CN109595239B - 多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供的多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备，涉及自动化微装配设备技术领域，该多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备包括微装配在线检测***、微装配输送主轴及托板快换***、微装配机械手及换手***。微装配在线检测***用于对跨尺度复杂多构型微小零部件进行实时在线检测。微装配输送主轴及托板快换***用于实现微零件的预存储、位置定位、工位转运、提供装配基准、装配完成后的固化存放。微装配机械手及换手***用于实现微零件的拾取、位姿调整、涂胶操作、零件装配等。该多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备设计精简、结构优化紧凑、功能完备、装配精度优良，可实现自动化高标准一致性微装配。

Description

多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备

技术领域

本发明涉及自动化微装配设备技术领域，具体而言，涉及一种多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备。

背景技术

微操作与微装配技术是先进制造领域里的关键技术之一，已广泛应用于微机电***、纳米制造、精密光电子工程、生物工程、医学等领域。微小器件的装配是精密制造的重要环节，微装配作业的质量对产品的性能有着重要影响。

微装配技术领域中，特别是对于具有跨尺度复杂多构型特征的微零件组件装配，需考虑不同尺寸、构型、尺度之间微零件的组装问题，甚至存在毫米级、微米级以及亚微米级的多尺度零件之间的装配难题。由于微装配的操作对象微小、精度要求高，鉴于手工精密装配作业效率低，精度和一致性难以保证，凭借人工方式操作已经无法满足要求。

有鉴于此，本发明提出了一种多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备，以解决跨尺度多构型微零件的微装配技术难题。

发明内容

本发明的目的包括提供一种多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备，以解决跨尺度复杂多构型微零件的微装配技术难题，实现自动化、装配精度优良、高标准一致性的复杂多构型微零件组件的微装配。

本发明改善其技术问题是采用以下的技术方案来实现的。

本发明提供的一种多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备，包括设备工作台和安装在所述设备工作台上的微装配在线检测***、微装配输送主轴及托板快换***、微装配机械手及换手***、电气控制及可视化监控***。

所述微装配在线检测***包括视觉检测模块、力觉检测模块、光电检测模块；所述微装配在线检测***用于对跨尺度复杂多构型微小零部件进行实时在线检测。

所述微装配输送主轴及托板快换***包括输送主轴模块、托板快换模块、换手支架模块。输送主轴模块安装在所述设备工作台上，所述托板快换模块和所述换手支架模块均安装在所述输送主轴模块上。所述微装配输送主轴及托板快换***用于实现所述跨尺度复杂多构型微小零部件的预存储、位置定位、工位转运、提供装配基准、装配完成后的固化存放。

所述微装配机械手及换手***包括多手臂运动模块、装配机械手及快换模块、压装机械手模块。所述装配机械手及快换模块和所述压装机械手模块分别安装在所述多手臂运动模块上；所述微装配机械手及换手***用于实现所述跨尺度复杂多构型微小零部件的拾取、位姿调整、涂胶操作、装配位置精确定位、零件装配、机械手快换、压装拾取、压装配准放置。

所述电气控制及可视化监控***包括工控机控制***、子***驱动器模块、上位机软件操作***。所述电气控制及可视化监控***用于实现对传感器、机械运动轴及相应控制器、驱动器、电源的自动控制和监视。

进一步地，所述微装配在线检测***还包括重载龙门架，所述重载龙门架安装在所述设备工作台上，所述视觉检测模块包括水平视觉检测模块和垂直视觉检测模块；所述水平视觉检测模块设于所述重载龙门架的下侧，所述垂直视觉检测模块设于所述重载龙门架的上侧。

所述水平视觉检测模块包括一路水平方向的显微视觉***，所述水平方向的显微视觉***安装在第一定位运动平台上；所述水平方向的显微视觉***包括水平变倍镜头、水平CCD相机和水平辅助光源。所述第一定位运动平台具有X、Y、Z三轴方向运动的自由度，用于实现所述水平视觉检测模块的自动调焦、平面位置调整以及工位切换。

所述垂直视觉检测模块包括一路垂直方向的显微视觉***，所述垂直方向的显微视觉***安装在第二定位运动平台上；所述垂直方向的显微视觉***包括垂直变倍镜头、垂直CCD相机和垂直辅助光源。所述第二定位运动平台具有X、Y、Z三轴方向运动的自由度，用于实现所述垂直视觉检测模块的自动调焦、平面位置调整以及工位切换。

进一步地，所述力觉检测模块包括一个Z轴方向的微力觉位移传感器；所述力觉检测模块安装于所述装配机械手及快换模块的执行端，通过Z轴方向反馈力信号实时判断微装配件装配过程中的到位信息。

进一步地，所述光电检测模块包括一个垂直方向的共焦位移传感器；所述第二定位平台包括平行设置的第一Z轴方向运动轴和第二Z轴方向运动轴，所述垂直视觉检测模块安装在所述第一Z轴方向运动轴上，所述光电检测模块通过固定板固定安装在所述第二Z轴方向运动轴上。所述光电检测模块与所述垂直视觉检测模块共用同一个X轴方向的运动轴和同一个Y轴方向的运动轴。

进一步地，所述输送主轴模块包括一个Y轴方向的直线精密输送运动台、一个θz轴方向的精密旋转台，所述Y轴方向的直线精密输送运动台安装在所述设备工作台上，所述θz轴方向的精密旋转台安装在所述Y轴方向的直线精密输送运动台上，所述托板快换模块和所述换手支架模块安装在所述θz轴方向的精密旋转台上。所述输送主轴模块用以实现跨尺度复杂多构型微小零部件的转运输送，以及位置、姿态的精细调整。

进一步地，所述托板快换模块包括托板主体、压力工装组件、胶盒模块、零件定位工装、快换模块、快换传气板。

所述托板主体包括多种跨尺度复杂多构型微小零部件预存放位置、压装存放位置、压装基座预存放位置、胶盒存放位置、零件真空负压固定孔位、定位销钉。

所述零件定位工装通过与所述托板主体上的零件定位销钉配合使用，用以实现多种跨尺度复杂多构型微小零部件的位置姿态确定，保证每次放置零件的一致性。

所述压力工装组件设于所述压装存放位置，用于实现多种跨尺度复杂多构型微小零部件的压装固定功能，保证微零件完成装配后的精度稳定性。

所述胶盒模块设于所述胶盒存放位置，用于实现多种跨尺度复杂多构型微小零部件的涂胶、粘胶功能。

所述快换模块包括所述托板主体上的托板定位销钉、所述快换传气板上的托板快换主盘；所述快换传气板通过结合所述快换模块，以实现所述托板主体的快速安装固定和传气供气功能。

进一步地，所述换手支架模块设有多个换手工位，多个所述换手工位用于放置和固定多种微装配机械手；所述换手支架模块具有专门的辅助定位槽和真空吸附固定功能，以实现不同的所述微装配机械手顺利无差别放置于所述换手工位内。

进一步地，所述多手臂运动模块包括一个Y轴方向的直线精密手臂运动台、一个X轴方向的直线精密手臂运动台、第一Z轴方向直线精密手臂运动台以及第二Z轴方向直线精密手臂运动台。

所述Y轴方向的直线精密手臂运动台安装在所述设备工作台上，所述X轴方向的直线精密手臂运动台安装在所述Y轴方向的直线精密手臂运动台上，所述第一Z轴方向直线精密手臂运动台以及所述第二Z轴方向直线精密手臂运动台均安装在所述X轴方向的直线精密手臂运动台上。所述多手臂运动模块用以实现操作机械手的运动控制和定位。

进一步地，所述装配机械手及快换模块安装在所述第一Z轴方向直线精密手臂运动台上，所述装配机械手及快换模块包括第一装配机械手、第二装配机械手、第三装配机械手、第四装配机械手、机械手快换主模块、快换力觉转接块、装配手臂。

所述装配手臂的一端固定安装在所述第一Z轴方向直线精密手臂运动台上，所述装配手臂的另一端连接所述力觉检测模块，所述力觉检测模块与所述快换力觉转接块连接，所述快换力觉转接块与所述机械手快换主模块连接，所述机械手快换主模块选择性地与所述第一装配机械手、所述第二装配机械手、所述第三装配机械手、所述第四装配机械手连接。

进一步地，所述压装机械手模块安装在所述第二Z轴方向直线精密手臂运动台上，用于实现对所述压力工装组件的拾取和装配操作。

所述压装机械手模块包括压装机械手本体和压装手臂，所述压装手臂安装在第二Z轴方向直线精密手臂运动台上，所述压装机械手本体与所述压装手臂连接，所述压装机械手本体用于夹持所述压力工装组件。

本发明提供的多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备具有以下几个方面的有益效果：

本发明提供的多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备，包括设备工作台、微装配在线检测***、微装配输送主轴及托板快换***、微装配机械手及换手***、电气控制及可视化监控***。微装配在线检测***用于对跨尺度复杂多构型微小零部件进行实时在线检测。微装配输送主轴及托板快换***用于实现跨尺度复杂多构型微小零部件的预存储、位置定位、工位转运、提供装配基准、装配完成后的固化存放。微装配机械手及换手***用于实现跨尺度复杂多构型微小零部件的拾取、位姿调整、涂胶操作、装配位置精确定位、零件装配、机械手快换、压装拾取、压装配准放置。电气控制及可视化监控***用于实现对传感器、机械运动轴及相应控制器、驱动器、电源的自动控制和监视。该多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备设计精简、结构优化紧凑、功能完备新颖、运行稳定可靠、装配精度优良，可实现自动化、高标准一致性的跨尺度复杂多构型微小零部件的微装配。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明具体实施例提供的多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备的结构示意图；

图2为本发明具体实施例提供的多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备的微装配在线检测***的结构示意图；

图3为本发明具体实施例提供的多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备的微装配输送主轴及托板快换***的结构示意图；

图4为本发明具体实施例提供的多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备的托板快换模块及换手支架模块的结构示意图；

图5为本发明具体实施例提供的多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备的托板快换模块的分解结构示意图；

图6为本发明具体实施例提供的多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备的微装配机械手及换手***的结构示意图；

图7为本发明具体实施例提供的多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备的装配机械手及快换模块中各个装配机械手的结构示意图；

图8为本发明具体实施例提供的多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备的压装机械手模块的结构示意图。

图标：1微装配在线检测***；2微装配输送主轴及托板快换***；3微装配机械手及换手***；4电气控制及可视化监控***；5设备工作台；11视觉检测模块；12力觉检测模块；13光电检测模块；14重载龙门架；11-1水平视觉检测模块；11-2垂直视觉检测模块；11-11水平方向的显微视觉***；11-12水平变倍镜头；11-13水平CCD相机；11-14水平辅助光源；11-15水平的X轴方向运动轴；11-16水平的Y轴方向运动轴；11-17水平的Z轴方向运动轴；11-21垂直方向的显微视觉***；11-22垂直变倍镜头；11-23垂直CCD相机；11-24垂直辅助光源；11-25垂直的X轴方向运动轴；11-26垂直的Y轴方向运动轴；11-27垂直的第一Z轴方向运动轴；11-28垂直的第二Z轴方向运动轴；32装配机械手及快换模块；13-1共焦位移传感器；13-2固定板；21输送主轴模块；22托板快换模块；23换手支架模块；21-1Y轴方向的直线大程精密输送运动台；21-2θz轴方向的精密旋转台；22-1托板主体；22-2压力工装组件；22-3胶盒模块；22-4零件定位工装；22-5快换模块；22-6快换传气板；22-11预存放位置；22-12压装存放位置；22-13压装基座预存放位置；22-14胶盒存放位置；22-15零件真空负压固定孔位；22-16定位销钉；22-21压装中轴；22-22压装套筒；22-31纯液体胶存放区；22-32圆柱形中空纳米海绵溶胶区；22-33方形纳米海绵溶胶区；22-51托板定位销钉；22-52托板快换主盘；23-1辅助定位槽；23-2换手工位；31多手臂运动模块；32装配机械手及快换模块；33压装机械手模块；31-1Y轴方向的直线大程精密手臂运动台；31-2X轴方向的直线大程精密手臂运动台；31-3第一Z轴方向直线精密手臂运动台；31-4第二Z轴方向直线精密手臂运动台；32-1第一装配机械手；32-2第二装配机械手；32-3第三装配机械手；32-4第四装配机械手；32-5机械手快换主模块；32-6快换力觉转接块；32-7装配手臂；32-11孔形中空真空吸附头；32-12第一装配手主体；32-13第一快换模块；32-21孔形异构网状真空吸附头；32-22第二装配手主体；32-23第二快换模块；32-31微孔形真空吸附头；32-32第三装配手主体；32-33第三快换模块；32-41条形长真空腔吸附头；32-42第四装配手主体；32-43第四快换模块；33-1压装机械手本体；33-2压装手臂；33-11两指手爪；33-12电动加持手；33-4三指压装抓手本体；33-41三指手爪；33-42三指电动加持手；33-43三指压装手臂。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的“第一”、“第二”等，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明具体实施例提供的多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备的一种视角的结构示意图，请参照图1。

本实施例的多传感融合的跨尺度多构型微小零件自动微装配设备，如图1所示，包括微装配在线检测***1、微装配输送主轴及托板快换***2、微装配机械手及换手***3、电气控制及可视化监控***4、设备工作台5。

微装配在线检测***1位于设备工作台5上，用于对跨尺度复杂多构型微小零部件进行实时在线检测。如图2、图6所示，微装配在线检测***1包括：视觉检测模块11、力觉检测模块12、光电检测模块13、重载龙门架14。

如图2所示，视觉检测模块11包括水平视觉检测模块11-1和垂直视觉检测模块11-2。重载龙门架14安装在设备工作台5上，水平视觉检测模块11-1设于重载龙门架14的下侧，垂直视觉检测模块1-2设于重载龙门架14的上侧。

其中，水平视觉检测模块11-1包括一路水平方向的显微视觉***11-11，水平方向的显微视觉***11-11安装在第一定位运动平台上。水平方向的显微视觉***11-11包括水平变倍镜头11-12、水平CCD相机11-13和水平辅助光源11-14，水平方向的显微视觉***11-11采用环形光结合背光源的方式。具体的，第一定位运动平台包括水平的X轴方向运动轴11-15、水平的Y轴方向运动轴11-16、水平的Z轴方向运动轴11-17。水平的X轴方向运动轴11-15安装在设备工作台5上，水平的Y轴方向运动轴11-16安装在水平的X轴方向运动轴11-15上，水平的Z轴方向运动轴11-17安装在水平的Y轴方向运动轴11-16上，在第一定位运动平台的精密定位运动控制下，水平变倍镜头11-12、水平CCD相机11-13和水平辅助光源11-14具有X、Y、Z三轴方向运动的自由度，用于实现所述水平视觉检测模块的自动调焦、平面位置调整以及工位切换。

垂直视觉检测模块11-2整体安装在重载龙门架14上，包括一路垂直方向的显微视觉***11-21，垂直方向的显微视觉***11-21安装在第二定位运动平台上。垂直方向的显微视觉***11-21包括垂直变倍镜头11-22、垂直CCD相机11-23和垂直辅助光源11-24，垂直方向的显微视觉***均采用环形光结合背光源的方式。具体地，第二定位运动平台包括垂直的X轴方向运动轴11-25、垂直的Y轴方向运动轴11-26、垂直的第一Z轴方向运动轴11-27、垂直的第二Z轴方向运动轴11-28。垂直的Y轴方向运动轴11-26安装在重载龙门架14上，垂直的X轴方向运动轴11-25安装在垂直的Y轴方向运动轴11-26上，垂直的第一Z轴方向运动轴11-27和垂直的第二Z轴方向运动轴11-28安装在垂直的X轴方向运动轴11-25上。垂直方向的显微视觉***固定安装在垂直的第一Z轴方向运动轴11-27上，在第二定位运动平台的精密定位运动控制下，垂直变倍镜头11-22、垂直CCD相机11-23和垂直辅助光源11-24具有X、Y、Z三轴方向运动的自由度，用于实现垂直视觉检测模块11-2的自动调焦、平面位置调整以及工位切换。

力觉检测模块12包括一个Z轴方向的微力觉位移传感器。力觉检测模块12安装于装配机械手及快换模块32的执行端，通过Z轴方向反馈力信号实时判断微装配件装配过程中的到位信息，实现在线监测并进行相应的控制。

光电检测模块13包括一个垂直方向的共焦位移传感器13-1。光电检测模块13安装固定在垂直的第二Z轴方向运动轴11-28上，由延长固定板13-2垂直固定，使得光电检测模块13与垂直视觉检测模块11-12共用同一个垂直的X轴方向运动轴11-25和共用同一个垂直的Y轴方向运动轴11-26，这样设置既可保证光电检测模块13和垂直视觉检测模块11-12间位置关系的确定，同时可节省空间高效利用各个运动轴。光电检测模块13通过光源输出头射出一束宽光谱的复色测量光呈白色，光射到物体表面被反射回来并被光谱仪感测到，从而计算出被测零件的距离值，实现对微小零部件的超精细位姿在线检测，保证零部件装配位姿的正确性。

如图3所示，微装配输送主轴及托板快换***2用于实现跨尺度复杂多构型微小零部件的预存储、位置定位、工位转运、提供装配基准、装配完成后的固化存放等功能。微装配输送主轴及托板快换***2包括输送主轴模块21、托板快换模块22、换手支架模块23。输送主轴模块21安装在设备工作台5上。

输送主轴模块21包括一个Y轴方向的直线大程精密输送运动台21-1，一个θz轴方向的精密旋转台21-2，用以实现跨尺度复杂多构型微小零部件的大行程高精度转运输送，以及位置、姿态的精细调整。Y轴方向的直线大程精密输送运动台21-1安装在设备工作台5上，θz轴方向的精密旋转台21-2安装在Y轴方向的直线大程精密输送运动台21-1上，托板快换模块22和换手支架模块23分别安装在θz轴方向的精密旋转台21-2上。

如图3至图5所示，托板快换模块22包括托板主体22-1、压力工装组件22-2、胶盒模块22-3、零件定位工装22-4、快换模块22-5、快换传气板22-6等。其中，托板主体22-1包含多种跨尺度复杂多构型微小零部件预存放位置22-11、压装存放位置22-12、压装基座预存放位置22-13、胶盒存放位置22-14、零件真空负压固定孔位22-15、定位销钉22-16。

具体地，零件定位工装22-4通过与托板主体22-1上的零件定位销钉22-16配合使用，用以实现多种微零件的位置姿态确定，保证每次放置零件的一致性。压力工装组件22-2可以通过压装存放位置22-12，自由快速的安装在托板主体22-1上，实现快速取放目的。压力工装组件22-2包括压装中轴22-21、压装套筒22-22，用于实现微零件的压装固定功能，保证微零件完成装配后的精度稳定性。胶盒模块22-3可以通过胶盒存放位置22-14，自由快速地安装在托板主体22-1上，实现快换目的。

胶盒模块22-3包括纯液体胶存放区22-31、圆柱形中空纳米海绵溶胶区22-32、方形纳米海绵溶胶区22-33，用于实现微零件的涂胶、粘胶功能。快换模块22-5包含托板主体22-1上的四颗托板定位销钉22-51及快换传气板22-6上的四个托板快换主盘22-52组成。快换传气板22-6通过结合快换模块22-5用以实现托板主体22-1的快速安装固定和传气供气功能。

如图4所示，换手支架模块23设有多个换手工位，用于放置和固定多种微装配机械手。换手支架模块23具有专门的辅助定位槽23-1和真空吸附固定功能，可以实现不同的装配手顺利无差别放置于换手工位23-2内，换手工位23-2设有四个位置，可预先存放多个不同种类的机械手，可分别实现快速换手功能。当然，并不仅限于此，换手工位23-2的数量还可以是三个、五个或其它数值，这里不作具体限定。

如图6所示，微装配机械手及换手***3位于设备工作台5上，用于实现跨尺度复杂多构型微小零部件的拾取、位姿调整、涂胶操作、装配位置精确定位、零件装配、机械手快换、压装拾取、压装配准放置等。微装配机械手及换手***3包括多手臂运动模块31、装配机械手及快换模块32、压装机械手模块33。

多手臂运动模块31包括一个Y轴方向的直线大程精密手臂运动台31-1、一个X轴方向的直线大程精密手臂运动台31-2、第一Z轴方向直线精密手臂运动台31-3以及第二Z轴方向直线精密手臂运动台31-4，用以实现操作机械手的大行程高精度运动控制和定位。Y轴方向的直线大程精密手臂运动台31-1安装在设备工作台5上，X轴方向的直线大程精密手臂运动台31-2安装在Y轴方向的直线大程精密手臂运动台31-1上，第一Z轴方向直线精密手臂运动台31-3以及第二Z轴方向直线精密手臂运动台31-4分别安装在X轴方向的直线大程精密手臂运动台31-2上。

如图7所示，装配机械手及快换模块32安装在第一Z轴方向直线精密手臂运动台31-3上，用于实现对被装配对象的操作，通过配合换手支架模块23上的多种机械手实现各个机械手的快速更换，从而实现多种跨尺度复杂多构型微小零部件的拾取、装配等操作。装配机械手及快换模块32包括第一装配机械手32-1、第二装配机械手32-2、第三装配机械手32-3、第四装配机械手32-4、机械手快换主模块32-5、快换力觉转接块32-6、力觉检测模块12、装配手臂32-7。

装配手臂32-7的一端固定安装在第一Z轴方向直线精密手臂运动台31-3上，装配手臂32-7的另一端连接力觉检测模块12，力觉检测模块12与快换力觉转接块32-6连接，快换力觉转接块32-6与机械手快换主模块32-5连接，机械手快换主模块32-5选择性地与第一装配机械手32-1、第二装配机械手32-2、第三装配机械手32-3、第四装配机械手32-4连接。

其中，第一装配机械手32-1包括孔形中空真空吸附头32-11、第一装配手主体32-12、第一快换模块32-13。孔形中空真空吸附头32-11与第一装配手主体32-12连接，第一装配手主体32-12与第一快换模块32-13，第一快换模块32-13与机械手快换主模块32-5连接。

第二装配机械手32-2包括：孔形异构网状真空吸附头32-21、第二装配手主体32-22、第二快换模块32-23。孔形异构网状真空吸附头32-21与第二装配手主体32-22连接，第二装配手主体32-22与第二快换模块32-23连接，第二快换模块32-23与机械手快换主模块32-5连接。

第三装配机械手32-3包括：微孔形真空吸附头32-31、第三装配手主体32-32、第三快换模块32-33。微孔形真空吸附头32-31与第三装配手主体32-32连接，第三装配手主体32-32与第三快换模块32-33连接，第三快换模块32-33与机械手快换主模块32-5连接。

第四装配机械手32-4包括：条形长真空腔吸附头32-41、第四装配手主体32-42、第四快换模块32-43。条形长真空腔吸附头32-41与第四装配手主体32-42连接，第四装配手主体32-42与第四快换模块32-43连接，第四快换模块32-43与机械手快换主模块32-5连接。

如图8所示，压装机械手模块33安装在第二Z轴方向直线精密手臂运动台31-4上，用于实现对压力工装组件22-2的拾取和装配操作，通过配合压力工装组件22-2实现对被装配对象的压装操作。压装机械手模块33包括压装机械手本体33-1和压装手臂33-2。压装手臂33-2安装在第二Z轴方向直线精密手臂运动台31-4上，压装机械手本体33-1与压装手臂33-2连接，压装机械手本体33-1用于夹持、拾取压力工装组件22-2，进行微装配操作。

可选地，压装机械手本体33-1包括两指手爪33-11和电动加持手33-12。电动加持手33-12和压装手臂33-2连接，两指手爪33-11设于电动加持手33-12的端部，两指手爪33-11用于对压力工装组件22-2的拾取和装配操作。

需要说明的是，压装机械手本体33-1包括但不限于两指抓手的方案，还可设计为三指压装抓手本体33-4方案，比如，三指压装抓手本体33-4包括三指手爪33-41、三指电动加持手33-42、三指压装手臂33-43。三指压装手臂33-43安装在第二Z轴方向直线精密手臂运动台31-4上，三指电动加持手33-42与三指压装手臂33-43连接，三指手爪33-41与三指电动加持手33-42连接，三指手爪33-41用于对压力工装组件22-2的拾取和装配操作。

电气控制及可视化监控***4位于设备工作台5旁边，电气控制及可视化监控***4包括工控机控制***、子***驱动器模块、上位机软件操作***，用于实现对各种传感器、机械运动轴及相应控制器、驱动器、电源等的自动控制和监视。

本发明提供的多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备，其工作原理如下：

在开始进行跨尺度复杂多构型微小零件自动微装配前，首先需要通过电气控制及可视化监控***4将设备工作台5上的各个精密运动台依照固定逻辑关系依次归零，完成归零后，将多种跨尺度复杂多构型微小零件放置于微装配输送主轴及托板快换***2的托板快换模块22上，根据不同的微零件形状，放置在不同的预存放位置22-11上。托板快换模块22可以进行自由的更换、固定。微装配在线检测***1会根据零件放置的位置对零件进行位置和姿态的检测，在微装配在线检测***1的多传感器的引导下，微装配机械手及换手***3中的装配手臂32-7根据待装配微零件的形状大小自动的选择相应的微装配机械手，通过机械手快换主模块32-5完成机械手的快速更换和固定。完成微装配机械手的更换后，多手臂运动模块31将微装配机械手运动至待装配微零件预存放位置22-11，通过真空吸附的方式对微零件进行无损、高效的拾取、转运、涂胶、配准、装配。通过以上多个机械手对不同微零件的装配操作，实现多个跨尺度复杂多构型微小零件的自动微装配。

由于微零件或微零件组件之间通过特殊胶液粘接固定，在其胶液固化过程中会发生一定的形变，故通过设计具有针对性的特殊压力工装组件22-2，能对装配好的组件进行压装操作，采用压装机械手模块33对压力工装组件22-2进行自动的拾取、配准、装配，实现高精度的压装。装配好的微零件组件可随着托板快换模块22一起从设备上快速取下来，转移至固化存放区，当固化时间达到后可取出装配成品件。

综上所述，本发明提供的多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备具有以下几个方面的有益效果：

本发明提供的多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备，可解决尺寸范围从亚微米级到分米级不等的多种微零件同时装配问题，零件材质包含金属、工程塑料、粉末合成材料等；结构形状涉及到圆柱体、半球形、薄型圆片、长条形薄片以及不规则形体。装配精度优于5μm，实现了高精度、高度一致性和高效微装配的目的，解决了目前跨尺度复杂多构型微装配技术难题，可有效代替手工装配作业。该多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备设计精简、结构优化紧凑、功能完备新颖、运行稳定可靠、装配精度优良，可实现自动化、高标准一致性的跨尺度复杂多构型微小零部件的微装配。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改、组合和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备，其特征在于，包括设备工作台（5）和安装在所述设备工作台（5）上的微装配在线检测***（1）、微装配输送主轴及托板快换***（2）、微装配机械手及换手***（3）、电气控制及可视化监控***（4）、第二定位运动平台；

所述微装配在线检测***（1）包括视觉检测模块（11）、力觉检测模块（12）、光电检测模块（13）；所述微装配在线检测***（1）用于对跨尺度复杂多构型微小零部件进行实时在线检测；

所述视觉检测模块（11）包括水平视觉检测模块（11-1）和垂直视觉检测模块（11-2）；所述光电检测模块（13）包括一个垂直方向的共焦位移传感器（13-1）；第二定位运动平台包括平行设置的第一Z轴方向运动轴（11-27）和第二Z轴方向运动轴（11-28），垂直视觉检测模块（11-2）安装在所述第一Z轴方向运动轴（11-27）上，所述光电检测模块（13）通过固定板（13-2）固定安装在所述第二Z轴方向运动轴（11-28）上；所述光电检测模块（13）与所述垂直视觉检测模块（11-2）共用同一个X轴方向的运动轴和同一个Y轴方向的运动轴；

光电检测模块（13）通过光源输出头射出一束宽光谱的复色测量光呈白色，光射到物体表面被反射回来并被光谱仪感测到，从而计算出光源输出头与被测零件的距离值，实现对微小零部件的超精细位姿在线检测，保证零部件装配位姿的正确性；

所述微装配输送主轴及托板快换***（2）包括输送主轴模块（21）、托板快换模块（22）、换手支架模块（23）；输送主轴模块安装在所述设备工作台（5）上，所述托板快换模块（22）和所述换手支架模块（23）均安装在所述输送主轴模块（21）上；所述微装配输送主轴及托板快换***（2）用于实现所述跨尺度复杂多构型微小零部件的预存储、位置定位、工位转运、提供装配基准、装配完成后的固化存放；

所述托板快换模块（22）包括托板主体（22-1）、压力工装组件（22-2）、胶盒模块（22-3）、零件定位工装（22-4）、快换模块（22-5）、快换传气板（22-6）；所述托板主体（22-1）包括多种跨尺度复杂多构型微小零部件预存放位置（22-11）、压装存放位置（22-12）、压装基座预存放位置（22-13）、胶盒存放位置（22-14）、零件真空负压固定孔位（22-15）、定位销钉（22-16）；所述零件定位工装（22-4）通过与所述托板主体（22-1）上的零件定位销钉（22-16）配合使用，用以实现多种跨尺度复杂多构型微小零部件的位置姿态确定，保证每次放置零件的一致性；所述压力工装组件（22-2）包括压装中轴（22-21）、压装套筒（22-22），压装套筒（22-22）设于所述压装存放位置（22-12），用于实现多种跨尺度复杂多构型微小零部件的压装固定功能，保证微零件完成装配后的精度稳定性；所述胶盒模块（22-3）设于所述胶盒存放位置（22-14），用于实现多种跨尺度复杂多构型微小零部件的涂胶、粘胶功能；所述快换模块（22-5）包括所述托板主体（22-1）上的托板定位销钉（22-51）、所述快换传气板（22-6）上的托板快换主盘（22-52）；所述快换传气板（22-6）通过结合所述快换模块（22-5），以实现所述托板主体（22-1）的快速安装固定和传气供气功能；

所述微装配机械手及换手***（3）包括多手臂运动模块（31）、装配机械手及快换模块（32）、压装机械手模块（33）；所述装配机械手及快换模块（32）和所述压装机械手模块（33）分别安装在所述多手臂运动模块（31）上；所述微装配机械手及换手***（3）用于实现所述跨尺度复杂多构型微小零部件的拾取、位姿调整、涂胶操作、装配位置精确定位、零件装配、机械手快换、压装拾取、压装配准放置；

所述电气控制及可视化监控***（4）包括工控机控制***、子***驱动器模块、上位机软件操作***；所述电气控制及可视化监控***（4）用于实现对传感器、机械运动轴及相应控制器、驱动器、电源的自动控制和监视。

2.根据权利要求1所述的多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备，其特征在于，所述微装配在线检测***（1）还包括重载龙门架（14），所述重载龙门架（14）安装在所述设备工作台（5）上，所述水平视觉检测模块（11-1）设于所述重载龙门架（14）的下侧，所述垂直视觉检测模块（11-2）设于所述重载龙门架（14）的上侧；

所述水平视觉检测模块（11-1）包括一路水平方向的显微视觉***（11-11），所述水平方向的显微视觉***（11-11）安装在第一定位运动平台上；所述水平方向的显微视觉***（11-11）包括水平变倍镜头（11-12）、水平CCD相机（11-13）和水平辅助光源（11-14）；所述第一定位运动平台具有X、Y、Z三轴方向运动的自由度，用于实现所述水平视觉检测模块（11-1）的自动调焦、平面位置调整以及工位切换；

所述垂直视觉检测模块（11-2）包括一路垂直方向的显微视觉***（11-21），所述垂直方向的显微视觉***（11-21）安装在第二定位运动平台上；所述垂直方向的显微视觉***（11-21）包括垂直变倍镜头（11-22）、垂直CCD相机（11-23）和垂直辅助光源（11-24）；所述第二定位运动平台具有X、Y、Z三轴方向运动的自由度，用于实现所述垂直视觉检测模块（11-2）的自动调焦、平面位置调整以及工位切换。

3.根据权利要求2所述的多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备，其特征在于，所述力觉检测模块（12）包括一个Z轴方向的微力觉位移传感器；所述力觉检测模块（12）安装于所述装配机械手及快换模块（32）的执行端，通过Z轴方向反馈力信号实时判断微装配件装配过程中的到位信息。

4.根据权利要求1所述的多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备，其特征在于，所述输送主轴模块（21）包括一个Y轴方向的直线精密输送运动台（21-1）、一个θ_z轴方向的精密旋转台（21-2），所述Y轴方向的直线精密输送运动台（21-1）安装在所述设备工作台（5）上，所述θ_z轴方向的精密旋转台（21-2）安装在所述Y轴方向的直线精密输送运动台（21-1）上，所述托板快换模块（22）和所述换手支架模块（23）安装在所述θ_z轴方向的精密旋转台（21-2）上；所述输送主轴模块（21）用以实现跨尺度复杂多构型微小零部件的转运输送，以及位置、姿态的精细调整。

5.根据权利要求4所述的多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备，其特征在于，所述换手支架模块（23）设有多个换手工位（23-2），多个所述换手工位（23-2）用于放置和固定多种微装配机械手；所述换手支架模块（23）具有专门的辅助定位槽（23-1）和真空吸附固定功能，以实现不同的所述微装配机械手顺利无差别放置于所述换手工位（23-2）内。

6.根据权利要求1所述的多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备，其特征在于，所述多手臂运动模块（31）包括一个Y轴方向的直线精密手臂运动台（31-1）、一个X轴方向的直线精密手臂运动台（31-2）、第一Z轴方向直线精密手臂运动台（31-3）以及第二Z轴方向直线精密手臂运动台（31-4）；

所述Y轴方向的直线精密手臂运动台（31-1）安装在所述设备工作台（5）上，所述X轴方向的直线精密手臂运动台（31-2）安装在所述Y轴方向的直线精密手臂运动台（31-1）上，所述第一Z轴方向直线精密手臂运动台（31-3）以及所述第二Z轴方向直线精密手臂运动台（31-4）均安装在所述X轴方向的直线精密手臂运动台（31-2）上；所述多手臂运动模块（31）用以实现操作机械手的运动控制和定位。

7.根据权利要求6所述的多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备，其特征在于，所述装配机械手及快换模块（32）安装在所述第一Z轴方向直线精密手臂运动台（31-3）上，所述装配机械手及快换模块（32）包括第一装配机械手（32-1）、第二装配机械手（32-2）、第三装配机械手（32-3）、第四装配机械手（32-4）、机械手快换主模块（32-5）、快换力觉转接块（32-6）、装配手臂（32-7）；

所述装配手臂（32-7）的一端固定安装在所述第一Z轴方向直线精密手臂运动台（31-3）上，所述装配手臂（32-7）的另一端连接所述力觉检测模块（12），所述力觉检测模块（12）与所述快换力觉转接块（32-6）连接，所述快换力觉转接块（32-6）与所述机械手快换主模块（32-5）连接，所述机械手快换主模块（32-5）选择性地与所述第一装配机械手（32-1）、所述第二装配机械手（32-2）、所述第三装配机械手（32-3）、所述第四装配机械手（32-4）连接。

8.根据权利要求6所述的多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备，其特征在于，所述压装机械手模块（33）安装在所述第二Z轴方向直线精密手臂运动台（31-4）上，用于实现对所述压力工装组件（22-2）的拾取和装配操作；

所述压装机械手模块（33）包括压装机械手本体（33-1）和压装手臂（33-2），所述压装手臂（33-2）安装在第二Z轴方向直线精密手臂运动台（31-4）上，所述压装机械手本体（33-1）与所述压装手臂（33-2）连接，所述压装机械手本体（33-1）用于夹持所述压力工装组件（22-2）。