特轻小试件的理料与连续运动中的浮动定位

顾立志，夏巨明，宋金玲，胡文涛，郭鸿杰，黄宇尧，王冬

（1.泉州信息工程学院虚拟制造技术福建省高校重点实验室，福建泉州 362000；2.华侨大学机电及自动化学院，福建厦门 361021；3.泉州师范学院物理与信息工程学院，福建泉州 362000；4.佳木斯大学机械工程学院，黑龙江佳木斯 154007）

0 引言

某一光学晶体器件需要进行理料和在连续运动中置于检测工作台的指定位置，然后进行几何形态和光学性能检测。但是从振动式理料盘向工作台运动和定位过程中，因被测件与工作台面之间摩擦因数小，且被测件体积小、质量轻，难以依靠自重定位，从而造成精准定位的困难。大批量处理这类特轻小试件时，依靠人工定位与装夹、效率低下，不符合检验操作要求；按照一般工业零件的装夹，因其轻小定位和夹紧均面临技术挑战，需要特殊考虑和处理。

赵志强等[1]针对工业生产和装配中微小零件上料易发生堆叠、零件难以被视觉识别及难以被机器人抓取的问题，设计了基于料盘模态振型的零件聚拢、分离控制方法的柔性振动供料器，实验结果表明，该柔性振动供料器具有明显的零件聚拢和分离效果，可有效分离堆积零件，提高视觉定位和机器人抓取效率。魏国军[2]对于微小零件采用人工装配方式存在的抓取、释放效率低、装配精度差的问题，提出吸附式微小零件精确抓取、释放的方案，设计微小零件吸附式精确抓取、释放装置，通过控制气压让吸附头形成真空，产生正、负压力差，并配合视觉引导系统精确抓取或释放微小零件，实现自动化装配，以提高抓取、释放效率及装配精度。张亚军[3]为了提高微小零件精确定位的效果，采用了粗、精结合的调焦函数，动态选择调焦窗口，增加修正因子以避免目标变化对调焦清晰度评价函数的影响，改进经典爬山算法，确定焦点的移动方向，改进Zernike矩基于目标点归一化确定最大外接单位圆，通过边缘参数判断像素为边缘点。王蒙[4]研究基于机器视觉的铜箔卡扣检测分类系统，高效准确地实现了铜箔卡扣缺陷品与合格品的分类，包括搭建图像采集模块、对象定位方法、检测分类方法和实际测试。孙凯旋等[5]针对微小零件的定位、姿态调整进行研究，根据微小零件的几何特征，提出了基于图像匹配的识别方法，包括零件的形状、位置、定位的精度，姿态的调节和误差解算，其高精度的定位使得图像匹配的准确度和效率更高。Li Yingang等[6]提出了一种连续夹紧、对中、压合、预紧动作的微型轴承高精度定位与压合方法，开发设计了一种张紧连杆高精度自动压装平台，并对该张紧连杆高精度压装平台的结构设计和各模块的工作原理进行了说明，包括一种无损夹紧机构、二自由度宏动平台、视觉对准模块等设计。P. Ekta等[7-8]提出和设计Muscope无透镜微显微镜系统，该系统基于计算超分辨率和宽视场成像，能够使微led显示芯片在一个5 μm间距的二维平面上进行精确定位和线性移动。

本文从试件定位与检测的基本要求出发，运用六点定位原理和特殊导入与定位装置，在试件运动过程中通过对连续粒子体的分离和导入式定位，在保证光学镜头的检验不干涉、检测速度不下降的条件下实现精确定位。

1 原理方法

某一长方体光学晶体器件基本尺寸为1.2 mm×0.8 mm×0.8 mm，质量约为0.0015 g，需要进行理料和置于检测工作台的指定位置，然后进行几何形态和光学性能检测。但是从振动式理料盘向工作台运动和定位过程中，因被测试件与工作台面之间摩擦因数小，且体积小、质量轻，难以依靠自重定位，从而造成精准定位困难。

本文采用“机械式振动理料+槽轮机构分离+机器视觉检验与剔除不合格品+引导板与浮动定位”，系统组成如图1所示，基本原理与方法如下。

图1 系统构成与组成原理

1.1 机械式振动理料

理料的目的是使离散、无序、堆积、混杂的试件转变为有序、按一定规则排列且甄别和去除具有某些不合格特征的试件，同时，为后续处理做好准备。本文采用机械振动原理结构，其排序和剔除具有某些不合格特征的试件比较简单而高效。考虑到晶体材料的脆性，与晶体试件相接触振动部分采用具有一定柔韧性且耐磨的高强度塑料。在理料过程中，被剔除的不合格特征试件主要是具有明显几何缺陷的试件，如明显残缺不齐、质心明显偏离几何中心等。

1.2 机器视觉检验与剔除不合格品

有序分离试件的槽轮机构运用槽轮机构和共轭原理，设计专门导槽，实现对连续试件的均匀离散。同时为机器视觉检验做好准备。如果被测试件的标准型可以用矢量与矩阵描述，标准矢量为

1.3 对数螺旋曲面引导板

按机械零件加工中的六点定位原理，该类试件应该实现完全定位。但是晶体器件5个面都要通过光学检验，因此，在试件移动过程中，实现完全定位，定位完成后定位元件和相应的装置要移去，为光学检验提供有效空间。为达此目的，采取“运动中的定位”，通过设计和运用对数螺旋曲面的光滑与导向特性和限位挡壁实现对微型试件的入位与定位；设计端面凸轮机构带动入位与定位装置同步进入工作状态和升起，避免与回转工作台干涉和不影响光学检验。

图2 运用对数螺旋曲面挡板实现试件的有效导入

本文从试件定位与检测的基本要求出发，在试件运动过程中通过对连续粒子体的分离和导入式定位，在保证光学镜头的检验不干涉、检测速度不下降的条件下实现精确定位。

系统功能原理如下：运用振动器和理料通道实现对无序粒状试件的甄别、去损和连续有序排序；运用间歇机构和共轭原理，设计专门导槽，实现对连续试件的均匀离散；通过设计和运用螺旋曲面的光滑与导向特性和限位挡壁实现对微型特轻试件的入位与定位；设计端面凸轮机构带动入位与定位装置同步进入工作状态和升起，避免与回转工作台干涉和影响光学检验。所构建的振动理料、槽轮离散、端面凸轮升降和浮动定位一体的离散与定位系统，融合了往复运动、间歇机构、凸轮机构和同步带传动等，实现了微小试件的准确定位。

图3 槽轮机构与试件在测量工作台回转运动的同步

1.4 浮动定位的实现

如图4所示，浮动定位器由一段对数螺旋面和定位挡板组成，引导试件顺畅入位，瞬时将试件导入并定位在工作转盘的指定位置上。而后在端面凸轮的作用下迅速抬起，脱离试件和工作台。值得注意的是，对数螺旋面和定位挡板工作面设计成87°角，而非与工作台完全垂直，以避免因检测工作台连续回转造成对试件的干涉而影响定位精度。

图4 对数螺旋面引导板与浮动定位器

2 结论

构建了集振动理料、槽轮离散、端面凸轮升降和浮动定位于一体的离散与定位系统，融合了往复运动、间歇机构、凸轮机构和同步带传动等，实现了微小试件的准确定位。采用特别设计的槽轮机构，运用包络和光滑相切过渡，在槽轮上制成按共轭原理的试件转入与分离，使连续的试件分离为指定间隔且均匀分布的试件系列。槽轮机构的驱动轮不仅实现对试件的均匀分离，而且通过同步带传动，驱动端面凸轮机构，实现对试件的同步浮动定位。运用端面凸轮机构和滚动摩擦升降轮，为系统定位同时保证不干涉工作台运转，为试件的在线高效检测提供了技术保障。运用对数螺旋曲面和壁板结合保证了试件的顺利和可靠定位。