本发明属于精密装配技术领域，涉及一种用于微小零件自动装配的锁紧装置及装配方法。
背景技术：
随着微机电系统(microelectromechanicalsystems,mems)的兴起，精密装配技术已广泛应用于航天、生物、医学、半导体集成电路等诸多领域。对于微小器件的精密装配，其尺寸、材料、结构不断趋于小型化、多样化、复杂化，装配精度要求也越来越高，且精密装配器件仍未标准化，需要处理异形零件，这些都对精密装配技术的发展提出了更高的要求。
研发先进的精密装配技术能够有效提高微小器件的装配质量及装配效率，对于微小器件的精密装配，目前所取得的研究成果主要聚焦在以下几个方面：创新夹钳设计及抓取策略、工作单元设计及自动化、自组装技术及基于虚拟现实的装配技术。可以预见，未来精密装配技术将不断向着系统级集成及自动化工厂体系结构和基于互联网协同装配的方向发展。美国、德国、日本等发达国家对精密装配技术的研究开展较早，已能实现精密装配的半自动化、自动化。我国的精密装配技术研发起步相对较晚，在取得一定成果的同时，还存在自动化程度不高、装配精度和效率较低等诸多问题。
对于微小惯性器件的精密装配，如加速度计，作为惯性导航系统的重要组成部分，是一种典型的微小型机电产品，目前主要依靠人工在显微镜下完成，生产效率低且装配后产品一致性差，全自动化装配系统的研制是提高其装配效率及装配质量的有效技术途径。
刘立平,微小型零件精密装配中的接触控制及误差分析[d],大连理工大学,2012.针对零件装配后的位姿保持及避免零件的损伤研制了一套专用夹具，它主要由夹具上底板、下底板、机械式夹钳、平行度调整销及锁紧件组成。根据微小型零件的特点设计了两个微型的机械式夹钳并将其与夹具上底板集成在一起，两个夹钳的闭合需要通过手动旋转三个锁紧螺钉实现微小型零件的夹紧。该套夹具结构相对复杂，同时需要人工干预，装配效率不高，不利于全自动化装配的实现。
中国专利《一种微小型零件的装配方法》，公开号为cn103862281a，公开了一种用于微小型零件的装配方法。该方法改善了传统的装配策略，首先装配尺寸较小的零件，然后装配尺寸较大的零件，有效的避免了后装配的尺寸较小的零件位置不易固定且易受力产生扰动变形的问题。装配后零件最终位姿的保持需要通过人工旋下摆件调整压板使夹具吸附块、微小型零件以及基座一同固定在装配夹具单元上来实现，从而防止其扰动变形，提高了装配精度。但这种装配方法引入了人工操作，降低了装配效率，难以适用于批量化、自动化生产线。
郝彪,微小型加速度计磁钢组件自动装配设备研制[d],大连理工大学,2016.公开了一种针对磁钢组件的锁紧装置。该装置的压板结构一端加工有便于手工操作的手持部分，装配完成后将压板插入压板固定座中，当手持部分内侧和压板固定座接触后即可拧紧紧固螺钉。锁紧装置中引入了薄橡胶片这种柔性结构，当压板略有倾斜时依然能保证可靠地压紧壳体，在一定程度上保护了压板和壳体不被损坏，具有一定的锁紧柔性。但该装置是针对磁钢组件专门设计的，通用性较低；同时也引入了人工操作，不利于装配效率的提高及全自动化装配的实现。
针对上述问题，本发明涉及一种用于微小零件自动装配的锁紧装置及装配方法，应用于全自动化装配生产线。锁紧装置的柔性单元、机械臂单元及夹钳锁紧单元通过协同配合实现微小零件的自动装配，具有一定的装配柔性，提高了装配效率及装配精度，适用于批量化、自动化生产线。
技术实现要素：
为了适应自动化装配生产线，提高微小零件装配效率及装配质量，本发明涉及一种用于微小零件自动装配的锁紧装置及装配方法，应用于全自动化装配生产线。
本发明的技术方案如下：
一种用于微小零件自动装配的锁紧装置，包括柔性单元、机械臂单元和夹钳锁紧单元；柔性单元与夹钳锁紧单元主要用于微小零件装配后的柔性锁紧；机械臂单元与夹钳锁紧单元通过自动换接实现对微小零件的拾取、搬运及装配过程中对微小零件的自动锁紧。柔性单元、机械臂单元夹及钳锁紧单元通过协同配合实现微小零件的自动装配。
所述的柔性单元，由无间隙转动连接装置与装配夹具组成；装配夹具包括夹具锁紧固定板、夹具安装底座、底座零件安装块、底座零件l型挡块、底座，底座零件安装块固定于夹具安装底座上，底座和底座零件l型挡块固定于底座零件安装块上，用于连接无间隙转动连接装置及为待装配零件提供装配基准；无间隙转动连接装置包括转动上连接板、转动弹簧片、竖直转动弹簧片、转动下连接板，其中，夹具安装底座与转动下连接板通过螺纹连接，转动弹簧片和竖直转动弹簧片正交布置，安装于转动上连接板与转动下连接板之间，转动弹簧片通过两个弹簧压板分别与转动上连接板和转动下连接板固定，竖直转动弹簧片直接与转动上连接板和转动下连接板中心竖直侧面固定，转动上连接板上面通过螺纹与夹具锁紧固定板相连，夹具锁紧固定板一端的两侧设有u型结构的凹槽，便于与夹钳锁紧单元进行换接及锁紧；无间隙转动连接装置是一种柔性装置，对于装配过程中产生的不均衡锁紧力具有一定的缓冲和平衡的作用；
机械臂单元，由夹持组件与气路组件构成；气路组件包括真空吸盘、前端固定架、气路集成块组成，真空吸盘与前端固定架的气路通道相连，用于真空吸附气体传递；夹持组件包括压紧挡条、小径轴承、小径轴承左固定板、小径轴承右固定板、微型气缸、左移动定位块、右移动定位块、导向轴；其中两个压紧挡条通过螺纹固连于与前端固定架的上部；小径轴承左固定板与小径轴承右固定板通过螺纹与前端固定架相连，分别用于固定小径轴承和微型气缸，左移动定位块与右移动定位块分别与导向轴相连，在微型气缸活塞杆的作用下，实现前伸与缩回；
夹钳锁紧单元，由压紧架组件与夹钳组成；压紧架组件包括压紧架横板、弹簧、压紧架导向轴、垫圈、弹性挡圈；压紧架横板两端具有对称的台阶结构，实现与左移动定位块和右移动定位块台阶面的配合，压紧架导向轴分别位于其两端对称的台阶间隙孔中，弹簧套在压紧架导向轴的外面，在压缩力的作用下，弹簧一端作用在垫圈上，另一端作用在压紧架横板台阶间隙孔的台阶面上；压紧架组件通过与机械臂单元协同配合实现夹钳的自动换接；夹钳与压紧架横板通过螺纹连接。
进一步地，上述机械臂单元中的两个压紧挡条中心的间距与夹钳锁紧单元上两个压紧架导向轴中心的间距一致，装配过程中，压紧挡条的下端面与压紧架导向轴的上端面进行配合，实现对弹簧的进一步压缩。
进一步地，上述夹钳的形状可根据待装配微小零件的实际尺寸、结构进行设计，夹钳内部设有多路气体通道，用于传递真空吸附气体，可实现不同形状、尺寸的微小型零件的吸附。夹钳自动换接后，夹钳上端面的气孔与真空吸盘对准，将真空吸附气体传递给夹钳，实现机械结构与气路的联接。
上述一种用于微小零件自动装配锁紧装置的装配方法，包括如下步骤：
步骤1：夹钳锁紧单元与机械臂单元的自动换接(拾取)：机械臂单元首先运动到上料装置指定位置，此时机械臂单元的压紧挡条位于压紧架导向轴的正上方，打开控制微型气缸的电磁阀，左、右移动定位块前伸，然后控制机械臂单元沿z轴缓慢下降至指定位置，此时弹簧在压紧挡条的作用下进一步被压缩，压紧架导向轴下端的垫圈与夹具上料固定板的下端面分离，同时夹钳上端面与前端固定架真空吸盘处的凹面贴合，真空吸盘与夹钳上端面的气孔对准，实现机械结构与气路的联接。断开控制微型气缸的电磁阀，左、右移动定位块缩回，此时左、右移动定位块的台阶面和压紧架横板的台阶面留有微小间隙；缓慢抬升机械臂单元，至左、右移动定位块的台阶面和压紧架横板的台阶面紧密贴合，继续抬升机械臂单元到一定位置，此时压紧架横板的下端面与夹具上料固定板的上端面分离，且夹具上料固定板的下端面与压紧架导向轴下端的垫圈还存在一定间隙，控制机械臂单元沿y方向运动，退出夹具上料固定板u型凹槽，此时完成夹钳锁紧单元与机械臂单元的自动换接(拾取)。
步骤2：微小型零件的吸附与夹持：夹钳自动换接完毕后，移动机械臂单元至微小组件的正上方，控制机械臂单元缓慢下降到一定位置，此时夹钳的下端面与微小组件上端面紧密贴合，打开控制真空吸附气体的电磁阀，气体通过气路集成块、前端固定架、真空吸盘到夹钳，在夹钳的下端气孔处形成真空负压将微小组件吸附起来，完成微小组件的吸附与夹持。
步骤3：微小型零件的位姿测量及特征提取：借助视觉系统分别采集微小组件及柔性单元底座的图像，提取用于微小组件与底座零件装配的位姿信息。
步骤4：微小型零件的平面定位：根据提取的特征信息首先进行平面内的定位，控制机械臂单元移动至装配位置，此时压紧架导向轴已位于夹具锁紧固定板的u型凹槽内，夹具锁紧固定板的上端面与压紧架横板的下端面有一定间隙，夹具锁紧固定板的下端面与压紧架导向轴下端的垫圈也有一定间隙，且夹钳锁紧单元与机械臂单元并未分离。
步骤5：微小型零件的自动装配锁紧：控制机械臂单元带着夹钳锁紧单元沿z轴缓慢下降，首先夹钳吸附的微小组件与底座接触，之后在底座、夹钳锁紧单元的反作用力下对弹簧进一步压缩，使左、右移动定位块的台阶面和压紧架横板的台阶面产生微小间隙，直至夹钳的上端面再次与前端固定架真空吸盘处的凹面紧密贴合，此时机械臂单元停止下降。断开控制真空吸附气体的电磁阀，打开控制微型气缸的电磁阀，左、右移动定位块前伸，此时控制机械臂单元缓慢抬升，压紧架导向轴也在弹簧弹力的作用下随机械臂单元一起缓慢抬升，但压紧架导向轴的上端面与压紧挡条的下端面仍紧密贴合，并未分离，直至压紧架导向轴下端的垫圈与夹具锁紧固定板的下端面接触，此时无间隙转动连接装置的转动弹簧片及竖直转动弹簧片将会产生作用，平衡机械臂单元继续抬升过程中，在弹簧弹力作用下夹钳锁紧单元对微小组件产生的不均衡的作用力，直至机械臂单元与夹钳锁紧单元完全分离，柔性单元与夹钳锁紧单元相互作用自动完成对微小组件的柔性锁紧和装配精度的保持。机械臂单元快速抬升，移动到指定位置，至此完成夹钳锁紧单元与机械臂单元的自动换接(释放)和微小组件的自动锁紧。
本发明的有益效果：机械臂单元与夹钳锁紧单元通过自动换接实现对微小零件的拾取、搬运及装配过程中对微小零件的自动锁紧，此过程不需要人工干预，提高了装配效率，实现了全自动化装配；柔性单元与夹钳锁紧单元的相互作用对装配后的微小零件产生柔性锁紧，这对于装配过程中产生的不均衡锁紧力具有一定的缓冲和平衡作用，从而对微小零件自身及装配后零件相对位姿的保持起到一定的保护作用。
附图说明
图1锁紧装置示意图。
图2无间隙转动连接装置示意图。
图3夹钳锁紧单元示意图。
图4机械臂单元示意图。
图5上料装置示意图。
图6夹钳锁紧单元与机械臂单元自动换接(拾取)后示意图
图中：1气路集成块；2前端固定架；3小径轴承右固定板；4小径轴承；5压紧挡条；6右移动定位块；7夹钳；8弹性挡圈；9垫圈；10弹簧；11压紧架横板；12夹具锁紧固定板；13转动上连接板；14竖直转动弹簧片；15转动下连接板；16弹簧压板；17夹具安装底座；18底座零件安装块；19底座；20底座零件l型挡块；21左移动定位块；22小径轴承左固定板；23微型气缸；24转动弹簧片；25压紧架导向轴；26导向轴；27真空吸盘；28夹具上料固定板；29组件上料座。
具体实施方式
以某一微小组件的自动装配为例，结合技术方案与附图叙述本发明具体实施步骤
第一步：机械臂单元首先运动到上料装置指定位置p1，上料装置分别摆放有微小组件及夹钳锁紧单元，微小组件摆放于组件上料座29，夹钳锁紧单元的压紧架横板11与夹具上料固定板28在弹簧10的作用下实现夹持与固定。此时机械臂单元的压紧挡条5位于压紧架导向轴25的正上方，打开控制微型气缸23的电磁阀，左移动定位块21与右移动定位块6前伸，碰触前端固定架2前端的微动开关，确保气缸动作到位，之后机械臂单元沿z轴缓慢下降至位置p2，此时弹簧10在压紧挡条5的作用下进一步被压缩，压紧架导向轴25下端的垫圈9与夹具上料固定板28的下端面分离，同时夹钳7上端面与前端固定架2真空吸盘27处的凹面贴合，真空吸盘27与夹钳7上端面的气孔对准，实现机械结构与气路的联接。
第二步：断开控制微型气缸23的电磁阀，左移动定位块21与右移动定位块6缩回，此时左移动定位块21与右移动定位块6的台阶面和压紧架横板11的台阶面留有微小间隙；缓慢抬升机械臂单元，至左移动定位块21与右移动定位块6的台阶面和压紧架横板11的台阶面紧密贴合，继续抬升机械臂单元到一定位置，此时压紧架横板11的下端面与夹具上料固定板28的上端面分离，且夹具上料固定板28的下端面与压紧架导向轴25下端的垫圈9还存在一定间隙，控制机械臂单元沿y方向运动，退出夹具上料固定板28的凹槽，此时完成夹钳锁紧单元与机械臂单元的自动换接(拾取)。
第三步：夹钳自动换接完毕后，移动机械臂单元至微小组件的正上方，控制机械臂单元缓慢下降到一定位置，此时夹钳7的下端面与微小组件上端面紧密贴合，打开控制真空吸附气体的电磁阀，气体通过气路集成块1、前端固定架2、真空吸盘27到夹钳7，在夹钳7的下端气孔处形成真空负压将微小组件吸附起来，完成微小组件的吸附与夹持。
第四步：借助视觉系统分别采集微小组件及柔性单元底座19的图像，提取用于微小组件与底座零件19装配的位姿信息。
第五步：根据提取的位姿信息，控制机械臂单元移动至装配位置p3，此时压紧架导向轴25已位于夹具锁紧固定板12的凹槽内，夹具锁紧固定板12的上端面与压紧架横板11的下端面有一定间隙，夹具锁紧固定板12的下端面与压紧架导向轴25下端的垫圈9也有一定间隙，且夹钳锁紧单元与机械臂单元并未分离。
第六步：控制机械臂单元带着夹钳锁紧单元沿z轴缓慢下降，首先夹钳7吸附的微小组件与底座19接触，之后在底座19、夹钳锁紧单元的反作用力下对弹簧10进一步压缩，使左移动定位块21与右移动定位块6的台阶面和压紧架横板11的台阶面产生微小间隙，直至夹钳7的上端面再次与前端固定架2真空吸盘27处的凹面紧密贴合，此时机械臂单元停止下降。
第七步：断开控制真空吸附气体的电磁阀，打开控制微型气缸23的电磁阀，左移动定位块21与右移动定位块6前伸，碰触前端固定架2前端的微动开关，确保气缸动作到位，此时控制机械臂单元缓慢抬升，压紧架导向轴25也在弹簧10弹力的作用下随机械臂单元缓慢抬升，但压紧架导向轴25的上端面与压紧挡条5的下端面仍紧密贴合，并未分离，直至压紧架导向轴25下端的垫圈9与夹具锁紧固定板12的下端面接触，此时无间隙转动连接装置的转动弹簧片24及竖直转动弹簧片14将会产生作用，平衡机械臂单元继续抬升过程中，夹钳锁紧单元对微小组件产生的不均衡的作用力，直至机械臂单元与夹钳锁紧单元完全分离，柔性单元与夹钳锁紧单元相互作用自动完成对微小组件的柔性锁紧和装配精度的保持。
第八步：机械臂单元快速抬升，移动至位置p4，至此完成夹钳锁紧单元与机械臂单元的自动换接(释放)和微小组件的自动锁紧。