CN102744590A - 适用于微米级微管和微孔的装配点胶装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于对微管零件的微管和微孔零件的微孔进行装配和点胶的装配点胶装置，包括：夹持定位系统，其用于夹持和定位所述微管零件、微孔零件和点胶针头；显微检测系统，其用于对工作区域进行图像摄取和放大，并将所摄取图像的图像信号传送给控制主机。显微检测系统包括多个显微镜组件，各个显微镜组件的放大倍数和视场景深相互不同。夹持定位系统包括微管零件夹持定位组件、微孔零件夹持定位组件和点胶针头夹持定位组件，其分别用于夹持和定位所述微管零件、微孔零件和点胶针头。本发明将显微视觉检测、微装配和微点胶技术结合起来的完整的、具有通用性和实用性的装配点胶装置，可方便高效的实现人机协同的微米级微管与微孔零件装配和点胶作业。
Description
技术领域
本发明属于微装配和微点胶技术领域，具体地说是一种能对微米级尺寸的微管和微孔进行装配和点胶作业的装配点胶装置。本发明可用于MEMS制造中微米级尺寸微管和微孔的装配和点胶。
背景技术
微管零件上的微米级微管末端插入微孔零件上的微米级微孔内，并在其联接处点胶实现结构的联接和密封，是MEMS系统制造过程中经常遇到的装配问题。随着微加工技术的发展，微管与微孔的尺寸和点胶量也越来越小，极大的增加了装配和点胶的难度。
华中科技大学的申请号为01252465.4的专利申请设计了一种微装配机器人系统，其由系统控制主机、微操作机械手、真空微夹、带有摄像头的显微镜构成，可对亚毫米级微粒物体进行自动和半自动操作和装配作业，其定位精度可达到1-5μm(微米，10-6米)，三维空间的运动范围可达到50-150mm，具有一定应用前景。但是，系统只能对亚毫米的微粒物体进行操作，对于10微米级尺寸的零件无能为力。另外，系统中没有集成点胶功能，应用范围受到了限制。
大连理工大学搭建的微型步进电机胶粘接机器人系统，包括3个运动自由度，由3个精密直线导轨构成，在机器人的末端集成了微型夹钳、金属毛细管点胶系统的贮胶管、CCD摄像头、两个柔性导光管。两个柔性导光管可以输出紫外光或可见光用于单组分胶的固化或触发。机器人具有胶滴点样、紫外光或可见光照射进行光硬化或光触发、微型零件的抓取和放置等功能，能够完成自动微装配和点胶作业。该设计新颖、巧妙，但是仍然受限于装配零件的尺寸。同时可实现的点胶量也太大，不能满足微米级零件装配时的胶量要求。
法国FEMTO-ST研究中心搭建的微小零件操作系统，包括2个商业金相显微镜、1个XY运动平台、1个Z轴运动平台和1个微小零件夹持机械手，虽然实现了40微米级薄片零件的拾取和放置操作，但是操作空间太小，不能实现长径比比较大的微管与微孔之间的装配，该平台也没有集成点胶功能。
总之，在现有的技术中，虽然对微小零件的装配和点胶研究工作取得了一些进展，但是还存在如下问题：1)装配零件的尺寸大，通常是毫米或者亚毫米级，不能满足微米级尺寸零件的装配；2)点胶量太大，最小点胶量为nL(纳升，10-9升)级，不能满足微米级零件pL(皮升，10-12升)级点胶的要求；3)装配时视觉检测精度和装配零件的定位精度低，不能满足微米级零件特征的亚微米级定位要求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明所要解决的技术问题是种能够克服现有技术的不足，提供一种满足几微米到几百微米级尺寸的微管和微孔零件进行装配和点胶作业的装置。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明公开了一种装配点胶装置，用于对微管零件的微管和微孔零件的微孔进行装配和点胶，包括点胶器和控制点胶器进行点胶的控制主机，点胶器包括用于注射粘胶的点胶针头，该装配点胶装置还包括：夹持定位系统，其用于夹持和定位所述微管零件、微孔零件和点胶针头；显微检测系统，其用于对工作区域进行图像摄取和放大，并将所摄取图像的图像信号传送给控制主机。
根据本发明的一种具体实施方式，所述控制主机接收由显微检测系统所传输的图像信号，并根据该图像信号和操作者的指令信号控制所夹持定位系统的运动和点胶器的工作状态。
根据本发明的一种具体实施方式，所述显微检测系统包括多个显微镜组件，各个显微镜组件的放大倍数和视场景深相互不同。
根据本发明的一种具体实施方式，所述多个显微镜组件中的一个显微镜组件为体视显微镜组件，其用于对工作区域进行肉眼的直接观察。
根据本发明的一种具体实施方式，所述显微检测系统包括第一放大倍数显微镜组件和第二放大倍数显微镜组件，该第二放大倍数大于第一放大倍数。
根据本发明的一种具体实施方式，所述多个显微镜组件均包括光电转换器，其用于将其所摄取的图像转换为数字化电子图像。
根据本发明的一种具体实施方式，所述夹持定位系统包括微管零件夹持定位组件、微孔零件夹持定位组件和点胶针头夹持定位组件，其分别用于夹持和定位所述微管零件、微孔零件和点胶针头。
根据本发明的一种具体实施方式，所述微管零件夹持定位组件、微孔零件夹持定位组件和点胶针头夹持定位组件均包括夹持器和移动平台，该移动平台用于移动和定位所述各夹持定位组件。
根据本发明的一种具体实施方式，所述微孔零件夹持定位组件的移动平台为手动平台，所述微管零件夹持定位组件和点胶针头夹持定位组件的移动平台为电动平台。
根据本发明的一种具体实施方式，所述微管零件夹持定位组件和点胶针头夹持定位组件还包括操作手柄，操作手柄用于操作者手动地对微管零件和点胶针头进行快速粗定位。
(三)有益效果
本发明将显微视觉检测技术、微装配技术和微点胶技术结合起来的完整的、具有通用性和实用性的装配点胶装置，可方便高效的实现人机协同的微米级微管与微孔零件装配和点胶作业。
附图说明
图1为本发明的装配点胶装置的一个具体实施例的结构示意图；
图2为本发明的点腔装置的一个具体实施例在工作状态时的控制原理图；
图3为本发明的点腔装置的一个具体实施例在装配和点胶时的工作流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明的装置用于对微管零件的微管和微孔零件的微孔进行装配和点胶，所谓装配是指将所述微管插入所述微孔中，点胶是指在所述微管和所述微孔的连接处注射粘胶并进行固化，使微管和微孔相互固定。本发明的装配点胶装置包括夹持定位系统、点胶器、显微检测系统和控制主机。其中，点胶器用于对微管与微孔的连接处进行点胶，其包括有用于注射粘胶的点胶针头。所述夹持定位系统用于夹持和定位所述微管零件、微孔零件和点胶器的点胶针头。显微检测系统用于对工作区域进行图像摄取和放大，并将所摄取的图像信号传送给控制主机，工作区域是指所述微管和微孔进行装配和点胶时所处的空间区域。所述控制主机接收由显微检测系统所传输的图像信号，并根据该图像信号和操作者的指令信号控制所夹持定位系统的运动和点胶器的工作状态，以实现对所述微管和微孔的装置和点胶。
根据本发明的一种实施方式，显微检测系统包括多个显微镜组件，各个显微镜组件的放大倍数和视场景深相互不同，以便他们所获得的图像的景深相互互补。在本发明的一种优选的实施方式中，多个显微镜组件中的一个显微镜组件为体视显微镜组件，其用于对工作区域进行肉眼的直接观察，并包括适于肉眼直接观察的目镜。在本发明的另一种优选的实施方式中，显微检测系统包括第一放大倍数显微镜组件和第二放大倍数显微镜组件，其中第二放大倍数大于第一放大倍数，不同放大倍数的显微镜组件是为了能够分别对工作区域进行宏观尺寸和微观细节的观察。在该实施例中，体视显微镜组件、第一放大倍数显微镜组件和第二施大倍数显微镜组件均包括光电转换器，例如CCD，其用于将其所摄取的光学图像转换为数字化电子图像。
根据本发明的一种实施方式，夹持定位系统包括微管零件夹持定位组件、微孔零件夹持定位组件和点胶针头夹持定位组件，其分别用于夹持和定位微管零件、微孔零件和点胶针头。根据本发明的一种优选实施方式，所述微管零件夹持定位组件、微孔零件夹持定位组件和点胶针头夹持定位组件均包括夹持器和移动平台，夹持器用于分别夹持微管零件、微孔零件或点胶针头。所述移动平台用于移动并定位夹持器，其可为手动控制或自动控制，或者两者兼而有之。手动控制适于大尺度的移动和定位，可以用于粗调节，自动控制适于小尺度的移动和定位，其优点是自动调节，精确度更高。根据本发明的更优选实施方式，微孔零件夹持定位组件的移动平台为手动控制，微管零件夹持定位组件和点胶针头夹持定位组件的移动平台为电动控制，以便实现不同零件的定位精度要求。根据本发明的另一优选实施方式，微管零件夹持定位组件和点胶针头夹持定位组件还包括操作手柄，操作手柄用于操作者手动地对微管零件和点胶针头进行快速粗定位。
根据本发明的一种实施方式，本发明采用内径为1微米的玻璃管作为点胶针头，使得本发明的点胶器可为pL(皮升)量级点胶器。
下面通过具体实施例来进一步说明本发明，应当理解的是，下面的实施例只是本发明的一种具体实施方式，在不背离本发明的宗旨和原则的条件下，本领域普通技术人员可以对其组成元件做各种增减、删除或替换。
图1为本发明的装配点胶装置的一个具体实施例的结构示意图。如图1所示，
在该实施例中，装配点胶装置的夹持定位系统由微孔零件夹持定位组件1、微管零件夹持定位组件5和点胶针头夹持定位组件6构成。微管零件夹持定位组件5由微管零件夹持器、三自由度电动平台和操作手柄组成，三自由度电动平台与控制主机连接；微孔零件夹持定位组件1由微孔零件夹持器和五自由度手动平台组成；点胶针头夹持定位组件6由点胶针头夹持器、三自由度电动平台和操作手柄组成，三自由度电动平台与控制主机连接。
在该实施例中，五自由度手动平台可以通过5个手动旋钮实现微孔零件X，Y，Z三个方向的平移和绕X，Y两个方向的转动。三自由度电动平台可以通过给3个步进电机发送指令实现X，Y，Z三个方向的平移。
在该实施例中，装配点胶装置的显微检测系统包括三个显微镜组件，即体视显微镜组件2、第一放大倍数显微镜组件3和第二放大倍数显微镜组件4。第一放大倍数显微镜组件3的放大倍数为12倍。第二放大倍数显微镜组件4的放大倍数为240倍，其可由金相显微境组件构成。体视显微镜组件2、第一放大倍数显微镜组件3和第二放大倍数显微镜组件4是三个视场景深互补的显微镜头，并且其与水平面成30度角度放置，分别从三个方向对微孔、微管和点胶针头的位置进行图像摄取。
在该实施例中，体视显微镜组件2适合于人的肉眼直接观测工作区域。体视显微镜组件2由体视显微镜、调节支架和光电转换器组成，体视显微镜用于放大和观测工作区域，其包括目镜和物镜，目镜可供人眼直接观察装配零件之间的相对位置。调节支架用于固定体视显微镜，并对体视显微镜的位姿进行调节，其可以是一个万向调节支架。光电转换器用于将显微镜所观测的图像转换为图像信号，其例如由CCD组成，光电转换器与控制主机连接。
同样的，第一放大倍数显微组件由显微镜、调节机构和光电转换器组成，显微镜物镜等组成，用于放大和观测工作区域的图像，其放大倍数为例如为12倍，调节机构用于固定显微镜，并对显微镜的位置进行调节，并且可以是一个四自由度调节机构，在X，Y，Z和光轴方向上进行调节。光电转换器用于将显微镜所观测的图像转换为图像信号，并与控制主机连接，其可以由CCD构成；第二放大倍数显微组件也由显微镜、调节机构和光电转换器组成，显微镜用于放大和观测工作区域的图像，其放大倍数大于第一放大倍数，例如为240倍，调节机构用于固定显微镜，并对显微镜的位置进行调节，并且其也可以是一个四自由度调节机构，在X，Y，Z和光轴方向上进行调节方向上进行调节，第二放大倍数显微组件的光电转换器也用于将显微镜所观测的图像转换为图像信号，并与控制主机连接，其也可以由CCD构成。
在该实施例中，显微检测系统还包括一个光源组件，其用于所述三个显微检测组件提供照明。光源组件包括同轴光源和鹅式光纤光源，同轴光源用于为第一放大倍数显微镜组件和第二放大倍数显微镜组件提供同轴照明，同轴光源与第一放大倍数显微镜组件的显微镜和第二放大倍数显微镜组件的显微镜连接；鹅式光纤光源外置，用于为三个显微检测组件提供非同轴照明；
如上所述，该实施例的体视显微镜组件2的目镜、微管零件夹持定位组件1的操作手柄、点胶针头夹持定位组件6中的操作手柄能够既满足人眼和人手快速实现微孔零件、微管零件和点胶针头三者的粗定位，也不影响粗定位后自动对微孔零件和微管零件进行高精度装配和点胶操作。
在该实施例如，点胶器为pL量级的点胶器，pL量级的点胶器的加入实现了装配后微孔零件和微管零件之间的联接和密封要求。
继续参照图1所示的装配点胶装置，在该实施例中，微孔零件夹持定位组件1放置在中间位置，体视显微镜组件2、第一放大倍数显微镜组件3、第二放大倍数显微镜组件4、微管零件夹持定位组件5和点胶针头夹持定位组件6分别围绕其四周进行布置。其中，微孔零件夹持定位组件1保证微孔零件上的微孔朝上，微管零件夹持定位组件5保证微管零件的微管在铅垂方向放置，其余四个组件则与水平面成30度放置，这样布局既保证了微管零件和微孔零件的装配和点胶的操作空间，又保证了在装配的点胶的操作时，能够从多个角度对零件之间的相对位置进行实时的显微检测。
下面参照图2和图3来介绍本发明的装配点胶装置的工作原理。如图2所示，在该实施例中，体视显微镜组件、第一放大倍数显微镜组件和第二放大倍数显微镜组件的光电转换器均为CCD，三个CCD从3个方位摄取到的微管零件、微孔零件和点胶针头的图像信号发送给控制主机1，控制主机1对图像信号进行处理，以得到三者之间的相对位置，再根据该相对位置产生分别用于控制微管零件夹持定组件5的三自由度电动平台和点胶针头6的三自由度电动平台的运动控制信号，并将该运动控制信号分别发送给微管零件夹持定位组件5中的三自由度电动平台和点胶针夹持定位组件6的三自由度电动平台，从而实现微管零件、微孔零件和点胶针头三者的相对位置检测和调整。
使用本发明的该实施例的装配点胶装置进行装配和点胶时的工作流程如图3所示。首先，将微管零件、微孔零件和点胶针头分别安装在微管零件夹持定位组件5的夹持器、微孔零件夹持定位组件1的夹持器和点胶针头夹持定位组件6的夹持器的末端，并进行固定；之后，依靠人的肉眼通过体视显微检测组件2的显微镜的目镜进行观察、并操作微管零件夹持定位组件5的三自由度电动平台和点胶针头夹持定位组件6的三自由度电动平台，将微孔零件上的微孔、微管零件的微管末端和点胶针头的末端快速地调节到理想位置附近；然后，通过对相互正交放置的第一放大倍数显微镜组件3和第二放大倍数显微镜组件4得到的图像信号进行处理，检测微管零件、微孔零件和点胶针三者之间的相对位置，以此作为反馈信息，驱动微管零件夹持定位组件的三自由度电动平台自动精确地调节微管零件的位置，当微管零件的微管与微孔零件的微孔对准后，驱动微管零件的微管插入微孔零件的微孔实现装配，之后将点胶针头对准微管与微孔连接处的点胶位置驱动点胶针头夹持定位组件的三自由度电动平台自动精确地调节点胶针头的位置，当点胶针头与点胶位置对准后，控制主机控制点胶器进行点胶，最后，控制主机控制点胶针离开工作区域并对胶斑进行固化。
本发明是一个将显微视觉检测技术、微装配技术和微点胶技术结合起来的完整的、具有通用性和实用性的装配点胶装置，可方便高效的实现人机协同的微米级微管与微孔零件装配和点胶作业。装配零件的尺寸范围可达到5-200μm，胶斑尺寸范围可达到30-500μm。本发明能够适应微小零件加工水平的快速发展。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种装配点胶装置，用于对微管零件的微管和微孔零件的微孔进行装配和点胶，包括点胶器和控制点胶器进行点胶的控制主机，点胶器包括用于注射粘胶的点胶针头，其特征在于，该装配点胶装置还包括：
夹持定位系统，其用于夹持和定位所述微管零件、微孔零件和点胶针头；
显微检测系统，其用于对工作区域进行图像摄取和放大，并将所摄取图像的图像信号传送给控制主机。
2.如权利要求1所述的装配点胶装置，其特征在于，所述控制主机接收由显微检测系统所传输的图像信号，并根据该图像信号和操作者的指令信号控制所夹持定位系统的运动和点胶器的工作状态。
3.如权利要求1所述的装配点胶装置，其特征在于，所述显微检测系统包括多个显微镜组件，各个显微镜组件的放大倍数和视场景深相互不同。
4.如权利要求3所述的装配点胶装置，其特征在于，所述多个显微镜组件中的一个显微镜组件为体视显微镜组件，其用于对工作区域进行肉眼的直接观察。
5.如权利要求3所述的装配点胶装置，其特征在于，所述显微检测系统包括第一放大倍数显微镜组件和第二放大倍数显微镜组件，该第二放大倍数大于第一放大倍数。
6.如权利要求3所述的装配点胶装置，其特征在于，所述多个显微镜组件均包括光电转换器，其用于将其所摄取的图像转换为数字化电子图像。
7.如权利要求1所述的装配点胶装置，其特征在于，所述夹持定位系统包括微管零件夹持定位组件、微孔零件夹持定位组件和点胶针头夹持定位组件，其分别用于夹持和定位所述微管零件、微孔零件和点胶针头。
8.如权利要求7所述的装配点胶装置，其特征在于，所述微管零件夹持定位组件、微孔零件夹持定位组件和点胶针头夹持定位组件均包括夹持器和移动平台，该移动平台用于移动和定位所述各夹持定位组件。
9.如权利要求8所述的装配点胶装置，其特征在于，所述微孔零件夹持定位组件的移动平台为手动平台，所述微管零件夹持定位组件和点胶针头夹持定位组件的移动平台为电动平台。
10.如权利要求7所述的装配点胶装置，其特征在于，所述微管零件夹持定位组件和点胶针头夹持定位组件还包括操作手柄，操作手柄用于操作者手动地对微管零件和点胶针头进行快速粗定位。
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