特輕小試件的理料與連續運動中的浮動定位

顧立志，夏巨明，宋金玲，胡文濤，郭鴻杰，黃宇堯，王冬

（1.泉州信息工程學院虛擬制造技術福建省高校重點實驗室，福建泉州 362000；2.華僑大學機電及自動化學院，福建廈門 361021；3.泉州師范學院物理與信息工程學院，福建泉州 362000；4.佳木斯大學機械工程學院，黑龍江佳木斯 154007）

0 引言

某一光學晶體器件需要進行理料和在連續運動中置于檢測工作臺的指定位置，然后進行幾何形態和光學性能檢測。但是從振動式理料盤向工作臺運動和定位過程中，因被測件與工作臺面之間摩擦因數小，且被測件體積小、質量輕，難以依靠自重定位，從而造成精準定位的困難。大批量處理這類特輕小試件時，依靠人工定位與裝夾、效率低下，不符合檢驗操作要求；按照一般工業零件的裝夾，因其輕小定位和夾緊均面臨技術挑戰，需要特殊考慮和處理。

趙志強等[1]針對工業生產和裝配中微小零件上料易發生堆疊、零件難以被視覺識別及難以被機器人抓取的問題，設計了基于料盤模態振型的零件聚攏、分離控制方法的柔性振動供料器，實驗結果表明，該柔性振動供料器具有明顯的零件聚攏和分離效果，可有效分離堆積零件，提高視覺定位和機器人抓取效率。魏國軍[2]對于微小零件采用人工裝配方式存在的抓取、釋放效率低、裝配精度差的問題，提出吸附式微小零件精確抓取、釋放的方案，設計微小零件吸附式精確抓取、釋放裝置，通過控制氣壓讓吸附頭形成真空，產生正、負壓力差，并配合視覺引導系統精確抓取或釋放微小零件，實現自動化裝配，以提高抓取、釋放效率及裝配精度。張亞軍[3]為了提高微小零件精確定位的效果，采用了粗、精結合的調焦函數，動態選擇調焦窗口，增加修正因子以避免目標變化對調焦清晰度評價函數的影響，改進經典爬山算法，確定焦點的移動方向，改進Zernike矩基于目標點歸一化確定最大外接單位圓，通過邊緣參數判斷像素為邊緣點。王蒙[4]研究基于機器視覺的銅箔卡扣檢測分類系統，高效準確地實現了銅箔卡扣缺陷品與合格品的分類，包括搭建圖像采集模塊、對象定位方法、檢測分類方法和實際測試。孫凱旋等[5]針對微小零件的定位、姿態調整進行研究，根據微小零件的幾何特征，提出了基于圖像匹配的識別方法，包括零件的形狀、位置、定位的精度，姿態的調節和誤差解算，其高精度的定位使得圖像匹配的準確度和效率更高。Li Yingang等[6]提出了一種連續夾緊、對中、壓合、預緊動作的微型軸承高精度定位與壓合方法，開發設計了一種張緊連桿高精度自動壓裝平臺，并對該張緊連桿高精度壓裝平臺的結構設計和各模塊的工作原理進行了說明，包括一種無損夾緊機構、二自由度宏動平臺、視覺對準模塊等設計。P. Ekta等[7-8]提出和設計Muscope無透鏡微顯微鏡系統，該系統基于計算超分辨率和寬視場成像，能夠使微led顯示芯片在一個5 μm間距的二維平面上進行精確定位和線性移動。

本文從試件定位與檢測的基本要求出發，運用六點定位原理和特殊導入與定位裝置，在試件運動過程中通過對連續粒子體的分離和導入式定位，在保證光學鏡頭的檢驗不干涉、檢測速度不下降的條件下實現精確定位。

1 原理方法

某一長方體光學晶體器件基本尺寸為1.2 mm×0.8 mm×0.8 mm，質量約為0.0015 g，需要進行理料和置于檢測工作臺的指定位置，然后進行幾何形態和光學性能檢測。但是從振動式理料盤向工作臺運動和定位過程中，因被測試件與工作臺面之間摩擦因數小，且體積小、質量輕，難以依靠自重定位，從而造成精準定位困難。

本文采用“機械式振動理料+槽輪機構分離+機器視覺檢驗與剔除不合格品+引導板與浮動定位”，系統組成如圖1所示，基本原理與方法如下。

圖1 系統構成與組成原理

1.1 機械式振動理料

理料的目的是使離散、無序、堆積、混雜的試件轉變為有序、按一定規則排列且甄別和去除具有某些不合格特征的試件，同時，為后續處理做好準備。本文采用機械振動原理結構，其排序和剔除具有某些不合格特征的試件比較簡單而高效。考慮到晶體材料的脆性，與晶體試件相接觸振動部分采用具有一定柔韌性且耐磨的高強度塑料。在理料過程中，被剔除的不合格特征試件主要是具有明顯幾何缺陷的試件，如明顯殘缺不齊、質心明顯偏離幾何中心等。

1.2 機器視覺檢驗與剔除不合格品

有序分離試件的槽輪機構運用槽輪機構和共軛原理，設計專門導槽，實現對連續試件的均勻離散。同時為機器視覺檢驗做好準備。如果被測試件的標準型可以用矢量與矩陣描述，標準矢量為

1.3 對數螺旋曲面引導板

按機械零件加工中的六點定位原理，該類試件應該實現完全定位。但是晶體器件5個面都要通過光學檢驗，因此，在試件移動過程中，實現完全定位，定位完成后定位元件和相應的裝置要移去，為光學檢驗提供有效空間。為達此目的，采取“運動中的定位”，通過設計和運用對數螺旋曲面的光滑與導向特性和限位擋壁實現對微型試件的入位與定位；設計端面凸輪機構帶動入位與定位裝置同步進入工作狀態和升起，避免與回轉工作臺干涉和不影響光學檢驗。

圖2 運用對數螺旋曲面擋板實現試件的有效導入

本文從試件定位與檢測的基本要求出發，在試件運動過程中通過對連續粒子體的分離和導入式定位，在保證光學鏡頭的檢驗不干涉、檢測速度不下降的條件下實現精確定位。

系統功能原理如下：運用振動器和理料通道實現對無序粒狀試件的甄別、去損和連續有序排序；運用間歇機構和共軛原理，設計專門導槽，實現對連續試件的均勻離散；通過設計和運用螺旋曲面的光滑與導向特性和限位擋壁實現對微型特輕試件的入位與定位；設計端面凸輪機構帶動入位與定位裝置同步進入工作狀態和升起，避免與回轉工作臺干涉和影響光學檢驗。所構建的振動理料、槽輪離散、端面凸輪升降和浮動定位一體的離散與定位系統，融合了往復運動、間歇機構、凸輪機構和同步帶傳動等，實現了微小試件的準確定位。

圖3 槽輪機構與試件在測量工作臺回轉運動的同步

1.4 浮動定位的實現

如圖4所示，浮動定位器由一段對數螺旋面和定位擋板組成，引導試件順暢入位，瞬時將試件導入并定位在工作轉盤的指定位置上。而后在端面凸輪的作用下迅速抬起，脫離試件和工作臺。值得注意的是，對數螺旋面和定位擋板工作面設計成87°角，而非與工作臺完全垂直，以避免因檢測工作臺連續回轉造成對試件的干涉而影響定位精度。

圖4 對數螺旋面引導板與浮動定位器

2 結論

構建了集振動理料、槽輪離散、端面凸輪升降和浮動定位于一體的離散與定位系統，融合了往復運動、間歇機構、凸輪機構和同步帶傳動等，實現了微小試件的準確定位。采用特別設計的槽輪機構，運用包絡和光滑相切過渡，在槽輪上制成按共軛原理的試件轉入與分離，使連續的試件分離為指定間隔且均勻分布的試件系列。槽輪機構的驅動輪不僅實現對試件的均勻分離，而且通過同步帶傳動，驅動端面凸輪機構，實現對試件的同步浮動定位。運用端面凸輪機構和滾動摩擦升降輪，為系統定位同時保證不干涉工作臺運轉，為試件的在線高效檢測提供了技術保障。運用對數螺旋曲面和壁板結合保證了試件的順利和可靠定位。