毫米器件半自動微裝配系統研制*

吳文榮，余大海，裘祖榮，黃心漢，王紅蓮，羅 敏

(1.中國工程物理研究院 激光聚變研究中心，四川 綿陽621900;2.天津大學 精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津300072;3.華中科技大學 控制科學與工程系，湖北 武漢430074)

0 引 言

核聚變研究是當前解決能源問題的重要研究課題，激光慣性約束聚變是實現核聚變的主要方法之一［1，2］;而由球和2 個薄壁空腔組裝而成的微靶是慣性約束聚變(ICF)實驗研究中的關鍵組件之一，其要求多路注入激光能同時準確地注入柱腔，并對微球形成均勻的輻照場，微球在柱腔中的位置精度是提高輻照場對稱性和減緩R－T 不穩定性的發展的關鍵因素之一［3，4］。

微靶尺度小于1 mm，其裝配屬于典型的空間三維微裝配。目前，該類靶的裝配主要采用手工裝配方式，由熟練的裝配技術人員利用輔助夾具和顯微鏡來完成，存在勞動強度大、裝配周期長、裝配精度低、重復性差等問題，不能滿足ICF 研究的不斷發展。隨著對ICF 靶制備精密化要求的提高，采用半自動裝配方式勢在必行。

本文針對ICF 實驗用微靶的裝配，研制了一種半自動微裝配系統，系統具有顯微在線檢測、微零件自動無損夾取、三維空間角度姿態調整、精密定位等功能，整個裝配過程由計算機控制完成。

1 系統結構與組成

微靶結構如圖1 所示，由2 個半腔和微球組成，微球與柱腔均為薄壁件，材質脆弱，尺寸微小(直徑小于1 mm)，裝配完后要求微球相對柱腔中心的位置偏差:軸向與徑向均不超過10 μm，2 個半腔同軸度不超過20 μm，柱腔觀察口在圓周方向對準，角度偏差小于1°。

圖1 微靶三維示意圖Fig 1 3D diagram of micro target

針對裝配精度要求與零件特性，研制了由三維微操作手組成的微器件半自動裝配系統(如圖2)，該系統采用三手協調動作、以工作空間為中心分布的拓撲結構，系統結構示意由左、中、右、零件傳送平臺等多自由度微動平臺，顯微圖像與激光共焦兩路顯微在線檢測系統、靶零件微夾持系統組成，總共包含21 個電動軸，具有裝配過程靶零件位置在線檢測、三維空間姿態調整、靶零件自動傳送及運動平臺的精確控制等功能，系統操作空間:40 mm×40 mm×50 mm，XYZ 重復定位精度≤2 μm，分辨率為 1 μm;θxθyθz旋轉重復定位精度≤0.005°，分辨率為0.002°。

圖2 系統組成框圖Fig 2 Block diagram of system composition

系統以顯微在線檢測系統為反饋環節，形成閉環控制，裝配過程中顯微在線檢測系統對靶零件的位置進行實時檢測，控制系統根據顯微在線檢測系統反饋的位置信息，控制左、中、右3 個微操作平臺和微夾持系統相互協調動作以實現靶零件的自動拾取、釋放和精確定位，從而完成裝配。

2 系統關鍵技術

本半自動微裝配系統涉及的關鍵技術主要包括:微操作系統、微夾持技術、顯微在線檢測技術等。

2.1 微操作系統

微操作系統主要完成40 mm×40 mm×50 mm 操作空間定位精度達到μm 的三維平移運動以及相應的姿態調整。主要包括:左、中、右3 個微操作平臺、2 個柱腔微夾持器和1 個微球微夾持器;其中，左、右微操作平臺前端集成安裝有柱腔微夾持器，進行半腔的精密定位;由于零件微小，半腔為壁厚只有幾十微米厚空腔件，夾持精度不高，需要進行三維空間姿態調整，為了實現半腔精確配準，采用6 自由度微操作平臺，其結構如圖3(a)所示，XYZ 行程為100 mm ×60 mm ×100 mm，θxθyθz行程為 360° ×10° ×10°，3 個旋轉平臺的旋轉中心交于同一點，且距離微夾持器安裝端面500 mm，偏差為10 μm，以保證柱腔中心與旋轉中心點重合，從而能有效地進行旋轉姿態的調整。中微操作手具有4 自由度，末端安裝有微球微夾持器，主要進行微球的精密定位，結構如圖3(b)，XYZ 行程為50 mm×60 mm×60 mm，θy行程為 360°。

微操作控制系統采用了兩級計算機控制，控制系統結構如圖4 所示。

圖3 微操作系統結構Fig 3 Structure of micro operating system

圖4 控制系統結構Fig 4 Structure of control system

2.2 微夾持技術

微夾持器是實現對微小對象進行夾持、運送和放置等操作的重要工具，是微操作系統的末端執行器［4，5］。本系統中分別采用真空吸附式和雙晶片壓電式2 種類型的微夾鉗分別對微球和柱腔進行夾持、運送、放置和對接等操作。

柱腔微夾持器采用雙晶片壓電式結構。壓電陶瓷雙晶片存在逆壓電效應，即當驅動電壓加在壓電陶瓷雙晶片的中間電極和上下兩層晶片之間，使上下晶片產生的電場方向相反，而它們的極化方向相同，電場與極化方向相反的一側晶片伸長，相同的一側縮短，從而引起雙晶片的彎曲變形，在自由端產生位移;改變驅動電壓的大小和極性，可改變其彎曲的程度和方向［6］。柱腔微夾持器根據壓電陶瓷雙晶片的逆壓電效應原理進行設計，結構如圖5 所示:由兩片并行雙晶片構成雙懸臂梁結構(圖5(a))，兩片雙晶片的尺寸、材料相同，一端由固定件固定，另一端為自由端，在驅動電壓的作用下自由端會產生彎曲形變，兩片雙晶片的彎曲形變形成末端的開閉運動，開閉程度和方向由控制驅動電壓的大小和極性進行調節;在雙晶片根部粘貼應變計，檢測微夾鉗形變產生的應變信號，當微夾鉗受到外力作用時，會改變由驅動電壓產生的正常形變，實現對微夾持力的感知與檢測。

柱腔微夾持器與驅動電源的連接方式如圖5(b)所示，雙晶片的驅動電壓加在中間電極(導電碳纖維基板)和上下兩層晶片之間，使上下晶片產生的電場方向相反，從而引起雙晶片的彎曲變形;通過改變驅動電壓的大小和極性，可改變其彎曲的程度和方向。當驅動電壓為0 時，微夾持器處于初始狀態，不發生形變(圖6(a));當驅動電壓為正時，雙晶片1 和2 相向形變，產生閉合運動(圖6(b));當驅動電壓為負時，雙晶片1 和2 反向形變，產生張開運動(圖6(c))。因此，控制驅動電壓的極性和大小，就可確定微夾持器末端(手指)開閉合運動的方向和程度，實現半腔的夾持和釋放。

圖5 壓電雙晶片微夾持器Fig 5 Piezoelectric bimorph micro-gripper

圖6 雙晶片微夾持器三種工作狀態Fig 6 Three working state of bimorph micro-gripper

微球為亞毫米尺度的薄壁球殼，裝配過程中，由于尺寸效應，微球其重力的影響下降，靜電力、范德華力、表面張力占統治地位，將致使不能自由釋放靶零件時，從而降低裝配效率和破壞了裝配的定位精度［7］。為了克服這種影響，采用真空吸附原理設計微夾持器，其可以對微球進行無損吸取、移動、自由釋放等操作。其工作原理是利用真空吸管的粘著力和真空吸附產生的負壓力對微球進行吸取，利用正壓力進行放置，其氣路結構如圖7 所示:當吸取微球時，電磁閥1 接通，電磁閥2 斷開，通過壓力調節閥控制吸附力的大小，以避免損壞微球;當釋放微球時，電磁閥1 斷開，電磁閥2 接通，通過壓力閥和速度閥精確控制氣路正壓力，以克服微球與吸嘴間的表面作用力，實現自由釋放微球。為了有效地吸取和釋放，根據文獻［9］，吸嘴前端最佳尺寸確定為50μm 左右，這時拾取釋放的成功率較高，而且可減少其對微球位置檢測精度的影響。同時為了減少球與吸嘴間的表面粘附力，在吸嘴表面濺射與微球材料相同的涂層。

圖7 微球微夾持器氣路圖Fig 7 Gas path of microspheres micro-gripper

2.3 顯微在線檢測技術

相對于宏觀器件，由于操作者不能通過感知來判斷微觀物體的加工裝配過程，因此，采用在線檢測的方式變得很重要，它是唯一可以觀測微觀尺度的途徑［8］。本文的顯微在線檢測系統由顯微視覺監測系統和在線共焦檢測系統兩部分組成，采取懸臂式結構如圖8 所示。

圖8 顯微在線檢測系統Fig 8 Micro online detection system

為保證整體結構的平衡和穩定性，Z 向運動軸增加了配重裝置，該種結構具有簡單、緊湊、耗材少以及成本低等優點，特別是設計時充分考慮了結構精度，將光柵尺均安裝在各運動平臺的底面或側面，由運動平臺的角偏擺所產生的阿貝誤差較小，有效避免了移動橋式的阿貝臂較大的缺點。系統機械結構變形主要會發生在Z 向連接板，即懸臂梁上，但是由于該變形屬于簡單力變形，通過合理的結構設計和材料的選擇可以盡量避免其變形量。系統測量范圍由3 個運動平臺的行程決定，為100 mm ×100 mm ×50 mm(XYZ);其中顯微視覺檢測系統主要完成柱腔對接裝配過程中微球的粗定位和兩半腔姿態調整、配準的實時位置檢測;在線共焦檢測系統主要是實現柱腔對接時微球的徑向精定位檢測。顯微視覺檢測系統采用兩路成像系統對裝配過程進行微小靶零件的空間三維位置檢測，硬件配置為UP2000 CCD 相機，其有效像素為 1 628 ×1 236，鏡頭選用GCO-260203 型5 ×遠心測微鏡頭，共焦測頭選用KEYENC LT-9031M，其檢測范圍為 ±1 000 μm。

為了確定系統檢測精度，需對系統的測量不確定度進行分析，其顯微在線檢測系統測量不確定度同時受許多因素影響，為了確定它們對坐標測量系統進行測量時所產生的影響，需建立其數學模型，由于顯微在線檢測系統中的2 個測量子系統在建立坐標系時，都將主軸(Z 向運動平臺)的坐標原點建立在測量裝置的中心，不存在測端相對于主軸的偏置;由于系統中增加了配重裝置，能夠使顯微在線檢測系統在整個工作范圍內的重心位置均處于運動平臺滑塊的中心附近，故可以不考慮直線運動的滾轉誤差;實際測量中在Y 向和Z 向上發生的實際位移量很小，而且偏擺角和俯仰角誤差所產生的是二次誤差，在此可以不考慮;垂直度誤差將作為系統誤差進行補償，在下面的不確定度分析中不予考慮。經上述分析，本系統中運動機構運動誤差對測量不確定度的影響的數學模型可簡化為

Δx= δx(x)+ δx(y)+ δx(z)，

Δy= δy(x)+ δy(y)+ δy(z)，

Δz= δz(x)+ δz(y)+ δz(z)，

式中 Δx，Δy，Δz 分別為測量軸 X，Y，Z 的測量誤差;δi為i 軸的定位誤差;δi(y)為 i 軸 Y 向直線度誤差;δi(z)為 i 軸Z 向直線度誤差。

各個軸的運動誤差測量結果如表1 所示，將表中數據代入公式中，由運動誤差引起的各個測量方向的測量誤差為:X 軸 0.43 μm、Y 軸 1.08 μm、Z 軸 1.22 μm。

表1 測量誤差Tab 1 Measuring error

采取直徑999.36 μm 的標準球對在線檢測系統的顯微視覺檢測方式進行了檢測精度驗證，驗證結果如表2 所示，其檢測誤差小于1 μm，考慮到實際微球為半透明球體，其成像比標準球要差，其誤差可小于3 μm。

將共焦測頭與TESA 電感測頭進行位移測量的對比實驗，以驗證其檢測精度，結果見表3，可見LT-9011M 型共焦測頭相對電感測頭的極限偏差為0.5 μm，其檢測精度可以滿足裝配在線檢測要求。

表2 測量結果Tab 2 Measuring result

表3 對比測試結果Tab 3 Result of contrast test

3 實驗與結果分析

利用本系統對圖1 所示結構的靶進行了半自動裝配實驗，并分別對直徑為 1，0.8 mm 的柱腔，直徑為 0.25 ～0.5 mm的微球各種不同規格的靶零件進行裝配，裝配實驗圖片如圖9 所示。

圖9 裝配過程圖Fig 9 Picture of assembling process

對裝配完后的靶實驗樣品采用微CT 進行了裝配精度測量，測量結果如圖10 所示，微球相對于柱腔中心的徑向偏差為:X 向 6 μm，Y 向 5 μm，軸向偏差為 23 μm。從實驗結果可以看出:微球的徑向裝配精度較高，滿足系統初始設計指標10μm，但軸向裝配精度較差，大于初始設計指標10 μm。徑向裝配精度主要是由于裝配過程引起的偏差，支撐膜的不均勻性引起偏差較小可以忽略不計;而軸向裝配精度影響因素有左、右半腔支撐膜厚度不一致、兩半腔軸向加工精度(約10 μm)、裝配過程柱腔運動方式等因素，其中前兩者是主要影響因素，且無法在裝配過程中修正;因此，若進一步提高軸向精度需要提高零件的加工精度，同時通過實驗確定運動軌跡減少裝配過程引起的偏差。

圖10 樣品CT 檢測結果Fig 10 Detection result by CT of sample

4 結 論

本文針對ICF 實驗用微靶研制了一種微器件半自動裝配系統。系統中采用顯微視覺檢測與激光共焦檢測相結合的顯微在線檢測系統進行裝配中的零件位置的實時檢測，以形成閉環控制系統，提高裝配精度。針對柱腔、微球等零件特性，分別采用真空吸附式和壓電雙晶片夾持式微夾持器實現零件的無損拾取與釋放;裝配實驗結果證明:本系統裝配精度可以達到10 μm。

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