微型靶标的半自动装配系统设计

　　0　引言

　　由于微型器件的体积在微纳米的数量级,装配精度与稳定性要求又很高,其固定、移动及精密定位都具有相当的难度。本文设计了一种微型靶标半自动装配系统,该系统在装配前的调整动作由手动完成,而装配过程由计算机控制自动完成。

　　1　微靶半自动装配系统的组成

　　图1给出了激光打靶的专用微型靶标结构,它由一个靶球和两个半圆柱组成,其中靶球的直径范围为200~400μm,两半圆柱的半径约为0.4mm,高度为1.6mm。装配在一起时,要求两半圆柱的平面平行度误差不超过3μm,小球中心与两个半圆柱中心位置在两个方向的偏差均不超过3μm,两半圆柱体紧密靠住靶球。由于装配精度要求很高,而且靶球的材质脆弱,定位和装卡困　　难,所以整体装配难度很大。

　　微靶半自动装配系统组成如图2所示。照明及光学准直系统保证靶标得到充分地照明,以使CCD(电荷耦合器件)在线检测器的接受面上得到

　　足够的照度。靶标经过显微镜放大成像,其像面与CCD感光面相重合,形成视频信号,经图像采集卡输入计算机,进行数据处理及控制信号输出。控制信号通过单片机控制驱动电路使微动机构动作,送靶机构的真空吸头将靶球送到合适的位置,夹持器也采用真空吸附的方法,可以方便地固定和松开靶标的两个半圆柱,且固定力容易控制,避免夹持力集中对半圆柱产生破坏。微动机构带动夹持器使两半圆柱紧密靠住靶球,完成装配。

　　CCD传感器实时监测目标,形成具有反馈的高精度装配系统。微动机构包含粗调和微调两个部分,粗调靠电动平移台来实现,微调采用压电陶瓷微机械手来实现。

　　2装配系统的机构设计

　　为了得到高的装配精度,本着装配自由度越少越好的原则,设计了系统的机械结构,如图3所示。

　　在精密平面导轨上有两个可以滑动的滑块,在每个滑块上有一个凹半球面,两个夹持器分别通过凸半球面与之配合,并用螺钉紧固在滑块上。两个夹持器内部都有气路,与外部的气泵相连。夹持器前端圆弧的半径与半圆柱的半径相等,弦长小于直径,下面有一个定位平台,具有定位半圆柱的作用。外部气泵将夹持器内部抽成真空时,可以牢牢地吸住半圆柱。夹持器2固定之后,用直径为0.8mm的长圆柱棒进行远端调节,调整夹持器1的3个微调螺钉使其与夹持器2同高且端面平行,两圆弧的中心都在X轴上,误差不超过1μm。

　　在靶标的侧面和下面分别放置一个CCD传感器对装配过程进行实时监测,在导轨上留有一个直径为5mm的圆形孔,使下面的CCD传感器可以照到测量目标。一个有固定旋转角度的转盘上面连接着一个带有真空吸头的微机械手和一个精度很高的标准量块。标准量块和真空吸头之间的夹角为20°,真空吸头处于垂直方向上。两个半圆柱分别放置在夹持器上后,将转盘逆时针旋转110°,标准量块处于两个半圆柱中间位置,微动机构驱动半圆柱相互靠近直到紧密地靠在标准量块上,气泵将夹持器抽成真空以固定两个半圆柱。将靶球固定在真空吸头上,再将转盘顺时针旋转20°,真空吸头处于两个半圆柱在Z轴上的中心位置。以最大直径400μm的靶球为基准,设计送靶机构的微机械手的长度,使靶球的中心在Y轴的零点上。由于靶标的尺寸分布在200~400μm之间,所以靶球的中心距离半圆柱的中心总会有一些偏差,最大可以达到100μm。调整好各个微型零件的位置后即可进行装配。整个装配系统共有3套微动装置,分别控制夹持器1、夹持器2在X轴方向上的平动和靶球在Y轴方向上的平动。每个微动装置包括电动平移台和压电陶瓷微机械手。送靶的微动机构在Y方向上移动靶球到合适位置,与夹持器相连的微动机构驱动　两半圆柱向靶球靠近直到误差小于3μm时点胶固定。