面向微裝配的真空吸附控制系統(tǒng)研究

張嘉易，王永杰，郝永平，劉周林

(沈陽理工大學(xué)遼寧省先進制造與裝備重點實驗室，遼寧沈陽110159)

目前，MEMS技術(shù)在醫(yī)學(xué)、航空、航天及武器裝備等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。微裝配是實現(xiàn)MEMS器件封裝的關(guān)鍵技術(shù)，隨著MEMS技術(shù)的不斷深入發(fā)展，出現(xiàn)了很多形狀復(fù)雜，呈薄壁狀，表面平整等特征的微小零件［1］。近幾年，為了實現(xiàn)此類零件的裝配控制，不少科研機構(gòu)或院校也進行了大量的研究。如:采用真空吸附驅(qū)動方式，在視覺系統(tǒng)引導(dǎo)和視覺伺服控制下，可實現(xiàn)對亞毫米級微零件的自動吸取和釋放操作［2］;采用高度集成的ADμC812作為真空微夾底層控制單元的核心，提高了系統(tǒng)的控制精度和動態(tài)特性，滿足了微操作機器人真空微夾作業(yè)的需要［3］;基于宏微結(jié)合的設(shè)計思想，設(shè)計了一種組合式微夾持器結(jié)構(gòu)，開發(fā)了微夾持器宏微控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了微位移閉環(huán)控制［4］;研制了應(yīng)用于微靶裝配的顯微視覺檢測系統(tǒng)，能有效、快速、準(zhǔn)確地對靶零件進行幾何特征和實時位置檢測，其檢測精度小于等于3 μm，適用于ICF微靶等微型器件的微裝配［5］。這些研究對于微小零件的裝配控制技術(shù)的實用化具有現(xiàn)實意義。

在微小零件的裝配過程中，黏附力取代重力起主要作用。因此，對微夾持器末端輸出壓力的精確控制就顯的至關(guān)重要，壓力過大會造成微小零件損壞，過小會影響裝配精度。為此設(shè)計了一套真空吸附控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)軟件操作界面簡單，執(zhí)行效率高、實時性好，可以很好地控制微夾持器末端輸出壓力的大小，消除黏附力帶來的影響。結(jié)合實驗室現(xiàn)有的精密位移臺、微夾持器、CCD工業(yè)相機，利用該控制系統(tǒng)很好地完成了微小零件的裝配。

1 系統(tǒng)的硬件組成

硬件的選取對于整個系統(tǒng)的構(gòu)建來說也是至關(guān)重要的。一套完整的真空吸附控制硬件系統(tǒng)應(yīng)該由氣源的提供和傳輸裝置、真空產(chǎn)生裝置、工作壓力調(diào)節(jié)裝置、信號調(diào)節(jié)和采集裝置、A/D轉(zhuǎn)換裝置等組成。具體包括:SMC公司的氣動元件［6］、氣泵、儲氣罐、吸附式微夾持器、吸附臺、精密位移臺、CCD工業(yè)相機、北京阿爾泰公司的USB2831數(shù)據(jù)采集卡和信號調(diào)理模塊。圖1為系統(tǒng)硬件的組建框架圖。

圖1 系統(tǒng)硬件組建框架圖

從圖1可以看出在整個的硬件組成中，數(shù)據(jù)采集卡是連接上層工控機和底層硬件的樞紐，其在整個系統(tǒng)中的功能為:

(1)與工控機進行信息的互換，銜接上層工控機和底層硬件的通信。

(2)借助模擬信號調(diào)理模塊，調(diào)節(jié)整個氣動裝置的輸出壓力，使輸出壓力滿足要求。

(3)通過開關(guān)信號調(diào)理模塊控制整個氣動裝置中被控電磁閥的通斷，實現(xiàn)末端吸附式夾持器負(fù)壓吸附、正壓釋放，完成裝配。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

利用Visual C++6.0作為開發(fā)工具完成控制系統(tǒng)軟件設(shè)計，采用基于動態(tài)鏈接庫和Visual C++的MFC應(yīng)用程序框架編程方法，利用數(shù)據(jù)采集卡開發(fā)了控制系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件操作界面簡單，執(zhí)行效率高、實時性好?？傮w操作界面如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件操作界面

在系統(tǒng)軟件設(shè)計過程中采用了模塊化思想，對于一個軟件控制系統(tǒng)，分層模型的提出有助于各模塊之間的通訊和移植，使復(fù)雜問題變得結(jié)構(gòu)清晰、層次分明，可構(gòu)造出結(jié)構(gòu)清晰、適應(yīng)性強的軟件產(chǎn)品［7］。這里將系統(tǒng)軟件層分為3個層，包括界面層、數(shù)據(jù)層、邏輯層。軟件系統(tǒng)的架構(gòu)組成如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 系統(tǒng)軟件的開發(fā)方法

對數(shù)據(jù)采集卡進行應(yīng)用軟件的開發(fā)，采用了通用的開發(fā)環(huán)境，調(diào)用了數(shù)據(jù)采集卡自身提供的標(biāo)準(zhǔn)DLL文件和第三方制作的ActiveX控件。采用這種方法可以在一定程度上降低程序的開發(fā)難度，提高靈活性和程序移植性。下面是USB2831數(shù)據(jù)采集卡提供的DLL中的幾個關(guān)鍵函數(shù)。

(1)CreateDevice()函數(shù)。創(chuàng)建一個設(shè)備對象句柄hDevice，就擁有了該設(shè)備的控制權(quán)，將此句柄作為參數(shù)傳給其它函數(shù)。

(2)SetDeviceDO()函數(shù)。實現(xiàn)開關(guān)量的輸出操作，輸出狀態(tài)由其bDOSts［16］中的相應(yīng)元素決定。

(3)GetDeviceDI()函數(shù)。實現(xiàn)開關(guān)量的輸入操作，輸入狀態(tài)由其bDISts［16］中的相應(yīng)的元素決定。

(4)InitDeviceAD()函數(shù)。負(fù)責(zé)初始化設(shè)備對象中的AD部件，啟動AD設(shè)備，開始AD采集，接著連續(xù)調(diào)用ReadDevice()函數(shù)讀取AD數(shù)據(jù)，實現(xiàn)連續(xù)采集。

(5)ResetDevice()函數(shù)。復(fù)位USB設(shè)備。

(6)ReleaseDevice()函數(shù)。關(guān)閉設(shè)備，且釋放設(shè)備對象所占的系統(tǒng)的資源和設(shè)備自身。

2.2 系統(tǒng)軟件控制流程

在控制軟件程序的編寫過程中，首先應(yīng)該調(diào)用CreateDevice()函數(shù)，創(chuàng)建設(shè)備的句柄hDevice，就相當(dāng)于擁有了該設(shè)備的控制權(quán)，使得工控機與數(shù)據(jù)采集卡建立通信連接;然后對采集卡初始化，調(diào)用Init-DeviceAD()函數(shù)，負(fù)責(zé)初始化設(shè)備對象中的AD部件，啟動AD設(shè)備，開始AD采集，接著連續(xù)調(diào)用ReadDevice()函數(shù)讀取AD數(shù)據(jù)，實現(xiàn)連續(xù)采集;若數(shù)據(jù)讀取完成，調(diào)用ReleaseDevice()函數(shù)，關(guān)閉設(shè)備，且釋放設(shè)備對象所占的系統(tǒng)的資源和設(shè)備自身。系統(tǒng)軟件控制流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件控制流程圖

2.3 軟件的實時性分析

為了使控制系統(tǒng)軟件具有良好的程序響應(yīng)和實時性，采用了多線程技術(shù)。如果用一個主線程來處理各模塊的數(shù)據(jù)通信，那么主界面很可能被凍結(jié)。要使硬件的性能充分發(fā)揮就很困難了，無法獲得最佳的使用率。在實際應(yīng)用中，一般以主線程處理所有的用戶輸入和界面管理，讓其保持中樞的地位，使用一個以上的輔助線程來進行耗時計算處理或端口通信［8］。因此，應(yīng)用了4個線程。在線程的同步方面，采用臨界區(qū)域法，保證了線程間的通信和數(shù)據(jù)共享。表1所示為控制軟件的線程分布情況。

表1 控制系統(tǒng)軟件線程分配表

3 氣路輸出壓力調(diào)節(jié)原理

氣路輸出壓力的大小，直接影響著微小零件的裝配。壓力大，容易造成微小零件的損壞;壓力小，會影響裝配精度。因此，精確控制輸出壓力的大小對微小零件的裝配是非常重要的。

在該控制系統(tǒng)中，采用了基于閉環(huán)控制的線性電氣比例閥和壓力傳感器來控制和檢測氣路中的壓力，并將之作為反饋信號，經(jīng)模擬信號調(diào)理模塊的調(diào)理和數(shù)據(jù)采集卡采集及A/D轉(zhuǎn)換傳遞給工控機，工控機通過數(shù)據(jù)采集卡的DA通道給出電壓信號，進行閉環(huán)校準(zhǔn)以獲得滿意的壓力調(diào)節(jié)效果，提高整個控制系統(tǒng)的控制精度。一般來講，輸入電壓和輸出壓力是線性關(guān)系，可以通過線性回歸得出二者關(guān)系。閉環(huán)控制壓力調(diào)節(jié)原理如圖5所示。

圖5 閉環(huán)控制壓力調(diào)節(jié)原理圖

4 裝配實驗

基于以上已構(gòu)建的硬件和軟件系統(tǒng)，針對5個不同形狀的微小零件進行了裝配。零件外形尺寸為900～5 000 μm，零件的材質(zhì)為鋁合金，零件均為平板類零件。最小直徑尺寸為750 μm，最大直徑尺寸為2 000 μm，最小線性尺寸為900 μm，最大線性尺寸為5 000 μm，板厚為300 μm。裝配精度要求零件中心相對于孔位誤差小于等于6 μm。圖6為零件三維模型圖，并對零件和相對應(yīng)的孔位進行了編號。

圖6 零件三維模型圖

在裝配過程中，借助了已有的精密位移臺和CCD工業(yè)相機。首先把基體3吸附到吸附臺上的裝配區(qū)域，并保證基體3與工作臺緊密接觸和位姿保持不變，便于后續(xù)待裝配零件的裝配。裝配流程分為吸附、定位、對接、釋放，在人為的干預(yù)下完成了微小零件的裝配。圖7為各個零件吸附示意圖。圖8為裝配完畢的實物圖。

圖7 零件吸附示意圖

圖8 實物裝配圖

總共進行了5組的裝配試驗，將5組裝配測量數(shù)據(jù)，經(jīng)四舍五入求取平均值。整理得表2所示。

表2 裝配精度測量數(shù)據(jù)

從表1數(shù)據(jù)可以看出，最高裝配精度可達4.9 μm，可以達到實際的精度要求，滿足生產(chǎn)的使用需求。面向微裝配的真空吸附控制系統(tǒng)具有較強的實用性，控制軟件操作簡單可靠，有效的保證了微小零件的裝配精度和產(chǎn)品合格率。

5 結(jié)束語

隨著MEMS技術(shù)的不斷深入發(fā)展，出現(xiàn)了很多形狀復(fù)雜、呈平板狀、表面平整的微小零件，這些零件一般采用真空吸附進行夾持。為此設(shè)計了一套真空吸附控制系統(tǒng)，可以精確控制輸出壓力的大小。通過對5個不同形狀微小零件的吸附、釋放、裝配等操作，驗證了系統(tǒng)搭建的可行性和控制軟件操作簡單可靠，具有較強的實用性。最高裝配精度測量可達到4.9 μm，可以滿足實際精度要求，有效地保證了微小零件的裝配精度和生產(chǎn)使用需求。

【1】康曉陽，田鴻昌，李德昌．微裝配與 MEMS仿真導(dǎo)論［M］．西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2011．

【2】黃心漢，劉暢，王敏．一種全自動真空吸附式微夾持器［J］．智能技術(shù)學(xué)報，2011，3(2):36 －43．

【3】陳國良，黃心漢，王敏．基于ADμC812的微操作機械手真空微夾控制單元研究［J］．自動化與儀表，2005(2):45－47．

【4】陳立國，榮偉彬，孫立寧．面向微操作的組合式微夾持器［J］．哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，38(6):862 －864．

【5】吳文榮，吳倩，黃燕華．應(yīng)用于微靶裝配的顯微視覺檢測技術(shù)［J］．中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)，2008，1(2):75 －79．

【6】SMC(中國)有限公司．SMC氣動元件［Z］．日本:SMC株式會社，2009．

【7】王江哲，周瑩新，艾波．電信軟件設(shè)計中的分層、分離原則的研究［J］．軟件學(xué)報，1998，9(7):542 －543．

【8】BEVERIDE J，WIENER R．Multithreading Applications in Win32［M］．Addison-Wesley Developers Press，1997．