CN111195872B - 一种具有微装配力传感器的真空吸附夹持器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有微装配力传感器的真空吸附夹持器系统，包括真空吸附夹持器、气路装置、微装配力传感器、信号调理电路、夹持装配控制器和位移台；真空吸附夹持器包括吸附夹持头、柔性梁和气管，柔性梁上加工有平行四边形柔性机构，平行四边形柔性机构具有四个相同的柔性铰链，吸附夹持头与柔性梁的一端固定连接，柔性梁的另一端固定安装在位移台上，微装配力传感器安装在能感应平行四边形柔性机构的形变的位置处，微装配力传感器的输出端通过信号调理电路与夹持装配控制器连接，夹持装配控制器与位移台连接。本发明能实现微装配力的传感和反馈控制，能检测微装配过程中微装配力的大小并且保证装配过程中不因微装配力过大而破坏微小零件。

Description

一种具有微装配力传感器的真空吸附夹持器系统

技术领域

本发明涉及微装配领域，具体涉及一种具有微装配力传感器的真空吸附夹持器系统。

背景技术

随着微机电系统及集成技术的发展，对微小零件的装配提出了更高的要求。真空吸附夹持器系统是一种在真空泵或真空发生器作用下，由负压吸附正压释放夹持装配微小零件并进行零件的位姿检测和调整，并对零件的装配过程进行实时监测和对装配过程中的信号进行处理的系统。真空吸附夹持器作为真空吸附夹持器系统中的核心部件，能够实现对规则及不规则平板零件尤其是微小薄板零件进行吸附、移动、释放及施加压力等操作，在微装配等领域尤其是微小薄板零件的装配领域具有特别重要的作用。

在装配需要表面固连的微小零件时，当将两个零件对准后，还需要对两个零件的接触面施加一定的压力才能保证两个零件之间的胶粘剂与接触面充分接触；两个零件表面接触并发生弹性变形而产生的力，即为微装配力。当产生的微装配力过小时，不足以保证两零件表面和粘接剂充分接触，会导致连接不可靠；当微装配力过大时，又有可能破坏具有脆性、易变形等特点的微小零件，并且为了保证装配一致性，需要保证每次装配过程中微装配力的重复性，因此在装配过程中需要实时检测微装配力的大小并将微装配力控制在同一合适的范围内。目前，对微装配力的传感大多是通过外加具有一定体积的力传感器来实现的，这种方式会增加操纵工具的整体体积，并且在微装配系统的有限空间内，安装集成具有一定体积的力传感器也会有诸多限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有微装配力传感器的真空吸附夹持器系统，以实现对微装配力的测量解算及控制。

本发明所述的一种具有微装配力传感器的真空吸附夹持器系统，包括真空吸附夹持器、气路装置，还包括微装配力传感器、信号调理电路、夹持装配控制器和位移台；真空吸附夹持器包括吸附夹持头、柔性梁和气管，吸附夹持头通过气管与气路装置连接，夹持装配控制器通过信号线与气路装置连接，气路装置在夹持装配控制器的控制下产生负压或者正压，作用于吸附夹持头，实现微小零件的吸附夹持或者释放；柔性梁上加工有平行四边形柔性机构，平行四边形柔性机构具有四个相同的柔性铰链(A、B、C、D)，吸附夹持头与柔性梁垂直且上端与柔性梁的一端固定连接，柔性梁的另一端固定安装在位移台上，吸附夹持头与柔性梁固定连接的部位位于平行四边形柔性机构的一侧，柔性梁在位移台上的安装部位位于平行四边形柔性机构的另一侧；所述微装配力传感器安装在能感应平行四边形柔性机构的形变的位置处，微装配力传感器的输出端通过信号线与信号调理电路连接，信号调理电路通过信号线与夹持装配控制器连接，夹持装配控制器通过信号线与位移台连接，夹持装配控制器与真空吸附夹持器、位移台形成微装配力闭环控制，夹持装配控制器控制位移台向待装配零件移动，位移台带动真空吸附夹持器对待装配零件施加压力，平行四边形柔性机构产生形变，微装配力传感器检测该形变，并将其转换为电信号，经信号调理电路处理后发送给夹持装配控制器，夹持装配控制器解算得到微装配力，并根据该微装配力调整位移台的移动距离。当微装配力过大时，夹持装配控制器控制位移台向远离待装配零件的方向移动，以减小向待装配零件施加的压力；当微装配力过小时，夹持装配控制器控制位移台向靠近待装配零件的方向移动，以增大向待装配零件施加的压力，保证待装配的两个零件的可靠接触和固连，从而实现微装配力的闭环控制。

优选的，所述微装配力传感器采用电阻应变传感器，电阻应变传感器粘贴在任意一个所述柔性铰链上。所述真空吸附夹持器下压并向待装配零件施加压力时，电阻应变传感器便能检测到平行四边形柔性机构因微装配力的作用而产生的形变信号，所述微装配力F_a通过公式：

确定；其中，E为柔性梁材料的弹性模量，b为柔性铰链的宽度，t为柔性铰链的最小厚度，l为沿柔性梁长度方向的两个柔性铰链的中心之间的距离，K为电阻应变传感器的应变常数，U_in为电阻应变传感器的供电电压，U_out为电阻应变传感器的输出电压。

优选的，所述真空吸附夹持器系统还包括第一支架和第二支架，所述微装配力传感器采用电容式测力传感器，电容式测力传感器包括定极板和动极板，定极板固定安装在第一支架的一端，第一支架的另一端与柔性梁的另一端(即柔性梁固定安装在位移台上的一端)固定连接，动极板固定安装在第二支架上，第二支架固定安装在柔性梁的与吸附夹持头固定连接的一端，定极板与动极板正对，且共同位于吸附夹持头的正上方。

所述信号调理电路包括载波调制电路和解调电路；所述电容式测力传感器为单极性电容式测力传感器，其动极板接地，定极板作为感应极板与载波调制电路连接；所述微装配力F_a通过公式：

确定；其中，K_F为柔性铰链的刚度，l为沿柔性梁长度方向的两个柔性铰链的中心之间的距离，ε为动极板与定极板间介质的介电常数，S为动极板与定极板的相互覆盖面积，d₀为动极板与定极板之间的初始距离，C_r表示载波调制电路中的参考电容，V_r表示解调电路的载波电压输出端输出的载波电压，V₁表示载波调制电路的输出端输出的调制电压(能反映电容式测力传感器的感应信号)。

本发明所述的另一种具有微装配力传感器的真空吸附夹持器系统，包括真空吸附夹持器、气路装置，还包括微装配力传感器、第一支架、信号调理电路、夹持装配控制器和位移台；真空吸附夹持器包括吸附夹持头、柔性梁和气管，吸附夹持头通过气管与气路装置连接，夹持装配控制器通过信号线与气路装置连接，气路装置在夹持装配控制器的控制下产生负压或正压，作用于吸附夹持头，实现微小零件的吸附夹持或者释放；柔性梁上加工有关于柔性梁的中部对称的两个平行四边形柔性机构，每个平行四边形柔性机构具有四个相同的柔性铰链(A、B、C、D)，吸附夹持头与柔性梁垂直且上端与柔性梁的中部固定连接，柔性梁关于吸附夹持头的轴线对称，柔性梁的两端与第一支架的两端固定连接，第一支架固定安装在位移台上，吸附夹持头与柔性梁固定连接的部位位于两个平行四边形柔性机构之间，柔性梁与第一支架固定连接的两个部位位于两个平行四边形柔性机构的外侧；所述微装配力传感器安装在能感应平行四边形柔性机构的形变的位置处，微装配力传感器的输出端通过信号线与信号调理电路连接，信号调理电路通过信号线与夹持装配控制器连接，夹持装配控制器通过信号线与位移台连接，夹持装配控制器与真空吸附夹持器、位移台形成微装配力闭环控制，夹持装配控制器控制位移台向待装配零件移动，位移台带动真空吸附夹持器对待装配零件施加压力，两个平行四边形柔性机构产生形变，微装配力传感器检测该形变，并将其转换为电信号，经信号调理电路处理后发送给夹持装配控制器，夹持装配控制器解算得到微装配力，并根据该微装配力调整位移台的移动距离。当微装配力过大时，夹持装配控制器控制位移台向远离待装配零件的方向移动，以减小向待装配零件施加的压力；当微装配力过小时，夹持装配控制器控制位移台向靠近待装配零件的方向移动，以增大向待装配零件施加的压力，保证待装配的两个零件的可靠接触和固连，从而实现微装配力的闭环控制。

优选的，所述微装配力传感器只有一个，该微装配力传感器采用电阻应变传感器，电阻应变传感器粘贴在任意一个所述柔性铰链上。所述真空吸附夹持器下压并向待装配零件施加压力时，电阻应变传感器便能检测到平行四边形柔性机构因微装配力的作用而产生的形变信号，所述微装配力F_a通过公式：

确定；其中，E为柔性梁材料的弹性模量，b为柔性铰链的宽度，t为柔性铰链的最小厚度，l为一个平行四边形柔性机构中沿柔性梁长度方向的两个柔性铰链的中心之间的距离，K为电阻应变传感器的应变常数，U_in为电阻应变传感器的供电电压，U_out为电阻应变传感器的输出电压。

优选的，所述微装配力传感器有两个，两个微装配力传感器都采用电阻应变传感器，两个电阻应变传感器对称粘贴在两个平行四边形柔性机构的任意一个所述柔性铰链上。所述真空吸附夹持器下压并向待装配零件施加压力时，电阻应变传感器便能检测到平行四边形柔性机构因微装配力的作用而产生的形变信号，所述微装配力F_a通过公式：

确定；其中，E为柔性梁材料的弹性模量，b为柔性铰链的宽度，t为柔性铰链的最小厚度，l为一个平行四边形柔性机构中沿柔性梁长度方向的两个柔性铰链的中心之间的距离，K为电阻应变传感器的应变常数，U_in为电阻应变传感器的供电电压，U_out为信号调理电路中的差分放大电路的输出电压。

优选的，所述真空吸附夹持器系统还包括第二支架，所述微装配力传感器采用电容式测力传感器，电容式测力传感器包括定极板和动极板，定极板固定安装在第一支架的中部，动极板固定安装在第二支架上，第二支架固定安装在柔性梁中部，定极板与动极板正对，且共同位于吸附夹持头的正上方。

所述信号调理电路包括载波调制电路和解调电路；所述电容式测力传感器为单极性电容式测力传感器，其动极板接地，定极板作为感应极板与载波调制电路连接；所述微装配力F_a通过公式：

确定；其中K_F为柔性铰链的刚度，l为一个平行四边形柔性机构中沿柔性梁长度方向的两个柔性铰链的中心之间的距离，ε为动极板与定极板间介质的介电常数，S为动极板与定极板的相互覆盖面积，d₀为动极板与定极板之间的初始距离，C_r表示载波调制电路中的参考电容，V_r表示解调电路的载波电压输出端输出的载波电压，V₁表示载波调制电路的输出端输出的调制电压(能反映电容式测力传感器的感应信号)。

优选的，所述吸附夹持头包括夹持头主体和夹持吸管，夹持头主体具有与气管、夹持吸管连通的通气孔，夹持吸管由母鲁尔接头和针管连为一体构成，夹持头主体的下端为公鲁尔接头，夹持吸管通过母鲁尔接头与公鲁尔接头的配合而连接在夹持头主体的下端，夹持吸管通过夹持头主体与气管连通。采用具有母鲁尔接头的夹持吸管连接在夹持头主体上组成吸附夹持头，通过夹持吸管来吸附夹持和释放微小零件，方便更换具有不同吸附孔径及不同形状材质的针管(即更换夹持吸管)，以便于可靠吸附不同尺寸、不规则形状或易变形的微小零件，尤其是微小型平板零件，为不能通过抓取夹持的微小零件的操纵和装配提供了很大的方便。

本发明具有如下效果：

(1)采用加工在柔性梁上的平行四边形柔性机构来作为微装配力传感机构，通过能感应微装配力传感机构形变的微装配力传感器来实现微装配力的感应，能实时测量微装配力的大小，并且根据得到的信号进行调节，确保了装配固连结果的一致性，并且保证了装配过程中不会因施加的压力过大而破坏待装配的微小零件。

(2)柔性梁既作为吸附夹持头的装夹机构，又集成了微装配力传感机构，即真空吸附夹持器既实现了吸附夹持或释放功能，又实现了微装配力的传感，从而使整个系统集成度高、所需的空间小，吸附夹持头的结构简单，易于加工、安装和使用，进而提高了本发明的适用度。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图。

图2为实施例1中真空吸附夹持器的剖视图。

图3为实施例1中气路控制的原理图。

图4为实施例1中电阻应变传感器的安装示意图。

图5为实施例1、5中柔性梁上的平行四边形柔性机构的结构及受力分析示意图。

图6为实施例2的结构示意图。

图7为实施例2中真空吸附夹持器的剖视图。

图8为实施例2中的信号调理电路中的差分放大电路的示意图。

图9为实施例2、3、4中柔性梁上的两个平行四边形柔性机构的结构及受力分析示意图。

图10为实施例3的结构示意图。

图11为实施例4的结构示意图。

图12为实施例4的信号调理电路中的载波调制电路的原理图。

图13为实施例5的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

实施例1：如图1至图5所示的具有微装配力传感器的真空吸附夹持器系统，包括真空吸附夹持器、气路装置2、微装配力传感器、信号调理电路5、夹持装配控制器6和位移台7(为精密位移台)。真空吸附夹持器包括吸附夹持头1、柔性梁3和气管8，吸附夹持头1包括夹持头主体12和夹持吸管11，夹持头主体12具有与气管8、夹持吸管11内部连通的通气孔，夹持吸管11由母鲁尔接头和针管连为一体构成(夹持吸管11的形状不只限于图2所示的一种，凡在本实施例的基础上，能达到本实施例所述效果的夹持吸管的形状，都应视为本方案的保护内容)，夹持头主体12的下端为公鲁尔接头，夹持吸管11通过母鲁尔接头与公鲁尔接头的配合而连接在夹持头主体12的下端，气管8与夹持头主体12的中部通过螺纹连接，夹持吸管11通过夹持头主体12与气管8连通。气路装置2包括通过管路依次连接的第一过滤器21、分离器22、真空泵23、真空换向阀24、速度调节阀25和第二过滤器26，第二过滤器26通过软管与气管8连接，真空泵23、真空换向阀24、速度调节阀25通过信号线与夹持装配控制器6连接。夹持装配控制器6控制真空泵23、真空换向阀24、速度调节阀25产生正压或负压气体，正压或负压气体通过气管8、通气孔进入夹持吸管11内，作用于针管实现微小零件的吸附夹持或者释放；当夹持装配控制器6控制真空泵23连接真空换向阀24的a、b气路时，气路装置2内产生负压，实现微小零件的吸附，当夹持装配控制器6控制真空换向阀24换向，使真空泵23连接真空换向阀24的c、d气路时，气路装置2内产生正压，释放微小零件。柔性梁3上切割有平行四边形柔性机构，平行四边形柔性机构具有四个相同的柔性铰链A、B、C、D，也可以理解为四个相同的柔性铰链A、B、C、D依次通过连杆连接形成该平行四边形柔性机构，柔性铰链A、B、C、D为单边直圆型柔性铰链(也可以是单边椭圆柔性铰链或者单边直角柔性铰链)，柔性铰链A的圆弧面与柔性铰链B的圆弧面相对，柔性铰链C的圆弧面与柔性铰链D的圆弧面相对，柔性梁3的一端开设有连接孔31、另一端开设有安装孔32，连接孔31位于平行四边形柔性机构的一侧，安装孔32位于平行四边形柔性机构的另一侧，夹持头主体12的上端具有外螺纹，夹持头主体12与柔性梁3垂直且上端穿过连接孔31并通过与垫片21、螺母22的配合而使夹持头主体12的上端与柔性梁3的该端固定连接，柔性梁3的另一端通过安装孔32固定安装在位移台7上。微装配力传感器采用电阻应变传感器4，电阻应变传感器4粘贴在柔性铰链C的上表面能感应柔性铰链C的最大形变的位置处(对应于柔性铰链C的厚度最薄处)，电阻应变传感器4的输出端通过信号线与信号调理电路5连接，信号调理电路5通过信号线与夹持装配控制器6连接，夹持装配控制器6通过信号线与位移台7连接，夹持装配控制器6与真空吸附夹持器、位移台7形成微装配力闭环控制，夹持装配控制器6控制位移台7向待装配零件移动，带动真空吸附夹持器对待装配零件施加压力，平行四边形柔性机构产生形变(即四个相同的柔性铰链A、B、C、D产生形变)，电阻应变传感器4检测该形变，并将其转换为电信号，经信号调理电路5处理后发送给夹持装配控制器6，夹持装配控制器6解算得到微装配力，并根据该微装配力调整位移台7的移动距离。当微装配力过大时，夹持装配控制器6控制位移台7向远离待装配零件的方向移动，以减小向待装配零件施加的压力；当微装配力过小时，夹持装配控制器6控制位移台7向靠近待装配零件的方向移动，以增大向待装配零件施加的压力，保证待装配的两个零件的可靠接触和固连，从而实现微装配力的闭环控制。这种真空吸附夹持器系统中的真空吸附夹持器结构紧凑小巧，便于安装在空间受限的微装配空间等工作场合中。

在将两个待装配的微小零件对准后，将这两个微小零件固连时，为了使固连可靠，需要消除两个微小零件接触面之间的空隙，使两个零件完全贴合，并且固定装配体中两个微小零件之间的相对位置，因此需要通过真空吸附夹持器向装配体施加一定的压力，当真空吸附夹持器沿针管轴线的方向对装配体施加向下的压力时，装配体中两个微小零件的接触面之间会发生弹性形变，产生微装配力F_a，并且同时对吸附夹持头1施加一个沿其轴线竖直向上的反作用力F_r(参见图5)，该反作用力F_r的大小等于微装配力F_a的大小，此反作用力F_r由于吸附夹持头1和柔性梁3之间的装配连接关系而被传递给柔性梁3，电阻应变传感器4感知到在此反作用力F_r的推动下平行四边形柔性机构发生的弹性形变信号，并将信号通过信号线传递给信号解调电路5，信号解调电路5进行处理后传递给夹持装配控制器6；依据应力应变关系，夹持装配控制器6便能根据测得的信号解算出反作用力F_r的大小，从而得到微装配力F_a的大小，并且控制位移台7的移动方向及移动位移，来控制调节微装配力的范围，以避免在装配时由于微装配力大小不够而使两个微小零件之间不能完全贴合或者两个微小零件之间的相对位置不固定，还可以避免由于微装配力过大而损坏微小零件等。

微装配力的计算原理如下：

装配过程中，在平行四边形柔性机构的柔性铰链D处受到大小为F_r的反作用力(反作用力的方向垂直于柔性梁的水平面向上)时，平行四边形柔性机构会产生如图5所示的变形。Δ_a为由反作用力F_r引起的平行四边形柔性机构末端的横向错动，θ_F为反作用力F_r引起的平行四边形柔性机构的转角。Δ_a＝l-l cosθ_F，l为沿柔性梁长度方向的柔性铰链D的中心与柔性铰链A的中心之间的距离，由于θ_F很小，Δ_a可忽略不计。

如图5所示，柔性铰链C的最大形变处的纵向应变ε_F与柔性铰链C的转角α_z的关系为：

式中，K_F为平行四边形柔性机构的刚度，E为柔性梁材料的弹性模量，b为柔性铰链C的宽度，t为柔性铰链C的最小厚度(即柔性铰链C的最薄处厚度)。

由微装配力F_a的反作用力F_r引起的平行四边形柔性机构末端的纵向位移δ_a与θ_F之间的关系为：

δ_a＝l sinθ_F≈lθ_F (2)

由于α_z与θ_F相等，可得：

δ_a≈lα_z (3)

由能量守恒定律可知，F_r和δ_a之间的关系为：

联立公式(1)、(3)和(4)得：

电阻应变传感器的输出电压与其感应到的应变之间的关系为：

U_out＝Kε_FU_in (6)

U_out为电阻应变传感器的输出电压，U_in为电阻应变传感器的供电电压，K为电阻应变传感器的应变常数。

因此，联立公式(5)和公式(6)得：

由于微装配力F_a的大小等于反作用力F_r的大小，因此

根据电阻应变传感器4测得的平行四边形柔性机构的形变量解算得到微装配力的大小，也可以在反馈控制中根据需要控制的微装配力的大小来限制平行四边形柔性机构的形变量，从而防止由于微装配力过大而损坏待装配的微小零件或者使平行四边形柔性机构的形变量超出其最大值。对于一个确定的平行四边形柔性机构，

为定值，U_in、K为已知参数，测得电阻应变传感器的输出电压信号U_out后根据公式(8)即可确定微装配力F_a的大小。

实施例2：如图6至图9所示的具有微装配力传感器的真空吸附夹持器系统，包括真空吸附夹持器、第一支架10、气路装置2、微装配力传感器、信号调理电路5、夹持装配控制器6和位移台7。真空吸附夹持器包括吸附夹持头1、柔性梁3和气管8，吸附夹持头1包括夹持头主体12和夹持吸管11，夹持头主体12具有与气管8、夹持吸管11内部连通的通气孔，夹持吸管11由母鲁尔接头和针管连为一体构成，夹持头主体12的下端为公鲁尔接头，夹持吸管11通过母鲁尔接头与公鲁尔接头的配合而连接在夹持头主体12的下端，气管8与夹持头主体12的中部通过螺纹连接，夹持吸管11通过夹持头主体12与气管8连通。本实施例中气路装置2的结构原理与实施例1中的气路装置的结构原理相同。柔性梁3上切割有两个相同的平行四边形柔性机构，每个平行四边形柔性机构具有四个相同的柔性铰链A、B、C、D，也可以理解为四个相同的柔性铰链A、B、C、D依次通过连杆连接形成一个平行四边形柔性机构，柔性铰链A、B、C、D为单边直圆型柔性铰链(也可以是单边椭圆柔性铰链或者单边直角柔性铰链)，柔性铰链A的圆弧面与柔性铰链B的圆弧面相对，柔性铰链C的圆弧面与柔性铰链D的圆弧面相对，柔性梁3的中部开设有连接孔，柔性梁3的两端都开设有安装孔，连接孔位于两个平行四边形柔性机构之间，两个平行四边形柔性机构关于连接孔的中心轴线对称，柔性梁3关于连接孔的中心轴线对称，安装孔分别位于两个平行四边形柔性机构的外侧，夹持头主体12的上端具有外螺纹，夹持头主体12与柔性梁3垂直且上端穿过连接孔并通过与垫片21、螺母22的配合而使夹持头主体12的上端与柔性梁3的中部固定连接，柔性梁3的两端通过安装孔固定安装在第一支架10的两端上，第一支架10固定安装在位移台7上。微装配力传感器有两个，两个微装配力传感器为两个相同的电阻应变传感器4，两个电阻应变传感器4对称粘贴在两个平行四边形柔性机构的柔性铰链C的上表面能感应柔性铰链C的最大形变的位置处(对应于柔性铰链C的厚度最薄处)，两个电阻应变传感器4的输出端与信号调理电路5连接(即与信号调理电路5中的差分放大电路的V1、V2端连接，参见图8)，信号调理电路5通过信号线与夹持装配控制器6连接，夹持装配控制器6通过信号线与位移台7连接，夹持装配控制器6与真空吸附夹持器、位移台7形成微装配力闭环控制，夹持装配控制器6控制位移台7向待装配零件移动，带动真空吸附夹持器对待装配零件施加压力，两个平行四边形柔性机构产生形变(即两组相同的柔性铰链A、B、C、D产生形变)，两个电阻应变传感器4检测该形变，并将其转换为电信号，经信号调理电路5中的差分放大电路处理，得到与两个平行四边形柔性机构的形变对应的一个输出电压(即U_out)，该输出电压经信号调理电路5中的滤波电路、转换电路等处理后发送给夹持装配控制器6，夹持装配控制器6解算得到微装配力，并根据该微装配力调整位移台7的移动距离。当微装配力过大时，夹持装配控制器控制位移台向远离待装配零件的方向移动，以减小向待装配零件施加的压力；当微装配力过小时，夹持装配控制器控制位移台向靠近待装配零件的方向移动，以增大向待装配零件施加的压力，保证待装配的两个零件的可靠接触和固连，从而实现微装配力的闭环控制。吸附夹持头1与柔性梁3组装后，柔性梁3关于吸附夹持头1的轴线对称，柔性梁3采用关于吸附夹持头1的轴线对称的结构形式，在对待装配零件施加压力的过程中能避免待装配零件之间出现切向相对滑动，装配精度更高。

在将两个待装配的微小零件对准后，将这两个微小零件固连时，为了使固连可靠，需要消除两个微小零件接触面之间的空隙，使两个零件完全贴合，并且固定装配体中两个微小零件之间的相对位置，因此需要通过真空吸附夹持器向装配体施加一定的压力，当真空吸附夹持器沿夹持吸管轴线的方向对装配体施加向下的压力时，装配体中两个微小零件的接触面之间会发生弹性形变，产生微装配力F_a，并且同时对吸附夹持头1施加一个沿其轴线竖直向上的反作用力F_r(参见图9)，该反作用力F_r的大小等于微装配力F_a的大小，此反作用力F_r由于吸附夹持头1和柔性梁3之间的装配连接关系而被传递给柔性梁3，电阻应变传感器感知到在此反作用力的驱动下两个平行四边形柔性机构的弹性形变信号，并将信号通过信号线传递给信号解调电路5，信号解调电路5进行处理后传递给夹持装配控制器6；依据应力应变关系，夹持装配控制器6便能根据测得的信号解算出反作用力F_r的大小，从而得到微装配力F_a的大小，并且控制位移台7的移动方向及移动位移，来控制调节微装配力的范围，以避免在装配时由于微装配力大小不够而使两个微小零件之间不能完全贴合或者两个微小零件之间的相对位置不固定，还可以避免由于施加给微装配体的压力过大而损坏微小零件等。

微装配力的计算原理如下：

装配过程中，在柔性梁3的中部受到大小为F_r的反作用力(反作用力的方向垂直于柔性梁的水平面向上)时，两个平行四边形柔性机构会产生如图9所示的变形。θ_F为反作用力F_r引起的两个平行四边形柔性机构的转角，为一个平行四边形柔性机构中沿柔性梁长度方向的柔性铰链D的中心与柔性铰链A的中心之间的距离。

如图9所示，两个柔性铰链C的最大形变处的纵向应变ε_F与柔性铰链C的转角α_z的关系为：

式中，K_F为平行四边形柔性机构的刚度，E为柔性梁材料的弹性模量，b为柔性铰链C的宽度，t为柔性铰链C的最小厚度(即柔性铰链C的最薄处厚度)。

由微装配力F_a的反作用力F_r引起的两个平行四边形柔性机构末端的纵向位移δ_a与θ_F之间的关系为：

δ_a＝l sinθ_F≈lθ_F (10)

由于α_z与θ_F相等，可得：

δ_a≈lα_z (11)

由能量守恒定律可知，F_r和δ_a之间的关系为：

联立公式(9)、(10)和(12)得：

与两个平行四边形柔性机构的形变对应的输出电压U_out与其应变之间的关系为：

U_out＝Kε_FU_in (14)

U_out也是信号调理电路中的差分放大电路的输出电压，U_in为电阻应变传感器的供电电压，K为电阻应变传感器的应变常数。

因此，联立公式(13)和公式(14)得：

由于装配力F_a的大小等于反作用力F_r的大小，因此

根据电阻应变传感器4测得的两个平行四边形柔性机构的形变量解算得到微装配力的大小，也可以在反馈控制中根据需要控制的微装配力的大小来限制两个平行四边形柔性机构的形变量，从而防止由于微装配力过大而损坏待装配的微小零件或者使两个平行四边形柔性机构的形变量超出其最大值。对于确定的两个平行四边形柔性机构，

为定值，U_in、K为已知参数，测得U_out后根据公式(16)即可计算得到微装配力Fa的大小。

实施例3：如图10所示的具有微装配力传感器的真空吸附夹持器系统，其原理以及大部分结构与实施例2相同，不同之处在于：微装配力传感器只有一个，该微装配力传感器采用电阻应变传感器4，电阻应变传感器4粘贴在任意一个平行四边形柔性机构的柔性铰链C的上表面能感应柔性铰链C的最大形变的位置处(对应于柔性铰链C的厚度最薄处)，U_out为电阻应变传感器的输出电压，信号调理电路5中没有差分放大电路。

实施例4：如图11、图12所示的具有微装配力传感器的真空吸附夹持器系统，包括真空吸附夹持器、气路装置2、微装配力传感器、第一支架10、第二支架20、信号调理电路5、夹持装配控制器6和位移台7(为精密位移台)。真空吸附夹持器包括吸附夹持头1、柔性梁3和气管8，吸附夹持头1包括夹持头主体12和夹持吸管11，夹持头主体12具有与气管8、夹持吸管11连通的通气孔，夹持吸管11由母鲁尔接头和针管连为一体构成，夹持头主体12的下端为公鲁尔接头，夹持吸管11通过母鲁尔接头与公鲁尔接头的配合而连接在夹持头主体12的下端，气管8与夹持头主体12的中部通过螺纹连接，夹持吸管11通过夹持头主体12与气管8连通。本实施例中气路装置2的结构原理与实施例1中的气路装置2的结构原理相同。柔性梁3上切割有两个相同的平行四边形柔性机构，每个平行四边形柔性机构具有四个相同的柔性铰链A、B、C、D，也可以理解为四个相同的柔性铰链A、B、C、D依次通过连杆连接形成一个平行四边形柔性机构，柔性铰链A、B、C、D为单边直圆型柔性铰链(也可以是单边椭圆柔性铰链或者单边直角柔性铰链)，柔性铰链A的圆弧面与柔性铰链B的圆弧面相对，柔性铰链C的圆弧面与柔性铰链D的圆弧面相对，柔性梁3的中部开设有连接孔，柔性梁3的两端都开设有安装孔，连接孔位于两个平行四边形柔性机构之间，两个平行四边形柔性机构关于连接孔的中心线对称，柔性梁3关于连接孔的中心线对称，安装孔位于两个平行四边形柔性机构的外侧，夹持头主体12的上端加工有外螺纹，夹持头主体12与柔性梁3垂直且上端穿过连接孔并通过与垫片、螺母的配合而使夹持头主体12的上端与柔性梁3的中部固定连接，柔性梁3的两端通过安装孔固定安装在第一支架10的两端上，第一支架10固定安装在位移台7上。微装配力传感器采用电容式测力传感器9，电容式测力传感器9包括定极板91和动极板92，定极板91固定安装在第一支架10的中部，动极板92固定安装在第二支架20上，第二支架20固定安装在柔性梁3的中部，定极板91与动极板92正对，且共同位于吸附夹持头1的正上方。

电容式测力传感器9为单极性电容式测力传感器，其动极板92接地，定极板91为感应极板。信号调理电路5包括载波调制电路和解调电路，载波调制电路包括加法器X2、参考电容C_r和电压跟随器X1(参见图12，为现有技术)，解调电路包括带通滤波器、检幅电路和低通滤波器(为现有技术)，加法器X2的一个输入端与解调电路的载波电压输出端连接，加法器X2的另一个输入端与电压跟随器X1的输出端连接，加法器X2的输出端与参考电容C_r的一端连接，参考电容C_r的另一端与电压跟随器X1的输入端连接，定极板91与电压跟随器X1的输入端、输出端连接，电压跟随器X1的输出端与解调电路的输入端连接，解调电路的测量信号输出端通过信号线与夹持装配控制器6连接，夹持装配控制器6通过信号线与位移台7连接。吸附夹持头1与柔性梁3组装后，柔性梁3关于吸附夹持头1的轴线对称，柔性梁3采用关于吸附夹持头1的轴线对称的结构形式，在对待装配零件施加压力的过程中，能避免待装配零件之间出现切向相对滑动，保护了零件表面，也保证了装配精度。

在将两个待装配的微小零件对准后，将这两个微小零件固连时，为了使固连可靠，需要消除两个微小零件接触面之间的空隙，使两个零件完全贴合，并且固定装配体中两个微小零件之间的相对位置，因此需要通过吸附夹持头向装配体施加一定的压力；当真空吸附夹持器沿针管轴线的方向对装配体施加向下的压力时，装配体中两个微小零件的接触面之间会发生弹性形变，产生微装配力F_a，并且同时对吸附夹持头施加一个沿其轴线竖直向上的反作用力F_r(参见图9)，该反作用力F_r的大小等于微装配力F_a的大小，此反作用力F_r由于吸附夹持头1和柔性梁3之间的装配连接关系而被传递给柔性梁3，两个平行四边形柔性机构产生形变(即两组相同的柔性铰链A、B、C、D产生形变)，动极板92随两个平行四边形柔性机构的形变而发生移动，动极板92的移动距离d与两个平行四边形柔性机构末端的纵向位移(即在竖直方向上的形变量)δ_a相等，定极板91与动极板92之间形成的被测电容C_s发生变化，参考电容C_r与被测电容C_s构成半桥测量电路，电压跟随器X1的输出端输出的调制电压V₁反馈回来后与解调电路的载波电压输出端输出的载波电压V_r经加法器X2相加，得到参考电压V_r+V₁，参考电压V_r+V₁作为半桥测量电路的参考输入，调制电压V₁与动极板92的移动距离(即微位移)d呈线性变化关系，表示为：

式中，ε为动极板与定极板间介质的介电常数，S为动极板与定极板的相互覆盖面积，d₀为动极板与定极板之间的初始距离。

调制电压V₁输入至解调电路中进行解调后从其测量信号输出端输出传感电压信号至夹持装配控制器6，夹持装配控制器6根据力变形关系，解算出反作用力F_r的大小，从而得到微装配力F_a的大小，并根据该微装配力调整位移台7的移动距离。

原理如下：

装配过程中，在柔性梁3的中部受到大小为F_r的反作用力(反作用力的方向垂直于柔性梁向上)时，两个平行四边形柔性机构会产生如图9所示的变形，θ_F为反作用力F_r引起的两个平行四边形柔性机构的转角，α_z为反作用力F_r引起的柔性铰链C的转角，l为一个平行四边形柔性机构中沿柔性梁长度方向的柔性铰链D的中心与柔性铰链A的中心之间的距离。由能量守恒定律可知，F_r和δ_a之间的关系为：

式中，K_F为平行四边形柔性机构中任意一个柔性铰链的刚度。

而δ_a＝d (19)

联立公式(17)、(18)、(19)可得：

由于微装配力F_a的大小等于反作用力F_r的大小，因此：

根据电容式测力传感器测得的信号解算得到微装配力的大小，也可以在反馈控制中根据需要控制的微装配力的大小来限制动极板的移动距离(即限制两个平行四边形柔性机构的形变量)，从而防止由于微装配力过大而损坏待装配的微小零件或者使两个平行四边形柔性机构的形变量超出其最大值。

实施例5：如图13所示的具有微装配力传感器的真空吸附夹持器系统，其原理以及大部分结构与实施例4相同，不同之处在于：柔性梁3上只切割有一个平行四边形柔性机构，该平行四边形柔性机构具有四个相同的柔性铰链A、B、C、D，也可以理解为四个相同的柔性铰链A、B、C、D依次通过连杆连接形成该平行四边形柔性机构，柔性铰链A、B、C、D为单边直圆型柔性铰链(也可以是单边椭圆柔性铰链或者单边直角柔性铰链)，柔性铰链A的圆弧面与柔性铰链B的圆弧面相对，柔性铰链C的圆弧面与柔性铰链D的圆弧面相对，柔性梁3的一端开设有连接孔，柔性梁3的另一端开设有安装孔，连接孔位于平行四边形柔性机构的一侧，安装孔位于平行四边形柔性机构的另一侧，夹持头主体12的上端具有外螺纹，夹持头主体12与柔性梁3垂直且上端穿过连接孔并通过与垫片、螺母的配合而使夹持头主体12的上端与柔性梁3的该端固定连接，柔性梁3的另一端通过安装孔固定安装在位移台7上。电容式测力传感器9的动极板92固定安装在第二支架20上，第二支架20固定安装在柔性梁3的与夹持头主体12固定连接的一端，定极板91固定安装在第一支架10的一端，第一支架10的另一端与柔性梁3的另一端固定连接，定极板91与动极板92正对，且共同位于吸附夹持头1的正上方。这种真空吸附夹持微装配系统中的真空吸附夹持器的柔性梁尺寸相对于对称结构的柔性梁的尺寸减少了一半，结构紧凑小巧，便于安装在工作空间受限的工作场合中。

由于此实施例中柔性梁3的结构与实施例4不同，在柔性梁3的一端受到大小为F_r的反作用力(反作用力的方向垂直于柔性梁向上)时，平行四边形柔性机构会产生如图5所示的变形，Δ_a为由反作用力F_r引起的平行四边形柔性机构末端的横向错动，θ_F为反作用力F_r引起的平行四边形柔性机构的转角，α_z为反作用力F_r引起的柔性铰链C的转角，δ_a为平行四边形柔性机构末端的纵向位移(即在竖直方向上的形变量)，δ_a与动极板92的移动距离d相等。Δ_a＝l-l cosθ_F，l为沿柔性梁长度方向的柔性铰链D的中心与柔性铰链A的中心之间的距离，由于θ_F很小，Δ_a可忽略不计，因此，动极板与定极板的相互覆盖面积仍可视为S；根据能量守恒定律可知，F_r和δ_a之间的关系为：

式中，K_F为平行四边形柔性机构中任意一个柔性铰链的刚度。

联立公式(17)、(19)、(22)可得：

由于微装配力F_a的大小等于反作用力F_r的大小，因此：

根据电容式测力传感器测得的信号解算得到微装配力的大小，也可以在反馈控制中根据需要控制的微装配力的大小来限制动极板的移动距离(即限制平行四边形柔性机构的形变量)，从而防止由于微装配力过大而损坏待装配的微小零件或者使平行四边形柔性机构的形变量超出其最大值。

Claims (6)

1.一种具有微装配力传感器的真空吸附夹持器系统，包括真空吸附夹持器、气路装置(2)，其特征在于：还包括微装配力传感器、信号调理电路(5)、夹持装配控制器(6)、位移台(7)、第一支架(10)和第二支架(20)；真空吸附夹持器包括吸附夹持头(1)、柔性梁(3)和气管(8)，吸附夹持头(1)通过气管(8)与气路装置(2)连接，夹持装配控制器(6)通过信号线与气路装置(2)连接，控制气路装置(2)产生负压或者正压，以吸附或者释放待装配零件，柔性梁(3)上加工有平行四边形柔性机构，平行四边形柔性机构具有四个相同的柔性铰链(A、B、C、D)，吸附夹持头(1)与柔性梁(3)垂直且上端与柔性梁(3)的一端固定连接，柔性梁(3)的另一端固定安装在位移台(7)上，吸附夹持头(1)与柔性梁(3)固定连接的部位位于平行四边形柔性机构的一侧，柔性梁(3)在位移台(7)上的安装部位位于平行四边形柔性机构的另一侧；所述微装配力传感器安装在能感应平行四边形柔性机构的形变的位置处，微装配力传感器的输出端通过信号线与信号调理电路(5)连接，信号调理电路(5)通过信号线与夹持装配控制器(6)连接，夹持装配控制器(6)通过信号线与位移台(7)连接，夹持装配控制器(6)控制位移台(7)向待装配零件移动，带动真空吸附夹持器对待装配零件施加压力，平行四边形柔性机构产生形变，微装配力传感器检测该形变，并将其转换为电信号，经信号调理电路(5)处理后发送给夹持装配控制器(6)，夹持装配控制器(6)解算得到微装配力，并根据该微装配力调整位移台(7)的移动距离；

其中，所述微装配力传感器采用电容式测力传感器(9)，电容式测力传感器(9)包括定极板(91)和动极板(92)，定极板(91)固定安装在第一支架(10)的一端，第一支架(10)的另一端与柔性梁(3)的另一端固定连接，动极板(92)固定安装在第二支架(20)上，第二支架(20)固定安装在柔性梁(3)的与吸附夹持头(1)固定连接的一端，定极板(91)与动极板(92)正对，且共同位于吸附夹持头(1)的正上方。

2.根据权利要求1所述的具有微装配力传感器的真空吸附夹持器系统，其特征在于：所述信号调理电路(5)包括载波调制电路和解调电路；所述电容式测力传感器(9)为单极性电容式测力传感器，其动极板(92)接地，定极板(91)作为感应极板与载波调制电路连接；所述微装配力F_a通过公式：

确定；其中，K_F为柔性铰链的刚度，l为沿柔性梁长度方向的两个柔性铰链的中心之间的距离，ε为动极板与定极板间介质的介电常数，S为动极板与定极板的相互覆盖面积，d₀为动极板与定极板之间的初始距离，C_r表示载波调制电路中的参考电容，V_r表示解调电路的载波电压输出端输出的载波电压，V₁表示载波调制电路的输出端输出的调制电压。

3.根据权利要求1或2所述的具有微装配力传感器的真空吸附夹持器系统，其特征在于：

所述吸附夹持头(1)包括夹持头主体(12)和夹持吸管(11)，夹持头主体(12)具有与气管(8)、夹持吸管(11)连通的通气孔，夹持吸管(11)由母鲁尔接头和针管连为一体构成，夹持头主体(12)的下端为公鲁尔接头，夹持吸管(11)通过母鲁尔接头与公鲁尔接头的配合而连接在夹持头主体(12)的下端。

4.一种具有微装配力传感器的真空吸附夹持器系统，包括真空吸附夹持器、气路装置(2)，其特征在于：还包括微装配力传感器、第一支架(10)、第二支架(20)、信号调理电路(5)、夹持装配控制器(6)和位移台(7)；真空吸附夹持器包括吸附夹持头(1)、柔性梁(3)和气管(8)，吸附夹持头(1)通过气管(8)与气路装置(2)连接，夹持装配控制器(6)通过信号线与气路装置(2)连接，控制气路装置(2)产生负压或者正压，以吸附或者释放待装配零件，柔性梁(3)上加工有关于柔性梁(3)的中部对称的两个平行四边形柔性机构，每个平行四边形柔性机构具有四个相同的柔性铰链(A、B、C、D)，吸附夹持头(1)与柔性梁(3)垂直且上端与柔性梁(3)的中部固定连接，柔性梁(3)关于吸附夹持头(1)的轴线对称，柔性梁(3)的两端与第一支架(10)的两端固定连接，第一支架(10)固定安装在位移台(7)上；所述微装配力传感器安装在能感应平行四边形柔性机构的形变的位置处，微装配力传感器的输出端通过信号线与信号调理电路(5)连接，信号调理电路(5)通过信号线与夹持装配控制器(6)连接，夹持装配控制器(6)通过信号线与位移台(7)连接，夹持装配控制器(6)控制位移台(7)向待装配零件移动，带动真空吸附夹持器对待装配零件施加压力，两个平行四边形柔性机构产生形变，微装配力传感器检测该形变，并将其转换为电信号，经信号调理电路(5)处理后发送给夹持装配控制器(6)，夹持装配控制器(6)解算得到微装配力，并根据该微装配力调整位移台(7)的移动距离；

其中，所述微装配力传感器采用电容式测力传感器(9)，电容式测力传感器(9)包括定极板(91)和动极板(92)，定极板(91)固定安装在第一支架(10)的中部，动极板(92)固定安装在第二支架(20)上，第二支架(20)固定安装在柔性梁中部，定极板(91)与动极板(92)正对，且共同位于吸附夹持头(1)的正上方。

5.根据权利要求4所述的具有微装配力传感器的真空吸附夹持器系统，其特征在于：所述信号调理电路(5)包括载波调制电路和解调电路；所述电容式测力传感器(9)为单极性电容式测力传感器，其动极板(92)接地，定极板(91)作为感应极板与载波调制电路连接；所述微装配力F_a通过公式：

确定；其中K_F为柔性铰链的刚度，l为一个平行四边形柔性机构中沿柔性梁长度方向的两个柔性铰链的中心之间的距离，ε为动极板与定极板间介质的介电常数，S为动极板与定极板的相互覆盖面积，d₀为动极板与定极板之间的初始距离，C_r表示载波调制电路中的参考电容，V_r表示解调电路的载波电压输出端输出的载波电压，V₁表示载波调制电路的输出端输出的调制电压。

6.根据权利要求4或5所述的具有微装配力传感器的真空吸附夹持器系统，其特征在于：

所述吸附夹持头(1)包括夹持头主体(12)和夹持吸管(11)，夹持头主体(12)具有与气管(8)、夹持吸管(11)连通的通气孔，夹持吸管(11)由母鲁尔接头和针管连为一体构成，夹持头主体(12)的下端为公鲁尔接头，夹持吸管(11)通过母鲁尔接头与公鲁尔接头的配合而连接在夹持头主体(12)的下端。

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