王曉東,張志勇

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

0 引言

微小裝配有以下一些特點(diǎn):首先,裝配對(duì)象主要為具有中間/宏尺度的外形尺寸和微尺度關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的跨尺度零件,且微小零件往往具有大量不同的屬性(尺寸、形狀、材料等);其次,裝配環(huán)節(jié)較多且裝配工藝復(fù)雜,涉及組件分裝、總裝、點(diǎn)膠、焊接等多種裝配作業(yè)。微小零件的不同屬性及裝配工藝/環(huán)節(jié)的復(fù)雜性,極大增加了微小裝配自動(dòng)化設(shè)備的研發(fā)難度,使得設(shè)備的研發(fā)往往只能針對(duì)特定的裝配任務(wù)或需求。此外,同一類型的微小器件往往具有多種不同的型號(hào),且產(chǎn)品伴隨著不斷地改進(jìn)和不同的生產(chǎn)批量。這種多品種、變批次的生產(chǎn)模式要求微小自動(dòng)化裝配設(shè)備能夠靈活地應(yīng)對(duì)多樣化的裝配任務(wù)。針對(duì)特定裝配任務(wù)或需求研發(fā)的專用設(shè)備往往升級(jí)改造困難,難以對(duì)產(chǎn)品的快速變化做出調(diào)整。對(duì)于裝配環(huán)節(jié)較多且小批量生產(chǎn)的微小器件而言,設(shè)備功能單一在一定程度上降低了器件整體裝配效率。為了能夠適應(yīng)微小器件柔性化制造趨勢(shì),微小裝配設(shè)備也需要具備一定的柔性,以靈活應(yīng)對(duì)裝配需求的改變。對(duì)此,本文主要介紹和分析了提高微小裝配設(shè)備柔性化的相關(guān)技術(shù),包括模塊化和微小零件操作工具的自動(dòng)換接,并在此基礎(chǔ)上,介紹作者研制的柔性微小裝配設(shè)備的系統(tǒng)架構(gòu),旨在為柔性微小裝配設(shè)備的研發(fā)提供一定的參考。

微小裝配技術(shù)研究和開發(fā),主要面向和服務(wù)于中、小型精密制造企業(yè)。企業(yè)的經(jīng)營者面對(duì)日益繁多的各種精密、微型產(chǎn)品的制造,面臨著來自縮短開發(fā)和配置裝備制造周期所帶來的越來越多的壓力。因此,通過提升微小裝配系統(tǒng)的柔性化技術(shù)水平,對(duì)于大幅度減少和降低系統(tǒng)集成所需要的時(shí)間和費(fèi)用,不斷適應(yīng)市場(chǎng)變化所帶來的壓力具有重要的意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 提升微小裝配柔性化的技術(shù)和方法

微小裝配系統(tǒng)的柔性是指系統(tǒng)響應(yīng)裝配任務(wù)或需求改變的一種能力。柔性化對(duì)于縮短設(shè)備研制周期、提升微小器件裝配效率以及滿足不同微小光機(jī)電器件或產(chǎn)品的制造需求尤為關(guān)鍵。對(duì)于中小型精密制造企業(yè)來說,柔性化的意義在于以較低的成本快速配置設(shè)備,高效地形成裝配生產(chǎn)能力,因此微小裝配的柔性化主要體現(xiàn)在設(shè)備的研制開發(fā)和重新配置,模塊化和微小零件操作工具的自動(dòng)換接是兩種重要的技術(shù)和方法。

1.1 模塊化

對(duì)于微小裝配系統(tǒng)等制造裝備而言,模塊化是一種重要的設(shè)計(jì)理念和方法。模塊化的概念可以通過將整個(gè)系統(tǒng)劃分為子單元的形式來實(shí)現(xiàn),這些子單元在通常意義下被稱之為模塊。模塊的劃分與模塊的研發(fā)可以把實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可重構(gòu)作為目標(biāo)之一,利用模塊化的優(yōu)勢(shì),通過模塊的重新配置,以更高效的方式應(yīng)對(duì)產(chǎn)品或需求的改變,從而達(dá)到縮短開發(fā)周期、降低成本的目的。因此,設(shè)備模塊化方法將是微小裝配系統(tǒng)應(yīng)對(duì)不斷變化的復(fù)雜、精密、微小器件或產(chǎn)品制造的一種有效手段。

對(duì)于裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì),模塊化也是一個(gè)重要的特征[1],相關(guān)的模塊化研究主要集中在兩個(gè)方面:模塊劃分方法和模塊化體系結(jié)構(gòu)。在模塊劃分方法方面,北京理工大學(xué)[2]提出了一種基于模糊聚類與模糊評(píng)價(jià)方法的可重配置微裝配系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)方法,通過在微裝配系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)階段對(duì)各種設(shè)計(jì)變量及約束的量化,并用相關(guān)矩陣的形式表達(dá)系統(tǒng)中各組件在設(shè)計(jì)需求影響下的關(guān)系,降低主觀因素對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的影響,增加設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性與可靠性。為了滿足多種裝配需求,基于智能裝配系統(tǒng)總體功能的完整性,提出了裝配系統(tǒng)的模塊劃分原則[3],并對(duì)基本功能模塊進(jìn)行了劃分,通過遺傳算法對(duì)裝配單元的關(guān)鍵模塊尺寸進(jìn)行優(yōu)化,得到智能裝配系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的最佳尺寸。

相比于模塊劃分方法方面的研究,更多的研發(fā)人員關(guān)注設(shè)備模塊化體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。為了縮短開發(fā)時(shí)間、提高微型工廠的可重構(gòu)性,土耳其薩班哲大學(xué)工程與自然科學(xué)學(xué)院(FENS)在微型工廠中引入了雙層模塊化的概念[4],微型工廠的概念最初由日本筑波的機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)室(MEL)為他們的小型化制造和裝配系統(tǒng)而提出。如圖1所示,第一層模塊化的概念通過使用不同的面向過程的模塊(Process-oriented modules,POMs)來實(shí)現(xiàn),通過POMs相互級(jí)聯(lián)形成用于生產(chǎn)特定產(chǎn)品的工廠布局,如圖1中的裝配模塊(一個(gè)POM)處于模塊化的第一層,工廠可選擇的布局中每個(gè)矩形代表一個(gè)POM,工廠的布局可根據(jù)生產(chǎn)工藝流程和建立整個(gè)生產(chǎn)鏈所需POM的數(shù)量進(jìn)行調(diào)整。第二層模塊化的概念是模塊自身內(nèi)部的模塊化,即POM內(nèi)部組件的模塊化,通過內(nèi)部組件的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),每個(gè)組件可位于模塊化單元內(nèi)的任意位置,如圖1中裝配模塊內(nèi)部組件三種可選擇的配置。第二層組件結(jié)構(gòu)的模塊化為第一層模塊的重新配置并快速構(gòu)建用于生產(chǎn)特定產(chǎn)品的工廠布局提供了可能。

目前我國學(xué)者著力探究大學(xué)生不合理信念與學(xué)生的生理和心理健康之間存在的聯(lián)系，并獲得了豐富的成果。但是針對(duì)不合理信念在學(xué)科教育層面中的研究明顯不足，尤其是像酒店管理這樣的潛力學(xué)科，在提升人才培養(yǎng)質(zhì)量方面表現(xiàn)出持續(xù)性的疲軟現(xiàn)象。

圖1 微型工廠雙層模塊化概念[4]Fig.1 Bi-level modularity concept of a microfactory setting[4]

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPEL)可重構(gòu)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室[5]構(gòu)建了基于模塊化的可重構(gòu)微型工廠,以靈活應(yīng)對(duì)高度變化的生產(chǎn)需求。提出的模塊化設(shè)計(jì)金字塔包含了機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣接口及控制軟件在內(nèi)的三層模塊化概念,如圖2(a)所示。不同功能類別的處理單元基于模塊化設(shè)計(jì)金字塔形成單個(gè)獨(dú)立可控的功能單元,即每個(gè)功能單元均具有獨(dú)立的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣接口和軟件控制。根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)需要,通過增加、移除或替換等方式能夠方便地重新布置功能單元,如圖2(b)所示,U表示模塊化功能單元,各功能單元的多層模塊化極大增加了小型化制造系統(tǒng)可重構(gòu)能力。此外,針對(duì)潔凈室環(huán)境下小型MEMS組件的裝配,EPEL提出了“袖珍工廠”的生產(chǎn)理念,這種理念將小型潔凈室環(huán)境與微型工廠(小型裝配系統(tǒng))進(jìn)行結(jié)合?！靶湔涔S”由稱之為微型箱的模塊化站組成,每個(gè)微型箱都包含一個(gè)小型機(jī)器人,用于組件的裝配與傳輸任務(wù)[6]。

圖2 EPEL可重構(gòu)微型工廠的模塊化設(shè)計(jì)[5]Fig.2 Modular design of reconfigurable microfactory developed by EPEL[5]

為使裝配場(chǎng)景能夠適應(yīng)生產(chǎn)過程中微觀對(duì)象行為的改變,需要綜合考慮微觀世界中的技術(shù)和物理約束,由功能分析和任務(wù)序列定義組成的“自頂向下”的經(jīng)典設(shè)計(jì)方法不足以構(gòu)建可靠的微制造系統(tǒng)[7]。對(duì)此,法國勃艮第-弗朗什孔泰大學(xué)FEMTO-ST研究所提出了“自頂向下”與“自下而上”相結(jié)合的方法來構(gòu)建微制造系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)方法,如圖3所示?！白韵露稀钡姆椒ǘx并描述了包含技術(shù)約束的四個(gè)基本模塊:微執(zhí)行器(Ai)、控制率(Lj)、末端效應(yīng)器(Ek)及微傳感器(Sl),該方法考慮了微組件的特殊性,可對(duì)微組件不同的功能屬性進(jìn)行建模。“自頂向下”的方法把分解的每個(gè)動(dòng)作分配給組成模塊來執(zhí)行,而這些組成模塊是由通過“自下而上”方法定義的基本模塊來進(jìn)行構(gòu)建。此外,FEMTO-ST研究所開發(fā)了具有2-DOF“TRING模塊”的粘滑微型機(jī)器人,基于微型機(jī)器人的模塊化及相似性,通過對(duì)“TRING模塊”進(jìn)行不同的組合配置可實(shí)現(xiàn)微型工廠的快速重構(gòu)[8]。

圖3 微制造系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)方法[7]Fig.3 Modular design approach of micromanufacturing systems[7]

旨在面向各種不同種類精密產(chǎn)品的自動(dòng)化組裝,美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人研究所[9-11]提出了敏捷裝配系統(tǒng)的架構(gòu)(Agile Assembly Architecture,AAA),以減少裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)、配置所需時(shí)間,縮短產(chǎn)品交付周期,提升產(chǎn)品裝配質(zhì)量。如圖4所示,方案設(shè)計(jì)階段通過網(wǎng)絡(luò)可對(duì)模塊組件進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問。該架構(gòu)支持快速創(chuàng)建由一系列小型模塊化機(jī)器人組件構(gòu)成的微型工廠。與模塊化組件的功能相匹配,開發(fā)了具有建模及仿真等功能的系統(tǒng)軟件,分布式編程、高級(jí)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和圖形編程工具等為調(diào)試、運(yùn)行及監(jiān)督基于敏捷裝配架構(gòu)搭建的微型工廠提供了有力保障。分布式的功能模塊化組件與功能完備的軟件編程工具使AAA具備快速開發(fā)和重配置微型工廠的能力。

圖4 敏捷裝配架構(gòu)方案[9]Fig.4 Agile assembly architecture scheme[9]

面向多種不同類型微小器件或產(chǎn)品裝配的模塊化系統(tǒng)或設(shè)備,在實(shí)際應(yīng)用中往往并不可行,主要原因是由于裝配對(duì)象的差異所引起的局限困難。大連理工大學(xué)針對(duì)某一類微小器件的精密裝配,建立了相適應(yīng)的微小器件裝配系統(tǒng)的模塊化體系結(jié)構(gòu),具體由模塊化的硬件和相適應(yīng)的模塊化軟件構(gòu)成,并研制了多臺(tái)套由功能模塊組成的精密微小裝配設(shè)備[12-14],其系統(tǒng)組成如圖5所示。核心模塊是裝配設(shè)備的基本組成模塊,實(shí)現(xiàn)裝配設(shè)備必須具備的功能,并能夠滿足大多數(shù)裝配作業(yè)任務(wù)的需求。核心模塊可根據(jù)需要進(jìn)行重復(fù)配置,并根據(jù)其它功能需要增加輔助模塊,如圖6中所示設(shè)備,由于零件的側(cè)面特征需要進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)定位,研制的設(shè)備中增加了輔助測(cè)量模塊,輔助模塊由水平放置的機(jī)器視覺裝置構(gòu)成。

圖5 模塊化微小器件裝配系統(tǒng)組成Fig.5 Modular assembly system composition for micro devices

圖6 研制的微小器件自動(dòng)裝配系統(tǒng)(2014)Fig.6 Developed automatic assembly system for micro/small devices(2014)

基于模塊化體系結(jié)構(gòu),避免了自動(dòng)裝配設(shè)備研制中主要技術(shù)的重復(fù)研發(fā),使研制工作重點(diǎn)能夠聚焦于具體零件的操作和具體的裝配作業(yè)任務(wù),而裝配作業(yè)空間、測(cè)量范圍、裝配或測(cè)量精度要求等的變化,則可通過相應(yīng)功能模塊的更換來滿足要求,因此能夠大幅度縮短設(shè)備的研制周期。圖7為微小裝配系統(tǒng)采用的控制軟件架構(gòu),包含任務(wù)層、策略層及行為層,基于面向?qū)ο蟮木奂P(guān)系構(gòu)造任務(wù)層和策略層中的主要對(duì)象,增強(qiáng)了裝配軟件的復(fù)用性。

圖7 模塊化裝配系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.7 Software architecture of modular assembly system

為了快速、輕松地配置自動(dòng)化系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)已開發(fā)的硬件及流程相關(guān)代碼的復(fù)用,德國Fraunhofer IPT研究所設(shè)計(jì)了一種軟件系統(tǒng)架構(gòu)[15],該架構(gòu)將硬件控制與過程描述分離,即硬件與過程描述相互獨(dú)立,如圖8所示。通過采用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言,硬件描述封裝了可用硬件的所有屬性和功能,過程描述對(duì)特定的流程進(jìn)行分類和封裝,框架組織則通過一定的邏輯實(shí)現(xiàn)各模塊之間的交互。硬件描述模塊將表示硬件組件的軟件對(duì)象組織在一個(gè)分層的樹狀結(jié)構(gòu)中,使硬件組件或過程邏輯能夠交換或修改,過程描述的控制模塊采用參數(shù)化定義,基于創(chuàng)建的不同軟件模塊工具箱,操作員可以簡(jiǎn)單地選擇和連接所需的模塊,并根據(jù)需要配置硬件的設(shè)置。

圖8 Fraunhofer IPT軟件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)[15]Fig.8 Software architecture design developed by Fraunhofer IPT[15]

為提高模塊化自動(dòng)裝配系統(tǒng)的編程效率,北京理工大學(xué)提出一種基于任務(wù)學(xué)習(xí)的技能編程框架[16]。該框架將模塊化系統(tǒng)的裝配技能(如抓取、對(duì)準(zhǔn)、插入等)使用裝配運(yùn)動(dòng)原語(Assembly Motion Primitives,AMP)來表征,AMP是系統(tǒng)多個(gè)模塊裝配動(dòng)作序列的基本構(gòu)成元素。裝配任務(wù)分層表示為技能層、模塊層及動(dòng)作層,每個(gè)裝配技能由一組AMPs構(gòu)成。裝配技能的運(yùn)動(dòng)序列通過演示數(shù)據(jù)進(jìn)行建模,基于隱馬爾科夫模型的裝配運(yùn)動(dòng)序列學(xué)習(xí)方法及最大概率法生成最優(yōu)AMP序列,每個(gè)AMP以指令的形式進(jìn)行快速編程完成裝配任務(wù)。

綜上所述,模塊化是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)、提升系統(tǒng)柔性不可或缺的一種設(shè)計(jì)理念和方法。模塊化的內(nèi)涵涉及多層次、多方面,既包括硬件也包括軟件,同時(shí)模塊也存在不同的劃分方法?；谀K化裝配系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)為微小裝配系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)及靈活應(yīng)對(duì)多樣化的裝配任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。

1.2 微小零件操作工具的自動(dòng)換接

微小零件操作工具或微型夾鉗是微小裝配系統(tǒng)與微小零件之間的接口,因而非常重要。與加工中心自動(dòng)換刀的功能相類似,當(dāng)進(jìn)行多個(gè)不同微小零件組裝作業(yè)時(shí),工具的換接能夠解決單個(gè)微型夾鉗無法操作所有零件的問題。通過設(shè)計(jì)可換接的末端結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的工具庫,可實(shí)現(xiàn)在同一臺(tái)設(shè)備上同時(shí)組裝多種不同的零、組件。此外,通過更換拾取末端,使微小裝配系統(tǒng)能夠適應(yīng)待組裝零件的變化,提升系統(tǒng)的柔性。因此,工具換接技術(shù)也是微小裝配系統(tǒng)柔性化的關(guān)鍵技術(shù)之一。

要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效、可靠精確的微操作,對(duì)微觀粘附力的控制和通用自動(dòng)化的操作技術(shù)是需要研究的兩個(gè)關(guān)鍵問題[17]。對(duì)此,德國Fraunhofer IPT研究所在對(duì)微裝配中粘附力控制問題深入研究的基礎(chǔ)上,相繼研發(fā)了可用于自動(dòng)更換夾鉗手爪的工具換接站,如圖9所示。工具換接站集成于模塊化、可擴(kuò)展的定位系統(tǒng),利用定位系統(tǒng)多個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度,機(jī)械夾鉗“Endogrip 3”可在工具庫中自動(dòng)更換不同手爪(鑷子),以滿足多種裝配任務(wù)需求。此外,工具換接站通過集成多種類型傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)微裝配過程的可靠控制,如用于監(jiān)測(cè)裝配過程的視覺傳感器(內(nèi)窺鏡)、測(cè)量夾鉗夾持力的微力傳感器(應(yīng)變計(jì))、以及集成于夾鉗和工具庫內(nèi)部的各種開關(guān)信號(hào)等。

圖9 集成于模塊化定位系統(tǒng)的工具換接站[17]Fig.9 Tool changer integrated in the modular positioning system[17]

為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同大小微球類零件的操作,德國布倫瑞克工業(yè)大學(xué)機(jī)床與制造技術(shù)研究所研發(fā)了用于微球類零件的定心靜電式微夾鉗[18],包括多個(gè)具有不同形狀、尺寸電極的微夾鉗,如圖10所示,1,2分別表示微夾鉗的兩個(gè)電極,微夾鉗電極利用電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的靜電力實(shí)現(xiàn)對(duì)微球的拾取,拾取過程中微球能夠自動(dòng)定心,實(shí)驗(yàn)表明定心靜電式微夾鉗能夠很好地完成微球類零件的拾取操作。由這些微夾鉗構(gòu)成的工具庫,通過設(shè)計(jì)換接裝置,利用連接結(jié)構(gòu)和觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)械和電氣連接,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同大小微球類零件的操作。

圖10 定心靜電式微夾鉗不同電極示意圖[18]Fig.10 Schematic diagram of different electrodes of the centering electrostatic gripper[18]

此外,布倫瑞克工業(yè)大學(xué)機(jī)床與制造技術(shù)研究所設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于桌面工廠的小型工具換接系統(tǒng)(名為Cambio),通過配合小型化精密機(jī)器人(名為Parvus)靈活地完成多項(xiàng)微裝配任務(wù)[19]。如圖11(a)所示,Cambio主要由工具庫和夾鉗組成,工具固定架由高分辨力編碼器和無間隙齒帶的微型電機(jī)驅(qū)動(dòng),通過高分力及高重復(fù)定位的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與Parvus交互進(jìn)行工具換接,工具固定架可同時(shí)容納6個(gè)夾鉗。Parvus機(jī)械手末端拾取工具的原理如圖11(b)所示,首先通過真空力使滑環(huán)上移,彈簧被壓縮,使球處于解鎖位置,此時(shí)Parvus機(jī)械手末端向下運(yùn)動(dòng)至一定位置,然后斷開真空力,彈簧復(fù)位并推動(dòng)滑環(huán)下移使球處于鎖緊位置,工具沿Parvus機(jī)械手末端的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度則通過扭矩連接器與工具上方結(jié)構(gòu)配合進(jìn)行約束。

圖11 用于桌面工廠的小型工具換接系統(tǒng)[19]Fig.11 Miniaturized tool changing system for desktop factories[19]

為了能夠連續(xù)使用專用工具完成一些特定的微小裝配任務(wù),法國勃艮第-弗朗什孔泰大學(xué)FEMTO-ST研究所基于熱熔膠原理開發(fā)了一套工具自動(dòng)換接系統(tǒng)[20]。通過對(duì)熱熔膠的熱效應(yīng)建模,實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱熔膠的液相與固相的準(zhǔn)確控制。如圖12(a)所示,不同形式的工具對(duì)可通過熱熔膠固定于微夾鉗夾指的尖端部分,用于固定工具對(duì)的熱熔膠在微夾鉗與工具庫的涂覆位置如圖12(b)所示。通過自動(dòng)更換微夾鉗尖端部分即實(shí)現(xiàn)了作業(yè)工具的更換,這為整個(gè)裝配系統(tǒng)帶來了靈活性。

圖12 FEMTO-ST研究所工具自動(dòng)換接系統(tǒng)[20]Fig.12 Tool changer system developed by FEMTO-ST Institute[20]

如圖13所示,大連理工大學(xué)[21]研發(fā)了一種可換接式夾鉗模塊,由作業(yè)機(jī)械臂及工具庫兩部分組成,機(jī)械臂與微型夾鉗的連接與斷開通過機(jī)械臂上的末端換接結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),并同時(shí)實(shí)現(xiàn)氣路的換接。工具庫中配備了不同的微型夾鉗,夾鉗根據(jù)待組裝的微小型零件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖13 可換接式夾鉗模塊Fig.13 Exchangeable gripper module

綜上所述,集成微小零件操作工具的換接技術(shù),使微小裝配系統(tǒng)成為柔性化設(shè)備,當(dāng)裝配任務(wù)改變時(shí),如微小零件的尺寸、形狀等發(fā)生變化,可以通過更換微型夾鉗,快速形成裝配生產(chǎn)能力,從而避免研制新的裝配設(shè)備,研發(fā)人員可以將精力集中于微小零件的操作工具或微型夾鉗的研制。

進(jìn)行多零件組裝作業(yè)時(shí),由于裝配過程中需要不斷更換作業(yè)工具,工具換接在提升系統(tǒng)柔性的同時(shí)也必然會(huì)損失一定的裝配效率,因而針對(duì)某一類型的微小零件研發(fā)更具通用性的拾取工具將有效減少工具換接次數(shù),提升裝配效率。此外,雖然工具庫中的作業(yè)工具形式可以多樣化,但目前微小零件拾取方式仍相對(duì)單一,被操作微小零件的類型及尺寸范圍有限。要滿足不同類型、尺度微小零件裝配任務(wù)的需求,微小零件操作工具及相應(yīng)的換接技術(shù)是柔性化微小裝配系統(tǒng)研發(fā)的重要內(nèi)容。

2 柔性微小裝配系統(tǒng)總體架構(gòu)

模塊化和微小零件操作工具的自動(dòng)換接是柔性微小裝配系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),功能模塊的重新配置、擴(kuò)展或集成和微小零件操作工具的換接技術(shù)顯著提升了微小裝配設(shè)備的柔性。本文面向某一類微小器件的精密裝配,提出了柔性微小裝配系統(tǒng)總體架構(gòu),如圖14所示,由基礎(chǔ)模塊和附加模塊兩部分組成,基礎(chǔ)模塊用于滿足某一類微小零件的基本功能需求,附加模塊則在基礎(chǔ)模塊的框架下進(jìn)行重新配置、擴(kuò)展或集成,以滿足微小器件特殊的裝配要求。

圖14 柔性微小裝配系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.14 Overall architecture of flexible assembly system for micro/small parts

基于機(jī)器視覺的精密測(cè)量模塊主要完成微小零件的位姿測(cè)量任務(wù),此模塊主要由顯微機(jī)器視覺裝置和精密位移滑臺(tái)組成。顯微機(jī)器視覺裝置和高重復(fù)定位精度的精密位移平臺(tái),解決了高分辨力顯微機(jī)器視覺視場(chǎng)狹小與工作空間較大的矛盾。顯微機(jī)器視覺測(cè)量裝置通過采用單目、雙目或變焦視覺單元等形式來滿足微小零件多方位、跨尺度的測(cè)量需求[22-24]。裝配作業(yè)模塊主要用于實(shí)現(xiàn)微小型零件的操作,集成微小零件操作工具的換接結(jié)構(gòu),通過換接工具(微型夾鉗)來滿足不同微小零件的操作需求。不同類型傳感器通常集成于裝配作業(yè)模塊,如判斷零件間是否接觸的激光位移傳感器、檢測(cè)接觸力大小的負(fù)荷傳感器等。作業(yè)工作臺(tái)模塊主要用于微小零件的固定與裝配過程中零件姿態(tài)的調(diào)整。附加模塊則在基礎(chǔ)模塊的框架下,通過系統(tǒng)內(nèi)部集成的方式實(shí)現(xiàn)微小裝配系統(tǒng)的多功能化。

由功能需求劃分的基礎(chǔ)模塊與附加模塊具有功能的相互獨(dú)立性,各功能模塊具有獨(dú)立的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣接口和軟件控制,每個(gè)模塊能夠執(zhí)行特定的任務(wù),滿足特定功能需求(如位姿測(cè)量,零件夾持、位姿調(diào)整等)。其中,基礎(chǔ)模塊具備功能完整性,因而具有一定的通用性,具體體現(xiàn)在基礎(chǔ)模塊的組成及結(jié)構(gòu)具有共性部分。對(duì)于外形、結(jié)構(gòu)等相類似的微小零件的裝配任務(wù),根據(jù)基礎(chǔ)模塊中各功能模塊的組成框架,通過模塊的復(fù)用或重新配置不同系統(tǒng)布局來快速搭建精密微小自動(dòng)裝配設(shè)備,快速形成裝配生產(chǎn)能力。附加模塊則在基礎(chǔ)模塊框架內(nèi),根據(jù)實(shí)際任務(wù)的需要進(jìn)行配置組合,通過增加或移除、集成或替換等方式配置功能模塊,如增加或移除微小螺紋模塊,點(diǎn)膠模塊的位置可以替換為焊接模塊等。

基于提出的總體架構(gòu),大連理工大學(xué)研制了兩種微小裝配系統(tǒng)的構(gòu)型。系統(tǒng)構(gòu)型Ⅰ,如圖15(a)所示,此構(gòu)型主要特點(diǎn)是微小零件的“夾持”與位姿測(cè)量分離,基于機(jī)器視覺的精密測(cè)量模塊和裝配作業(yè)模塊安裝在不同位置,圖中為兩模塊平行安裝,兩模塊間的作業(yè)空間用于配置工具庫和作業(yè)工作臺(tái)模塊等。為實(shí)現(xiàn)微小零件的精密聯(lián)接任務(wù),將研發(fā)微小螺紋副裝配模塊集成于精密測(cè)量模塊一側(cè),實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)部功能集成。該構(gòu)型集成度較高,可一次性完成整個(gè)某類型微小器件多個(gè)零件的自動(dòng)裝配任務(wù)。圖15(b)為此構(gòu)型微小裝配設(shè)備的實(shí)物照片,該設(shè)備已成功應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線,用于某型號(hào)微小器件的批量化制造。

圖15 系統(tǒng)構(gòu)型ⅠFig.15 System structureⅠ

系統(tǒng)構(gòu)型Ⅱ,如圖16(a)所示,與系統(tǒng)構(gòu)型Ⅰ的主要區(qū)別是構(gòu)型Ⅱ?qū)⑽⑿×慵摹皧A持”功能集成于視覺測(cè)量系統(tǒng)正下方位置,微小零件被拾取后可直接進(jìn)行俯視測(cè)量,而目標(biāo)位置需要在零件拾取前進(jìn)行測(cè)量。相比構(gòu)型Ⅰ,構(gòu)型II簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件,節(jié)省系統(tǒng)內(nèi)部空間,為功能模塊的擴(kuò)展或集成創(chuàng)造條件。此外,依托于高精度龍門位移平臺(tái)較大的運(yùn)動(dòng)空間,極大地增加了作業(yè)機(jī)械手集成于Z軸的操作空間與視覺系統(tǒng)的測(cè)量范圍。俯視測(cè)量采用變焦顯微視覺系統(tǒng),可滿足跨尺度微小零件的測(cè)量需求,避免了基于位置的圖像拼接引入的誤差及測(cè)量效率的損失?；谙到y(tǒng)構(gòu)型Ⅱ開發(fā)具有氣/電換接功能的工具自動(dòng)換接裝置,有效提升了適應(yīng)不同微小零件裝配的作業(yè)能力,研制的設(shè)備實(shí)物如圖16(b)所示。

圖16 系統(tǒng)構(gòu)型ⅡFig.16 System structureⅡ

相比于一般的系統(tǒng),模塊化系統(tǒng)以模塊(或子單元)的設(shè)計(jì)和研制為基礎(chǔ),并通過模塊的集成形成系統(tǒng)。模塊化系統(tǒng)通過模塊的重新配置可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的重構(gòu),從而以更高效的方式比較靈活地應(yīng)對(duì)產(chǎn)品或需求的變化,縮短設(shè)備開發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本。對(duì)于總體架構(gòu)中的基礎(chǔ)模塊,裝配作業(yè)模塊的工具庫能夠進(jìn)行擴(kuò)展,工具庫中可集成新的作業(yè)工具或替換原有的作業(yè)工具,從而以較小的系統(tǒng)調(diào)整適應(yīng)裝配任務(wù)或需求的改變。對(duì)于總體架構(gòu)的附加模塊,通過增加/移除/替換已研發(fā)的功能模塊或系統(tǒng)內(nèi)部集成新的功能模塊等方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的重新配置,以滿足多樣化的裝配任務(wù)及需求,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多功能化。

對(duì)應(yīng)于模塊化硬件,模塊化軟件采用分層架構(gòu),基于面向?qū)ο蟮木幊陶Z言,通過對(duì)系統(tǒng)硬件自帶的底層控制函數(shù)進(jìn)行封裝,形成參數(shù)化的模塊控制類函數(shù),如運(yùn)動(dòng)控制類、氣動(dòng)控制類、微力采集類等。通過對(duì)模塊控制類函數(shù)進(jìn)一步封裝可形成參數(shù)化的通用功能函數(shù),如系統(tǒng)初始化、精密定位、零件操作等。軟件編寫者通過調(diào)用所需的功能函數(shù)可以設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)不同的裝配流程。當(dāng)模塊化微小器件裝配系統(tǒng)的硬件升級(jí)或改變時(shí),只需替換模塊控制類函數(shù)中的底層控制函數(shù),不需要修改模塊控制類函數(shù)的接口,即可完成系統(tǒng)軟件的升級(jí),節(jié)省了軟件更新所需的時(shí)間,減輕了軟件開發(fā)的工作量。

3 結(jié)論

本文對(duì)提升微小裝配系統(tǒng)柔性化的主要技術(shù)和方法,即模塊化和微小零件操作工具的自動(dòng)換接,進(jìn)行介紹和分析,并對(duì)研究進(jìn)展及主要成果進(jìn)行了歸納與總結(jié)。在此基礎(chǔ)上,面向一類微小器件的精密裝配,闡述了柔性微小裝配設(shè)備的系統(tǒng)架構(gòu),并基于所提架構(gòu),簡(jiǎn)要介紹了研發(fā)的兩種微小裝配系統(tǒng)構(gòu)型和設(shè)備。微小裝配設(shè)備基于模塊化體系結(jié)構(gòu),通過對(duì)功能模塊的重新配置、擴(kuò)展或有效集成實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多功能化,以滿足一類微小器件裝配任務(wù)或需求。

基于模塊化和微小零件操作工具的自動(dòng)換接,設(shè)計(jì)合理的裝配系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),是實(shí)現(xiàn)微小裝配設(shè)備柔性化的有效技術(shù)途徑。國內(nèi)微小器件的精密裝配目前在總體上尚處于由手工裝配向自動(dòng)化發(fā)展的階段,微小裝配系統(tǒng)的柔性化還沒有得到足夠的重視,相關(guān)的理論方法和應(yīng)用研究還不充分。Cecil J等在其綜述性論文中對(duì)未來研究方向進(jìn)行了展望,指出隨著各種不同器件裝配應(yīng)用需求的增加,模塊化設(shè)計(jì)和基于模塊化體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)將發(fā)揮更加重要的作用[25]。

目前,國內(nèi)外研制開發(fā)的精密微小裝配設(shè)備,大多數(shù)都是定制設(shè)備,功能相對(duì)單一,研制周期長、成本較高。今后面向某一類型器件,即待組裝零件外形、結(jié)構(gòu)等相類似,而不是面向所有器件,采用柔性化的技術(shù)方法研制微小裝配設(shè)備,將有效縮短裝備開發(fā)周期、降低成本,并大幅延長設(shè)備的生命周期。