面向多种复杂零件的高精度人机协同装配系统

（北京理工大学微小型制造研究所，北京100081）

0 引言

微小型零件装配是指中间尺度（几何尺寸在数十微米到数十毫米）的复杂微小结构件的组装。复杂三维结构体是指三维结构复杂、加工工艺复杂的零部件。小刚度零件是指零件的刚度极其微小，在夹持与装配过程中极易受力变形，此类结构的装配极其困难。

1）装配对象的尺寸跨度极大，尺寸相差几倍甚至十几倍，而高分辨率的相机或者显微镜必然具有较小的视场和工作距离。在视觉上，零件尺寸的跨度会造成高分辨与小视场之间的矛盾。

2）复杂三维结构体由于外形的复杂，形状不规则，零件难以实现稳定可靠的夹持。小刚度零件极易受力变形，造成装配卡死现象。

3）零件装配工序复杂，在满足装配需求的前提下，需合理设计装配系统及装配工艺以降低成本及控制的难度。

一套完整的精密微装配系统主要涉及检测与调整技术、夹持与操作技术、运动控制技术等。零件的检测技术主要采用视觉、力觉技术来检测零件位姿以及装配缺陷，通常可以使用视觉、力觉相结合的方法［1］来进行检测，也可以应用微力反馈和控制系统来指导装配［2］。 Shen 等［3］则根据激光三角测距原理和视觉控制的方法，设计了一套三维高精度全自动装配系统。零件的调整运动主要考虑调整行程、调整精度以及运动干涉的问题，调整轴过多会限制工作空间甚至会导致干涉。Montesanti等［4］设计了一台微靶装配系统，其具有29个调整自由度，Das等［5］的MAPS装配系统也有20个运动平台。夹持与操作技术要保证对装配零件进行无损、可靠的夹持，直接决定了装配的成败。现有的夹持方法主要分为吸附式和机械式，吸附夹持主要为真空吸附式［6］， Chen 等［7］设计的颚式夹持器则属于典型的机械式夹钳。通常为了使零件不破损，夹爪采用形状记忆合金［8］或者超弹性合金［9］材料。然而，柔性夹持已成为一种必然趋势，各种仿生柔性夹持器［10-12］正在大量问世，但由于它们的夹持精度过低，还无法用于精密装配。我们曾使用一种单方向气囊夹持器，来柔性抓取小型薄壁圆柱结构并用于精密装配［13］。运动控制技术不仅要有高的定位精度，还需要有良好的动态响应。Chen等［14］曾应用软伺服的装配方法完成某些装配任务。为了使操作更灵活直观，科学家们提出了遥操作方法［15］和遥控力反馈的控制方法［16］。Chu的自动并行操作系统，自动抓取与插入的成功率分别为93%以及61%［17］。全自动控制需要预先确定任务，装配状态简单；而人机协同操作可以发挥操作工和计算机的优势，实现在复杂状态下的精密装配。

由此，当装配零件结构复杂、尺度跨度大时，需要采用合理的检测技术、高精度的位姿调整与装配技术、无损可靠的夹持技术以及简单稳定的运动控制技术。本文为了解决复杂三维结构体及小刚度零件的自动装配问题，设计了一套高精度的人机协同装配系统，并通过轴孔对位装配实验验证了该装配系统能完成零件间2μm～3μm高精度装配。

1 待装配零件

本文中，待装配件主要为本体件、零件1、零件2以及零件3这4个零件，如图1（a）所示。本体件的形状复杂，其外圆盘面为锥面，零件1极怕划伤，零件2极易变形，零件3是一个外径约2mm的中空圆柱体，其外形尺寸与其他零件跨度很大。装配顺序上分别是两端的零件3先后安装在本体件两个圆盘外端面的孔中，装配间隙为双边3μm；零件1和零件2先后安装在本体件对应的槽中，装配间隙为10μm，但零件2的变形可能会导致装配卡死现象，装配细节如图1（b）所示。每装完一个零件都要进行烘胶处理，为保障装配精度，装配完零件1和零件2之后，要与本体件临时固定再去烘胶，这些均为装配的夹持和对位提供了难度。

图1 装配对象Fig.1 Assembly objects

2 人机协同装配系统

根据以上待装配零件的形状特点及装配要求，基于同轴对位检测原理设计了一台高精度人机协同装配系统，如图2所示。该系统主要包括装配执行模块、精密调整模块、视觉对位检测模块、传感器监测模块、夹持模块（本体快换式夹持器、真空吸附式夹持器、气囊柔性夹持器）以及辅助模块。

图2 多用途高精度人机协同装配系统Fig.2 High precision man-machine cooperative assembly system

装配执行模块配有360°转台和竖直位移台，其六工位转接头上装有真空吸附式夹持器和气囊柔性夹持器，可以完成待装配件的上下料以及精密装配运动。精密调整模块是一个六自由度精密调整平台，其直线位移精度可以达到20nm，角度旋转精度高达0.4μrad，调整平台上安装有快换功能的本体夹持器，能够实现本体零件位姿的高精度调整。视觉对位检测模块实现人机协同过程中的视觉对位检测，其基本对位原理为同轴对位［18］。不同的是，鉴于待装配零件的尺寸跨度大，为了保证装配精度，本文采用图像拼接的方法，拟合多段圆弧确定圆心，可以降低单次边缘识别的误差，进而提高系统对位及装配的精度。在装配过程中，真空吸附式夹持器和气囊柔性夹持器上的传感器实现装配力监测，根据微力／微位移映射，实时反馈调整量，由六自由度精密调整平台实时调整，提高装配精度。整个系统采用模块化布置，针对待装配件的不同，只需更换必要的工装夹具，便可实现不同工件的高精度装配。该装配系统的工作原理如图3所示。

图3 装配系统工作原理图Fig.3 Working principle diagram of assembly system

其控制系统主要分为运动控制、气路控制、光源控制、图像采集和处理以及力信号处理。待总控系统复位清零后，气路控制模块打开，手工上料后气囊柔性夹持器工作并夹持零件；待零件及图像采集模块运动到工作区，光源控制模块打开光源并调节到合适的亮度；图像采集模块通过同轴对位原理采集两侧图像的位姿；六自由度微动调整平台调整本体零件位姿，使之与目标零件匹配；高精度直线位移台带动目标零件进行装配，期间六维力传感器感知装配力，经过换算通过六自由度微动平台进行微力／微位移自适应调整，直到零件装配完成。装配过程的对位和装配时刻如图4所示。

图4 装配过程的对位和装配时刻Fig.4 Counterpoint time and assembly time of the assembly process

3 夹持模块

装配系统的夹持模块主要包括本体件快换式夹持器、零件3真空吸附式夹持器以及针对零件1、零件2的气囊柔性夹持器。

本体件形状复杂，装配工艺繁琐，需临时固定和反复拆卸。快换式夹持器如图5所示，主要包括径向定位夹紧机构、轴向支撑机构、快换锁紧机构和临时压紧机构。快换锁紧机构固定在六自由度微动调整平台上，径向定位夹紧机构、轴向支撑机构以及临时压紧机构组成快换部分。通过径向定位夹紧机构以及轴向支撑机构，实现了对本体件的可靠夹持。通过 “一面两销”实现快换，使得快换部分翻转180°夹持，可以对本体件两端进行装配。临时压紧机构起到对本体件和零件1、零件2装配成功后暂时固定的作用，各部分的压紧力固定并且可调，在装配需求下，通过协调合作能够实现对本体件的可靠、无损夹持及装配后固定压紧。

图5 本体件快换式夹持器Fig.5 Quick change type gripper for complex structures

针对零件3设计的真空吸附式夹持器的特点为：基于单轴力传感器监测装配力，既可以避免装配失败时破坏零件，装配力显示又可以指示是否装配到位。该夹持器主要由真空发生器、控制阀、真空吸头以及单轴力传感器组成，如图6所示。

图6 真空吸附式夹持器Fig.6 Vac-sorb gripper

经过分析，吸附头吸附零件3后，先是夹持器整体旋转180°，零件3由装配面朝上变为朝下，然后竖直向下运动进行装配。为保证吸附可靠，吸附力应同时满足：

式中，Gpart为零件重力，dhole为吸附孔直径，n为吸附孔数量，βabs为安全系数，Vr为相对真空度。

式中，θ为零件与竖直方向的夹角且很小，μ为零件与吸附头之间的静摩擦系数，mpart为零件质量，α为转台角加速度，R为零件到旋转中心的距离。

式中，β为直线位移台运动加速度。

式 （1）表示吸附力大于重力。 式 （2）～式 （4）表示旋转运动时，法线方向上，吸附力大于重力在法线方向上的分力；切线方向上，吸附头与零件之间的静摩擦力大于惯性力与重力在切线上的分力。式（5）表示在直线运动时，吸附力大于轴承重力与惯性力之和。

气囊柔性夹持器主要是针对零件1极怕划伤、零件2极易变形的特点设计的，采用气囊内外胀紧的形式来柔性夹持零件，可以极大地减小零件的受力变形及破坏，保障装配零件不损坏，装配过程不卡死。其结构形式及关键零件如图7所示，由于内部压力，大变形的气囊在保持架开窗处膨胀，达到内外同时夹紧零件的效果。由于夹持零件的外形尺寸较大，为防止装配时圆周方向受力不均匀造成装配失败，故采用六维力传感器监测其装配力。闲置时，传感器保护装置可以抵消夹持器的重力，避免传感器因长期受拉状态而破坏。

以小刚度的零件2为例，仿真计算了气囊夹持器对该零件受力变形的影响。选取保持架、气囊及零件2这3个零件，采用Abaqus显示求解器分析。气囊的接触摩擦系数设为0.25，其余为0.1，工作气压为0.15MPa，保持架的材料为45钢，零2材料为铜，气囊材料为硅胶。气囊设为Mooney-Rivlin模型，参数为 c10＝ 0.46667，c01＝0.11667，d＝0.06857。此分析中的零件2不与保持架接触，即只考虑气囊对零件的影响。初始时，限制零件2上边缘沿Y方向的移动，最后去掉此约束，零件的变形如图8所示。装配特征面在XZ平面倾斜高度差为1μm，在X、Y方向变形均为1μm左右，夹持变形非常微小，不会导致装配卡死的现象。

图7 气囊夹持器极其关键零件Fig.7 Air-filled gripper and key parts

图8 零件变形结果Fig.8 Deformation results of part

4 装配工艺及实验验证

以装配零件1或零件2为例，操作工手工上料后，相关部件运动到工作区，图像采集并处理后进行视觉对位。装配过程中应用微力监测并进行微位姿自适应调整，装配完成后，使用快换夹持器临时固定本体件与装配件，之后将快换部分取走进行其他处理，最后系统回零。具体装配工艺流程如图9所示，再次安装时，只需将快换部分翻转180°安装，即可进行接下来的装配动作。

为验证装配系统的装配精度，选用直径为2.994mm、圆柱度为0.0021mm的零件3，以及直径为2.9971mm、圆柱度为0.0012mm的孔做对位装配实验，完成一次CCD同轴对位，六自由度微动平台高精度调整再到最后的精密装配运动。CCD相机采集的视觉图像如图10所示，这里轴孔直径之差为3.1μm，可以认为单边间隙不大于2μm。经实验验证，此装配系统能完成零件间2μm～3μm高精度装配。

图9 装配工艺流程Fig.9 Flow of assembly process

图10 对位图像Fig.10 Counterposition image

5 结论

本文将高精度检测技术、高精度位移技术、自适应控制技术等结合，设计了一套基于同轴对位检测技术的人机协同的高精度装配系统。并根据待装配件的形状特点和装配要求，分别设计本体件快换式夹持器、真空吸附式夹持器以及气囊柔性夹持器，能够实现零件的可靠、无损伤夹持。经仿真计算得到，气囊柔性夹持器可以极大地改善零件的夹持变形情况，保障装配过程中不出现卡死现象，提高装配质量。最后通过轴孔对位实验，证明该装配系统能完成零件间2μm～3μm高精度装配。

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