
其中,力矩器中擺組件線(xiàn)圈所在的工作氣隙對磁場(chǎng)性能要求比較高[8],工作氣隙既是利用永久體磁鋼所產(chǎn)生磁場(chǎng)的地方,又是力矩線(xiàn)圈發(fā)生偏擺運動(dòng)的場(chǎng)所,而線(xiàn)圈所在的擺組件其撓性關(guān)節變形符合胡克定律,因此工作間隙處的磁場(chǎng)越均勻,加速度計的非線(xiàn)性誤差就越小[8].磁鋼組件作為撓性擺式加速度計中的重要組成部分,負責為力矩器提供均勻的磁場(chǎng),其制造和裝配精度會(huì )直接影響到加速度計力矩器的感測精度。
目前,磁鋼組件的裝配大多由人工在顯微鏡、鑷子或半自動(dòng)設備的輔助下進(jìn)行裝配,裝配效果依賴(lài)于工人個(gè)體的技術(shù)水平,且受到工作經(jīng)驗、工作狀態(tài)、甚至是心理因素的影響,因而難以控制裝配效果的一致性,裝配效率較差,特級性能率不足[9].在高性能磁鋼組件裝配需求和低效人工裝配現狀的強烈反差下,研制高精度自動(dòng)化磁鋼組件裝配設備已是迫在眉睫。
1.2 課題研究現狀
1.2.1 精密裝配關(guān)鍵技術(shù)
(1)微操作機器人技術(shù)微操作機器人是指機器人本身尺寸較大,但其能夠在較小的作業(yè)空間范圍內實(shí)現微米、亞微米,甚至是納米級別的微操作的一類(lèi)機器人。微操作機器人并非只是簡(jiǎn)單地將裝配機器人宏觀(guān)尺度操作進(jìn)行縮小,因為隨著(zhù)待裝配器件尺度的縮小,尺度效應、隧道效應、表面效應等問(wèn)題逐漸凸顯,表面張力、范德華力、靜電力以及粘附力逐漸占據主導[10],一些在宏觀(guān)尺度上看似簡(jiǎn)單的操作原理或控制策略已經(jīng)不再適用,因而有必要針對具體的待操作微器件,研發(fā)與其自身特征和規律相匹配的微操作系統結構和控制方法。
常見(jiàn)的微操作機器人有串聯(lián)型微操作機器人、并聯(lián)型微操作機器人、宏-微結合的微操作機器人、直角坐標型微操作機器人等等[11].
(2)微夾鉗技術(shù)微裝配的核心在于根據微器件自身特征及規律,開(kāi)發(fā)出適合的微驅動(dòng)和微夾持方法以克服微觀(guān)世界下的黏附力等等因素,實(shí)現對微器件的有效抓取、定位和釋放[12].作為微裝配系統末端的重要執行器,微夾鉗為微器件的抓取、姿態(tài)調整、裝配執行等等提供了重要保證。微夾持器不但要求自身?yè)碛畜w積小、重量輕等特點(diǎn),還需要考慮其可提供的夾持力大小和有效夾持行程。根據微夾持器的驅動(dòng)形式,可將微夾鉗分為真空吸附式微夾持器、靜電式微夾持器、壓電式微夾持器、電磁式微夾持器、形狀記憶合金微夾持器等等[13].
(3)顯微視覺(jué)傳感技術(shù)顯微視覺(jué)測量是微裝配系統領(lǐng)域中最常用的實(shí)時(shí)監測技術(shù)之一,由于其測量精度高,適應性好,可實(shí)現非接觸式的快速測量而受到廣泛應用[14].機器視覺(jué)是一門(mén)多學(xué)科交叉的技術(shù)[15],其已經(jīng)廣泛的應用于多種行業(yè)[16],但不同于傳統宏觀(guān)視覺(jué)相機,顯微相機景深較小,視場(chǎng)范圍非常受限,因而對微器件的特征提取有較高要求。一般可通過(guò)濾波、二值化、邊緣提取、圖像拼接等圖像處理方法等對圖像做預處理,之后根據具體微器件表面特征制定相應的特征提取算法以實(shí)現對微器件的位姿測量,以為后續的裝配過(guò)程提供決策依據[17].常見(jiàn)的顯微視覺(jué)系統包括光源、光學(xué)鏡頭、圖像傳感器、圖像處理單元等等[18].光源用于照亮被測物體,使其特征突出便于提取特征;光學(xué)鏡頭負責成像,將被測物體成像至圖像傳感器上;常見(jiàn)的圖像傳感器有 CCD 相機和 CMOS 相機兩種類(lèi)型,近年來(lái),CMOS 相機芯片技術(shù)取得突破性進(jìn)展,以其高幀率、高響應速度、低噪聲、低制方式,"先看后動(dòng)"的視覺(jué)引導模式和"邊看邊動(dòng)"的視覺(jué)伺服模式[19].
1.2.2 國外研究現狀
來(lái)自日本東京大學(xué)的 Hatamura 等人研制了一套可用于超大規模集成電路鋁配線(xiàn)切割實(shí)驗的微納米操作系統[20, 21],其精密操作機械手如圖 1.1(a)所示。其中左機械手為宏-微結合的微操作機器人,使用尺蠖式壓電直線(xiàn)電機進(jìn)行驅動(dòng),可在 20mm×20mm×20mm的作業(yè)空間范圍內實(shí)現 10nm 的超高定位精度。右側機械手負責可在 15μm×15μm×15μm的小作業(yè)空間范圍內執行精密操作,定位精度為 10nm,由壓電陶瓷驅動(dòng),可實(shí)現三自由度運動(dòng)。操作手末端采用電解研磨的鎳針或金剛石作為執行器,并通過(guò)連接在微針根部的一維力傳感器對操作過(guò)程中的裝配力進(jìn)行監測。研究人員在掃描電子顯微鏡的觀(guān)察下通過(guò)帶有力反饋功能的遙桿實(shí)現操控。此后 sato 等人在此基礎上為左右操作機械臂添加了精密旋轉自由度,由音圈電機進(jìn)行驅動(dòng),運動(dòng)分辨率可達 0.1°。將電子顯微鏡融合光學(xué)顯微鏡實(shí)現對裝配空間的有效精密監測。并研制了適用于微粒操作的真空吸附式微夾鉗。
由西班牙國防大學(xué)的 Marta Torralba 主導,聯(lián)合美國北卡羅萊納大學(xué)精密計量中心共同研制出的一種觸覺(jué)敏感可計量的三指型微裝配機器人系統[22],可實(shí)現微米級零件的高效夾持搬運及測量操作。其整體系統結構如圖 1.2(a)所示,主要由微操作夾鉗、前后顯微相機、三軸精密運動(dòng)平臺、主機 PC 和輔助 PC,以及手柄控制器組成。
該微裝配機器人系統的技術(shù)核心在于微操作夾鉗,夾鉗的單根手指結構如圖 1.2(b)和圖 1.2(b)所示,通過(guò)壓電執行器驅動(dòng)單根手指運動(dòng),并通過(guò)杠桿原理進(jìn)行放大,單根手指末端連接由石英音叉驅動(dòng)的駐波碳纖維針管探頭。石英音叉在驅動(dòng)電路(DDS 芯片,直接數字頻率合成器)的作用下產(chǎn)生震動(dòng),引起碳纖維發(fā)生駐波震動(dòng)現象。通過(guò)檢測驅動(dòng)器輸出電壓的幅值,判斷是否接觸,進(jìn)而在壓電陶瓷的驅動(dòng)下夾緊工件。并通過(guò)實(shí)驗測出每個(gè)音叉的固有頻率,利用固有頻率下的共振可以達到更高振幅的原理來(lái)釋放零件。
該微操作夾鉗具有如下顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn):通過(guò)纖維的振動(dòng)可以有效克服微尺度下的粘附力,而監控音叉的驅動(dòng)電路可以為接觸和釋放零件提供有效的信號確保裝配流程順利進(jìn)行,此外,對接觸相互作用信號進(jìn)行測量,可感知接觸力的大小,形成觸覺(jué)反饋。對接觸面的檢測提供了現場(chǎng)尺寸測量能力。每個(gè)手指可以獨立操作,以適應不同形狀大小的零件。
獨有的三指形式可有效的防止振動(dòng)釋放微零件時(shí)微零件被彈出的現象。
加拿大多倫多大學(xué)的可實(shí)現復雜三維微結構的六自由度微裝配系統[23, 24].該六自由度并聯(lián)微裝配機器人主要由兩部分組成:一個(gè)四自由度的可動(dòng)工作平臺和一個(gè)兩自由度的工作臂。其中工作平臺可沿 X 向、Y 向、Z 向進(jìn)行平動(dòng),同時(shí)也可繞 α 軸做旋轉運動(dòng);工作臂則可控制精密探針繞 β 軸和 γ 軸旋轉,且探針頂端剛好位于 β 軸和 γ軸的交點(diǎn)處。工作平臺和精密操作機械臂共采用 6 個(gè)步進(jìn)電機控制全部六個(gè)自由度,移動(dòng)分辨率可達 0.2μm 每步距角,旋轉分辨率可達 0.072°每步距角。微型工件被放置在工作平臺上,微夾鉗則通過(guò)膠結的方式連接到探針上。整個(gè)過(guò)程中由夾鉗組拾取和裝配工件,由于系統具有 6 個(gè)自由度,所以裝配過(guò)程較為靈活,能夠實(shí)現較為復雜的動(dòng)作,同時(shí)誤差的補償也比較容易。
裝配機器人采用視覺(jué)檢測系統為裝配過(guò)程提供視覺(jué)反饋。選用黑白 CCD 相機,其放大倍率為 20 倍,分辨率為 1024×768,像素間距為 0.33μm,視場(chǎng)大小為 387μm×290μm.視覺(jué)系統位置調節可以采用手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式。
其微夾鉗采用卡扣形式結構,能夠在力的作用下被動(dòng)的打開(kāi)和關(guān)閉,結構簡(jiǎn)單,操作方便。裝配開(kāi)始之前先將微夾鉗膠接到工作臂末端的探針上,通過(guò)紫外線(xiàn)的照射使其固化。采用視覺(jué)圖像處理技術(shù)準確的判斷夾鉗的位置和姿態(tài),通過(guò)預先設定的誤差補償算法,控制夾鉗精準地完成整個(gè)裝配過(guò)程。
1.2.3 國內研究現狀
國內對微裝配機器人的研究起步較晚,但發(fā)展迅速。來(lái)自北京理工大學(xué)機械工程學(xué)院的葉鑫等人研制了一套同軸定位微裝配系統[25],其主要結構如圖 1.4(a)所示。該系統主要包括運動(dòng)控制模塊、激光測距模塊和視覺(jué)測量模塊。運動(dòng)控制模塊包含沿 X 軸平動(dòng),沿 Y 軸平動(dòng),以及沿 Z 軸旋轉的自由度,其中沿 X 軸平動(dòng)的自由度用于移動(dòng)激光測距模塊。系統的主要原理如圖 1.4(b)所示,在系統核心位置安裝有涂有半防半透涂層的棱鏡,表面 1 是一個(gè)完全反射的表面,表面 2 涂有半防半透涂層。光的能量有一半可以被表面反射,另一半可以穿透。因此,攝像機可以通過(guò)棱鏡同時(shí)捕捉到目標部分和基座部分的圖像,且基部與目標部的法線(xiàn)方向是同軸的。通過(guò)檢測同軸定位系統下基座部分與目標零件的偏差,該自動(dòng)裝配系統成功實(shí)現了對 800?m 厚的 LIGA 零件的裝配。
如圖 1.5(a)所示,中科院自動(dòng)化所開(kāi)發(fā)出一套能在 6 自由度的三維空間中組裝兩個(gè)毫米級元件的自動(dòng)精密裝配系統[26, 27].該系統由三自由度機械手、四自由度調節平臺、三個(gè)正交顯微鏡和一個(gè)力傳感器組成的傳感系統和計算機組成。提出了基于機械手或調節平臺主動(dòng)運動(dòng)的圖像特征提取和圖像雅可比矩陣的標定方法。提出了對中、插入兩階段的裝配策略。調心階段,根據測量到的相對定位誤差,首先利用調整平臺實(shí)現定位,然后根據測量到的相對位置誤差與機械手進(jìn)行位置對準。在插入階段,精確地引入接觸力來(lái)保護零件,提高裝配質(zhì)量。所開(kāi)發(fā)出的自動(dòng)精密裝配系統配套所提出的方法可以成功地自動(dòng)裝配這兩個(gè)部件。大大提高了裝配的效率與可靠性。
任務(wù)目標完成兩個(gè)部件的裝配:構件 A 為外徑 6mm,高度 6mm 的圓柱形結構體,構件 B 為外徑約 11mm,厚度 0.5mm 的薄環(huán)形硅片。構件 A 上端外徑比 B 構件內徑大20 微米,過(guò)盈配合,傾斜導向面。零件如圖 1.5(b)和 1.5(c)所示。
裝配平臺由一個(gè)三自由度機械手,一個(gè)四自由度調節平臺,三個(gè)正交顯微相機和一個(gè)力傳感器組成的傳感系統組成。機械手負責構件 B 與構件 A 的對準,調整平臺負責調整構件 A 姿態(tài)與插入過(guò)程。每個(gè)顯微相機對兩個(gè)方向的平移和一個(gè)方向的旋轉敏感。
上海大學(xué)機電工程與自動(dòng)化學(xué)院研制了一臺壓電驅動(dòng) 3 自由度宏微并聯(lián)機器人[28].
宏微觀(guān)組合方法作為實(shí)現多維、高速跨尺度納米精密定位的有效途徑,在集成電路制造領(lǐng)域具有重要的作用。上海大學(xué)機電工程與自動(dòng)化學(xué)院設計并分析了一種三自由度宏微機械手,解決了大行程、高精度和多自由度之間的矛盾。該宏操作器是由三個(gè)線(xiàn)性超聲電機驅動(dòng)的三棱柱-旋轉-轉動(dòng)(3-PRR)結構并聯(lián)操作器。對 3-PRR 并聯(lián)機器人的動(dòng)力學(xué)模型和基于交叉采樣誤差的同步運動(dòng)控制器進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗測試。為了進(jìn)一步提高定位精度,設計了一種由三個(gè)壓電疊片驅動(dòng)器驅動(dòng)的 3-DOFs 單片柔性機械手。在此基礎上,提出了一種基于多層 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的逆運動(dòng)學(xué)模型辨識器來(lái)實(shí)現定位控制。
最后,通過(guò)形成宏觀(guān)微觀(guān)結構,宏微操作機械手成功地實(shí)現了從點(diǎn)定位任務(wù)(2 毫米, 2 毫米,0rad)回到原點(diǎn)(0 毫米,0 毫米,0rad),并且在 X 和 Y 方向的平移誤差小于±50nm,而繞 Z 軸旋轉誤差小于 1μrad.
1.3 本論文研究方案
1.3.1 論文主要研究目標
本課題針對加速度計磁鋼組件裝配中人工裝配時(shí)鎖緊效率低、裝配精度低、工序分散等問(wèn)題,通過(guò)分析零件裝配過(guò)程中的關(guān)鍵步驟,設計一臺磁鋼組件自動(dòng)裝配設備,提高裝配質(zhì)量和裝配效率。設備基于機器視覺(jué)測量技術(shù)實(shí)現零件位置的自動(dòng)測量;由于磁鋼具有磁性,設備需要克服裝配過(guò)程中的磁性干擾力,保證裝配到位;在完成自動(dòng)對準裝配任務(wù)后,需要自動(dòng)鎖緊已裝配組件;在自動(dòng)鎖緊完成后,需要將磁鋼組件翻轉,進(jìn)行粘膠劑的涂敷,以將磁鋼組件進(jìn)行聯(lián)接;粘膠劑固化后需要對磁鋼組件進(jìn)行測量,記錄裝配誤差;此外,裝配設備需實(shí)現磁鋼組件的批量自動(dòng)化裝配。同時(shí),本設備的裝配目標并不限于裝配加速度計磁鋼組件,裝配系統硬件結構應朝著(zhù)裝配系統模板的方向進(jìn)行設計,在更換關(guān)鍵性的夾具及執行模塊后,可用于其他微小組件的裝配。
1.3.2 論文主要研究?jì)热?/strong>
根據以上研究目標,開(kāi)展如下研究工作:
(1)自動(dòng)裝配設備總體方案設計根據具體裝配任務(wù),完成自動(dòng)化裝配設備的總體結構設計,使其能夠實(shí)現全自動(dòng)的上下料、自動(dòng)裝配與鎖緊、組件膠粘接與自動(dòng)測量等功能。設計各功能模塊,對執行器、傳感器和電動(dòng)元件等進(jìn)行選型,對關(guān)鍵的機械結構進(jìn)行設計。完成裝配設備的硬件結構搭建。
(2)自動(dòng)鎖緊組裝夾具設計分析待裝配零件特征,設計磁鋼組件的自動(dòng)鎖緊方法,合理設計上料、裝配及鎖緊夾具和零件操作裝置,選擇合適的材料,使待裝配零件能夠被可靠的夾持和定位,在膠粘劑固化前確保已裝配的磁鋼組件不會(huì )發(fā)生相對位置竄動(dòng)。在鎖緊時(shí)克服組件間磁力的干擾,確保自動(dòng)鎖緊的穩定性。
(3)加速度計磁鋼組件裝配設備控制策略根據根據所設計全自動(dòng)裝配設備各功能模塊運作方式及自動(dòng)組裝夾具的結構特性,合理安排各模塊間操作順序和裝配作業(yè)流程,高效率完成目標裝配任務(wù)。
(4)設備裝配誤差來(lái)源分析分析磁鋼組件自動(dòng)裝配系統的主要誤差來(lái)源,針對磁鋼組裝機械臂,模擬裝配過(guò)程,仿真計算磁性干擾力對其末端的變形,并對機械臂的結構做出優(yōu)化。
2 磁鋼組件裝配設備設計分析
2.1 磁鋼組件裝配任務(wù)分析
2.1.1 待裝配組件特征分析
2.1.2 裝配要求及精度
2.2 裝配設備整體結構設計方案
2.2.1 裝配系統難點(diǎn)分析及解決思路
2.2.2 裝配設備具體結構
2.3 本章小結
3 磁鋼組件裝配設備結構設計
3.1 系統硬件模塊設計
3.1.1 裝配作業(yè)模塊
3.1.2 基于機器視覺(jué)的精密測量模塊
3.1.3 上料機械臂模塊
3.1.4 作業(yè)工作臺模塊
3.1.5 上料轉臺模塊
3.1.6 上料平臺模塊
3.1.7 點(diǎn)膠位置標定模塊
3.2 磁鋼組件自動(dòng)裝配系統作業(yè)流程
3.3 本章小結
4 磁鋼組件自動(dòng)鎖緊組裝夾具設計
4.1 組裝夾具設計要點(diǎn)分析
4.2 組裝夾具整體結構設計
4.3 組裝夾具的定位
4.3 磁鋼組裝機械臂結構設計
4.4 組裝夾具的操作方法
4.5 本章小結
5 裝配系統誤差與機械臂優(yōu)化
5.1 裝配系統誤差
5.1.1 裝配系統主要誤差來(lái)源
5.1.2 模塊安裝引入的幾何誤差
5.2 磁鋼組件裝配過(guò)程永磁體仿真
5.3 磁鋼組裝機械臂靜力學(xué)仿真與結構優(yōu)化
5.5 本章小結
結 論
針對加速度計磁鋼組件人工裝配中一致性差、裝配效率低、嚴重依賴(lài)個(gè)人技術(shù)水平等問(wèn)題,本論文為某型號加速度計磁鋼組件設計開(kāi)發(fā)了全自動(dòng)化的精密裝配設備,實(shí)現了磁鋼組件的高效精密裝配。
具體地,本文完成了以下幾個(gè)研究?jì)热荩?/p>
(1)根據裝配任務(wù)要求,對磁鋼組件高精度全自動(dòng)裝配設備整體結構進(jìn)行了設計。
在設計時(shí)基于模塊化的思想,將裝配任務(wù)分解,逐模塊對其中的精密位移滑臺、氣動(dòng)滑臺、氣缸、氣動(dòng)夾鉗、工業(yè)相機等電氣元件、標準件進(jìn)行選型;對各模塊中的關(guān)鍵機械結構進(jìn)行設計,合理布置各模塊的空間位置結構、作業(yè)空間范圍;制定了一套用于磁鋼組件自動(dòng)裝配設備的裝配作業(yè)流程,使各模塊分工協(xié)作,相互配合,可高效的完成磁鋼組件的自動(dòng)裝配、鎖緊、點(diǎn)膠、測量等操作。
(2)根據待裝配零件特征和裝配任務(wù)要求,提出了磁鋼組件自動(dòng)鎖緊方法,設計了一套自動(dòng)組裝夾具以實(shí)現磁鋼組件的上下料、定位、裝卡和鎖緊等操作。自動(dòng)組裝夾具采用分體式設計,由多個(gè)主要結構拼接使用,不但可以克服裝配過(guò)程中磁性力的干擾,方便地完成定位,提供有效鎖緊力,又不至于損傷待裝配零件。且自動(dòng)組裝夾具采用易拆卸設計,在磁鋼組件膠粘結固化后可方便的對夾具工裝進(jìn)行拆卸以便后續作業(yè)內容。
(3)針對所設計的精密自動(dòng)化裝配設備,分析了裝配系統在設計與安裝方面的主要誤差來(lái)源;模擬裝配過(guò)程,分析了因磁鋼組裝機械臂末端在磁性力影響下產(chǎn)生形變而導致的偏轉誤差,并對機械臂結構做出改進(jìn),改進(jìn)后的模擬結果表明機械臂的變形偏移大幅減小。
后期工作展望:
(1)通過(guò)實(shí)驗對精密自動(dòng)裝配的各項指標進(jìn)行標定,建立誤差補償模型,以減小裝配誤差,提高裝配精度和裝配效率。
(2)優(yōu)化自動(dòng)組裝夾具結構細節,提高自動(dòng)鎖緊成功率。針對不同型號的微小零件,修改機械臂末端執行器,并研制相應的夾具工裝,以擴大精密自動(dòng)裝配設備的應用范圍。
參 考 文 獻
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致 謝
總覺(jué)得"畢業(yè)"這個(gè)詞距離我們十分遙遠,可時(shí)光飛逝,轉眼間還真就到了要說(shuō)再見(jiàn)的時(shí)候。在這即將步入社會(huì )的前夕,學(xué)生生涯的末尾,畢業(yè)論文的完成之際,由衷地向各位表達誠摯的謝意!
首先一定要感謝王曉東導師對我的辛苦栽培。王老師嚴謹認真的科研態(tài)度,精益求精的工作作風(fēng),淵博的理論與實(shí)踐知識深深令我折服。課題研究中,王老師事無(wú)巨細地悉心指導我,當我迷茫時(shí),為我指明方向;當我有所突破時(shí),給我提出更高要求。從王老師身上學(xué)到的專(zhuān)業(yè)知識和做人做事的態(tài)度將在今后一直影響著(zhù)我。再次深深地對王老師表達由衷的謝意!
同時(shí)感謝羅怡老師在科研和生活中對我的指導和幫助。羅老師對待學(xué)生和藹可親,對待科研一絲不茍,深受學(xué)生們的高度評價(jià),為我三年研究生期間的學(xué)習和生活帶來(lái)了許多溫暖。
同時(shí)感謝房運濤、張志勇、王興遠、喬曉旭等博士生師兄,博士師兄們專(zhuān)業(yè)知識扎實(shí),生活經(jīng)驗豐富,總能在我疑惑時(shí)給予我幫助;感謝牛文婷、金天倫、李欣、高習義、王韜、陳明一、李偉師兄師姐們的照顧,是你們把我領(lǐng)進(jìn)了課題組的大家庭中,為我的科研與生活鋪平了前路;感謝同門(mén)杜甫、全先帥、錢(qián)志龍、王會(huì )彬、王曉飛、元國釗的陪伴,使我們共同進(jìn)步,度過(guò)了許多快樂(lè )時(shí)光;感謝師弟于忠洋、孫鵬、肖堯、韓策、江海川、喬辛迎,是你們的積極協(xié)助與支持,才使得科研工作能按時(shí)順利完成。
同時(shí)感謝我的研究生室友李楊、李連福,三年研究生生活期間為我出過(guò)不少點(diǎn)子,深厚的友誼是我永遠的精神財富。
此外,還要感謝我的女朋友豬豬芮、父母、妹妹和家人們,是你們在背后默默的支持讓我免除了后顧之憂(yōu),得以安心科研學(xué)習,順利完成學(xué)業(yè)內容。
最后,感謝在百忙之中抽出時(shí)間參與論文評審、畢業(yè)答辯的各位老師!你們的寶貴意見(jiàn)將促使我的不斷進(jìn)步!
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