微裝配技術(shù)在微機(jī)電引信中的應(yīng)用綜述

張 輝，王輔輔，婁文忠，郭旭紅

（1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081；2.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京100081；3.淮海工業(yè)集團(tuán)有限公司MEMS研究中心，山西 長(zhǎng)治046000）

0 引言

隨著信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)展，彈藥必須具備精確打擊、高效毀傷的能力，引信作為彈藥的 “大腦”，其微型化、智能化、靈巧化成為必然趨勢(shì)［1］。傳統(tǒng)引信技術(shù)已經(jīng)難以滿足引信技術(shù)的發(fā)展，而與微機(jī)電系統(tǒng)相結(jié)合的MEMS引信具有體積小、重量輕、功能豐富以及批量生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，可滿足現(xiàn)代引信技術(shù)發(fā)展需求［2］。

近年來(lái)MEMS引信的研究主要集中在發(fā)火控制電路、MEMS安全機(jī)構(gòu)、火工品和電源四個(gè)方面。國(guó)內(nèi)外對(duì)MEMS引信進(jìn)行了廣泛深入的研究，尤其是美國(guó)，更是處于研究的前列。隨著研究的進(jìn)一步深入，MEMS引信的生產(chǎn)問(wèn)題擺在人們面前，MEMS引信的微裝配問(wèn)題成為其生產(chǎn)過(guò)程中必須要解決的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

本文針對(duì)此問(wèn)題，查閱了國(guó)內(nèi)外大量MEMS引信、微裝配技術(shù)以及MEMS引信微裝配的資料，并基于MEMS引信的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了微裝配應(yīng)用在MEMS引信中的必要性，結(jié)合微裝配技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)微裝配技術(shù)在MEMS引信中應(yīng)用以及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了深入探討，為相關(guān)研究人員提供參考。

1 MEMS引信中微裝配的必要性

在2007年美國(guó)亞特蘭大喬治亞技術(shù)研究院（GTRI）和海軍水面作戰(zhàn)中心提出了一款新型的MEMS引信如圖1所示，該MEMS引信主要由底部的微型雷管和頂部的MEMS安全系統(tǒng)組成，MEMS安全系統(tǒng)包括后座保險(xiǎn)、指令鎖、隔爆滑塊和起爆器等部件。Robinsin C.H.在2012年的一篇專利［3］中提出一款MEMS引信如圖2所示，將發(fā)火控制電路，MEMS安全系統(tǒng)和微火工品集成在一起。

圖1 海軍水面作戰(zhàn)中心提出的MEMS引信Fig.1 MEMS fuze proposed by Naval Surface Warfare Center

因此典型MEMS引信進(jìn)行裝配包括以下四項(xiàng)工序：一是微機(jī)械零部件的裝配；二是發(fā)火控制電路組件的裝配；三是微型火工系統(tǒng)的裝配；四是MEMS引信系統(tǒng)級(jí)裝配。因此必須借助自動(dòng)微裝配系統(tǒng)代替手工裝配，其原因在于：

1）MEMS引信中零部件幾何尺度跨度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺度從微米級(jí)到毫米級(jí)變化，傳統(tǒng)的手工裝配理論及方法難以實(shí)現(xiàn)。

2）MEMS引信中零部件如 MEMS平面微彈簧、薄板及微尺度軸等，尺寸微小，隨著三維尺寸的減小，操作對(duì)象變得更輕、更有彈性、更容易損壞，結(jié)構(gòu)剛度也相應(yīng)降低。

3）MEMS引信中帶有敏感度較高的微型火工品，高精度的微力傳感控制模塊必不可少。

4）MEMS引信中安全系統(tǒng)等零部件形狀復(fù)雜，操作困難，必須采用視覺(jué)反饋的方法指導(dǎo)MEMS引信裝配的進(jìn)行。

5）MEMS引信中的各個(gè)零部件尺寸微小，在宏觀條件下起主導(dǎo)作用的重力、慣性力等退居次要地位，而附著力、表面張力、靜電力、范德華力甚至光輻射等起到了主要作用，因此，在進(jìn)行MEMS引信的裝配時(shí)，需要研制與之相匹配的微夾持器。

綜上所述，對(duì)于MEMS引信，目前的手工裝配方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到其技術(shù)要求；此外手工裝配不能對(duì)MEMS零件進(jìn)行高精度的測(cè)量，難以保證MEMS引信的精度和合格性要求。采用自動(dòng)微裝配技術(shù)不僅可以滿足MEMS引信裝配和自動(dòng)檢測(cè)需求，還能大幅提高生產(chǎn)效率，降低成本，MEMS引信采用微裝配技術(shù)勢(shì)在必行。

2 微裝配技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

微裝配主要指對(duì)亞毫米級(jí)尺寸（通常在幾微米到幾百微米之間）的零件進(jìn)行裝配。其發(fā)展過(guò)程經(jīng)歷了完全手工裝配、半自動(dòng)化裝配、自動(dòng)化多功能微型裝配和微機(jī)械手的裝配等階段。近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者把注意力放在了自動(dòng)微裝配系統(tǒng)的研究上。

對(duì)比傳統(tǒng)的宏觀裝配，微裝配的精度和公差要小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)，伴隨著對(duì)象尺寸的減小，原本在宏觀裝配中可以忽略的范德華力等表面力成為影響微裝配精度乃至裝配基本功能的主要因素。

由于微裝配具有與宏觀裝配不同的特殊性，所以微裝配具有一些特殊的功能：宏微結(jié)合的定位方式，滿足大運(yùn)動(dòng)行程和高精度定位的要求；顯微視覺(jué)系統(tǒng)，完成器件的識(shí)別和定位，并作為整個(gè)系統(tǒng)的反饋；多自由度操作手，實(shí)現(xiàn)靈活操作；微力傳感功能模塊，避免器件損壞，并在裝配策略中發(fā)揮重要作用；微作業(yè)工具，保證器件的搬運(yùn)和安全操作；自動(dòng)化的操作方式，實(shí)現(xiàn)微裝配的批量化［4］。

鑒于微裝配技術(shù)的需求和廣闊的發(fā)展前景，美國(guó)、日本以及歐洲一些國(guó)家紛紛投入巨資開(kāi)展研究，且取得了一系列成果。美國(guó)海軍研究中心和DAPRA等共同資助美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及Minnesota大學(xué)開(kāi)展微裝配方面的研究。德國(guó)Karlsruhe大學(xué)設(shè)計(jì)了桌面微裝配系統(tǒng)，如圖3所示，系統(tǒng)中各個(gè)微型操作手能夠協(xié)調(diào)工作，共同完成對(duì)MEMS器件的抓取、運(yùn)輸、定位、校準(zhǔn)、夾緊等裝配作業(yè)。瑞士ETH Zurich大學(xué)設(shè)計(jì)的微裝配系統(tǒng)（如圖4），該系統(tǒng)由基于CAD模型的多顯微鏡視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)以及操作平臺(tái)組成。通過(guò)多顯微鏡視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)，可以避免微器件操作環(huán)節(jié)中的陰影以及碰撞問(wèn)題，并且實(shí)現(xiàn)了微生物醫(yī)學(xué)器件的精確裝配［5］。

圖3 德國(guó)Karlsruhe大學(xué)的桌面微操作系統(tǒng)Fig.3 Desktop micro－operating system of Karlsruhe University

圖4 瑞士ETH Zurich大學(xué)設(shè)計(jì)的微裝配系統(tǒng)Fig.4 Micro－assembly system designed by University of ETH Zurich

雖然微裝配系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)、消費(fèi)電子生產(chǎn)中得以應(yīng)用，但在我國(guó)仍處于起步階段，多數(shù)微裝配技術(shù)的研究機(jī)構(gòu)還僅處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段，重點(diǎn)集中在微構(gòu)件的設(shè)計(jì)和工藝研究上。

3 MEMS引信微裝配技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國(guó)在MEMS引信微裝配方面的研究處于初級(jí)階段，由于國(guó)外對(duì)MEMS引信的研究較早，已經(jīng)有相應(yīng)的基于機(jī)器視覺(jué)的自動(dòng)微裝配系統(tǒng)用于生產(chǎn)和裝配，主要實(shí)現(xiàn)MEMS引信安全系統(tǒng)、引信電源的自動(dòng)裝配。

3.1 國(guó)外MEMS引信微裝配技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)2006年6月設(shè)計(jì)并制造了一套自動(dòng)微裝配系統(tǒng)（MVAM），如圖5所示。該系統(tǒng)的研發(fā)目的是用于25mm口徑微引信安全系統(tǒng)裝配，并實(shí)現(xiàn)裝配的高精度和高生產(chǎn)率。該系統(tǒng)于當(dāng)年通過(guò)了演示驗(yàn)證。

圖5 MEMS引信安全系統(tǒng)自動(dòng)裝配裝置Fig.5 Automatic assembly equipment of MEMS Safety and Arming device

該系統(tǒng)在進(jìn)行微引信安全系統(tǒng)的自動(dòng)裝配過(guò)程中，在裝配前和裝配后都利用顯微立體視覺(jué)技術(shù)對(duì)零件進(jìn)行實(shí)時(shí)微檢測(cè)，以對(duì)所有零件進(jìn)行測(cè)量及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存管理，實(shí)現(xiàn)100%的零件檢測(cè)。系統(tǒng)在片內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度為1m／s，軸向重復(fù)度為±3σ，三個(gè)軸上的分辨力為1μm，同時(shí)，該系統(tǒng)主要用微夾持器對(duì)微零件進(jìn)行微操作，與之搭配的是一個(gè)可編程控制平臺(tái)，可以對(duì)微夾持器上的力進(jìn)行測(cè)量及施加，可以控制0.1～50N的力。使用該系統(tǒng)可以達(dá)到每小時(shí)完成100套MEMS引信安全系統(tǒng)的裝配目標(biāo)，而手工裝配每個(gè)安全系統(tǒng)則耗時(shí)1h以上［6］。

3.2 國(guó)內(nèi)MEMS引信微裝配技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著國(guó)內(nèi)對(duì)MEMS引信的研究的深入，我國(guó)目前部分院校及科研院所已經(jīng)逐步開(kāi)展了對(duì)MEMS引信中某些關(guān)鍵部分的微裝配，并且也有了長(zhǎng)足進(jìn)步。

北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院張之敬教授針對(duì)MEMS引信安保機(jī)構(gòu)研究出十二自由度宏微結(jié)合微裝配系統(tǒng)（如圖6），系統(tǒng)包括顯微立體視覺(jué)分系統(tǒng)、精密承載工作臺(tái)分系統(tǒng)、多尺度微夾持分系統(tǒng)、位姿控制與檢測(cè)分系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明能夠?qū)崿F(xiàn)薄板、MEMS平面彈簧以及軸類零件的三維裝配［7］。

圖6 北京理工大學(xué)十二自由度宏微結(jié)合微裝配系統(tǒng)Fig.6 Micro－assembly system designed by Beijing Institute of Technology

國(guó)內(nèi)部分研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)展了微裝配技術(shù)的研究，清華大學(xué)研究的基于光學(xué)顯微系統(tǒng)的微裝配系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括顯微立體視系統(tǒng)、精密承載工作臺(tái)系統(tǒng)、微夾持器以其控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)微孔／軸的三維裝配。上海交通大學(xué)研制了毫米級(jí)全方位移動(dòng)機(jī)器人及其微裝配系統(tǒng)。該系統(tǒng)由微移動(dòng)平臺(tái)、微機(jī)器人和顯微攝像頭組成。微機(jī)器人與微動(dòng)平臺(tái)相互結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)小于0.8°的轉(zhuǎn)向精度和40μm的定位精度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)可以順利地將直徑0.6mm的寶石軸承套在直徑0.35 mm的軸上。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了用于MEMS傳感器批量制造的微裝配系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括柔性操作手、視覺(jué)定位系統(tǒng)、移動(dòng)平臺(tái)、加熱驅(qū)動(dòng)器、夾具和附屬裝置，通過(guò)更換微夾鉗，更改顯微的倍數(shù)等，就可以建立適合一系列的微傳感器的裝配任務(wù)。國(guó)內(nèi)其他從事微裝配系統(tǒng)研究的單位還有大連理工大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等，在全系統(tǒng)的微裝配系統(tǒng)原理樣機(jī)及關(guān)鍵技術(shù)研究等方面取得了一些成果。

4 MEMS引信微裝配技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

基于目前國(guó)內(nèi)外對(duì)MEMS引信微裝配技術(shù)迫切需求，以及國(guó)內(nèi)外在微裝配技術(shù)方面的技術(shù)積累，MEMS引信微裝配技術(shù)有以下幾方面的發(fā)展趨勢(shì)。

1）實(shí)時(shí)在線檢測(cè)

MEMS引信微裝配可靠性的前提是引信MEMS結(jié)構(gòu)件的合格，傳統(tǒng)以人工檢測(cè)為主，微系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展可以提高M(jìn)EMS結(jié)構(gòu)件檢測(cè)效率和合格率，將微系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)與微裝配技術(shù)結(jié)合是未來(lái)微裝配技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，不但可以減少運(yùn)輸途中對(duì)零件的損壞，而且還可以與生產(chǎn)流程緊密結(jié)合，提高微裝配的自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率。

2）流水線式自動(dòng)化微裝配

目前的MEMS引信微裝配技術(shù)還僅僅是對(duì)MEMS安全系統(tǒng)采用交互式、集中裝配。而引信是個(gè)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，除了MEMS安全系統(tǒng)，還包括發(fā)火控制電路、微火工系統(tǒng)和能源裝置，顯然不適合在有限的工作平臺(tái)上進(jìn)行集中裝配，根據(jù)傳統(tǒng)的裝配生產(chǎn)發(fā)展歷史，也是由人工裝配，到半自動(dòng)化裝配，直到目前的流水線自動(dòng)化裝配。因此流水線自動(dòng)化微裝配是未來(lái)引信微裝配發(fā)展的趨勢(shì)。

3）微裝配數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

我國(guó)每年均有幾千萬(wàn)個(gè)引信產(chǎn)品生產(chǎn)。一個(gè)引信產(chǎn)品零件多達(dá)幾十甚至上百個(gè)，其加工、裝配、檢驗(yàn)都有固定程序，非常復(fù)雜。若從引信產(chǎn)品微系統(tǒng)檢測(cè)及裝配階段就對(duì)相關(guān)零件進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)及儲(chǔ)存，零部件形狀、位置和相互間的工作關(guān)系的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以及其他部分的數(shù)據(jù)備份，那么不但可以為用戶了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，掌握引信零部件的相對(duì)關(guān)系提供直接的資料，而且可以根據(jù)數(shù)據(jù)信息對(duì)未來(lái)引信故障診斷和維修裝配做積極的指導(dǎo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

MEMS引信在體積、重量、性能等方面的優(yōu)勢(shì)，使其特別適合在小口徑彈藥以及子彈藥中應(yīng)用，因此受到各國(guó)的高度重視，紛紛投入大量人力物力進(jìn)行研究。微裝配技術(shù)是MEMS引信研究中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其技術(shù)直接影響了MEMS引信的生產(chǎn)效率以及系統(tǒng)可靠性。目前，我國(guó)在MEMS引信中的發(fā)火控制電路［8］、MEMS安全機(jī)構(gòu)［9］、微火工品系統(tǒng)和微能源裝置等方面都有了深入的研究。

本文對(duì)MEMS引信以及微裝配技術(shù)進(jìn)行了綜述，明確了微裝配技術(shù)應(yīng)用于MEMS引信的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，對(duì)下一步應(yīng)用微裝配技術(shù)為MEMS引信提供高效、大批量、可靠的裝配及檢測(cè)手段的研究具有一定的指導(dǎo)意義。

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［4］康曉洋，田鴻昌，李德昌，等.微裝配與MEMS仿真導(dǎo)論［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2011.

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