专利名称：一种真空吸附式微小件夹持装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及微操作与微机电技术领域的一种微机电系统装配的末端执行机构结构，具体提出了一种真空吸附式微小件夹持装置，主要针对厘米级、毫米级或亚毫米级平板类零件的装配作业。
背景技术：
微操作系统的末端执行机构广泛应用于微小零件的夹持、搬运、装配等方面，MEMS技术的发展和应用对末端执行机构的各种性能要求越来越高，各种末端夹持机构层出不穷。传统的微操作系统末端执行机构多为压电陶瓷驱动或静电力驱动的微夹持器，例如专利授权公告号为CN202185917U的“一种基于柔顺铰链的微夹持器”提出一种利用柔顺铰链连接多段刚性构件，采用压电陶瓷驱动的微夹持器，夹持可靠，尺寸可大可小。专利申请公布号为CN102485439A的“微感知夹持装置”提出的夹持器能对物件自由进行夹持与放松，达到了精确控制取放的目的。此类夹持器多针对球类、圆柱类微小件或微齿轮，对于平板类的微小件则无法实现可靠夹持。近年来平板类微 小件多采用真空吸附进行取放，例如专利申请公布号为CN102581837A的“微小件真空夹持装置”提出的夹持装置即采用真空吸附方式，即可夹持球类、圆柱类零件，亦可夹持平板类零件，大大提高了应用范围，此夹持装置夹持端头的更换采用手工方式，效率不高，不适合大批量微机电产品的装配任务。很多MEMS产品中都包含大量平板类零件，这些零件一般都有很高的表面质量要求，真空吸附因其无损夹持、控制方便而应用广泛，提供一种高效率适合工程化的真空吸附式微小件夹持装置就显得非常重要。因此，人们期望获得一种技术效果优良的真空吸附式微小件夹持装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种真空吸附式微小件夹持装置，主要针对平板类微小零件进行稳定吸附与释放，动作可靠，效率高。采用的技术方案是:
一种真空吸附式微小件夹持装置，包括吸附头、触发模块、换接机构、旋转机构、拉杆气缸、气缸保护壳、连接盖和气动单元。
其技术要点在于:
吸附头包括微吸头、微吸头外壳、定位外锥壳、拉钉内套、缓冲弹簧、缓冲滑块、端盖和中空拉钉。微吸头外壳与拉钉内套固定连接，微吸头上端和同轴的拉钉内套下端轴段固定在一起，微吸头下端位于微吸头外壳外。拉钉内套与布置在拉钉内套外侧的同轴的定位外锥壳固定连接。
中空拉钉上部轴颈处开设有和锁紧钢球配合的槽，中空拉钉中部为圆锥体，圆锥体下端面形状与端盖上端面形状相配合。圆锥体下端为第一圆柱体，第一圆柱体和缓冲滑块固定连接，第一圆柱体下端为第二圆柱体，第二圆柱体端部位于拉钉内套槽内。缓冲滑块与中空拉钉同轴。端盖与同轴的定位外锥壳固定连接。端盖位于中空拉钉第一圆柱体位置。缓冲弹簧的两端分别与拉钉内套的凸台和缓冲滑块相抵顶。触发模块固定于外筒外边缘。换接机构包括拉钉定位锥、夹紧套、多个锁紧钢球、拉紧弹簧、拉杆和外筒。拉钉定位锥与位于拉钉定位锥外侧的同轴的外筒固定连接。拉钉定位锥的内锥面与中空拉钉中部的圆锥体对应装设。夹紧套下端平面与拉钉定位锥上端平面相配合并相互接触。夹紧套内径下端口处开设有阶梯状的钢球环槽。拉杆上一体设有拉杆凸台，与外筒内孔的凸台对应装配，拉杆凸台下方的拉杆圆周上均匀设有多个锥孔，锥孔内装设有锁紧钢球。同轴的夹紧套布置在外筒的内侧。同轴的拉杆布置在外筒的内侧，拉紧弹簧置于夹紧套与拉杆二者形成的腔体中。
中空拉钉轴颈与拉杆的下端的拉杆槽对应装配。换接机构通过中空拉钉与吸附头对应装配。
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旋转机构包括第一轴承挡板、第一轴承、轴承外套筒、第二轴承、第二轴承挡板。同轴的轴承外套筒设置在外筒的外侧。第一轴承挡板位于外筒下端轴段的下端面，相互之间固定连接。第二轴承挡板位于外筒上端轴段的上端面，相互之间固定连接。第一轴承装设于外筒下端轴段的外侧，第一轴承内圈与外筒构成过盈配合，第一轴承外圈与轴承外套筒构成过盈配合。第二轴承装设于外筒上端轴段的外侧，第二轴承内圈与外筒构成过盈配合，第二轴承外圈与轴承外套筒构成过盈配合。第一轴承挡板、第二轴承挡板、第一轴承、第二轴承和外筒同轴。拉杆气缸固定于外筒的上端面。拉杆气缸通过拉杆与换接机构连接在一起。拉杆气缸的活塞杆与拉杆上端的拉杆连接杆通过联轴器连接。气缸保护壳位于拉杆气缸的外侧，气缸保护壳与同轴的外筒固定连接。连接盖与同轴的气缸保护壳固定连接，连接盖上端连杆与步进电机的输出轴通过联轴器连接。拉杆中段连接着第一气管接头，外筒在第一气管接头的外侧设置有开口。外筒侧壁上设置有气管通道，拉杆气缸保护壳上开连通口。拉杆内开设有盲孔。微吸头、拉钉内套槽、中空拉钉、盲孔、开口、气管通道(311)、连通口和气缸保护壳的豁口相连通。气动单元包括提供真空吸附的气路、提供换接机构动力的气路、提供辅助换头机构动力的气路。所述的触发模块可为限位开关、接近开关或力传感器。
所述的气动单元包括气源。气源出口与过滤减压阀入口管路连接，过滤减压阀(LI)出口分别与第一 2位3通电磁换向阀入口和电气比例阀入口管路连接。提供真空吸附的气路包括第一 2位2通电磁换向阀、真空发生器、第二 2位2通电磁换向阀、第一速度控制阀、压力传感器和第一软管。电气比例阀(L2)出口分别与第一 2位2通电磁换向阀入口和第二 2位2通电磁换向阀入口管路连接。第一 2位2通电磁换向阀出口与真空发生器入口管路连接，第二 2位2通电磁换向阀(V2)出口与第一速度控制阀(Fl)入口管路连接，真空发生器(Zl)真空口和第一速度控制阀(Fl)出口均与第一软管入口管路连接，第一软管出口与第一气管接头连接，第一软管与第一速度控制阀(Fl)出口和真空发生器(Zl)真空口连接处设有压力传感器，第一软管穿入气缸保护壳的豁口和连通口，从开口处与第一气管接头连接。
提供换接机构动力的气路包括第一 2位3通电磁换向阀、第二速度控制阀和第二软管。第一 2位3通电磁换向阀的出口与第二速度控制阀管路连接，第二速度控制阀出口和拉杆气缸入口的第二气管接头通过第二软管连接，第二软管穿入气缸保护壳的豁口，为提供换接机构动力的气路。一种真空吸附式微小件夹持装置还包括辅助换头机构，辅助换头机构包括外壳、多个定位内锥壳、多个内锥壳弹簧、多个定位套、多个滑块、滑块挡板、连接条板、缓冲外壳、缓冲导杆、导杆弹簧、托板、导杆挡板和辅助气缸。外壳上开设多个定位套孔并分别装设定位套，定位套与外壳上端固定连接。定位内锥壳置于外壳的定位套孔中，定位内锥壳与同轴的定位套构成锥面配合。内锥壳弹簧位于外壳与定位内锥壳形成的腔体中，内锥壳弹簧的两端分别与定位内锥壳外表面凸台和定位套孔内径凸台相抵顶。滑块挡板固定在托板上端面。多个滑块左端分别置于滑块挡板的多个滑块槽内，多个滑块右端均与连接条板固定在一起。缓冲外壳固定在托板上端面，缓冲导杆置于缓冲外壳内腔中，缓冲导杆左端位于缓冲外壳外部并与连接条板固定连接。导杆挡板固定在缓冲外壳右端面。缓冲导杆上一体设置有缓冲导杆凸台，缓冲导杆凸台右端面与导杆挡板相接触，导杆弹簧置于缓冲外壳与缓冲导杆形成的腔体中，导杆弹簧的两端分别与缓冲外壳和缓冲导杆凸台相抵顶。托板固定在外壳的右端面，辅助气缸的活塞杆与置于左端的缓冲导杆固定连接。辅助气缸通过安装板固定在托板上。定位外锥壳外表面和端盖外表面形成第一接触面，定位套内径表面和定位内锥壳内径锥面形成的第二接触面，第一接触面和第二接触面形状相互配合。提供辅助换头机构动力的气路包括第二 2位3通电磁换向阀、第三速度控制阀和辅助气缸。过滤减压阀出口同时与第二2位3通电磁换向阀入口管路连接。第二 2位3通电磁换向阀出口和第三速度控制阀入口管路连接，第三速度控制阀出口和辅助气缸的入口管路连接。滑块(805)可为L型滑块，左端为第一长方体，右端为第二长方体，两个长方体固定连接，第一长方体高度是第二长方体高度的25%-75%。滑块挡板设置有与滑块数目相同且位置对应的滑块槽，滑块槽为矩形槽的宽度为滑块第一长方体宽度的105%-120%，矩形槽的高度为滑块第一长方体高度的105%-120%。所述的外壳可为长方体外壳。所述的锥孔的轴线和拉杆的轴线可成60° -120°。锥孔在拉杆305内侧的最小径向长度可为锁紧钢球直径的80%-99%，锥孔在拉杆305外侧的的最小径向长度可为锁紧钢球直径的102%-120%。外筒在第一气管接头的外侧的开口可为方孔，方孔的轴线与外筒的轴线成90°。气管通道轴线可与外筒轴线成0° -10°。中空拉钉的第二圆柱体可开设第一环状密封槽并装设O型密封圈。拉杆槽内开设第二环状密封槽并装设O型密封圈。定位外锥壳可与定位内锥壳的配合锥度为16.59° ,中空拉钉可与拉钉定位锥的配合锥度为16.59°。阶梯状的钢球环槽与夹紧套内径相连接处的钢球环槽可设有斜面。微吸头的材质可为金属、塑料或玻璃。微吸头为变径结构，每段管分别采用金属、塑料或玻璃。控制单元分别与第一 2位2通电磁换向阀、第二 2位2通电磁换向阀、第一 2位3通电磁换向阀、第二 2位3通电磁换向阀、步进电机、电气比例阀、气压传感器，触发模块和位移平台对应连接。所述多自由度电控位移台用于实现夹持装置对微小件的精确定位、移动、装配。所述多自由度电控位移台是已知的三自由度位移台四自由度位移台或六自由度位移台中的一种，可以选择立式、卧式或龙门式中的形式。根据需要也可以是其他维度、样式的位移台。多自由度电控位移台为已知技术，故不重复叙述。其优点在于:
本发明可根据零件的不同自动更换吸附头，缓冲机构和触发装置能有效的保护微小件不受损坏，能根据不同的装配要求调整零件位置和姿态。本发明结构简单、动作可靠、效率高，可以集成到多自由度位移平台上，适合大批量MEMS产品的装配作业。可根据零件的不同自动更换吸附头，旋转机构能根据不同的装配要求调整零件位置和姿态。
图1为真空吸附式微小件夹持装置主体部分的总体结构图。图2为与图1对应的真空吸附式微小件夹持装置主体部分的轴向剖面图。图3为辅助换头机构8的总体结构图。图4为辅助换头机构8的剖面图。图5为吸附头I的局部轴向剖面放大图。图6为换接机构3的局部轴向剖面放大图。图7为实施例1真空吸附式微小件夹持装置使用原理示意图。图8为气路结构示意图。图9为气管通道和拉 杆的局部示意图。
图10为实施例4的锥孔的局部示意图。图11为实施例5的锥孔的局部示意图。图12为微吸头和拉钉内套的分解示意图。
具体实施例方式实施例1
一种真空吸附式微小件夹持装置，包括吸附头1、触发模块2、换接机构3、旋转机构4、拉杆气缸5、气缸保护壳6、连接盖7和气动单元16。吸附头I布置在整个夹持装置的最前端。换接机构3布置在整个夹持装置的中间。触发模块2在吸附头I与换接机构3之间。旋转机构4布置在换接机构3的外侧且远离吸附头I的上侧。拉杆气缸5、气缸保护壳6、连接盖7三者布置在整个夹持装置的最上端。辅助换头机构8作为辅助机构，单独布置。气动单元由独立的三条气路组成:提供真空吸附的气路、提供换接机构动力的气路和提供辅助换头机构动力的气路，其中提供真空吸附的气路能产生负压和正压。控制单元控制各气路的通断，接收和测量气压信息，接收触发模块2的动作要求并对应输出控制信号，控制单元为已知技术，故不重复叙述。吸附头I包括微吸头101、微吸头外壳102、定位外锥壳103、拉钉内套104、缓冲弹簧105、缓冲滑块106、端盖107和中空拉钉108。微吸头外壳102与拉钉内套104螺纹连接，微吸头101上端和同轴的拉钉内套104下端轴段固定在一起，微吸头101下端位于微吸头外壳102外。微吸头外壳102罩在微吸头101的外侧起保护作用。微吸头101为变径结构，包括固定连接的第一圆管113和第二圆管114,第二圆管114 上端和拉钉内套104下端轴段固定在一起,第一圆管113下端位于微吸头外壳102外，第一圆管113下端与微小件接触进行吸附，第一圆管113内径为600微米，外径900微米。第一圆管113为玻璃制成，第二圆管114为塑料制成。拉钉内套104与布置在拉钉内套104外侧的同轴的定位外锥壳103配合且螺栓连接。中空拉钉108上部轴颈处开设有和锁紧钢球303配合的槽109，中空拉钉108中部为圆锥体，所述的圆锥体上端直径小于下端直径，圆锥体下端面形状与端盖107上端面形状相配合，且均为平面。圆锥体下端为第一圆柱体110，第一圆柱体110和缓冲滑块106螺纹连接，第一圆柱体110下端为第二圆柱体111，第二圆柱体111端部位于拉钉内套槽内。第一圆柱体110的直径大于第二圆柱体111的直径。缓冲滑块106与中空拉钉108同轴，缓冲滑块106与设置在外侧的定位外锥壳103同轴布置且构成间隙配合。缓冲滑块106与设置在内侧的拉钉内套104同轴布置且构成间隙配合，间隙配合既保证了相互之间的自由滑动又能减少同轴误差。端盖107与同轴的定位外锥壳103螺纹连接。端盖107位于中空拉钉108第一圆柱体110位置。缓冲弹簧105的两端分别与拉钉内套104的凸台和缓冲滑块106相抵顶，缓冲弹簧105置于定位外锥壳103、拉钉内套104、缓冲滑块106三者形成的腔体中，用于接触到零件后的缓冲，减少对零件的损坏。触发模块2固定于外筒306外边缘，远离吸附头I的上侧位置，触发模块2输出端与数据采集卡(北京阿尔泰科技发展有限公司的USB2831型号)连接，数据采集卡与控制单元对应连接，通过控制单元进行控制，触发模块2采集端盖107接触力的信息，此为已知技术。换接机构3包括拉钉定位锥301、夹紧套302、六个锁紧钢球303、拉紧弹簧304、拉杆305和外筒306。拉钉定位锥301与位于拉钉定位锥301外侧的同轴的外筒306配合且螺栓连接。拉钉定位锥301的内锥面与中空拉钉108中部的圆锥体对应装设。夹紧套302下端平面与拉钉定位锥301上端平面相配合并相互接触。夹紧套302内径下端口处开设有向外扩张的阶梯状的钢球环槽307。拉杆305上一体设有拉杆凸台，与外筒内孔的凸台对应装配，起限位作用，拉杆凸台下方的拉杆305圆周上均匀设有六个锥孔308，锥孔308内装设有锁紧钢球303。同轴的夹紧套302布置在外筒306的内侧，夹紧套302与设置在内侧的拉杆305同轴布置且构成间隙配合，保证二者之间能自由滑动。同轴的拉杆305布置在外筒306的内侧，拉紧弹簧304置于夹紧套302与拉杆305二者形成的腔体中，用于对中空拉钉108产生拉紧力。拉紧弹簧304为起拉紧作用的压簧。中空拉钉108轴颈与拉杆305的下端的拉杆槽对应装配。换接机构3通过中空拉钉108与吸附头I对应装配。旋转机构4包括第一轴承挡板401、第一轴承402、轴承外套筒403、第二轴承404、第二轴承挡板405。同轴的轴承外套筒 403设置在外筒306的外侧。第一轴承挡板401位于外筒306下端轴段的下端面，相互之间螺栓连接。第二轴承挡板405位于外筒306上端轴段的上端面，相互之间螺栓连接。第一轴承402装设于外筒306下端轴段的外侧，第一轴承402内圈与外筒306构成过盈配合，第一轴承402外圈与轴承外套筒403构成过盈配合。第二轴承404装设于外筒306上端轴段的外侧，第二轴承404内圈与外筒306构成过盈配合，第二轴承404外圈与轴承外套筒403构成过盈配合。第一轴承挡板401、第二轴承挡板405、第一轴承402、第二轴承404和外筒306同轴。拉杆气缸5固定于外筒306的上端面。拉杆气缸5通过拉杆305与换接机构3连接在一起。拉杆气缸5的活塞杆与拉杆305上端的拉杆连接杆通过联轴器连接。气缸保护壳6位于拉杆气缸5的外侧，气缸保护壳6与同轴的外筒306螺栓连接。连接盖7布置在整个装置的最上端，与同轴的气缸保护壳6固定在一起，连接盖7上端连杆与步进电机12的输出轴通过弹性联轴器连接，为整个夹持装置提供旋转运动。步进电机12与控制单元对应连接。拉杆305中段连接着第一气管接头9，外筒306在第一气管接头9的外侧设置有开Π 309 ；
外筒306侧壁上设置有气管通道311，拉杆气缸保护壳6上开连通口 601 ;拉杆305内开设有盲孔313 ;微吸头101、拉钉内套槽、中空拉钉108、盲孔313、开口 309、气管通道311、连通口 601和气缸保护壳6的豁口 602相连通；气动单元16包括提供真空吸附的气路、提供换接机构动力的气路和提供辅助换头机构动力的气路。气源1601出口与过滤减压阀1602 (LI)入口管路连接，过滤减压阀1602 (LI)出口分别与第一 2位3通电磁换向阀1609 (V3)入口、第二 2位3通电磁换向阀1610 (V4)入口和电气比例阀1603 (L2)入口管路连接。提供真空吸附的气路包括第一 2位2通电磁换向阀1607、真空发生器1611、第二2位2通电磁换向阀1608 (V2)、第一速度控制阀1604 (Fl)、压力传感器1612和第一软管。电气比例阀1603 (L2)出口分别与第一 2位2通电磁换向阀1607 ( VI)入口和第二 2位2通电磁换向阀1608 (V2)入口管路连接。第一2位2通电磁换向阀1607 (Vl)出口与真空发生器1611 (Zl)入口管路连接，第二 2位2通电磁换向阀1608 (V2)出口与第一速度控制阀1604(Fl)入口管路连接，真空发生器1611 (Zl)真空口和第一速度控制阀1604(Fl)出口均与第一软管入口管路连接，第一软管出口与第一气管接头9连接，第一软管与第一速度控制阀1604 (Fl)出口和真空发生器1611 (Zl)真空口连接处设有压力传感器1612，第一软管穿入气缸保护壳6的豁口 602和连通口 601，从开口 309处与第一气管接头9连接。提供辅助换头机构动力的气路包括第二 2位3通电磁换向阀1610(V4)、第三速度控制阀1606 (F3)和辅助气缸813 (Al)。第二 2位3通电磁换向阀1610(V4)出口和第三速度控制阀1606 (F3)入口管路连接，第三速度控制阀1606 (F3)出口和辅助气缸813 (Al)的入口管路连接。提供换接机构动力的气路包括第一 2位3通电磁换向阀1609 (V3)、第二速度控制阀1605 (F2)和第二软管。第一 2位3通电磁换向阀1609(V3)的出口与第二速度控制阀1605 (F2)管路连接，第二速度控制阀1605 (F2)出口和拉杆气缸5(A2)入口通过第二软管连接，第二软管穿入气缸保护壳6的豁口 602。第一 2位2通电磁换向阀1607 ( VI)、第二 2位2通电磁换向阀1608 (V2)、第一2位3通电磁换向阀1609 (V3)、第二 2位3通电磁换向阀1610 (V4)、电气比例阀1603 (L2)和压力传感器1612均与控制单元对应连接。触发模块2是力传感器。平板类微小件一般具有轻、小、薄、软的特点，对此类零件进行拾取夹持时，接触力的控制就显的非常重要，触发模块2的作用就是实时反馈接触力的信息，减小对零件的损坏。辅助换头机构8包括外壳801、四个定位内锥壳802、四个内锥壳弹簧803、四个定位套804、四个滑块805、滑块挡板806、连接条板807、缓冲外壳808、缓冲导杆809、导杆弹簧810、托板811、导杆挡板812和辅助气缸813。外壳801上开设四个定位套孔并分别装设定位套804，定位套804与外壳801上端固定连接。定位内锥壳802置于外壳801的定位套孔中，定位内锥壳802与同轴的定位套804构成锥面配合。
内锥壳弹簧803位于外壳801与定位内锥壳802形成的腔体中，其作用是保证定位内锥壳802与定位套804能自动定心配合。内锥壳弹簧803的两端分别与定位内锥壳802外表面凸台和定位套孔内径凸台相抵顶。滑块挡板806固定在托板811上端面。(如图4所示)四个滑块805左端分别置于滑块挡板806的四个滑块槽814内，四个滑块805右端均与连接条板807固定在一起。缓冲外壳808固定在托板811上端面，缓冲导杆809置于缓冲外壳808内腔中，缓冲导杆809左端位于缓冲外壳808外部并与连接条板807固定连接。导杆挡板812固定在缓冲外壳808右端面。缓冲导杆809上一体设置有缓冲导杆凸台，缓冲导杆凸台右端面与导杆挡板812相接触，导杆弹簧810置于缓冲外壳808与缓冲导杆809形成的腔体中，导杆弹簧810的两端分别与缓冲外壳808和缓冲导杆凸台相抵顶。托板811固定在外壳801的右端面，辅助气缸813的活塞杆与置于左端的缓冲导杆809固定连接，为滑块805的运动提供动力。辅助气缸813通过安装板固定在托板811上。定位外锥壳103外表面和端盖107外表面形成第一接触面，定位套804内径表面和定位内锥壳802内径锥面形成的第二接触面，第一接触面和第二接触面形状相互配合。滑块805为L型滑块,左端为第一长方体815,右端为第二长方体816,两个长方体固定连接，滑块挡板806设置有与滑块805数目相同且位置对应的滑块槽814，此滑块槽814为矩形槽，第一长方体815位于矩形槽内，第二长方体816和连接条板807固定连接。拉杆305轴线与锥孔308轴线成90°，锥孔308在拉杆305内侧的直径为锁紧钢球303直径的82.5%，锥孔308在拉杆305外侧的直径为锁紧钢球303直径的105%。为了实现可靠的夹紧和受力均匀，锥孔308数`目和锁紧钢球303的数目相同均为偶数，考虑到尺寸和空间布置，此数目选择为六个。外筒306在第一气管接头9的外侧设置有与轴线成90°的开口 309，此开口309为方孔，外筒306侧壁上设置有与外筒306轴线平行的气管通道311，气管通道311实现了气路的内部布线，减小了对旋转运动的阻碍。定位内锥壳802的数目、定位套804的数目、滑块805的数目相同均为四个。滑块805的第一长方体815高度是第二长方体816高度的37.5%。滑块挡板806设置有与滑块805数目相同且位置对应的滑块槽814，此槽为矩形槽，滑块滑块槽814的宽度为滑块805第一长方体815宽度的110%，滑块槽814的高度为滑块805第一长方体815高度的116.7%。中空拉钉108的第二圆柱体111开设第一环状密封槽112并装设O型密封圈。拉杆槽内开设第二环状密封槽312并装设O型密封圈，其作用是保证活动连接处的气密性。下述配合均为锥面配合且要求配合面不自锁，定位外锥壳103与定位内锥壳802的锥度为16.59°，中空拉钉108圆锥体与拉钉定位锥301的锥度为16.59°，此锥度下可实现快速装卸、精确定位。阶梯状的钢球环槽307与夹紧套302内径相连接处的钢球环槽有斜面310。所述的气路单元中的各部分的作用如下:气源1601:供气。过滤减压阀1602(L1):过滤水分调节总体压力。第一 2位2通电磁换向阀1607 ( VI):控制真空发生器的通断气。第二 2位2通电磁换向阀1608(V2):提供正压进行微小件的释放。真空发生器1611(Z1):提供负压进行微小件的拾取。第一速度控制阀1604(Fl):节气流速度防止吹跑微小件。电气比例阀1603 (L2):利用电信号(电压或电流)对气体压力进行无级控制，其输入的电信号与输出的压力成线性关系。控制单元接收压力传感器1612的反馈压力并与标准压力(不同零件对应不同标准压力，可事先计算出来输入控制单元，此为已知技术)比较，如果此反馈压力过大则控制单元控制电气比例阀(压力调节阀)1603 (L2)，使气路压力变小，如果过小则控制气路压力变大。实时反馈实时控制可实现在不损坏微小件的前提下的可靠夹持与释放。第一 2位3通电磁换向阀1609 (V3):控制拉杆气缸的通断气。第二 2位3通电磁换向阀1610(V4):控制辅助气缸的通断气。第二速度控制阀1605 (F2):调节拉杆气缸的进气速度。第三速度控制阀1606 (F3):调节辅助气缸的进气速度。单作用气缸Al:辅助气缸813。单作用气缸A2:拉杆气缸5。并且所述的第一 2位2通电磁换向阀1607 ( VI)、第二 2位2通电磁换向阀1608 (V2)、第一 2位3通电磁换向阀1609 (V3)和第二 2位3通电磁换向阀1610 (V4)如图8所示均连接常闭口。三自由度电控位移台11的Z轴上固定装设有支架，本装置安装到支架上，步进电机12固定在支架上表面，连接盖7位于支架下方，轴承外套筒403与支架固定连接。辅助换头机构8的外壳801固定在三自由度电控位移台11前方的装配平台上。三自由度电控位移台11由控制单元进行控制，此为已知技术。在三自由度电控位移台11上装设的上置工业摄像机13和下置工业摄像机14的辅助下，可以实现对微小件的快速定位、无损夹持、可靠搬运、自动装配，自动化程度较高。上置工业摄像机13和下置工业摄像机14均将图像信息传输到控制单元。上置工业摄像机13的轴线与吸附头I的轴线在同一平面，方便图像的采集。所述步进电动机12的输出轴通过弹性联轴器15与连接盖7的连杆连接起来，为微小件夹持装置的旋转提供动力，微小件夹持装置带动被吸附的零件一起转动，从而根据不同装配要求调整零件的姿态。参考附图1-8，本实施例的动作原理详细说明如下:
装吸附头:首先，控制单元控制电控位移台11定位到需要用的吸附头I的正上方一定距离，同时控制单元控制通过第二气管接头10给拉杆气缸5充气，通气后活塞推动拉杆305向下运动，拉杆305又带动锁紧钢球303向下运动压缩拉紧弹簧304，活塞运动一定距离后停止，此时锁紧钢球303运动到夹紧套302下端直径较大的部位(钢球环槽)。然后，电控位移台11的Z轴向下运动直到中空拉钉108与拉钉定位锥301完全配合，并且在触发模块2有反馈信息后停止运动。最后，拉杆气缸5通过第二气管接头10从第一 2位3通电磁换向阀1609 (V3)与大气接通进行放气，此时在拉紧弹簧304作用下，拉杆305带动锁紧钢球303 —起向上运动，锁紧钢球303就会紧紧卡在中空拉钉108端部的轴颈处，使中空拉钉108与拉钉定位锥301紧密配合。这就完成了装吸附头I的动作，连接在第一气管接头9上的第一软管在控制单元的控制下产生负压或正压来对微小件进行夹持或释放。卸吸附头:首先，电控位移台11在控制单元控制下定位到放置吸附头I的定位内锥壳802的正上方，电控位移台11的Z轴向下运动直到定位外锥壳103的外锥面和定位内锥壳802的内锥面完全配合，端盖107在定位套804内凸台的阻挡下开始触碰触发模块2，触发模块2将端盖107的接触力信息反馈给控制系统，控制系统就会控制电控位移台11的Z轴停止运动。然后，控制单元控制拉杆气缸5通过 第二气管接头10开始充气，通气后活塞推动拉杆305向下运动，拉杆305又带动锁紧钢球303向下运动并压缩拉紧弹簧304，活塞运动一定距离后停止运动，此时锁紧钢球303运动到夹紧套302下端直径较大的部位，不再卡在中空拉钉108端部的轴颈处，同时辅助气缸813也已经充完气，其活塞推动缓冲导杆809克服导杆弹簧810的作用在缓冲外壳808内滑动，与缓冲导杆809连接的连接条板807又带动滑块805从滑块挡板806的滑块槽814内滑出，挡在端盖107的正上方。最后，控制系统控制电控位移台11的Z轴向上运动，因为没有了锁紧钢球303的夹紧，吸附头I的中空拉钉108在滑块805的阻挡下就会与拉钉定位锥301脱离，从而使吸附头I与整个装置脱离下来，而后吸附头I在内锥壳弹簧803的作用下自动与定位套804对中找正位置。这就完成了卸吸附头I的动作。实施例2
本实施例与实施例1内容基本相同，其不同之处在于:
第一圆管113为合金钢，第二圆管114为塑料。第一圆管113内径1000微米，外径1600微米。触发模块2是限位开关，用来采集端盖107的位置信息，通过数据采集卡(北京阿尔泰科技发展有限公司的USB2831型号)与控制器连接。限位开关构造简单、控制方便，在吸附一些厘米级的零件时，对接触力的要求不是很严格，可以选择限位开关作为触发模块。
拉杆305轴线与锥孔308轴线成90°，锥孔308在拉杆305内侧的直径为锁紧钢球303直径的99%，锥孔308在拉杆305外侧的直径为锁紧钢球303直径的120%。滑块805为L型，第一长方体815高度是第二长方体816高度的75%。滑块挡板806设置有与滑块805数目相同且位置对应的矩形槽，矩形槽的宽度为滑块805第一长方体815高度的120%，滑块槽814的高度为滑块805第一长方体815高度的120%。实施例3
本实施例与实施例1内容基本相同，其不同之处在于:
第一圆管113和第二圆管114均为玻璃制成，第一圆管113内径300微米，外径600微米。微吸头101的材质是玻璃。玻璃可以拉制出非常细的中空的玻璃丝，且玻璃透光性好，便于观察。触发模块2是接近开关，用来采集端盖107的接近距离信息，通过数据采集卡(北京阿尔泰科技发展有限公司的USB2831型号)连接到控制器，接近开关没有机械触点，使用寿命更长，只要金属进入感应距离，接近开关就会得到信号，控制更安全。拉杆305轴线与锥孔308轴线成90°，锥孔308在拉杆305内侧的直径为锁紧钢球303直径的80%，锥孔308在拉杆305外侧的直径为锁紧钢球303直径的102%。滑块805为L形，第一长方体815高度是第二长方体816高度的25%。滑块挡板806设置有与滑块805数目相同且位置对应的矩形槽，矩形槽的宽度为滑块805第一长方体815宽度的105%，矩形槽的高度为滑块805第一长方体815高度的105%。实施例4
本实施例与实施例1内容基本相同，其不同之处在于:
微吸头101的第一圆管113和第二圆管114的材质均是金属(合金钢)。在某些特殊装配条件如高温环境中，为了防止塑料融化，就需要微吸头101的材质为金属的。气管通道311的轴线与外筒306的轴线夹角A为10°。
锥孔308轴线与拉杆305的轴线夹角B为60°，锥孔308在拉杆305内侧的最小径向长度为锁紧钢球303直径的90%，锥孔308在拉杆305外侧的最小径向长度为锁紧钢球303直径的100%。滑块805为L形，第一长方体815高度是第二长方体816高度的25%。滑块挡板806设置有与滑块805数目相同且位置对应的矩形槽，矩形槽的宽度为滑块805第一长方体815宽度的110%，矩形槽的高度为滑块805第一长方体815高度的115%。支架固定在四自由度位移平台的z轴。实施例5
本实施例与实施例1内容基本相同，其不同之处在于:
塑料具有一定的弹性，不会生锈氧化，而且能有效的防止静电力对微小件拾取带来的影响，因此微吸头101的第一圆管113和第二圆管114的材质选择为塑料。
气管通道311的轴线与外筒306的轴线夹角A为5°。锥孔308轴线与拉杆305的轴线夹角为120°，锥孔308在拉杆305内侧的最小径向长度为锁紧钢球303直径的80%，锥孔308在拉杆305外侧的最小径向长度为锁紧钢球303直径的102%。滑块805为L形，第一长方体815高度是第二长方体816高度的25%。滑块挡板806设置有与滑块805数目相同且位置对应的矩形槽，矩形槽的宽度为滑块805第一长方体815宽度的105%，矩形槽814的高度为滑块805第一长方体815高度的105%。支架由六自由度位移平台支撑。
权利要求
1.一种真空吸附式微小件夹持装置，包括吸附头(I)、触发模块(2)、换接机构(3)、旋转机构(4)、拉杆气缸(5)、气缸保护壳(6)、连接盖(7)和气动单元(16);其特征在于吸附头(I)包括微吸头(101)、微吸头外壳(102)、定位外锥壳(103)、拉钉内套(104)、缓冲弹簧(105)、缓冲滑块(106)、端盖(107)和中空拉钉(108)； 微吸头外壳(102)与拉钉内套(104)固定连接，微吸头(101)上端和同轴的拉钉内套(104)下端轴段固定在一起，微吸头(101)下端位于微吸头外壳(102)外； 拉钉内套(104)与布置在拉钉内套(104)外侧的同轴的定位外锥壳(103)固定连接；中空拉钉(108)上部轴颈处开设有和锁紧钢球(303)配合的槽(109)，中空拉钉(108)中部为圆锥体，圆锥体下端面形状与端盖(107)上端面形状相配合；圆锥体下端为第一圆柱体(110)，第一圆柱体(110)和缓冲滑块(106)固定连接，第一圆柱体(110)下端为第二圆柱体(111)，第二圆柱体(111)端部位于拉钉内套槽内；缓冲滑块(106)与中空拉钉(108)同轴； 端盖(107)与同轴的定位外锥壳(103)固定连接；端盖(107)位于中空拉钉(108)第一圆柱体(110)位置； 缓冲弹簧(105)的两端分别与拉钉内套(104)的凸台和缓冲滑块(106)相抵顶； 触发模块(2)固定于外筒(306)外边缘； 换接机构(3)包括拉钉定位锥(301)、夹紧套(302)、多个锁紧钢球(303)、拉紧弹簧(304)、拉杆(305)和外筒(306)； 拉钉定位锥(301)与位于拉钉定位锥(301)外侧的同轴的外筒(306)固定连接；拉钉定位锥(301)的内锥面与中空拉钉(108)中部的圆锥体对应装设； 夹紧套(302)下端平面与拉钉定位锥(301)上端平面相配合并相互接触；夹紧套(302)内径下端口处开设有阶梯状的钢球环槽(307)； 拉杆(305)上一体设有拉杆凸台，与外筒内孔的凸台对应装配，拉杆凸台下方的拉杆(305)圆周上均匀设有多个锥孔(308)，锥孔(308)内装设有锁紧钢球(303)； 同轴的夹紧套(302)布置在外筒(306)的内侧； 同轴的拉杆(305)布置在外筒(306)的内侧，拉紧弹簧(304)置于夹紧套(302)与拉杆(305) 二者形成的腔体中； 中空拉钉(108)轴颈与拉杆(305)的下端的拉杆槽对应装配； 换接机构(3)通过中空拉钉(108)与吸附头(I)对应装配； 旋转机构(4)包括第一轴承挡板(401)、第一轴承(402)、轴承外套筒(403)、第二轴承(404)、第二轴承挡板(405)； 同轴的轴承外套筒(403)设置在外筒(306)的外侧； 第一轴承挡板(401)位于外筒(306)下端轴段的下端面，相互之间固定连接； 第二轴承挡板(405)位于外筒(306)上端轴段的上端面，相互之间固定连接； 第一轴承(402)装设于外筒(306)下端轴段的外侧，第一轴承(402)内圈与外筒(306)构成过盈配合,第一轴承(402)外圈与轴承外套筒(403)构成过盈配合； 第二轴承(404)装设于外筒(306)上端轴段的外侧，第二轴承(404)内圈与外筒(306)构成过盈配合，第二轴承(404)外圈与轴承外套筒(403)构成过盈配合； 第一轴承挡板(401)、第二轴承挡板(405)、第一轴承(402)、第二轴承(404)和外筒(306)同轴； 拉杆气缸(5)固定于外筒(306)的上端面；拉杆气缸(5)通过拉杆(305)与换接机构(3)连接在一起；拉杆气缸(5)的活塞杆与拉杆(305)上端的拉杆连接杆通过联轴器连接；气缸保护壳(6)位于拉杆气缸(5)的外侧，气缸保护壳(6)与同轴的外筒(306)固定连接； 连接盖(7)与同轴的气缸保护壳￠)固定连接，连接盖(7)上端连杆与步进电机(12)的输出轴通过联轴器连接； 拉杆(305)中段连接着第一气管接头(9)，外筒(306)在第一气管接头(9)的外侧设置有开口 (309)； 外筒(306)侧壁上设置有气管通道(311)，拉杆气缸保护壳(6)上开连通口(601);拉杆(305)内开设有盲孔(313);微吸头(101)、拉钉内套槽、中空拉钉(108)、盲孔(313)、开口(309)、气管通道(311)、连通口(601)和气缸保护壳(6)的豁口(602)相连通； 气动单元(16)包括提供真空吸附的气路和提供换接机构动力的气路。
2.根据权利要求I所述的一种真空吸附式微小件夹持装置，其特征在于 所述的触发模块(2)为限位开关、接近开关或力传感器。
3.根据权利要求I所述的一种真空吸附式微小件夹持装置，其特征在于 所述的气动单元(16)包括气源(1601);气源(1601)出口与过滤减压阀(1602)入口管路连接，过滤减压阀(1602)出口分别与第一 2位3通电磁换向阀(1609)入口和电气比例阀(1603)入口管路连接； 提供真空吸附的气路包括第一 2位2通电磁换向阀(1607)、真空发生器(1611)、第二2位2通电磁换向阀(1608) (V2)、第一速度控制阀(1604) (Fl)、压力传感器(1612)和第一软管； 电气比例阀(1603) (L2)出口分别与第一 2位2通电磁换向阀(1607)入口和第二 2位2通电磁换向阀(1608)入口管路连接； 第一 2位2通电磁换向阀(1607)出口与真空发生器(1611)入口管路连接，第二 2位2通电磁换向阀(1608) (V2)出口与第一速度控制阀(1604) (Fl)入口管路连接，真空发生器(1611) (Zl)真空口和第一速度控制阀(1604) (Fl)出口均与第一软管入口管路连接，第一软管出口与第一气管接头(9)连接，第一软管与第一速度控制阀(1604) (Fl)出口和真空发生器(1611) (Zl)真空口连接处设有压力传感器(1612)，第一软管穿入气缸保护壳(6)的豁口(602)和连通口(601)，从开口(309)处与第一气管接头(9)连接； 提供换接机构动力的气路包括第一 2位3通电磁换向阀(1609)、第二速度控制阀(1605)和第二软管； 第一 2位3通电磁换向阀(1609)的出口与第二速度控制阀(1605)入口管路连接，第二速度控制阀(1605)出口和拉杆气缸(5)入口的第二气管接头通过第二软管连接，第二软管穿入气缸保护壳(6)的豁口(602)； 一种真空吸附式微小件夹持装置还包括辅助换头机构(8)，辅助换头机构(8)包括外壳(801)、多个定位内锥壳(802)、多个内锥壳弹簧(803)、多个定位套(804)、多个滑块(805)、滑块挡板(806)、连接条板(807)、缓冲外壳(808)、缓冲导杆(809)、导杆弹簧(810)、托板(811)、导杆挡板(812)和辅助气缸(813)；外壳(801)上开设多个定位套孔并分别装设定位套(804)，定位套(804)与外壳(801)上端固定连接； 定位内锥壳(802)置于外壳(801)的定位套孔中，定位内锥壳(802)与同轴的定位套(804)构成锥面配合； 内锥壳弹簧(803)位于外壳(801)与定位内锥壳(802)形成的腔体中，内锥壳弹簧(803)的两端分别与定位内锥壳(802)外表面凸台和定位套孔内径凸台相抵顶； 滑块挡板(806)固定在托板(811)上端面；多个滑块(805)左端分别置于滑块挡板(806)的多个滑块槽(814)内，多个滑块(805)右端均与连接条板(807)固定在一起； 缓冲外壳(808)固定在托板(811)上端面，缓冲导杆(809)置于缓冲外壳(808)内腔中，缓冲导杆(809)左端位于缓冲外壳(808)外部并与连接条板(807)固定连接； 导杆挡板(812)固定在缓冲外壳(808)右端面； 缓冲导杆(809)上一体设置有缓冲导杆凸台，缓冲导杆凸台右端面与导杆挡板(812)相接触，导杆弹簧(810)置于缓冲外壳(808)与缓冲导杆(809)形成的腔体中，导杆弹簧(810)的两端分别与缓冲外壳(808)和缓冲导杆凸台相抵顶； 托板(811)固定在外壳(801)的右端面，辅助气缸(813)的活塞杆与置于左端的缓冲导杆(809)固定连接；辅助气缸(813)通过安装板固定在托板(811)上； 定位外锥壳(103)外表面和端盖(107)外表面形成第一接触面，定位套(804)内径表面和定位内锥壳(802)内径锥面形成的第二接触面，第一接触面和第二接触面形状相互配合； 提供辅助换头机构动力的气路包括第二 2位3通电磁换向阀(1610)、第三速度控制阀(1606)和辅助气缸(813)； 过滤减压阀(1602)出口同时与第二 2位3通电磁换向阀(1610)入口管路连接； 第二 2位3通电磁换向阀(1610)出口和第三速度控制阀(1606)入口管路连接，第三速度控制阀(1606)出口和辅助气缸(813)的入口管路连接。
4.根据权利要求3所述的一种真空吸附式微小件夹持装置，其特征在于滑块(805)为L型滑块，左端为第一长方体(815)，右端为第二长方体(816)，两个长方体固定连接，第一长方体(815)高度是第二长方体(816)高度的25%-75%;滑块挡板(806)设置有与滑块(805)数目相同且位置对应的滑块槽(814)，滑块槽(814)为矩形槽的宽度为滑块(805)第一长方体(815)宽度的105%-120%，矩形槽的高度为滑块(805)第一长方体(815)高度的105%-120% ;所述的外壳(801)为长方体外壳。
5.根据权利要求I所述的一种真空吸附式微小件夹持装置，其特征在于所述的锥孔(308)的轴线和拉杆(305)的轴线成60° -120° ;锥孔(308)在拉杆(305)内侧的最小径向长度为锁紧钢球(303)直径的80%-99%，锥孔(308)在拉杆(305)外侧的的最小径向长度为锁紧钢球(303)直径的102%-120%。
6.根据权利要求I所述的一种真空吸附式微小件夹持装置，其特征在于外筒(306)在第一气管接头(9)的外侧的开口(309)为方孔，方孔的轴线与外筒(306)的轴线成90° ;气管通道(311)轴线与外筒(306)轴线成0° -10°。
7.根据权利要求I所述的一种真空吸附式微小件夹持装置，其特征在于中空拉钉(108)的第二圆柱体开设第一环状密封槽(112)并装设O型密封圈；拉杆槽内开设第二环状密封槽(312)并装设O型密封圈。
8.根据权利要求I所述的一种真空吸附式微小件夹持装置，其特征在于定位外锥壳(103)与定位内锥壳(802)的配合锥度为16. 59°，中空拉钉(108)与拉钉定位锥(301)的配合锥度为16.59° ;阶梯状的钢球环槽(307)与夹紧套(302)内径相连接处的钢球环槽有斜面(310)。
9.根据权利要求I所述的一种真空吸附式微小件夹持装置，其特征在于微吸头(101)的材质为金属、塑料或玻璃。
10.根据权利要求9所述的一种真空吸附式微小件夹持装置，其特征在于微吸头(101)为变径结构，每段管分别采用金属、塑料或玻璃。
全文摘要
一种真空吸附式微小件夹持装置，包括可更换吸附头、换接机构和旋转机构。吸附头的微吸头外侧罩有微吸头外壳和定位外锥壳。触发模块固定于外筒外边缘，起保护和反馈的作用。换接机构通过中空拉钉与吸附头的拉钉内套对应装配。拉钉定位锥与外筒固连，拉钉定位锥与中空拉钉对应装设。夹紧套下端口处开设有阶梯状的钢球环槽，拉杆圆周有多个锥孔并装锁紧钢球。旋转机构使用轴承外套筒和轴承与外筒装配。拉杆气缸带动换接机构。拉杆气缸的保护壳上端的连接盖由步进电机带动。拉杆盲孔连接真空吸附气路。还包括辅助换头机构和换头气路。本发明结构简单、效率高，可集成到多自由度位移平台上，适合大批量MEMS产品的装配作业。
文档编号B25B11/02GK103252739SQ20131018174
公开日2013年8月21日 申请日期2013年5月17日 优先权日2013年5月17日
发明者郝永平, 张嘉易, 董福禄, 路超, 王永杰 申请人:沈阳理工大学