微装配技术在微机电引信中的应用综述

张 辉，王辅辅，娄文忠，郭旭红

（1.北京理工大学机械与车辆学院，北京100081；2.北京理工大学机电学院，北京100081；3.淮海工业集团有限公司MEMS研究中心，山西 长治046000）

0 引言

随着信息化战争的发展，弹药必须具备精确打击、高效毁伤的能力，引信作为弹药的 “大脑”，其微型化、智能化、灵巧化成为必然趋势［1］。传统引信技术已经难以满足引信技术的发展，而与微机电系统相结合的MEMS引信具有体积小、重量轻、功能丰富以及批量生产成本低等特点，可满足现代引信技术发展需求［2］。

近年来MEMS引信的研究主要集中在发火控制电路、MEMS安全机构、火工品和电源四个方面。国内外对MEMS引信进行了广泛深入的研究，尤其是美国，更是处于研究的前列。随着研究的进一步深入，MEMS引信的生产问题摆在人们面前，MEMS引信的微装配问题成为其生产过程中必须要解决的一项关键技术。

本文针对此问题，查阅了国内外大量MEMS引信、微装配技术以及MEMS引信微装配的资料，并基于MEMS引信的发展现状，分析了微装配应用在MEMS引信中的必要性，结合微装配技术的发展现状，对微装配技术在MEMS引信中应用以及发展趋势进行了深入探讨，为相关研究人员提供参考。

1 MEMS引信中微装配的必要性

在2007年美国亚特兰大乔治亚技术研究院（GTRI）和海军水面作战中心提出了一款新型的MEMS引信如图1所示，该MEMS引信主要由底部的微型雷管和顶部的MEMS安全系统组成，MEMS安全系统包括后座保险、指令锁、隔爆滑块和起爆器等部件。Robinsin C.H.在2012年的一篇专利［3］中提出一款MEMS引信如图2所示，将发火控制电路，MEMS安全系统和微火工品集成在一起。

图1 海军水面作战中心提出的MEMS引信Fig.1 MEMS fuze proposed by Naval Surface Warfare Center

因此典型MEMS引信进行装配包括以下四项工序：一是微机械零部件的装配；二是发火控制电路组件的装配；三是微型火工系统的装配；四是MEMS引信系统级装配。因此必须借助自动微装配系统代替手工装配，其原因在于：

1）MEMS引信中零部件几何尺度跨度大，结构复杂，尺度从微米级到毫米级变化，传统的手工装配理论及方法难以实现。

2）MEMS引信中零部件如 MEMS平面微弹簧、薄板及微尺度轴等，尺寸微小，随着三维尺寸的减小，操作对象变得更轻、更有弹性、更容易损坏，结构刚度也相应降低。

3）MEMS引信中带有敏感度较高的微型火工品，高精度的微力传感控制模块必不可少。

4）MEMS引信中安全系统等零部件形状复杂，操作困难，必须采用视觉反馈的方法指导MEMS引信装配的进行。

5）MEMS引信中的各个零部件尺寸微小，在宏观条件下起主导作用的重力、惯性力等退居次要地位，而附着力、表面张力、静电力、范德华力甚至光辐射等起到了主要作用，因此，在进行MEMS引信的装配时，需要研制与之相匹配的微夹持器。

综上所述，对于MEMS引信，目前的手工装配方式远远不能达到其技术要求；此外手工装配不能对MEMS零件进行高精度的测量，难以保证MEMS引信的精度和合格性要求。采用自动微装配技术不仅可以满足MEMS引信装配和自动检测需求，还能大幅提高生产效率，降低成本，MEMS引信采用微装配技术势在必行。

2 微装配技术的发展现状

微装配主要指对亚毫米级尺寸（通常在几微米到几百微米之间）的零件进行装配。其发展过程经历了完全手工装配、半自动化装配、自动化多功能微型装配和微机械手的装配等阶段。近年来，越来越多的学者把注意力放在了自动微装配系统的研究上。

对比传统的宏观装配，微装配的精度和公差要小几个数量级，同时，伴随着对象尺寸的减小，原本在宏观装配中可以忽略的范德华力等表面力成为影响微装配精度乃至装配基本功能的主要因素。

由于微装配具有与宏观装配不同的特殊性，所以微装配具有一些特殊的功能：宏微结合的定位方式，满足大运动行程和高精度定位的要求；显微视觉系统，完成器件的识别和定位，并作为整个系统的反馈；多自由度操作手，实现灵活操作；微力传感功能模块，避免器件损坏，并在装配策略中发挥重要作用；微作业工具，保证器件的搬运和安全操作；自动化的操作方式，实现微装配的批量化［4］。

鉴于微装配技术的需求和广阔的发展前景，美国、日本以及欧洲一些国家纷纷投入巨资开展研究，且取得了一系列成果。美国海军研究中心和DAPRA等共同资助美国Sandia国家实验室以及Minnesota大学开展微装配方面的研究。德国Karlsruhe大学设计了桌面微装配系统，如图3所示，系统中各个微型操作手能够协调工作，共同完成对MEMS器件的抓取、运输、定位、校准、夹紧等装配作业。瑞士ETH Zurich大学设计的微装配系统（如图4），该系统由基于CAD模型的多显微镜视觉跟踪系统以及操作平台组成。通过多显微镜视觉跟踪系统，可以避免微器件操作环节中的阴影以及碰撞问题，并且实现了微生物医学器件的精确装配［5］。

图3 德国Karlsruhe大学的桌面微操作系统Fig.3 Desktop micro－operating system of Karlsruhe University

图4 瑞士ETH Zurich大学设计的微装配系统Fig.4 Micro－assembly system designed by University of ETH Zurich

虽然微装配系统在医学、消费电子生产中得以应用，但在我国仍处于起步阶段，多数微装配技术的研究机构还仅处于关键技术攻关阶段，重点集中在微构件的设计和工艺研究上。

3 MEMS引信微装配技术发展现状

目前，我国在MEMS引信微装配方面的研究处于初级阶段，由于国外对MEMS引信的研究较早，已经有相应的基于机器视觉的自动微装配系统用于生产和装配，主要实现MEMS引信安全系统、引信电源的自动装配。

3.1 国外MEMS引信微装配技术发展现状

美国2006年6月设计并制造了一套自动微装配系统（MVAM），如图5所示。该系统的研发目的是用于25mm口径微引信安全系统装配，并实现装配的高精度和高生产率。该系统于当年通过了演示验证。

图5 MEMS引信安全系统自动装配装置Fig.5 Automatic assembly equipment of MEMS Safety and Arming device

该系统在进行微引信安全系统的自动装配过程中，在装配前和装配后都利用显微立体视觉技术对零件进行实时微检测，以对所有零件进行测量及数据储存管理，实现100%的零件检测。系统在片内的运动速度为1m／s，轴向重复度为±3σ，三个轴上的分辨力为1μm，同时，该系统主要用微夹持器对微零件进行微操作，与之搭配的是一个可编程控制平台，可以对微夹持器上的力进行测量及施加，可以控制0.1～50N的力。使用该系统可以达到每小时完成100套MEMS引信安全系统的装配目标，而手工装配每个安全系统则耗时1h以上［6］。

3.2 国内MEMS引信微装配技术发展现状

随着国内对MEMS引信的研究的深入，我国目前部分院校及科研院所已经逐步开展了对MEMS引信中某些关键部分的微装配，并且也有了长足进步。

北京理工大学机械与车辆学院张之敬教授针对MEMS引信安保机构研究出十二自由度宏微结合微装配系统（如图6），系统包括显微立体视觉分系统、精密承载工作台分系统、多尺度微夹持分系统、位姿控制与检测分系统。通过实验证明能够实现薄板、MEMS平面弹簧以及轴类零件的三维装配［7］。

图6 北京理工大学十二自由度宏微结合微装配系统Fig.6 Micro－assembly system designed by Beijing Institute of Technology

国内部分研究机构已经开展了微装配技术的研究，清华大学研究的基于光学显微系统的微装配系统，系统主要包括显微立体视系统、精密承载工作台系统、微夹持器以其控制驱动系统，并通过实验证明该系统能实现微孔／轴的三维装配。上海交通大学研制了毫米级全方位移动机器人及其微装配系统。该系统由微移动平台、微机器人和显微摄像头组成。微机器人与微动平台相互结合，可实现小于0.8°的转向精度和40μm的定位精度。通过实验证明，该系统可以顺利地将直径0.6mm的宝石轴承套在直径0.35 mm的轴上。哈尔滨工业大学研制了用于MEMS传感器批量制造的微装配系统，该系统包括柔性操作手、视觉定位系统、移动平台、加热驱动器、夹具和附属装置，通过更换微夹钳，更改显微的倍数等，就可以建立适合一系列的微传感器的装配任务。国内其他从事微装配系统研究的单位还有大连理工大学、南开大学、北京航空航天大学等，在全系统的微装配系统原理样机及关键技术研究等方面取得了一些成果。

4 MEMS引信微装配技术发展趋势

基于目前国内外对MEMS引信微装配技术迫切需求，以及国内外在微装配技术方面的技术积累，MEMS引信微装配技术有以下几方面的发展趋势。

1）实时在线检测

MEMS引信微装配可靠性的前提是引信MEMS结构件的合格，传统以人工检测为主，微系统检测技术发展可以提高MEMS结构件检测效率和合格率，将微系统检测技术与微装配技术结合是未来微装配技术发展的趋势，不但可以减少运输途中对零件的损坏，而且还可以与生产流程紧密结合，提高微装配的自动化水平和生产效率。

2）流水线式自动化微装配

目前的MEMS引信微装配技术还仅仅是对MEMS安全系统采用交互式、集中装配。而引信是个复杂的机电系统，除了MEMS安全系统，还包括发火控制电路、微火工系统和能源装置，显然不适合在有限的工作平台上进行集中装配，根据传统的装配生产发展历史，也是由人工装配，到半自动化装配，直到目前的流水线自动化装配。因此流水线自动化微装配是未来引信微装配发展的趋势。

3）微装配数据管理系统

我国每年均有几千万个引信产品生产。一个引信产品零件多达几十甚至上百个，其加工、装配、检验都有固定程序，非常复杂。若从引信产品微系统检测及装配阶段就对相关零件进行状态检测及储存，零部件形状、位置和相互间的工作关系的数据存储，以及其他部分的数据备份，那么不但可以为用户了解其内部结构，掌握引信零部件的相对关系提供直接的资料，而且可以根据数据信息对未来引信故障诊断和维修装配做积极的指导。

5 结束语

MEMS引信在体积、重量、性能等方面的优势，使其特别适合在小口径弹药以及子弹药中应用，因此受到各国的高度重视，纷纷投入大量人力物力进行研究。微装配技术是MEMS引信研究中的一项关键技术，其技术直接影响了MEMS引信的生产效率以及系统可靠性。目前，我国在MEMS引信中的发火控制电路［8］、MEMS安全机构［9］、微火工品系统和微能源装置等方面都有了深入的研究。

本文对MEMS引信以及微装配技术进行了综述，明确了微装配技术应用于MEMS引信的发展现状及趋势，对下一步应用微装配技术为MEMS引信提供高效、大批量、可靠的装配及检测手段的研究具有一定的指导意义。

［1］牛兰杰，施坤林，赵旭，等.微机电技术在引信中的应用［J］.探测与控制学报，2008，30（6）：54－59.

［2］娄文忠.装配自动化与产品设计［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［3］Robinsin C H，Wood R H，Gelak M R.Ultra－miniature electro－mechanical safety and arming device［P］.US：8276515B1，2012.

［4］康晓洋，田鸿昌，李德昌，等.微装配与MEMS仿真导论［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2011.

［5］Probst M，Hurzeler C，et al.Virtual reality for microassembly［J］.The International Society for Optical Engi－neering，2007，8（18）：161－171.

［6］Robinson C H.Materials，fabrication and assembly technologies for advanced MEMS2based safety and armingmechanisms for projectile munitions［C］∥ orange countyconvention center.25th Army Science Conference，USA ：orange county convention center，2006.

［7］孙媛.面向微小型系统装配的微夹持系统关键技术研究［D］.北京：北京理工大学，2012.

［8］WANG Ying，LOU Wenzhong.High impact－induced failure of a novel solid MEMS switch ［J］.Journal of Applied Science and Engineering，2014，17（2）：117－122.

［9］LIU Fangyi，Lou Wen zhong，Wang Fufu，et al.Parametric Research of MEMS Safety and Arming System［J］.Journal of Applied Science and Engineering，17（1）：25－30.