王曉東,張志勇

(大連理工大學 機械工程學院,遼寧 大連116024)

0 引言

微小裝配有以下一些特點:首先,裝配對象主要為具有中間/宏尺度的外形尺寸和微尺度關鍵結構的跨尺度零件,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)較多且裝配工藝復雜,涉及組件分裝、總裝、點膠、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)的復雜性,極大增加了微小裝配自動化設備的研發(fā)難度,使得設備的研發(fā)往往只能針對特定的裝配任務或需求。此外,同一類型的微小器件往往具有多種不同的型號,且產(chǎn)品伴隨著不斷地改進和不同的生產(chǎn)批量。這種多品種、變批次的生產(chǎn)模式要求微小自動化裝配設備能夠靈活地應對多樣化的裝配任務。針對特定裝配任務或需求研發(fā)的專用設備往往升級改造困難,難以對產(chǎn)品的快速變化做出調(diào)整。對于裝配環(huán)節(jié)較多且小批量生產(chǎn)的微小器件而言,設備功能單一在一定程度上降低了器件整體裝配效率。為了能夠適應微小器件柔性化制造趨勢,微小裝配設備也需要具備一定的柔性,以靈活應對裝配需求的改變。對此,本文主要介紹和分析了提高微小裝配設備柔性化的相關技術,包括模塊化和微小零件操作工具的自動換接,并在此基礎上,介紹作者研制的柔性微小裝配設備的系統(tǒng)架構,旨在為柔性微小裝配設備的研發(fā)提供一定的參考。

微小裝配技術研究和開發(fā),主要面向和服務于中、小型精密制造企業(yè)。企業(yè)的經(jīng)營者面對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)的柔性化技術水平,對于大幅度減少和降低系統(tǒng)集成所需要的時間和費用,不斷適應市場變化所帶來的壓力具有重要的意義和實際應用價值。

1 提升微小裝配柔性化的技術和方法

微小裝配系統(tǒng)的柔性是指系統(tǒng)響應裝配任務或需求改變的一種能力。柔性化對于縮短設備研制周期、提升微小器件裝配效率以及滿足不同微小光機電器件或產(chǎn)品的制造需求尤為關鍵。對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換接是兩種重要的技術和方法。

1.1 模塊化

對于微小裝配系統(tǒng)等制造裝備而言,模塊化是一種重要的設計理念和方法。模塊化的概念可以通過將整個系統(tǒng)劃分為子單元的形式來實現(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)可以把實現(xiàn)系統(tǒng)的可重構作為目標之一,利用模塊化的優(yōu)勢,通過模塊的重新配置,以更高效的方式應對產(chǎn)品或需求的改變,從而達到縮短開發(fā)周期、降低成本的目的。因此,設備模塊化方法將是微小裝配系統(tǒng)應對不斷變化的復雜、精密、微小器件或產(chǎn)品制造的一種有效手段。

對于裝配系統(tǒng)設計,模塊化也是一個重要的特征[1],相關的模塊化研究主要集中在兩個方面:模塊劃分方法和模塊化體系結構。在模塊劃分方法方面,北京理工大學[2]提出了一種基于模糊聚類與模糊評價方法的可重配置微裝配系統(tǒng)模塊化設計方法,通過在微裝配系統(tǒng)概念設計階段對各種設計變量及約束的量化,并用相關矩陣的形式表達系統(tǒng)中各組件在設計需求影響下的關系,降低主觀因素對設計結果的影響,增加設計結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],并對基本功能模塊進行了劃分,通過遺傳算法對裝配單元的關鍵模塊尺寸進行優(yōu)化,得到智能裝配系統(tǒng)關鍵模塊的最佳尺寸。

相比于模塊劃分方法方面的研究,更多的研發(fā)人員關注設備模塊化體系結構的設計。為了縮短開發(fā)時間、提高微型工廠的可重構性,土耳其薩班哲大學工程與自然科學學院(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械工程實驗室(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)來實現(xiàn),通過POMs相互級聯(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POM)處于模塊化的第一層,工廠可選擇的布局中每個矩形代表一個POM,工廠的布局可根據(jù)生產(chǎn)工藝流程和建立整個生產(chǎn)鏈所需POM的數(shù)量進行調(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)部組件的模塊化結構設計,每個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。第二層組件結構的模塊化為第一層模塊的重新配置并快速構建用于生產(chǎn)特定產(chǎn)品的工廠布局提供了可能。

目前我國學者著力探究大學生不合理信念與學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。但是針對不合理信念在學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科，在提升人才培養(yǎng)質量方面表現(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)邦理工學院(EPEL)可重構機器人實驗室[5]構建了基于模塊化的可重構微型工廠,以靈活應對高度變化的生產(chǎn)需求。提出的模塊化設計金字塔包含了機械結構、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計金字塔形成單個獨立可控的功能單元,即每個功能單元均具有獨立的機械結構、電氣接口和軟件控制。根據(jù)生產(chǎn)任務需要,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)可重構能力。此外,針對潔凈室環(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))進行結合?！靶湔涔S”由稱之為微型箱的模塊化站組成,每個微型箱都包含一個小型機器人,用于組件的裝配與傳輸任務[6]。

圖2 EPEL可重構微型工廠的模塊化設計[5]Fig.2 Modular design of reconfigurable microfactory developed by EPEL[5]

為使裝配場景能夠適應生產(chǎn)過程中微觀對象行為的改變,需要綜合考慮微觀世界中的技術和物理約束,由功能分析和任務序列定義組成的“自頂向下”的經(jīng)典設計方法不足以構建可靠的微制造系統(tǒng)[7]。對此,法國勃艮第-弗朗什孔泰大學FEMTO-ST研究所提出了“自頂向下”與“自下而上”相結合的方法來構建微制造系統(tǒng)的模塊化設計方法,如圖3所示?！白韵露稀钡姆椒ǘx并描述了包含技術約束的四個基本模塊:微執(zhí)行器(Ai)、控制率(Lj)、末端效應器(Ek)及微傳感器(Sl),該方法考慮了微組件的特殊性,可對微組件不同的功能屬性進行建模?！白皂斚蛳隆钡姆椒ò逊纸獾拿總€動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行構建。此外,FEMTO-ST研究所開發(fā)了具有2-DOF“TRING模塊”的粘滑微型機器人,基于微型機器人的模塊化及相似性,通過對“TRING模塊”進行不同的組合配置可實現(xiàn)微型工廠的快速重構[8]。

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

旨在面向各種不同種類精密產(chǎn)品的自動化組裝,美國卡內(nèi)基梅隆大學機器人研究所[9-11]提出了敏捷裝配系統(tǒng)的架構(Agile Assembly Architecture,AAA),以減少裝配系統(tǒng)設計、配置所需時間,縮短產(chǎn)品交付周期,提升產(chǎn)品裝配質量。如圖4所示,方案設計階段通過網(wǎng)絡可對模塊組件進行遠程訪問。該架構支持快速創(chuàng)建由一系列小型模塊化機器人組件構成的微型工廠。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、高級網(wǎng)絡通信協(xié)議和圖形編程工具等為調(diào)試、運行及監(jiān)督基于敏捷裝配架構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)或設備,在實際應用中往往并不可行,主要原因是由于裝配對象的差異所引起的局限困難。大連理工大學針對某一類微小器件的精密裝配,建立了相適應的微小器件裝配系統(tǒng)的模塊化體系結構,具體由模塊化的硬件和相適應的模塊化軟件構成,并研制了多臺套由功能模塊組成的精密微小裝配設備[12-14],其系統(tǒng)組成如圖5所示。核心模塊是裝配設備的基本組成模塊,實現(xiàn)裝配設備必須具備的功能,并能夠滿足大多數(shù)裝配作業(yè)任務的需求。核心模塊可根據(jù)需要進行重復配置,并根據(jù)其它功能需要增加輔助模塊,如圖6中所示設備,由于零件的側面特征需要進行對準定位,研制的設備中增加了輔助測量模塊,輔助模塊由水平放置的機器視覺裝置構成。

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)

基于模塊化體系結構,避免了自動裝配設備研制中主要技術的重復研發(fā),使研制工作重點能夠聚焦于具體零件的操作和具體的裝配作業(yè)任務,而裝配作業(yè)空間、測量范圍、裝配或測量精度要求等的變化,則可通過相應功能模塊的更換來滿足要求,因此能夠大幅度縮短設備的研制周期。圖7為微小裝配系統(tǒng)采用的控制軟件架構,包含任務層、策略層及行為層,基于面向對象的聚集關系構造任務層和策略層中的主要對象,增強了裝配軟件的復用性。

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

為了快速、輕松地配置自動化系統(tǒng),實現(xiàn)對已開發(fā)的硬件及流程相關代碼的復用,德國Fraunhofer IPT研究所設計了一種軟件系統(tǒng)架構[15],該架構將硬件控制與過程描述分離,即硬件與過程描述相互獨立,如圖8所示。通過采用面向對象的編程語言,硬件描述封裝了可用硬件的所有屬性和功能,過程描述對特定的流程進行分類和封裝,框架組織則通過一定的邏輯實現(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象組織在一個分層的樹狀結構中,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,操作員可以簡單地選擇和連接所需的模塊,并根據(jù)需要配置硬件的設置。

圖8 Fraunhofer IPT軟件系統(tǒng)架構設計[15]Fig.8 Software architecture design developed by Fraunhofer IPT[15]

為提高模塊化自動裝配系統(tǒng)的編程效率,北京理工大學提出一種基于任務學習的技能編程框架[16]。該框架將模塊化系統(tǒng)的裝配技能(如抓取、對準、插入等)使用裝配運動原語(Assembly Motion Primitives,AMP)來表征,AMP是系統(tǒng)多個模塊裝配動作序列的基本構成元素。裝配任務分層表示為技能層、模塊層及動作層,每個裝配技能由一組AMPs構成。裝配技能的運動序列通過演示數(shù)據(jù)進行建模,基于隱馬爾科夫模型的裝配運動序列學習方法及最大概率法生成最優(yōu)AMP序列,每個AMP以指令的形式進行快速編程完成裝配任務。

綜上所述,模塊化是實現(xiàn)系統(tǒng)重構、提升系統(tǒng)柔性不可或缺的一種設計理念和方法。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,同時模塊也存在不同的劃分方法?；谀K化裝配系統(tǒng)的體系結構為微小裝配系統(tǒng)實現(xiàn)可重構及靈活應對多樣化的裝配任務奠定了基礎。

1.2 微小零件操作工具的自動換接

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。與加工中心自動換刀的功能相類似,當進行多個不同微小零件組裝作業(yè)時,工具的換接能夠解決單個微型夾鉗無法操作所有零件的問題。通過設計可換接的末端結構和相應的工具庫,可實現(xiàn)在同一臺設備上同時組裝多種不同的零、組件。此外,通過更換拾取末端,使微小裝配系統(tǒng)能夠適應待組裝零件的變化,提升系統(tǒng)的柔性。因此,工具換接技術也是微小裝配系統(tǒng)柔性化的關鍵技術之一。

要實現(xiàn)經(jīng)濟高效、可靠精確的微操作,對微觀粘附力的控制和通用自動化的操作技術是需要研究的兩個關鍵問題[17]。對此,德國Fraunhofer IPT研究所在對微裝配中粘附力控制問題深入研究的基礎上,相繼研發(fā)了可用于自動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、可擴展的定位系統(tǒng),利用定位系統(tǒng)多個運動自由度,機械夾鉗“Endogrip 3”可在工具庫中自動更換不同手爪(鑷子),以滿足多種裝配任務需求。此外,工具換接站通過集成多種類型傳感器來實現(xiàn)對微裝配過程的可靠控制,如用于監(jiān)測裝配過程的視覺傳感器(內(nèi)窺鏡)、測量夾鉗夾持力的微力傳感器(應變計)、以及集成于夾鉗和工具庫內(nèi)部的各種開關信號等。

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]

為實現(xiàn)對不同大小微球類零件的操作,德國布倫瑞克工業(yè)大學機床與制造技術研究所研發(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電極,微夾鉗電極利用電場的邊緣效應產(chǎn)生的靜電力實現(xiàn)對微球的拾取,拾取過程中微球能夠自動定心,實驗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。由這些微夾鉗構成的工具庫,通過設計換接裝置,利用連接結構和觸點實現(xiàn)機械和電氣連接,能夠實現(xiàn)對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)大學機床與制造技術研究所設計了一種應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器人(名為Parvus)靈活地完成多項微裝配任務[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驅動,通過高分力及高重復定位的旋轉運動與Parvus交互進行工具換接,工具固定架可同時容納6個夾鉗。Parvus機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Parvus機械手末端向下運動至一定位置,然后斷開真空力,彈簧復位并推動滑環(huán)下移使球處于鎖緊位置,工具沿Parvus機械手末端的轉動自由度則通過扭矩連接器與工具上方結構配合進行約束。

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,法國勃艮第-弗朗什孔泰大學FEMTO-ST研究所基于熱熔膠原理開發(fā)了一套工具自動換接系統(tǒng)[20]。通過對熱熔膠的熱效應建模,實現(xiàn)了對熱熔膠的液相與固相的準確控制。如圖12(a)所示,不同形式的工具對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。通過自動更換微夾鉗尖端部分即實現(xiàn)了作業(yè)工具的更換,這為整個裝配系統(tǒng)帶來了靈活性。

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

如圖13所示,大連理工大學[21]研發(fā)了一種可換接式夾鉗模塊,由作業(yè)機械臂及工具庫兩部分組成,機械臂與微型夾鉗的連接與斷開通過機械臂上的末端換接結構實現(xiàn),并同時實現(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行設計。

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,使微小裝配系統(tǒng)成為柔性化設備,當裝配任務改變時,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。

進行多零件組裝作業(yè)時,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)柔性的同時也必然會損失一定的裝配效率,因而針對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的需求,微小零件操作工具及相應的換接技術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

模塊化和微小零件操作工具的自動換接是柔性微小裝配系統(tǒng)的關鍵技術,功能模塊的重新配置、擴展或集成和微小零件操作工具的換接技術顯著提升了微小裝配設備的柔性。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,如圖14所示,由基礎模塊和附加模塊兩部分組成,基礎模塊用于滿足某一類微小零件的基本功能需求,附加模塊則在基礎模塊的框架下進行重新配置、擴展或集成,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Fig.14 Overall architecture of flexible assembly system for micro/small parts

基于機器視覺的精密測量模塊主要完成微小零件的位姿測量任務,此模塊主要由顯微機器視覺裝置和精密位移滑臺組成。顯微機器視覺裝置和高重復定位精度的精密位移平臺,解決了高分辨力顯微機器視覺視場狹小與工作空間較大的矛盾。顯微機器視覺測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、跨尺度的測量需求[22-24]。裝配作業(yè)模塊主要用于實現(xiàn)微小型零件的操作,集成微小零件操作工具的換接結構,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、檢測接觸力大小的負荷傳感器等。作業(yè)工作臺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。附加模塊則在基礎模塊的框架下,通過系統(tǒng)內(nèi)部集成的方式實現(xiàn)微小裝配系統(tǒng)的多功能化。

由功能需求劃分的基礎模塊與附加模塊具有功能的相互獨立性,各功能模塊具有獨立的機械結構、電氣接口和軟件控制,每個模塊能夠執(zhí)行特定的任務,滿足特定功能需求(如位姿測量,零件夾持、位姿調(diào)整等)。其中,基礎模塊具備功能完整性,因而具有一定的通用性,具體體現(xiàn)在基礎模塊的組成及結構具有共性部分。對于外形、結構等相類似的微小零件的裝配任務,根據(jù)基礎模塊中各功能模塊的組成框架,通過模塊的復用或重新配置不同系統(tǒng)布局來快速搭建精密微小自動裝配設備,快速形成裝配生產(chǎn)能力。附加模塊則在基礎模塊框架內(nèi),根據(jù)實際任務的需要進行配置組合,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,大連理工大學研制了兩種微小裝配系統(tǒng)的構型。系統(tǒng)構型Ⅰ,如圖15(a)所示,此構型主要特點是微小零件的“夾持”與位姿測量分離,基于機器視覺的精密測量模塊和裝配作業(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)工作臺模塊等。為實現(xiàn)微小零件的精密聯(lián)接任務,將研發(fā)微小螺紋副裝配模塊集成于精密測量模塊一側,實現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)部功能集成。該構型集成度較高,可一次性完成整個某類型微小器件多個零件的自動裝配任務。圖15(b)為此構型微小裝配設備的實物照片,該設備已成功應用于自動化生產(chǎn)線,用于某型號微小器件的批量化制造。

圖15 系統(tǒng)構型ⅠFig.15 System structureⅠ

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

圖16 系統(tǒng)構型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)的設計和研制為基礎,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現(xiàn)系統(tǒng)的重構,從而以更高效的方式比較靈活地應對產(chǎn)品或需求的變化,縮短設備開發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本。對于總體架構中的基礎模塊,裝配作業(yè)模塊的工具庫能夠進行擴展,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)整適應裝配任務或需求的改變。對于總體架構的附加模塊,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現(xiàn)系統(tǒng)的重新配置,以滿足多樣化的裝配任務及需求,實現(xiàn)系統(tǒng)的多功能化。

對應于模塊化硬件,模塊化軟件采用分層架構,基于面向對象的編程語言,通過對系統(tǒng)硬件自帶的底層控制函數(shù)進行封裝,形成參數(shù)化的模塊控制類函數(shù),如運動控制類、氣動控制類、微力采集類等。通過對模塊控制類函數(shù)進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)可以設計和實現(xiàn)不同的裝配流程。當模塊化微小器件裝配系統(tǒng)的硬件升級或改變時,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,節(jié)省了軟件更新所需的時間,減輕了軟件開發(fā)的工作量。

3 結論

本文對提升微小裝配系統(tǒng)柔性化的主要技術和方法,即模塊化和微小零件操作工具的自動換接,進行介紹和分析,并對研究進展及主要成果進行了歸納與總結。在此基礎上,面向一類微小器件的精密裝配,闡述了柔性微小裝配設備的系統(tǒng)架構,并基于所提架構,簡要介紹了研發(fā)的兩種微小裝配系統(tǒng)構型和設備。微小裝配設備基于模塊化體系結構,通過對功能模塊的重新配置、擴展或有效集成實現(xiàn)系統(tǒng)的多功能化,以滿足一類微小器件裝配任務或需求。

基于模塊化和微小零件操作工具的自動換接,設計合理的裝配系統(tǒng)體系結構,是實現(xiàn)微小裝配設備柔性化的有效技術途徑。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,相關的理論方法和應用研究還不充分。Cecil J等在其綜述性論文中對未來研究方向進行了展望,指出隨著各種不同器件裝配應用需求的增加,模塊化設計和基于模塊化體系結構的系統(tǒng)將發(fā)揮更加重要的作用[25]。

目前,國內(nèi)外研制開發(fā)的精密微小裝配設備,大多數(shù)都是定制設備,功能相對單一,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、結構等相類似,而不是面向所有器件,采用柔性化的技術方法研制微小裝配設備,將有效縮短裝備開發(fā)周期、降低成本,并大幅延長設備的生命周期。