CN103071992A - 径向张开装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种径向张开装置，包括显微视觉系统、固定座、调整模块、超声波电机、作用件；所述固定座具有一环状平面，为调整模块提供固定支撑；所述显微视觉系统，用于监测作用件及待装配零件的位置和姿态；所述调整模块，用于调整固定在其上面的超声波电机的姿态；所述超声波电机，用于执行直线驱动，其固定在调整模块上；所述作用件，其固定在超声波电机上，并直接作用在待装配件上，通过所述超声波电机的驱动来改变作用件与待装配件之间的位置，实现对待装配件的径向张开。本发明装置能够提供沿径向呈放射状的张开驱动，行程可达5mm以上，重复精度可达亚微米级，另外本发明装置还有占用空间小的优点。

Description

径向张开装置及方法

技术领域

本发明涉及微小零件的装配领域，尤其涉及能够把待装配的微小零件沿径向张开的装置和方法，微小零件被沿径向张开后，可以方便把其他零件嵌入其中。

背景技术

在微装配领域，有些零件的装配有时需要沿径向呈放射状张开，而实现这一功能的相关驱动装置则很少在资料和文献中看到。

发明人在实现本发明的过程中，发现目前实现高精度驱动的常用方法有压电陶瓷技术、超磁致伸缩材料技术和热变形技术，应用这些技术可实现很高的精度，但是直接应用这些技术实现径向张开驱动，行程一般非常小，很难达到1mm。

另一方面，超声波直线驱动电机技术已经有了比较充分的研究，目前市场上可以很容易的买到相关产品，例如美国的M3-L，可以实现微米级的重复定位精度，单个尺寸小于10mm×20mm×30mm。然而，如何利用超声波电机来实现微装配零件的径向张开，现有技术却少有研究。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种径向张开装置，其中以超声波电机为单个的直线驱动元件，多个超声波电机呈放射状放置，在显微视觉的引导下实现径向张开驱动。本发明的优点是能够在较小的空间内实现沿径向的高精度涨大驱动动作，行程达5mm以上，重复定位精度优于±2微米。

本发明提出的技术方案如下：

一种径向张开装置，其特征在于，包括有显微视觉系统、固定座、调整模块、超声波电机、作用件；其中，所述固定座具有一环状平面，用于为调整模块提供固定支撑；所述显微视觉系统，用于监测作用件及待装配零件的位置和姿态；所述调整模块，用于调整固定在其上面的超声波电机的姿态，所述调整模块固定在所述固定座的环状平面上，呈放射状对称布置；所述超声波电机，用于执行直线驱动，其固定在调整模块上，呈放射状对称布置，其数量与调整模块数量相同；所述作用件，其固定在超声波电机上，并直接作用在待装配件上，通过所述超声波电机的驱动来改变作用件的位置，实现对待装配件的径向张开，其数量与超声波电机数量相同。

特别的，所述显微视觉系统包括至少一套垂直于固定座平面的镜头和CCD。

特别的，所述显微视觉系统还包括多套水平布置的镜头和CCD。

特别的，所述调整模块通过手动或电动方式实现3个自由度上的角度调整。

特别的，所述作用件的一端为拉钩状结构，并通过该拉钩状结构将超声波电机的直线位移作用在待装配件上。

特别的，所述作用件的一端有孔状结构，并通过螺钉与超声波电机实现固定连接。

特别的，所述径向张开装置还包括一控制装置，所述控制装置用于接收显微视觉系统传输的信号，并根据该信号向调整模块和/或超声波电机发出相应的控制命令，以控制待装配件沿径向远离中心的张开过程的执行。

特别的，所述径向张开装置还包括一三轴直线调整平台上，所述固定座固定于所述三轴直线精密调整平台上，通过所属三轴直线调整平台实现从X、Y、Z三个自由度上调整所述固定座的位置。

特别的，所述径向张开装置还包括一直线调整平台，所述镜头和CCD固定在所述直线调整平台上，所述直线调整平台用于调整镜头的聚焦区间。

本发明的上述技术方案中的一个或多个技术方案具有以下的积极效果：

1)应用于微装配领域，实现对待装配零件沿径向的张开驱动。驱动张开的受力点数是有限个，可根据微装配的需要确定张开的受力点数。由于装置中的电机、调整装置和作用件都是可拆卸和可添加的，所以受力点数量可以灵活配置，使得受力均匀，避免破坏。

2)由于使用微型超声波电机做驱动，张开装置驱动部分体积小。以8个受力点的张开装置为例，固定座的直径在150mm以内，可对直径5mm左右的零件进行张开驱动。

3)张开过程电控，可实现过程的自动化、智能化操作。张开过程由控制装置驱动，没有人手的参与，有利于提高驱动精度。

4)张开过程的每一个动作重复定位精度高，可达微米级别。根据选用超声波电机的重复定位精度，张开过程中每一个脉冲的重复定位精度可达亚微米精度。

5)张开过程的行程较大。根据选用的不同的超声波电机的参数，行程可达5mm，最大在10mm以上。

由于超声波电机的数量和姿态可调，适应性强。配合不同形状的作用件，可以对不同的张开受力点数量和受力情况的微小零件进行张开操作。

附图说明

图1为不含控制系统的径向张开装置结构图；

图2为不含控制系统的径向张开装置的爆炸图；

图3为镜头和CCD固定在调整平台上的示意图；

图4为固定座固定在调整平台上的示意图；

图5为张开装置在微装配中的应用示意图；

图6为拉钩形式的作用件示意图。

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，对本发明进一步详细说明。

附图中附图标记的含义如下：

1-固定座

1.1-固定座环状板的对称轴

1.2-固定座环状板所在平面

1.3-调整模块在固定座上的固定平面

1.4-固定座环状板的中心空间

2-显微视觉系统

2.1-垂向布置的镜头和CCD

2.1.1-镜头的光轴

2.2-水平布置的镜头和CCD

2.2.1-镜头

2.2.2-CCD

3-作用件

3.1-钩状作用件的钩子部分

3.2-作用件的开孔，方便往超声波电机上固定

4-调整模块

5-超声波电机

6-三轴调整位移平台

7-连接板

8-硅片夹持器

9-硅片

9.1-硅片上的爪状凸起

图1是径向张开装置的示意图。如图1所示，本发明的径向张开装置包括固定座1、显微视觉系统2、调整模块4、超声波电机5、作用件3。进一步的，本发明的径向展开装置还可以包括一控制装置(图中未示出)。

图2是径向展开装置的爆炸示意图。如图2所示，所述固定座1具有一环状平面1.3，为调整模块4提供固定支撑；所述显微视觉系统2，用于监测作用件及待装配零件的位置和姿态；所述调整模块4，用于调整固定在其上面的超声波电机5的姿态，其固定在固定座环状平面1.3上，呈放射状对称布置，其数量根据具体的装配需要可以是任意数值；所述超声波电机5，用于执行直线驱动，其固定在调整模块4上，呈放射状对称布置，其数量与调整模块数量相同；所述作用件3，其固定在超声波电机5上，并直接作用在待装配件9上，通过超声波电机的驱动来改变作用件的位置，实现对待装配件9的径向张开，其数量与超声波电机数量相同。

进一步的，所述控制装置，用于实时接收显微视觉系统反馈来的信号，向调整模块4和/或超声波电机5发出相应的控制命令，控制待装配件沿径向远离中心的张开过程的执行。通常应先调整作用件的姿态，然后再调整位置。具体的，所述控制装置接收显微视觉系统反馈的图像信号并进行处理，获得待装配零件及作用件的实际姿态，然后根据待装配零件的实际姿态来确定作用件的目标姿态，接着根据作用件的实际姿态以及目标姿态生成控制调整模块的控制命令并发送至调整模块处执行。作为对姿态调整的示意性的说明，以图5为例，其中的拉钩3有两个钩状的末端3.1，超声波电机拖动拉钩3沿径向移动，若由于加工等因素的影响使超声波电机移动的方向与理想的方向有了一个微小的夹角，该夹角会使3.1的两个小钩不能同时接触到硅片，在超声波电机产生了一定的位移量后，可能导致一个小钩作用的硅片凸起张开量过大而另一个一个小钩作用的硅片凸起张开量不足。此时就是作用件的实际姿态偏离了其目标姿态，需要作用件沿某一轴做转动调整。调整模块4可以提供沿三个正交方向的转动调整，作用件需要的沿任何轴线的转动调整都可以通过调整模块4来实现。显微视觉系统在实时的监测着作用件与硅片的状态，若出现了上面的情况相应的图像就会被显微视觉系统反馈给控制系统，经过计算分析，控制系统会把相应的调整指令发送到调整模块，驱动调整模块做出转动调整。

进一步的，所述控制装置还接收显微视觉系统反馈的图像信号并进行处理，以获得作用件的实际位置，根据作用件的实际位置以及目标位置来生成控制超声波电机位移的控制命令并发送至超声波电机处执行位移调整。

特别的，所述显微视觉系统2可以是一套镜头和CCD(如图1所示)也可以是多套镜头和CCD(如图2所示)。至少有一套镜头和CCD垂直于固定座平面1.2布置，以俯视待装配的零件，镜头的光轴2.1.1与固定座圆环部分的轴1.1重合。水平布置的镜头和CCD可以有一套或多套，用来从一个或多个角度监测待装配件之间及作用件与装配件之间(图5中3.1与9.1之间)的接触情况。进一步的，如图3所示，镜头和CCD可以固定在一高精度直线调整平台上，该调整平台用于精确的调整镜头的聚焦区间。

图4为固定座固定在调整平台上的示意图。如图4所示，本发明中的固定座1固定在一个三轴直线精密调整平台上，所述三轴直线精密调整平台可以从X、Y、Z三个自由度上调整固定座的位置。所述固定座有一个圆环状的薄板结构1.3，调整模块4被固定在薄板1.3上；圆环的中心空间1.4(如图4所示)用来放置待装配件，同时也方便从上、下两个方向上监测装配过程。

特别的，本发明中的调整模块4可在多个自由度上进行角度调整，用来调整固定在其上面的超声波电机5的姿态，优选是X、Y、Z三个自由度。调整模块4与超声波电机5之间具有连接板7，并通过螺钉把超声波电机与调整模块固定在一起。调整模块可以是手动调整，也可以是电动调整，电动的调整模块能接受控制装置的信号，并按控制信号自动进行角度调整。

所有调整模块以固定座的对称轴1.1为中心均匀布置，呈放射状。调整模块的布置要保证所有固定在其上的超声波电机的位移方向5.1与固定座对称轴1.1相交。

调整模块的数量与超声波电机的数量是相同的，数量的多少根据具体的装配需要确定。

需进一步说明，本发明中的超声波电机5是执行驱动的元件，它有体积小、重复定位精度高、行程较大的特点。超声波电机是直线位移型电机，选用市场上成熟的产品，电机的行程、重复定位精度、载荷等参数根据具体微装配的需要确定。

作用件3直接固定在超声波电机5上，用于将超声波电机的直线位移量作用在待装配的零件9上，使得待装配件或待装配零件的一部分沿径向远离中心的方向张开。其中固定方式可以有多种，例如通过螺钉固定。

本发明中的控制装置可以由硬件部分和软件部分组成，硬件部分可以是工控机、嵌入式硬件系统、PLC系统等。软件部分集成了常规的图像处理算法和控制指令系统，能够实现对接收到的显微视觉系统反馈的图像数据进行图像处理和数据分析，以及时了解待装配件的实际位移情况，并根据这些反馈信号以及目标位置来向超声波电机发出控制指令。当调整模块是电动模块时，也接受控制系统的控制指令来进行角度调整。

图5为应用本发明装置张开硅片的示意图。某大型激光驱动打靶装置的靶是个微装配件，在装配过程中需要把零件铝筒装到零件硅片里面。硅片只有0.4mm厚，由单晶硅加工而成，由于单晶硅是一种易碎的材料，在装配过程中需要先把硅片上均匀分布的16个小凸起9.1沿径向向远离轴心方向张开约30微米，然后才能把铝筒的颈部插入到硅片中间的圆环里，再松开硅片的16个凸起，硅片的16个凸起紧紧夹住铝筒的颈部，完成装配。

在本实施例中，径向张开装置的作用件的一端有2个小钩3.1，每个小钩分别钩住硅片的一个凸起9.1的中部，超声波电机拖动作用件把硅片的凸起沿径向张开。硅片的16个凸起9.1对应着8个作用件3、8个超声波电机5、8个三自由度角度调整模块4。

硅片夹持器是基于真空吸附原理的夹持器，硅片9通过硅片夹持器固定在多自由度调整平台6上，多自由度调整平台完成对硅片位置的精确调整。

图6是具体为拉钩形式作用件的示意图。如图6所示，作用件3一端有孔状结构3.2，方便通过螺钉固定在超声波电机5上；另一端是2个小钩状的结构3.1。作用件端部小钩的数量不局限于2个，根据径向张开的原理，可以是1个，也可以是3个、4个，或任意多个，张开装置对应的作用件数量也做相应变化。

需说明的是，作用件端部小钩的形状不局限于图6所示形状结构3.1，其他能实现把超声波电机的拖拽施加给硅片凸起9.1的结构都在本发明的保护范围之列。

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，所应理解的是，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 (9)

1.一种径向张开装置，其特征在于，包括有显微视觉系统、固定座、调整模块、超声波电机、作用件；其中，

所述固定座具有一环状平面，用于为调整模块提供固定支撑；所述显微视觉系统，用于监测作用件及待装配零件的位置和姿态；所述调整模块，用于调整固定在其上面的超声波电机的姿态，所述调整模块固定在所述固定座的环状平面上，呈放射状对称布置；所述超声波电机，用于执行直线驱动，其固定在调整模块上，呈放射状对称布置，其数量与调整模块数量相同；所述作用件，其固定在超声波电机上，并直接作用在待装配件上，通过所述超声波电机的驱动来改变作用件的位置，实现对待装配件的径向张开，其数量与超声波电机数量相同。

2.如权利要求1所述的径向张开装置，其特征在于，所述显微视觉系统包括至少一套垂直于固定座平面的镜头和CCD。

3.如权利要求2所述的径向张开装置，其特征在于，所述显微视觉系统还包括多套水平布置的镜头和CCD。

4.如权利要求1所述的径向张开装置，其特征在于，所述调整模块通过手动或电动方式实现3个自由度上的角度调整。

5.如权利要求1所述的径向张开装置，其特征在于，所述作用件的一端为拉钩状结构，并通过该拉钩状结构将超声波电机的直线位移作用在待装配件上。

6.如权利要求1所述的径向张开装置，其特征在于，所述作用件的一端有孔状结构，并通过螺钉与超声波电机实现固定连接。

7.如权利要求1所述的径向张开装置，其特征在于，还包括一控制装置，所述控制装置用于接收显微视觉系统传输的信号，并根据该信号向调整模块和/或超声波电机发出相应的控制命令，以控制待装配件沿径向远离中心的张开过程的执行。

8.如权利要求1所述的径向张开装置，其特征在于，所述装置还包括一三轴直线调整平台上，所述固定座固定于所述三轴直线精密调整平台上，通过所属三轴直线调整平台实现从X、Y、Z三个自由度上调整所述固定座的位置。

9.如权利要求2或3所述的径向张开装置，其特征在于，所述装置还包括一直线调整平台，所述镜头和CCD固定在所述直线调整平台上，所述直线调整平台用于调整镜头的聚焦区间。

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