專利名稱：徑向張開裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微小零件的裝配領(lǐng)域，尤其涉及能夠把待裝配的微小零件沿徑向張開的裝置和方法，微小零件被沿徑向張開后，可以方便把其他零件嵌入其中。
背景技術(shù)：
在微裝配領(lǐng)域，有些零件的裝配有時(shí)需要沿徑向呈放射狀張開，而實(shí)現(xiàn)這一功能的相關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置則很少在資料和文獻(xiàn)中看到。發(fā)明人在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)現(xiàn)目前實(shí)現(xiàn)高精度驅(qū)動(dòng)的常用方法有壓電陶瓷技術(shù)、超磁致伸縮材料技術(shù)和熱變形技術(shù)，應(yīng)用這些技術(shù)可實(shí)現(xiàn)很高的精度，但是直接應(yīng)用這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)徑向張開驅(qū)動(dòng)，行程一般非常小，很難達(dá)到1_。另一方面，超聲波直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)已經(jīng)有了比較充分的研究，目前市場上可以很容易的買到相關(guān)產(chǎn)品，例如美國的M3-L，可以實(shí)現(xiàn)微米級的重復(fù)定位精度，單個(gè)尺寸小于IOmmX 20mmX 30mmο然而，如何利用超聲波電機(jī)來實(shí)現(xiàn)微裝配零件的徑向張開，現(xiàn)有技術(shù)卻少有研究。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，本發(fā)明提出了一種徑向張開裝置，其中以超聲波電機(jī)為單個(gè)的直線驅(qū)動(dòng)元件，多個(gè)超聲波電機(jī)呈放射狀放置，在顯微視覺的引導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)徑向張開驅(qū)動(dòng)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是能夠在較小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)沿徑向的高精度漲大驅(qū)動(dòng)動(dòng)作，行程達(dá)5mm以上，重復(fù)定位精度優(yōu)于±2微米。本發(fā)明提出的技術(shù)方案如下—種徑向張開裝置，其特征在于，包括有顯微視覺系統(tǒng)、固定座、調(diào)整模塊、超聲波電機(jī)、作用件；其中，所述固定座具有一環(huán)狀平面，用于為調(diào)整模塊提供固定支撐；所述顯微視覺系統(tǒng)，用于監(jiān)測作用件及待裝配零件的位置和姿態(tài)；所述調(diào)整模塊，用于調(diào)整固定在其上面的超聲波電機(jī)的姿態(tài)，所述調(diào)整模塊固定在所述固定座的環(huán)狀平面上，呈放射狀對稱布置；所述超聲波電機(jī)，用于執(zhí)行直線驅(qū)動(dòng)，其固定在調(diào)整模塊上，呈放射狀對稱布置，其數(shù)量與調(diào)整模塊數(shù)量相同；所述作用件，其固定在超聲波電機(jī)上，并直接作用在待裝配件上，通過所述超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)來改變作用件的位置，實(shí)現(xiàn)對待裝配件的徑向張開，其數(shù)量與超聲波電機(jī)數(shù)量相同。特別的，所述顯微視覺系統(tǒng)包括至少一套垂直于固定座平面的鏡頭和CXD。特別的，所述顯微視覺系統(tǒng)還包括多套水平布置的鏡頭和(XD。特別的，所述調(diào)整模塊通過手動(dòng)或電動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)3個(gè)自由度上的角度調(diào)整。特別的，所述作用件的一端為拉鉤狀結(jié)構(gòu)，并通過該拉鉤狀結(jié)構(gòu)將超聲波電機(jī)的直線位移作用在待裝配件上。特別的，所述作用件的一端有孔狀結(jié)構(gòu)，并通過螺釘與超聲波電機(jī)實(shí)現(xiàn)固定連接。特別的，所述徑向張開裝置還包括一控制裝置，所述控制裝置用于接收顯微視覺系統(tǒng)傳輸?shù)男盘?，并根?jù)該信號向調(diào)整模塊和/或超聲波電機(jī)發(fā)出相應(yīng)的控制命令，以控制待裝配件沿徑向遠(yuǎn)離中心的張開過程的執(zhí)行。特別的，所述徑向張開裝置還包括一三軸直線調(diào)整平臺(tái)上，所述固定座固定于所述三軸直線精密調(diào)整平臺(tái)上，通過所屬三軸直線調(diào)整平臺(tái)實(shí)現(xiàn)從X、Y、Z三個(gè)自由度上調(diào)整所述固定座的位置。特別的，所述徑向張開裝置還包括一直線調(diào)整平臺(tái)，所述鏡頭和CXD固定在所述直線調(diào)整平臺(tái)上，所述直線調(diào)整平臺(tái)用于調(diào)整鏡頭的聚焦區(qū)間。本發(fā)明的上述技術(shù)方案中的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案具有以下的積極效果I)應(yīng)用于微裝配領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)對待裝配零件沿徑向的張開驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)張開的受力點(diǎn)數(shù)是有限個(gè)，可根據(jù)微裝配的需要確定張開的受力點(diǎn)數(shù)。由于裝置中的電機(jī)、調(diào)整裝置和作用件都是可拆卸和可添加的，所以受力點(diǎn)數(shù)量可以靈活配置，使得受力均勻，避免破壞。2)由于使用微型超聲波電機(jī)做驅(qū)動(dòng)，張開裝置驅(qū)動(dòng)部分體積小。以8個(gè)受力點(diǎn)的張開裝置為例，固定座的直徑在150_以內(nèi)，可對直徑5_左右的零件進(jìn)行張開驅(qū)動(dòng)。3)張開過程電控，可實(shí)現(xiàn)過程的自動(dòng)化、智能化操作。張開過程由控制裝置驅(qū)動(dòng)，沒有人手的參與，有利于提高驅(qū)動(dòng)精度。4)張開過程的每一個(gè)動(dòng)作重復(fù)定位精度高，可達(dá)微米級別。根據(jù)選用超聲波電機(jī)的重復(fù)定位精度，張開過程中每一個(gè)脈沖的重復(fù)定位精度可達(dá)亞微米精度。5)張開過程的行程較大。根據(jù)選用的不同的超聲波電機(jī)的參數(shù)，行程可達(dá)5_，最大在10謹(jǐn)以上。由于超聲波電機(jī)的數(shù)量和姿態(tài)可調(diào)，適應(yīng)性強(qiáng)。配合不同形狀的作用件，可以對不同的張開受力點(diǎn)數(shù)量和受力情況的微小零件進(jìn)行張開操作。


圖1為不含控制系統(tǒng)的徑向張開裝置結(jié)構(gòu)圖；圖2為不含控制系統(tǒng)的徑向張開裝置的爆炸圖；圖3為鏡頭和CXD固定在調(diào)整平臺(tái)上的示意圖；圖4為固定座固定在調(diào)整平臺(tái)上的示意圖；圖5為張開裝置在微裝配中的應(yīng)用示意圖；圖6為拉鉤形式的作用件示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。附圖中附圖標(biāo)記的含義如下1-固定座1.1-固定座環(huán)狀板的對稱軸1. 2-固定座環(huán)狀板所在平面1. 3-調(diào)整模塊在固定座上的固定平面1. 4-固定座環(huán)狀板的中心空間
2-顯微視覺系統(tǒng)2.1-垂向布置的鏡頭和CXD2.1.1-鏡頭的光軸2. 2-水平布置的鏡頭和CXD2. 2.1-鏡頭2.2.2-CCD3-作用件3.1-鉤狀作用件的鉤子部分3. 2-作用件的開孔，方便往超聲波電機(jī)上固定4-調(diào)整模塊5-超聲波電機(jī)6-三軸調(diào)整位移平臺(tái)7-連接板8-硅片夾持器9-硅片9.1-硅片上的爪狀凸起圖1是徑向張開裝置的示意圖。如圖1所示，本發(fā)明的徑向張開裝置包括固定座1、顯微視覺系統(tǒng)2、調(diào)整模塊4、超聲波電機(jī)5、作用件3。進(jìn)一步的，本發(fā)明的徑向展開裝置還可以包括一控制裝置(圖中未示出)。圖2是徑向展開裝置的爆炸示意圖。如圖2所示，所述固定座I具有一環(huán)狀平面1.3，為調(diào)整模塊4提供固定支撐；所述顯微視覺系統(tǒng)2，用于監(jiān)測作用件及待裝配零件的位置和姿態(tài)；所述調(diào)整模塊4，用于調(diào)整固定在其上面的超聲波電機(jī)5的姿態(tài)，其固定在固定座環(huán)狀平面1. 3上，呈放射狀對稱布置，其數(shù)量根據(jù)具體的裝配需要可以是任意數(shù)值；所述超聲波電機(jī)5，用于執(zhí)行直線驅(qū)動(dòng)，其固定在調(diào)整模塊4上，呈放射狀對稱布置，其數(shù)量與調(diào)整模塊數(shù)量相同；所述作用件3，其固定在超聲波電機(jī)5上，并直接作用在待裝配件9上，通過超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)來改變作用件的位置，實(shí)現(xiàn)對待裝配件9的徑向張開，其數(shù)量與超聲波電機(jī)數(shù)量相同。進(jìn)一步的，所述控制裝置，用于實(shí)時(shí)接收顯微視覺系統(tǒng)反饋來的信號，向調(diào)整模塊4和/或超聲波電機(jī)5發(fā)出相應(yīng)的控制命令，控制待裝配件沿徑向遠(yuǎn)離中心的張開過程的執(zhí)行。通常應(yīng)先調(diào)整作用件的姿態(tài)，然后再調(diào)整位置。具體的，所述控制裝置接收顯微視覺系統(tǒng)反饋的圖像信號并進(jìn)行處理，獲得待裝配零件及作用件的實(shí)際姿態(tài)，然后根據(jù)待裝配零件的實(shí)際姿態(tài)來確定作用件的目標(biāo)姿態(tài)，接著根據(jù)作用件的實(shí)際姿態(tài)以及目標(biāo)姿態(tài)生成控制調(diào)整模塊的控制命令并發(fā)送至調(diào)整模塊處執(zhí)行。作為對姿態(tài)調(diào)整的示意性的說明，以圖5為例，其中的拉鉤3有兩個(gè)鉤狀的末端3.1，超聲波電機(jī)拖動(dòng)拉鉤3沿徑向移動(dòng)，若由于加工等因素的影響使超聲波電機(jī)移動(dòng)的方向與理想的方向有了一個(gè)微小的夾角，該夾角會(huì)使3.1的兩個(gè)小鉤不能同時(shí)接觸到硅片，在超聲波電機(jī)產(chǎn)生了一定的位移量后，可能導(dǎo)致一個(gè)小鉤作用的硅片凸起張開量過大而另一個(gè)一個(gè)小鉤作用的硅片凸起張開量不足。此時(shí)就是作用件的實(shí)際姿態(tài)偏離了其目標(biāo)姿態(tài)，需要作用件沿某一軸做轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整。調(diào)整模塊4可以提供沿三個(gè)正交方向的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整，作用件需要的沿任何軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整都可以通過調(diào)整模塊4來實(shí)現(xiàn)。顯微視覺系統(tǒng)在實(shí)時(shí)的監(jiān)測著作用件與硅片的狀態(tài)，若出現(xiàn)了上面的情況相應(yīng)的圖像就會(huì)被顯微視覺系統(tǒng)反饋給控制系統(tǒng)，經(jīng)過計(jì)算分析，控制系統(tǒng)會(huì)把相應(yīng)的調(diào)整指令發(fā)送到調(diào)整模塊，驅(qū)動(dòng)調(diào)整模塊做出轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整。進(jìn)一步的，所述控制裝置還接收顯微視覺系統(tǒng)反饋的圖像信號并進(jìn)行處理，以獲得作用件的實(shí)際位置，根據(jù)作用件的實(shí)際位置以及目標(biāo)位置來生成控制超聲波電機(jī)位移的控制命令并發(fā)送至超聲波電機(jī)處執(zhí)行位移調(diào)整。特別的，所述顯微視覺系統(tǒng)2可以是一套鏡頭和CXD(如圖1所示)也可以是多套鏡頭和CXD(如圖2所示)。至少有一套鏡頭和CXD垂直于固定座平面1. 2布置，以俯視待裝配的零件，鏡頭的光軸2.1.1與固定座圓環(huán)部分的軸1.1重合。水平布置的鏡頭和CXD可以有一套或多套，用來從一個(gè)或多個(gè)角度監(jiān)測待裝配件之間及作用件與裝配件之間(圖5中3.1與9.1之間)的接觸情況。進(jìn)一步的，如圖3所示，鏡頭和C⑶可以固定在一高精度直線調(diào)整平臺(tái)上，該調(diào)整平臺(tái)用于精確的調(diào)整鏡頭的聚焦區(qū)間。圖4為固定座固定在調(diào)整平臺(tái)上的示意圖。如圖4所示，本發(fā)明中的固定座I固定在一個(gè)三軸直線精密調(diào)整平臺(tái)上，所述三軸直線精密調(diào)整平臺(tái)可以從X、Y、Z三個(gè)自由度上調(diào)整固定座的位置。所述固定座有一個(gè)圓環(huán)狀的薄板結(jié)構(gòu)1. 3，調(diào)整模塊4被固定在薄板1.3上；圓環(huán)的中心空間1. 4(如圖4所示)用來放置待裝配件，同時(shí)也方便從上、下兩個(gè)方向上監(jiān)測裝配過程。特別的，本發(fā)明中的調(diào)整模塊4可在多個(gè)自由度上進(jìn)行角度調(diào)整，用來調(diào)整固定在其上面的超聲波電機(jī)5的姿態(tài)，優(yōu)選是X、Y、Z三個(gè)自由度。調(diào)整模塊4與超聲波電機(jī)5之間具有連接板7，并通過螺釘把超聲波電機(jī)與調(diào)整模塊固定在一起。調(diào)整模塊可以是手動(dòng)調(diào)整，也可以是電動(dòng)調(diào)整，電動(dòng)的調(diào)整模塊能接受控制裝置的信號，并按控制信號自動(dòng)進(jìn)行角度調(diào)整。所有調(diào)整模塊以固定座的對稱軸1.1為中心均勻布置，呈放射狀。調(diào)整模塊的布置要保證所有固定在其上的超聲波電機(jī)的位移方向5.1與固定座對稱軸1.1相交。調(diào)整模塊的數(shù)量與超聲波電機(jī)的數(shù)量是相同的，數(shù)量的多少根據(jù)具體的裝配需要確定。 需進(jìn)一步說明，本發(fā)明中的超聲波電機(jī)5是執(zhí)行驅(qū)動(dòng)的元件，它有體積小、重復(fù)定位精度高、行程較大的特點(diǎn)。超聲波電機(jī)是直線位移型電機(jī)，選用市場上成熟的產(chǎn)品，電機(jī)的行程、重復(fù)定位精度、載荷等參數(shù)根據(jù)具體微裝配的需要確定。作用件3直接固定在超聲波電機(jī)5上，用于將超聲波電機(jī)的直線位移量作用在待裝配的零件9上，使得待裝配件或待裝配零件的一部分沿徑向遠(yuǎn)離中心的方向張開。其中固定方式可以有多種，例如通過螺釘固定。本發(fā)明中的控制裝置可以由硬件部分和軟件部分組成，硬件部分可以是工控機(jī)、嵌入式硬件系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)等。軟件部分集成了常規(guī)的圖像處理算法和控制指令系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對接收到的顯微視覺系統(tǒng)反饋的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理和數(shù)據(jù)分析，以及時(shí)了解待裝配件的實(shí)際位移情況，并根據(jù)這些反饋信號以及目標(biāo)位置來向超聲波電機(jī)發(fā)出控制指令。當(dāng)調(diào)整模塊是電動(dòng)模塊時(shí)，也接受控制系統(tǒng)的控制指令來進(jìn)行角度調(diào)整。圖5為應(yīng)用本發(fā)明裝置張開硅片的示意圖。某大型激光驅(qū)動(dòng)打靶裝置的靶是個(gè)微裝配件，在裝配過程中需要把零件鋁筒裝到零件硅片里面。硅片只有O. 4_厚，由單晶硅加工而成，由于單晶硅是一種易碎的材料，在裝配過程中需要先把硅片上均勻分布的16個(gè)小凸起9.1沿徑向向遠(yuǎn)離軸心方向張開約30微米，然后才能把鋁筒的頸部插入到硅片中間的圓環(huán)里，再松開硅片的16個(gè)凸起，硅片的16個(gè)凸起緊緊夾住鋁筒的頸部，完成裝配。在本實(shí)施例中，徑向張開裝置的作用件的一端有2個(gè)小鉤3. 1，每個(gè)小鉤分別鉤住娃片的一個(gè)凸起9.1的中部,超聲波電機(jī)拖動(dòng)作用件把娃片的凸起沿徑向張開。娃片的16個(gè)凸起9.1對應(yīng)著8個(gè)作用件3、8個(gè)超聲波電機(jī)5、8個(gè)三自由度角度調(diào)整模塊4。娃片夾持器是基于真空吸附原理的夾持器,娃片9通過娃片夾持器固定在多自由度調(diào)整平臺(tái)6上，多自由度調(diào)整平臺(tái)完成對硅片位置的精確調(diào)整。圖6是具體為拉鉤形式作用件的示意圖。如圖6所示，作用件3 —端有孔狀結(jié)構(gòu)
3.2，方便通過螺釘固定在超聲波電機(jī)5上；另一端是2個(gè)小鉤狀的結(jié)構(gòu)3.1。作用件端部小鉤的數(shù)量不局限于2個(gè)，根據(jù)徑向張開的原理，可以是I個(gè)，也可以是3個(gè)、4個(gè)，或任意多個(gè)，張開裝置對應(yīng)的作用件數(shù)量也做相應(yīng)變化。需說明的是，作用件端部小鉤的形狀不局限于圖6所示形狀結(jié)構(gòu)3. 1，其他能實(shí)現(xiàn)把超聲波電機(jī)的拖拽施加給硅片凸起9.1的結(jié)構(gòu)都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種徑向張開裝置，其特征在于，包括有顯微視覺系統(tǒng)、固定座、調(diào)整模塊、超聲波電機(jī)、作用件；其中， 所述固定座具有一環(huán)狀平面，用于為調(diào)整模塊提供固定支撐；所述顯微視覺系統(tǒng)，用于監(jiān)測作用件及待裝配零件的位置和姿態(tài)；所述調(diào)整模塊，用于調(diào)整固定在其上面的超聲波電機(jī)的姿態(tài)，所述調(diào)整模塊固定在所述固定座的環(huán)狀平面上，呈放射狀對稱布置；所述超聲波電機(jī)，用于執(zhí)行直線驅(qū)動(dòng)，其固定在調(diào)整模塊上，呈放射狀對稱布置，其數(shù)量與調(diào)整模塊數(shù)量相同；所述作用件，其固定在超聲波電機(jī)上，并直接作用在待裝配件上，通過所述超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)來改變作用件的位置，實(shí)現(xiàn)對待裝配件的徑向張開，其數(shù)量與超聲波電機(jī)數(shù)量相同。
2.如權(quán)利要求1所述的徑向張開裝置，其特征在于，所述顯微視覺系統(tǒng)包括至少一套垂直于固定座平面的鏡頭和(XD。
3.如權(quán)利要求2所述的徑向張開裝置，其特征在于，所述顯微視覺系統(tǒng)還包括多套水平布置的鏡頭和CXD。
4.如權(quán)利要求1所述的徑向張開裝置，其特征在于，所述調(diào)整模塊通過手動(dòng)或電動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)3個(gè)自由度上的角度調(diào)整。
5.如權(quán)利要求1所述的徑向張開裝置，其特征在于，所述作用件的一端為拉鉤狀結(jié)構(gòu)，并通過該拉鉤狀結(jié)構(gòu)將超聲波電機(jī)的直線位移作用在待裝配件上。
6.如權(quán)利要求1所述的徑向張開裝置，其特征在于，所述作用件的一端有孔狀結(jié)構(gòu)，并通過螺釘與超聲波電機(jī)實(shí)現(xiàn)固定連接。
7.如權(quán)利要求1所述的徑向張開裝置，其特征在于，還包括一控制裝置，所述控制裝置用于接收顯微視覺系統(tǒng)傳輸?shù)男盘?，并根?jù)該信號向調(diào)整模塊和/或超聲波電機(jī)發(fā)出相應(yīng)的控制命令，以控制待裝配件沿徑向遠(yuǎn)離中心的張開過程的執(zhí)行。
8.如權(quán)利要求1所述的徑向張開裝置，其特征在于，所述裝置還包括一三軸直線調(diào)整平臺(tái)上，所述固定座固定于所述三軸直線精密調(diào)整平臺(tái)上，通過所屬三軸直線調(diào)整平臺(tái)實(shí)現(xiàn)從X、Y、Z三個(gè)自由度上調(diào)整所述固定座的位置。
9.如權(quán)利要 求2或3所述的徑向張開裝置，其特征在于，所述裝置還包括一直線調(diào)整平臺(tái)，所述鏡頭和CXD固定在所述直線調(diào)整平臺(tái)上，所述直線調(diào)整平臺(tái)用于調(diào)整鏡頭的聚焦區(qū)間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種徑向張開裝置，包括顯微視覺系統(tǒng)、固定座、調(diào)整模塊、超聲波電機(jī)、作用件；所述固定座具有一環(huán)狀平面，為調(diào)整模塊提供固定支撐；所述顯微視覺系統(tǒng)，用于監(jiān)測作用件及待裝配零件的位置和姿態(tài)；所述調(diào)整模塊，用于調(diào)整固定在其上面的超聲波電機(jī)的姿態(tài)；所述超聲波電機(jī)，用于執(zhí)行直線驅(qū)動(dòng)，其固定在調(diào)整模塊上；所述作用件，其固定在超聲波電機(jī)上，并直接作用在待裝配件上，通過所述超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)來改變作用件與待裝配件之間的位置，實(shí)現(xiàn)對待裝配件的徑向張開。本發(fā)明裝置能夠提供沿徑向呈放射狀的張開驅(qū)動(dòng)，行程可達(dá)5mm以上，重復(fù)精度可達(dá)亞微米級，另外本發(fā)明裝置還有占用空間小的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號B23P19/00GK103071992SQ201210592978
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者李海鵬, 徐德, 吳保林 申請人:中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所