基于力觉检测的多功能微夹持系统研制

基于力觉检测的多功能微夹持系统研制

杨雨欣，毛文靖，张炜艺，袁麒翔，周丽杰

（哈尔滨理工大学机械动力工程学院，黑龙江，哈尔滨 150006)

摘要：为解决薄壁曲面零件微米级装配中夹持力过大造成的零件损伤难题，研制了一套基于力觉检测的多功能微夹持系统。该系统末端配有机械夹持器和吸附式夹钳，分别应用于不同的薄壁曲面零件，每个末端执行器都配有控制模块、移动模块和反馈模块。通过力觉反馈装置，实时控制夹取零件时机械夹持器的夹持力和安装零件时高精度平台的允许移动距离。为满足三自由度平台的定位精度，结合光栅尺位移反馈功能，使系统既能在大范围空间内移动，也可以实现5μm的定位精度。仿真结果表明，该系统能够实现薄壁曲面零件的摄取、移动和放置。

关键词：微操作；微夹持器；夹持力检测；精密微动工作台

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微装配常常涉及不同几何外形，不同材料及不同装配工艺的微小零件产品装配[1-2]，先进的微装配技术对于提高微小产品的生产效率、装配精度、装配质量、以及降低装配成本都有重要的意义。而结构复杂的微小零件自动化夹持与装配是微装配领域的难点之一，其要求末端执行器具有极高的定位精度和重复精度[3]，在装配过程中夹持力和装配力的准确控制和测量是提高微装配质量的关键因素之一[4-5]。微小零件尺寸为0.1mm-10mm，装配精度要求达到微米级，微装配属于空间三维操作。目前，随着我国微机电领域制造精密化程度的提高，研究基于力觉反馈、位移反馈、视觉反馈的微装配技术势在必行。

本文针对薄壁曲面零件在装配过程中对夹持力的控制要求，研制了一种基于力觉检测的多功能微夹持系统，该系统具有微小零件自适应夹取、三维运动轨迹精度实时反馈补偿的功能，末端夹持器分为机械式夹持和吸气式两种，均装独立的气动控制回路，机械夹钳装有力传感器，通过控制系统实现微夹持系统的夹持和移动过程。

1.微夹持系统总体设计

1.1微夹持系统总体设计

考虑到夹持器可操作空间狭小，微小零件尺寸、形状特征多样，经反复评测、修改后的微夹持系统的总体结构如图1所示。

图1微夹持系统结构简图

微夹持系统结构主要包括X、Y、Z向精密位移平台分系统，夹持力反馈装置分系统，机械、吸气式夹持器及分系统其控制驱动分系统。上位机通过运动控制卡、驱动器控制X、Y、Z向精密位移平台运动，机械式夹持器和吸气式夹持器通过电磁阀控制夹爪位移和吸力的大小，力传感器感应机械式夹持器的夹持力大小并反馈给上位机。

整个微夹持系统采用闭环控制，首先确定所夹持微零件的具体位置，通过控制X、Y、Z向位移平台使夹持器移动到指定位置，在确保夹持零件的安全性和稳定性后，上位机再次控制移动平台将零件运输至下一位置进行安装动作，进而完成工作内容。力觉反馈系统在其中扮演一个“柔性反馈环节”的角色。通过力觉反馈装置实时获取夹持力，并将此信息传递给上位机，经过对其进行分析和运算，得出微小薄壁零件的受力情况，上位机依据不同零件夹持力的临界阈值控制夹爪和精密位移控制平台做出相应反应，当反馈信号大于给定阈值，机械夹爪立即停止夹持运动、精密位移控制平台立即停止安装运动，上位机重新调整安装位置，再次进行安装。上述过程中，硬件实现较为简单，而力觉反馈与给定阈值的比较相对复杂，针对不同质量和不同体积的零件，力觉反馈需要给定不同的阈值，以保证不会损坏零件。

1.2  X、Y、Z向精密位移控制平台

由于微小薄壁零件最小尺寸可达0.1mm，夹持难度大，使得微夹持系统对定位精度要求极高。但仅依靠传统工作台自身精度很难达到要求，本文采用的精密位移控制平台采用传动精度极高的滚珠丝杠滑轨，结合光栅尺的位移反馈能很好的解决精度问题。

精密位移控制平台通过步进电机驱动，测试结果表明各轴螺距为2mm，电机精度1/1024每圈，光栅尺测量精度5μm。

1.3  机械与气动夹持器

微夹持过程必须控制夹持大小，微小薄壁零件结构脆弱，夹持过程中，夹持器很容易对零件造成不可逆的损伤。本文采用气动机械夹钳夹持边缘规则的、立体的微小零件，采用气动吸附夹钳吸取边缘不规则的微小薄片零件。这两种夹持器安装时，气动夹持器安装在精密位移控制平台Z轴的悬臂一段，机械夹持器安装在气动夹持器另一端。

2.微夹持系统控制策略

微夹持系统应具有较高的定位精度和夹持力精度，本文采用以电机驱动，滚珠丝杠传动的精密位移控制平台，三个电机通过DM860驱动器驱动，光栅尺通过读数头连接上位机。夹持器驱动依靠气压传动，设计了以控制卡、电磁阀、压力控制阀、气缸和空气压缩机组成的真空气路系统，执行元件气压机械夹钳、真空吸附夹钳有独立的气路，真空气路连接DMC2160运动控制卡的I/O回路。微夹持系统的驱动原理如图2所示。

本文以C++结合DMC2160软件库完成软件编程，内置压力监测和夹持力计算模块，具有光栅反馈和位移精度补偿模块，使用Qt5

完成基于Windows系统的软件界面设计。

图2微夹持系统驱动原理图

3.结论

本微夹持系统综合了气路控制技术、精密定位技术、力反馈技术和操作界面开发技术等。设计的微夹持系统可以很好的执行微小薄壁零件的夹持和运输问题。针对末端夹持器的控制回路、夹持力反馈装置等技术进行了详细介绍，以伺服位移反馈和夹持力监测为基础，结合DMC2160软件库，开发适用于微夹持系统的控制界面。该系统的研制成功对微装配中微小零件夹持和运输等关键工艺的自动化具有重要的意义。

参 考 文 献

[1]邢登鹏,徐德,张正涛,李海鹏,张大朋,史亚莉,沈飞.多尺度异型零件精密装配关键技术研究与系统开发[J].科研信息化技术与应用,2016,7(02):71-80.

[2]李海鹏,邢登鹏,张正涛,徐德,张大朋.宏微结合的多机械手微装配机器人系统[J].机器人,2015,37(01):35-42.

[3]娄志峰,王晓东,由博,许阳.精密微小组件压装技术及仪器[J].光学精密工程,2015,23(06):1605-1611.

[4]荣伟彬,谢晖,王家畴,孙立宁,陈伟.一种集成三维微力传感器的微夹持器研制[J].压电与声光,2007(02):175-178..

[5]陈立国,荣伟彬,孙立宁,曲东升.组合式微夹持器控制系统的研制[J].压电与声光,2005(02):105-108.

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