基于雙軸旋轉結構的ICF靶器件精密裝配實驗研究

賈惠斌,賀海東,陳 濤,2,孫立寧

(1.蘇州大學 機電工程學院,江蘇 蘇州215000; 2.蘇州大學 未來與科學工程學院, 江蘇 蘇州 215222)

0 引言

慣性約束激光核聚變(ICF)是目前實現受控核聚變最重要的方法之一[1-2],同時也是世界各國未來尋找核聚變清潔能源和新型武器的研究焦點[3]。在ICF中,微靶器件的裝配精度直接關系到其系統整體性能及其穩定性[4]。ICF微靶器件包含了多種形狀復雜、跨尺度的微小型(0.05～5.00 mm)零件[5-6],同時在裝配過程中各零件間對檢測裝配力的需求也是跨尺度的(如金腔與套筒,套筒與硅臂裝配需要10 mN的力檢測,而靶丸裝配需要小于20 μN的力檢測),這給現有的微裝配技術帶來極大挑戰。此外,對于ICF微靶器件中的軸孔類微器件,如果其在裝配過程中發生不可控偏轉,則會導致裝配時間的增加、金腔損壞及裝配件不達標等嚴重后果。因此,如何實現裝配中夾持偏轉的精密檢測也是保證微靶器件裝配效率和質量所需解決的關鍵技術之一。針對ICF微靶器件的裝配難題,已有不少學者開展了深入的研究工作。余大海等[7]在ICF微靶器件裝配系統中設計了柔性鉸鏈機構和壓電陶瓷驅動的微夾鉗,其可通過變換夾口的形狀和開口距離,實現跨尺度靶零件的夾持。蔡建華等[8]設計了一種雙懸臂梁結構的壓電雙晶片微夾鉗,該微夾鉗由兩個壓電雙晶片驅動,其通過檢測懸臂梁根部的應變信號實現對微夾鉗夾持力的檢測。邢濟堯[9]研制了一種具有顯微視覺與力覺的ICF靶裝配系統,通過力學和視覺相結合提高了裝配的成功率。邵超[10]設計了面向ICF靶關鍵零部件的系列化柔性夾持器,并采用六維力傳感器對裝配力的大小和零件偏轉程度進行了采集,但該研究中仍未解決大載荷和高檢測分辨率之間的裝配難題。為此,本文針對ICF靶器件裝配中重載荷與高檢測分辨率需求,設計了一種帶偏轉檢測的雙軸旋轉裝置,通過將夾持器集成在雙軸旋轉裝置一側,完成靶零件裝配過程中夾持器的偏轉矯正。實驗表明,該結構可以檢測到多方向的受力偏轉,其最小可檢測到0.01°的偏轉,且可通過集成的傳感器完成自動偏轉矯正。

1 總體結構方案設計

圖1是設計裝配方案所針對的靶零件為ICF微靶器件的上下半腔,半腔主要由鋁套筒和金腔組成,如圖2所示,3個微零件都屬于深筒薄壁類零件。鋁套筒外徑為?(5～6) mm,內徑為?(2～3) mm,深為2.5～3.5 mm,最薄部分為0.5～1 mm。金腔內徑為?(2.4～3) mm,深為2～3 mm,單邊壁厚為50～100 μm。半腔內徑為?(2.5～3) mm,深為2～3 mm,單邊壁厚為50～150 μm。由于零件加工誤差,靶零件在裝配過程中存在過渡配合狀態。如金腔與套筒裝配時若軸向方向偏差為0.15°,此時最大應力為148 MPa,遠大于套筒所能承受的最大應力90 MPa,由于金腔單邊壁厚小于100 μm,極易發生形變損壞。目前在微操作領域中主要以視覺引導為主,為提高裝配成功率在裝配臺上設置多路視覺[11]。但是在靶零件已接觸后無法通過視覺檢測到零件是否發生微變形,所以采用視覺與力覺檢測相結合的方式來滿足裝配要求,對裝配時夾持器的微小偏轉進行檢測,以指導微零件調整相對位置。

圖1 慣性約束核聚變微靶組成

圖2 微零件示意圖

針對微零件特性及裝配要求,設計的裝配方案如圖3所示。裝配方案主要由微移動平臺、裝配力檢測裝置及微夾鉗3部分組成。其中三維移動平臺沿x、y、z方向的直線運動由3個精度為±0.5 μm電動滑臺(KXL06050, KXL06075, SURUGA SEIKI)組成,繞x、y、z三軸的旋轉運動由2個精度為±0.01°的電動滑臺(KRW04360, KRW06360, SURUGA SEIKI)和1個精度為±0.005°的電動滑臺(KGW04040, SURUGA SEIKI)組成。套筒與金腔裝配需2個六自由度機械手配合完成豎直方向的微米級精度操作。力檢測裝置及微夾鉗集成于機械手末端30 mm×30 mm的狹小區域內。

圖3 裝配方案示意圖

2 基于雙軸旋轉結構的檢測裝置設計

2.1 雙軸旋轉結構設計

本文設計了一種集成應變片傳感器的雙軸旋轉結構(見圖4),包括外框、第一轉子和第二轉子。外框與第二轉子通過陶瓷軸承(NSK氧化鋯陶瓷軸承)連接,第二轉子與第一轉子通過陶瓷軸承連接,外框固定。該陶瓷軸承通過力檢測標定,20 μN以下的力可使其發生轉動。第一、二轉子分別可繞水平及垂直軸線旋轉。雙軸旋轉結構進行偏轉實驗時,豎直方向可以承受較大載荷,同時不影響水平方向內兩個轉子的偏轉運動。此結構設計可解決大載荷與高力檢測靈敏度之間的裝配問題。

圖4 雙軸旋轉結構工作原理

圖5為雙軸旋轉結構簡圖。圖中,I為外框,II為第一轉子,III為第二轉子。A、B、C、D分別為外框與第一轉子、第一轉子與第二轉子之間的轉動副。雙軸旋轉結構在工作狀態下,I為機架固定不動,II經A、B轉動副繞x軸旋轉,III經C、D轉動副繞y軸旋轉。將I、II、III 3部分獨立計算運動。第二轉子處于第一轉子內部,即第二轉子的位置改變不會影響第一轉子的運動。

由圖4可知,該結構共有3種運動方式,即第一轉子偏轉、第二轉子偏轉及同時發生偏轉。圖6、7為雙軸旋轉結構第一、二轉子發生獨立運動時的位移變化。圖8為雙軸旋轉結構第一、二轉子同時運動時的位移變化。將其運動簡化,L0為加載桿長度,L1為外框長度,L2為第一轉子長度,L3為第二轉子長度,β、α分別為加載桿偏轉角度和轉子偏轉角度,主要參數如表1所示。對其加載din的輸入位移量,則其輸出為

表1 雙軸旋轉結構主要參數

圖6 第一轉子偏轉及位移變化簡圖

圖7 第二轉子偏轉及位移變化簡圖

圖8 第一、二轉子同時偏轉及位移變化簡圖

dout=λdin

(1)

式中λ為放大倍數。

因β=α,所以根據幾何原理:

(2)

對于第一轉子有:

(3)

對于第二轉子有:

(4)

2.2 傳感器模塊設計

應變式電阻傳感器是測量力、扭矩、壓力、加速度及質量等參數使用最廣泛的傳感器[12]。電阻應變式傳感器由具有一定電阻的薄金屬箔或金屬絲制成的柵狀物粘貼在兩層絕緣薄膜中制成,可將應變轉化為電阻變化[13]。目前利用應變計對力測量的技術已成熟,在彈性結構上粘貼應變片是獨立配置力傳感器的主要形式[14]。

該雙軸旋轉結構設計中將應變片傳感器集成在一側,且將應變片傳感器粘貼在被均勻切割成大小6 mm×10 mm、厚125 μm的聚對苯二甲酸乙二酯(PET)單元上。圖9為在雙軸旋轉外框和第一轉子同側分別布置兩組應變片傳感器E1、E2和S1、S2。檢測第一轉子偏轉角度的傳感器E1、E2一半固定在外框,另一半懸空并貼合第一轉子。當第一轉子繞著水平軸線發生偏轉時,傳感器發生彎曲,從而檢測偏轉變化。在一個轉子上布置2個壓電薄膜傳感器,以檢測轉子的偏轉方向。檢測第二轉子偏轉角大小的傳感器S1、S2以同樣的方法固定于第一轉子上,用于檢測第二轉子的偏轉。

圖9 集成應變傳感器的雙軸旋轉結構檢測原理

2.3 傳感器的標定

在制作過程中電阻應變片式傳感器由于工藝問題,每片傳感器都存在微小差別,所以必須對傳感器進行標定,獲取雙軸旋轉結構的偏轉角度與電阻變化間的關系曲線。

對兩組傳感器進行偏轉角度和對應電阻標定并確定擬合曲線。通過實驗可得傳感器偏轉角度和電阻變化線性度良好,如圖10所示,S1傳感器擬合方程為

圖10 傳感器標定曲線

y1=119.568 4-0.343 24×x1

(5)

S2傳感器擬合方程為

y3=119.543 3-0.587 53×x3

(6)

E1傳感器擬合方程為

y4=119.423 4-0.447 37×x4

(7)

E2傳感器擬合方程為

y2=119.974 7-0.374 22×x2

(8)

在進行裝配實驗時,通過擬合曲線即可計算得到雙軸旋轉結構偏轉角度,完成位置調整。

3 實驗驗證

為解決大載荷與高力檢測靈敏度之間的裝配問題,本文將微夾持器集成在雙軸旋轉結構的第二轉子上。在垂直方向進行裝配過程中,由于此方向上無力檢測,所以夾持器及雙軸旋轉結構的自重不會影響x、y方向的二維力檢測。

如圖11所示,將夾持器及雙軸旋轉結構組合體以垂直方式安裝在六維移動平臺末端,夾持器集成在雙軸旋轉結構安裝傳感器的另一側。當移動平臺緩慢向下運動進行軸孔裝配時,傳感器可采集到雙軸旋轉結構任何微小的偏轉。

圖11 裝配驗證裝置

3.1 雙軸旋轉結構偏轉檢測

設計中集成傳感器之間會有不同程度的差異,主要表現在其對彎曲變形的響應快慢及響應幅度大小,所以還需對集成于雙軸旋轉結構側面的兩組傳感器進行整體結構標定,計算出其對彎曲的敏感程度以及最大可彎曲程度,即雙軸旋轉結構最大可偏轉角度。

如圖12所示,對4個傳感器進行偏轉測試,將整個雙軸旋轉結構垂直固定于六自由度平臺末端,中間安裝垂直金屬桿對其加載偏轉角度,從而引起雙軸旋轉結構第一、二轉子的偏轉。分別在x1、x2、y1、y24個方向對豎直桿施加偏轉,通過計算可得到第一、二轉子的最小和最大偏轉角度。

圖12 4個方向施加偏轉載荷

分別對兩組傳感器進行偏轉角檢測,可檢測到E1、E2、S1、S24個傳感器的最大及最小可偏轉角度,以及連續偏轉時的整個信號曲線。圖13～16分別為不同方向施加載荷時不同傳感器得到的檢測信息。由圖13 可知,E2傳感器最大可檢測的偏轉角度為0.955°,最小可檢測的偏轉角度為0.019°。由圖14可知,E1傳感器最大可檢測的偏轉角度為0.955°,最小可檢測的偏轉角度為0.01°。由圖15可知,S2傳感器最大可檢測的偏轉角度為0.955°,最小可檢測的偏轉角度為0.019°。由圖16 可知,S1傳感器最大可檢測的偏轉角度為0.955°,最小可檢測的偏轉角度為0.019°。在最大偏轉角度與最小偏轉角度之間進行連續偏轉測試時,電阻變化明顯且辨識度高。

圖13 在x1方向施加載荷得到E2傳感器的檢測信息

圖14 在x2方向施加載荷得到E1傳感器的檢測信息

圖15 在y2方向施加載荷得到S2傳感器的檢測信息

圖16 在y1方向施加載荷得到S1傳感器的檢測信息

進行裝配任務時至少有兩個方向傳感器發生偏轉,同時從兩個方向加載載荷可測試多個傳感器同時工作時的性能。在x2和y1方向同時施加載荷,第一、二轉子偏轉不同角度得到E1和S1傳感器響應曲線,如圖17所示。在x2和y2方向同時施加載荷得到E1和S2傳感器響應曲線,如圖18所示。在x2和y1方向同時施加載荷得到E2和S2傳感器響應曲線,如圖19所示。在x1和y2方向同時施加載荷得到E2、S1傳感器響應曲線,如圖20 所示。通過響應曲線可以看出同時工作的一組傳感器響應快。

圖17 x2、y1方向同時施加載荷E1和S1傳感器得到的檢測信息

圖18 x2、y2方向同時施加載荷得到E1和S2傳感器的檢測信息

圖19 在x2和y1方向同時施加載荷E2和S2傳感器得到的檢測信息

圖20 在x1和y2方向同時施加載荷得到E2、S1傳感器的檢測信息

3.2 基于雙軸旋轉結構的裝配實驗

金腔與套筒的裝配過程中,夾持器夾持的金腔必定會在套筒周圍產生多次接觸進行試探性裝配,從而調整二者的相對位置。此過程要求力檢測裝置能夠靈敏感知到雙軸旋轉結構第一、二轉子的偏轉角度。如圖21所示,當金腔從套筒外部4個方向與套筒接觸時,雙軸旋轉結構上應變片式傳感器均能檢測到偏轉角度。在六維移動平臺移動過程中,由于加速運動和減速運動產生的慣性影響,偏轉也能實時檢測。

圖22為基于雙軸旋轉結構的夾持器裝配過程中傳感器數據。

圖22 基于雙軸旋轉結構的夾持器裝配過程中傳感器數據

由圖22可知,金腔從x1方向接觸套筒時,E1傳感器檢測到雙軸旋轉結構第二轉子偏轉,移動平臺立即通過反向運動消除偏轉。從y2方向接觸套筒時,S1傳感器檢測到雙軸旋轉結構第一轉子偏轉角度為0.159°。從x2方向接觸套筒時,E2傳感器檢測到雙軸旋轉結構第一轉子偏轉角度為0.251°。金腔從y1方向接觸套筒時,S2傳感器檢測到雙軸旋轉結構第二轉子偏轉角度為0.273°。上述偏轉通過平臺反向運動以及應變片傳感器對雙軸旋轉結構的“置零”功能均可消除。在完成金腔與套筒裝配時,由于裝配過程不能保證無任何偏轉,所以在夾持器松開,金腔退回的瞬間,雙軸旋轉結構恢復到平衡狀態,同時各個方向傳感器立即產生偏轉信號。

如圖23所示,金腔與套筒的裝配過程中,通過傳感器數據能觀察到E2、S2、E1傳感器均產生偏轉信號。這說明在此過程中雙軸旋轉結構并不處于平衡狀態,但是金腔與套筒仍能夠順利地完成裝配,所以此結構具備一定的柔性化裝配性能。在完成金腔裝配后夾持器退回,傳感器偏轉信號消失,說明在雙軸旋轉結構上集成的傳感器具有一定的“置零”功能,在不具有負載的情況下,可使雙軸旋轉結構一直保持平衡狀態,且不產生信號干擾。

圖23 金腔-套筒裝配過程數據

4 結束語

本文解決了重載荷與高檢測分辨率之間的裝配難題。通過將傳感器與設計的雙軸旋轉結構集成,可檢測雙軸旋轉結構最小角度為0.010°的偏轉。通過對單方向施加偏轉角度為0.119°、0.239°、0.358°、0.478°等不同的偏轉,傳感器呈現出良好的線性趨勢。進一步對雙軸旋轉結構從兩個方向施加偏轉,多個傳感器亦可精確地檢測到多維偏轉。在穩定夾持的同時亦可實現對裝配過程中夾持器偏轉的實時監測,可提高自動化精密裝配的成功率,從夾持金腔到裝配完成的整個過程可控制在30 s內。在未來工作中可通過集成檢測分辨率更高的傳感器,進一步提升雙軸旋轉結構的靈敏度,完成更高要求的柔性化裝配任務。