气密性检测技术在驾驶室内饰装配中的应用（共4篇）
气密性检测技术在驾驶室内饰装配中的应用 篇1
气密性检测技术在驾驶室内饰装配中的应用
目前,我国商用车中的中重型车辆基本都采用气制动.如果制动系统密封性不好,会造成整车工作压力下降,使制动系统的.功能缺损或丧失,从而影响整车安全性能,甚至导致驾乘人员和车辆出现意外.由于整车制动系统涉及到很多的相关零部件,完全依靠整车最后一环来控制密封质量既不合理效果也不好,只有确保相关零件和总成的密封质量.
作 者：张洋 张静营 作者单位：一汽解放汽车有限公司刊 名：汽车工艺与材料英文刊名：AUTOMOBILE TECHNOLOGY & MATERIAL年，卷(期)：“”(4)分类号：U4关键词：
气密性检测技术在驾驶室内饰装配中的应用 篇2
全液压内循环二板式注塑机, 因具有锁模精度高、速度快、能耗低, 机身短、结构紧凑、占地面积少, 良好的模具低压保护特性, 以及机器与模具使用寿命长等优良特性, 其已成为注塑机的发展方向和必然趋势[1,2,3,4]。但其液压油内循环的定模板 (以下简称定模板) 球墨铸铁 (QT500-7) 件不仅铸造难度高、机械加工复杂, 而且其内循环的液压油对其铸件的致密度提出了较高的气密性要求;由此, 该铸件在产品的相关制造厂走过较多的弯路:如其定模板球铁件 (结构如图1所示) 的液压油内循环油道的气密性试验工装便是其中的一例。
在该类定模板的制造过程中, 零件的相关制造厂 (或公司, 下同) 对其气密性的试验采用了两种不同的工装结构、其效果相差较远, 在此笔者根据对该工装的新旧结构及其特点和应用效果作一比较分析, 供类似结构铸件制造厂家参考。
1 定模板原气密性试验工装存在的不足
1.M16螺杆;2.M16螺母;3.大压板;4.大橡胶垫;5.小橡胶垫;6.小压板;7.垫圈;8.气嘴
为了避免图1所示全液压内循环二板式注塑机定模板在锁模工作过程中 (油压最高达30MPa左右) 的高油压下出现渗漏现象, 我们建议某全液压内循环二板式注塑机生产厂对其定模板采用铸件精加工前、及其装机前各进行一次气密性试验 (其气密性试验工艺的要点是:对定模板的油道在0.6~0.7MPa的压缩空气充压状态下、铸件及其气密性试验工装一并浸水4~5分钟, 不得渗漏) 合格后方可装机, 以便克服其定模板在装机完成后进行实际试机 (或试生产运转) 过程中再发现其“漏油”而折卸———更换 (以至于折卸———更换———再折卸———再更换……) 的恶性循环状态, 以避免给主机生产带来畸高的生产成本。
定模板在某金加工厂 (以下简称H厂) , 设计制作了图2所示的定模板原气密性试验工装。其结构特点是:结构简单、材料用量少, 使用虽也有较为方便等优点;但在其定模板的气密性试验过程中出现了较为严重的及较多的不足、其主要表现在以下几个方面。
1.1 结构不合理
图2所示的原定模板气密性试验工装, 是H厂一技师为追求其结构简单、材料用量少, 及使用方便等特征;采用了M16双头螺纹螺杆 (件1) 长长地穿过大压板 (件3) 和小压板 (件6) , 两端各用一个M16螺母 (件2) 锁紧大、小压板及其大橡胶垫 (件4) 和小橡胶垫 (件5) , 其一套四组的图2所示工装便使定模板四个锁模油缸导杆孔形成一个封闭的空间, 便可用压缩空气充压其内进行上述定模板的气密性试验。
然而, 图2所示的定模板气密性试验工装, 存在着气嘴 (件8) 设定位置不合理、锁紧螺杆直径偏小, 大、小压板与大、小橡胶垫大平面 (100%的面) 接触之不合理的工艺性结构。其主要工艺性缺点表现在如下两点。
1.2 密封性差
图2所示的定模板原气密性试验工装, 因其长长的锁紧螺杆直穿大、小压板及其大橡胶垫和小橡胶垫, 这虽使该工装的装夹工序之“初期”较为方便、但也使得大、小压板及其大橡胶垫和小橡胶垫的过孔留下了天然的 (致命的) 漏气间隙, 从而在结构方面存在着严重的缺陷, 由此、其不能保证工装“本身”可靠的“气密性”———即该工装的密封性差;再加之其螺杆直径偏小、锁紧螺杆的力量亦偏小 (即锁紧螺杆的刚性不够) 、更使其该结构的工装密封的可靠性降低。
另一方面, 图2所示的定模板气密性试验工装的大、小压板与大、小橡胶垫大平面接触的结构, 使得压板的压力传递到大、小橡胶垫与铸件 (零件) 轮廓接触时、因压板的变形而使其实际的接触面积很小, 从而使得该装置密封的可靠性进一步降低。
1.3 功效较低
图2所示的定模板原气密性试验工装, 因一方面存在着气嘴 (件8) 设定位置不合理、而常被相应橡胶垫挡住、使装夹该工装时出现“反复”操作的不良状态 (程序) ;另一方面, 仍因锁紧螺直径偏小、即锁紧力不够, 再加之长长的螺杆无“防随转”结构, 往往作一次气密性试验要反复数次对每一组工装的两端螺母锁紧———再锁紧的重复操作, 而使其功效偏低。
2 定模板新气密性试验工装结构及特点
鉴于图2所示的定模板原气密性试验工装, 存在着上述诸多的不足和缺陷, 我们建议和辅助其全液压内循环二板式注塑机主机厂及其定模板加工的H厂, 运用绩效技术等新理念改进和优化设计制作出了图3所示的定模板新气密性试验工装。经过生产实践证明, 图3所示的气密性试验工装具有如下一些特点。
2.1 结构优化
图3所示的定模板新气密性试验工装结构, 比之于图2所示的定模板原气密性试验工装结构主要作了改进和优化的内容是:原工装中的一根M16双头螺纹长螺杆改为了图3中所示两个M20的单头螺纹螺栓 (件1、件9) , 中间用一个长螺母 (件5) 连接两个螺栓;两个螺栓各自锁紧的大、小压板 (件2、件7) 的和大、小橡胶垫 (件3、件6) 的接触面作出了与零件结构内腔口直径相近的深度为2~3mm的凹型结构;气嘴 (件10) 的位置优化设置在其中一个螺栓头的中心位置。
图3所示的定模板新气密性试验工装结构, 作了上述结构改进和优化, 虽然零件的种类增加了两种 (一个螺栓、一个螺母) , 但从其用材和制作方面考虑、基本上没有增加整个气密性试验工装的制作成本;但其结构得到了极大的 (本质上的) 优化, 其具体的优点主要表现在如下两个方面。
1.M20短螺杆;2.大压板;3.大橡胶垫;4.M20螺母;5.M20长螺母;6.小橡胶垫;7.小压板;8.铜质垫圈;9.M20长螺杆;10.气嘴
2.2 密封性好
图3所示的定模板新气密性试验工装结构, 由于作了上述结构改进和优化:两个M20的单头螺纹螺栓 (件1、件9) 各自锁紧大、小压板 (件2、件7) , 因螺栓头的“整体性”结构可很好地锁紧铜质垫圈 (件8) 及其大、小压板, 完全克服了图2所示的定模板原气密性试验工装的两端螺母、螺杆 (螺纹) 连接处的天然间隙 (亦是图2所示工装的致命缺陷) , 故而图3所示工装的密封性好。
另一方面, 图3所示工装由于大、小压板 (件2、件7) 的和大小橡胶垫 (件3、件6) 的接触面作出了与零件结构内腔口直径相近的2~3mm的凹型结构, 可使螺栓的锁紧 (压) 力很好地均衡地传递到大、小压板的轮缘上, 从而可进一步提高该工装的密封性。
2.3 功效高
图3所示的定模板新气密性试验工装结构, 由于作了上述气嘴 (件10) 的位置优化至一个螺栓头中心位置的结构改进, 省去了图2所示工装压板上的气嘴 (眼) 须与橡胶垫上的对应孔“对位”的繁琐操作;更为重要的是上述密封性的本质性的提高, 使得操作该工装的功效得到了大幅度的提高, 其具体表现在图3所示的定模板新气密性试验工装做一个定模板的气密性试验过程 (周期) 只需要图2所示的定模板原气密性试验工装做一个定模板的气密性试验过程 (周期) 所需时间的三分之一至二分之一。
事物总是一分为二的, 图3所示的定模板新气密性试验工装结构也存在着缺点:其图3中的长螺母 (件5) 的尺寸e必须足够地长, 其长度以满足e1、e2的长度尺寸均须大于螺栓螺纹直径尺寸, 且还应使[e- (e1+e2) ]≥10mm为好。
其保证e1、e2的长度尺寸, 才能清除该工装的安全隐患;其保证[e- (e1+e2) ]≥10mm的尺寸要求, 才能使工装的可操作性强和较高的操作功效。
3 结束语
生产实践表明, 运用绩效技术等新理念指导设计和制作出的图3所示定模板新气密性试验工装结构、比之于图2所示的定模板原气密性试验工装, 不仅其密封性得到了本质性的提高, 且其功效也成倍的提高, 而深受H厂和主机厂操作者的欢迎, 图3所示工装结构的改进和优化起到了事半功倍的技术经济效果;故而, 图3所示的定模板新气密性试验工装在H厂和主机厂广泛地推广应用于了二板式注塑机系列产品之定模板的气密性试验。
由于图3所示定模板新气密性试验工装结构之事半功倍的工艺及其技术特征, 我们认为其也可以广泛地推广应用于类似结构铸件之气密性试验, 或其气密性试验工装设计制作之参考典例。
摘要：简述了二板式注塑机重要气密性铸件——定模板的原气密性试验工装的工作状态, 就是要做出这种产品进行科学实验的一种装置。分析了其存在着的缺陷成因;介绍了其原气密性试验工装结构不尽合理、密封性差、操作不够方便等不足。阐述了运用绩效技术等新理念设计制作的定模板新气密性试验工装的结构特征、及其具有密封性好、操作简便、功效高等特点, 并可广泛推广于二板式注塑机系列产品的定模板及其类似结构铸件之气密性试验。
关键词：绩效技术,定模板,气密性,铸件,试验,工装
参考文献
[1]黄步明.四缸直锁二板式精密注塑机的研制[J].中国塑料, 1999 (1) :70-74.
[2]焦志伟, 谢鹏程, 严志云, 等.全液压内循环二板式注塑机[J].橡塑技术与装备, 2010 (1) :38-41.
[3]黄步明.符合GMP要求的BM系列内循环二板式注塑机的结构性能及特点[J].中国医疗器械信息, 2010 (6) :37-39.
气密性检测技术在驾驶室内饰装配中的应用 篇3
本文探索在体验经济时代下的重卡驾驶室内饰产品的设计，依托用户体验的设计方法和理论对重卡驾驶室内饰产品设计进行指导，最后应用用户体验设计理论对重卡驾驶室内饰产品的设计进行分析。
关键词：
用户体验 重卡 驾驶室内饰设计
中图分类号：TB472
文献标识码：A
文章编号：1003-0069 （2015） 05-0114-02
重卡是汽车工业的重要组成部分，它以重载、高效率等优势在世界汽车制造业中的地位越来越重要。随着电子商务的崛起和物流运输业的迅猛发展，也带动了重卡制造业的飞快发展。近几年，我国加快了对公路基础设施的建设，给重卡由短途向长途运输提供了很好的发展契机。根据我国国家统计局数据显示，从2003年开始，我国的公路货运量急剧增长，给重卡制造业带来了很大的发展空间。在重卡需求量不断上升的同时，其用户对重卡的驾驶室内饰品质的要求也越来越高。重卡驾驶室内饰产品设计与驾驶员操作的安全及舒适度有直接的关系。而用户体验设计是以用户需求为中心的设计方法，应用用户体验设计理论对重卡内饰产品设计进行指导显得极为重要。近几年，用户体验设计普遍应用于互联网虚拟产品研究领域，并逐渐发展成熟。但在重卡驾驶室内饰设计领域还没有先例。
1.用户体验设计研究现状
用户体验概念最早是由Norman提出的，它指用户在使用产品的过程中该产品不会使用户感到厌烦，而且产品的造型一定要简洁，必要时要给用户带来惊喜。随之衍生的用户体验设计则是指让用户参与到设计的整个过程，提高用户的积极性，以便为设计师提出更多建设性的意见，设计中始终围绕用户的需求来展开，使设计的产品更加人性化和情感化，从而更加符合用户的操作习惯。
用户体验设计是一种以用户体验为基础的设计方法。Donald Norman在《Invisible Computer》一书中提到，用户体验设计涉及的研究领域是针对用户与产品交互的所有方面，即用户如何感知、了解和使用产品。用户体验设计关注人的感官体验和心理认同，并将产品、用户、环境融为一体。美国心理学家马斯洛指出，当用户的生理需求得到满足后，便开始追求心理上的自我满足。这就使用户体验设计在各研究领域的应用变得更为重要。
用户体验设计概念在中国研究和应用时间很短，主要应用在与计算机技术、图形技术相关的人机交互等几乎所有的领域，其设计理念的发展时间很短，虽然起初还没有“用户体验”这一概念，但其实人们一直在做这方面的工作。“用户体验”在中国的快速发展应该是近几年的事，目前国内对用户体验的认识越来越清晰。同时，国内许多企业也开始重视在产品研发时运用用户体验设计，并逐渐将用户体验作为产品研发成功的核心因素。如国内的阿里巴巴、华为、百度、腾讯、360、TP-LINK、新浪等企业纷纷建立了用户体验设计实验室，通过产品调研和用户需求分析保证研发设计的产品能够真正符合用户的使用需求。其中互联网领域应用用户体验最为广泛。但在汽车内饰设计领域研究的比较少，尤其是重卡驾驶室内饰设计中尚处于空白。
2.我国重卡驾驶室内饰设计现状
在建国初期，我国的经济处于刚刚起步阶段，通常卡车驾驶室内饰设计主要注重经济性。出于对产品经济性及当时人们的生活条件水平低的考虑，驾驶室内饰设计上只要求达到最基本的使用功能，对外观造型、颜色、材质和工艺以及其他装饰没有过高的要求。此时的卡车驾驶室内部通常不设有卧铺装置，故不能满足驾驶员休息的需求。
随着我国经济实力的增强，国内重卡制造能力也在逐渐上升，但卡车的设计能力还很薄弱，尤其是驾驶室内饰的设计。同时人们的生活质量逐渐提高，用户对重卡驾驶室内饰舒适度提出了更高的要求。但这时重卡驾驶室内饰设计现状已不能满足用户需求，国内的制造商开始引进国外的驾驶室内饰设计及借鉴国外的驾驶室内饰形式，如重汽豪沃A7的内饰设计（如图1所示）就是借鉴瑞典VOLVO FH系列的驾驶室内饰形式（如图2所示）。近几年，我国加快了对公路运输和城市建设的发展，物流信息业发展越来越快，长途货运量逐渐增多，重型卡车进入了大批量的生产阶段。驾驶室内饰以宜人化为主，更加考虑驾驶员的因素，一切设计围绕驾驶员需求展开。外观设计上开始融入美学概念，内部布局更加合理，造型更加符合人机工程学原理，内饰增加了娱乐功能配置如音频设备、视频设备等，内饰设计中开始使用更多的材质及对材质进行纹理加工，使内饰各部件操作触感更适合驾驶员驾驶，加工工艺也逐渐增多，尤其更多考虑了驾驶员的安全性与舒适度。此时设计师开始更多考虑内饰的品质和用户的驾乘习惯及体验，深入研究这些问题可以为用户带来更好的体验，融入用户因素的重卡驾驶室内饰设计流程更加合理，使设计出的驾驶室内饰产品更加符合用户的操作习惯。
3.驾驶室内饰用户体验设计实践
驾驶室内饰是整车的重要组成部分，为用户提供了，人车交流和操作界面功能。内饰的好坏会直接影响用户对整车的评价以及用户在驾驶过程中的生理与心理感受，进而影响用户的情绪。内饰设计最重要的是舒适性，舒适性由使用功能和审美功能决定。使用功能体现在人机工程学方面，带给驾驶员操作上的舒适性，审美功能体现在外观造型和色彩搭配上，带给驾驶员视觉上的舒适感和精神上的愉悦感。所以内饰设计必须满足安全性、功能性、舒适性以及被人们所忽视的美观性。内饰设计要求设计师从安全、高效、便捷、功能、人机、造型、装饰和色彩等方面进行系统设计。既要满足驾驶员操控、乘坐、储物的功能性要求，又要满足驾驶员娱乐、休息的功能要求。协调统一的内饰风格为驾驶员营造舒适、愉快的工作休息环境。
虽然国内的重卡驾驶室内饰设计在功能上逐步完善，但很多产品仍不能符合用户的使用习惯，无形当中增加了驾驶员的驾驶强度。通常人们已经习惯让用户去适应产品，很少考虑用户在使用产品的过程中的主观感受。重卡驾驶室内饰设计缺陷，不仅让驾驶员大部分都患有颈椎病和腰疼病，使驾驶员承受着不同的生理痛苦，对驾驶员的身体健康产生了很大影响，而且对驾驶的安全性也造成了威胁。如转向盘、排挡杆、离合、刹车等操作装置在布置时没有充分考虑人机尺寸，布置不合理，驾驶员长时间保持某种驾驶姿势会造成局部肌肉疲劳，同时仪表板数字、指针和符号的色彩设计不合理，从而造成驾驶员的视觉疲劳，进而形成驾驶疲劳。根据调查结果显示，由疲劳驾驶引起的交通事故占45.7%。随着经济的飞速发展，由疲劳驾驶引起的交通事故的发生率也在逐渐上升。在具体设计实践中，笔者将从造型、布局、色彩、材质、人机、功能等方面进行分析，并对重卡驾驶室内饰设计提出几点要求。
3.1 造型布局设计分析
驾驶室内饰与驾驶员接触时间最长，对驾驶员的生理与心理影响最为密切，重卡驾驶室内饰产品的设计应围绕驾驶员需求进行设计。其中驾驶室内饰布局设计要符合驾驶员日常操作习惯，以降低驾驶员的驾驶强度，满足驾驶员安全驾驶的要求。另外，内饰最好提供卧铺以满足驾驶员对放松休息的需求。在设计内饰产品时，运用人机工程学相关标准确定内饰各区域的合理尺寸及内饰各功能按钮的合理布局，以降低驾驶员长时间驾驶产生的疲劳。
内饰造型设计的主要过程如图3所示，通常设计师根据相关法规条件确定各个系统的位置和尺寸，然后设计师根据确定的尺寸和位置进行草图构思，与其他设计师讨论设计方案的可行性，确定最终设计方案，数模师根据设计师的草图和尺寸进行三维建模，最后制作1：1胶带图和模型，以验证设计方案的准确性。
3.2 色彩设计分析
重型卡车是重要的运输工具，驾驶员长时间驾驶容易产生疲劳，良好的内饰色彩搭配可以缓解驾驶员的视觉疲劳，所以选择合理的色彩对驾驶员的驾驶状态极其重要。对驾驶室内饰色彩设计时，应考虑不同颜色对驾驶员生理、心理的不同影响。合理的色彩能使人的心境安静下来，能给驾驶员带来良好的心理效果，使驾驶员消除疲劳，精力集中、心情舒畅、效率倍增，从而提高驾驶员的驾驶效率。错误的色彩会对驾驶员的驾驶情绪产生很大的影响，使驾驶员产生视觉疲劳，对车辆各种信息的读取产生错误，进而影响驾驶的安全性。驾驶室内饰色彩的设计应该遵循以下原则：a）必须要有主色调Ib）要符合美学原则；c）要有时代感；d）要符合民族习惯与爱好；d）要做到形质色艺的统一；e）符合宜人性原则。
在对重型卡车驾驶室内饰的色彩进行设计时，要对驾驶员的工作性质进行考虑，即驾驶员经常要长时间、全神贯注地驾驶，所以内饰部件的色彩设计应尽量选择无强烈反光刺激的颜色。如仪表板设计应考虑数字、指针的易识别性和对驾驶员视觉的影响，操纵装置的色彩纹理应与材质相结合，使驾驶员操作时得心应手、心情舒畅。色彩整体要协调，应使驾驶员感到舒适、亲和、美观，减轻驾驶员的烦闷和疲劳。驾驶室内饰的驾驶区域应以深色为主流趋势，一般为黑色或灰色，局部装饰对比色或高亮色，以使驾驶员能够保持一个较为平静、舒适的心情进行驾驶。
3.3 材质设计分析
在内饰设计中，材质与人直接接触，触感直接影响人对驾驶室内饰的感觉。不同的材质对驾驶员的生理和心理影响不同，合理的材质可以降低驾驶员的驾驶强度和疲劳感。材质表面可以加工各种纹理，不同的纹理既可以对内饰起到装饰的作用，又可以使内饰部件有很好的触摸感，增加驾驶室内饰的宜人性。随着汽车制造业的快速发展和人们环保意识的逐渐增强，重型卡车驾驶室内饰材质和加工工艺也在发生变化。驾驶室内饰不断向技术化、科技化、舒适化、安全化、可持续化、功能化和高效化方向发展。需要人们开发可回收利用、环保性高、加工方便、成本低的新材质来代替污染大、挥发性强、对人们身体有害的材料。利用人造革代替真皮、仿造木质材料代替贵重木质是驾驶室内饰材质发展的必然趋势；根据内饰不同部位对纤维材质的不同要求，将纤维材料进行混纺，尤其是无纺布的发明是内饰织物的发展方向。内饰材质的选择要遵循安全可靠性原则、环保性原则、舒适性原则、美观性原则、经济可加工性原则。
3.4 人机设计分析
国外很早开始运用人机工程学原理，二战期间美国提供的武器没有考虑士兵使用时的人机尺寸，使大部分士兵对武器的使用产生错误，美国的设计专家意识到这一点后，开始研究人机工程学原理，其在美国得到了很陕的发展，进而形成一种理论体系。其主要以人机环境作为研究对象，结合其他领域的相关知识，使机器最大限度适应人的职能，从而提高人的工作效率。人机工程学的基本理念就是产品设计要符合人的生理、心理特征，一切设计以用户为中心进行展开，使产品的造型、色彩和功能等都要适合人的生理和心理特点。人机工程学在重卡驾驶室内饰设计中起到了很大的作用，如重卡驾驶室内饰仪表板的指针、数字等设计不合理，容易造成驾驶员的视觉疲劳，从而引发交通事故。驾驶室内饰设计时运用人机工程学原理可以使内饰产品更符合驾驶员的操作习惯，颜色更符合驾驶员的生理、心理反应，材质更符合驾驶员的操作触感，布局更加合理，座椅更加舒适，储物空间更加富余和娱乐配置更加完善等。驾驶室内饰设计与整车设计是同步的，并在整车开发过程中对内饰设计反复迭代验证，以达到内饰最大的舒适度。
3.5 娱乐功能设计分析
重卡驾驶员长途跋涉几乎每天都行驶在路上，长途驾驶途中没有配备娱乐项目，给驾驶员带来无聊、疲惫的驾驶体验。内饰设计时需要增加适合国内驾驶员的内饰娱乐功能，其将带给驾驶员愉快的驾乘体验。结论
微装配技术及其在引信中的应用 篇4
微装配与微操作是指对微小器件的装配和对细胞与生物组织的操作, 具体的说就是装配和操作毫米以下纳米以上的微器件。微装配是与宏装配相对应的, 所谓的宏装配是指对较大零件的装配, 就是人们所说的传统装配。由于微装配的操作对象微小, 因此, 从某种意义上讲它与传统的宏装配是完全不同的。
1 微装配技术在引信MEMS机构中的必要性
对于小口径弹引信来说, 使用微装配系统代替手工装配的原因在于: (1) MEMS安全系统中零部件尺寸一般在20um到10mm, 因此对装配精度要求很高, 如果手工操作只能借助适当的观察和辅助手段, 而且花费时间长, 并对操作者提出很高的要求, 才能保证引信MEMS安全系统的装配质量。 (2) MEMS安全系统中常常带有易损坏的结构, 如悬臂梁结构, 采用传统的夹持技术, 会对零件造成损坏。因此需要研制新的夹持器。 (3) MEMS安全系统中, 为确保安全操作, 需要对力进行精确施加及测量。
综上所述, 需为引信MEMS安全系统研究具有微操作能力的微器件装配系统, 以提高系统作用可靠性, 并减轻装配人员的负担。
2 微装配系统的特点
一般来说, 微装配系统主要由四部分组成:
(1) 观测系统, 它是微装配与微操作系统的视觉系统, 一般由立体显微镜、图像采集卡和CCD摄像机以及监视器组成, 主要用来实现微器件图像的采集和操作过程的实时监控, 由显微镜成像到CCD摄像机的靶面, 经光电转换后送入图像采集卡, 将模拟信号转换成数字信号, 传送到微机进行数字信号处理, 从而得到位置信息。同时提取驱动系统所需的定位参量数据, 控制工作台和微夹持器操作平台运动, 以带动被装配器件在装配空间相对运动或旋转, 从而完成最终装配与操作任务。
(2) 微系统中的粗定位工作台, 微动工作台及其驱动系统。
(3) 微夹持系统, 实现对微器件的微夹持及释放操作。
(4) 控制与驱动系统, 目的是完成系统的动作控制, 实现微装配与微操作的自动化。
由于被操作对象的微小化, 其物理特性也发生了变化, 当器件的尺寸小于毫米时, 器件的重力可以忽略, 在这种几何条件下吸附力起到了主导作用。吸附力主要由以下三种组成:范德华力、静电力、表面张力等。这三种力受环境的影响极大, 例如湿度、温度、物体表面情况、物体材料以及两个物体之间相互运动状态等。微操作和宏观操作有很大的不同, 为了操作微观物体, 我们必须考虑微观物体和环境状况。由图1可以看出, 在微观世界中, 当物体尺寸小于100μm时, 这些吸附力对微小物体的作用便大于重力和惯性力的作用。如果我们要操作一个尺寸小于100μm的物体时, 吸附力会在某些情况下扰乱一些操作过程, 因此, 如何降低吸附力的影响是微操作系统设计时所必须考虑的。
(1) 降低表面张力:表面张力与空气的温度和湿度有着很密切的关系。表面张力中由于毛细作用而产生的液桥力只有在两个接触表面之间的湿度大于60%时, 才会大到影响到操作过程的进行;另一种由于氢键合力同样只是在较高湿度的情况下才会产生影响。实验证明在空气湿度低于9%时, 这些表面张力都可以忽略不计。在洁净室中, 温度和湿度都可以得到很好的控制, 而工件表面的吸附的水分, 可以经过加热处理的方法除去。
(2) 降低静电力:微操作手和被操作对象上携带的电荷是产生静电力的原因, 要消除电荷就要产生离子, 有三种产生离子以消除电荷的方法:施加电压, 离子由加在电极上的高电压产生;自发放电, 离子由物体的自发放电产生;辐射, 离子由辐射离子化过程产生。第二种方法适合于微操作。
(3) 降低范德华力:在一般工作环境中, 空气中的温度和湿度以及工件上的静电是很容易得到控制的, 这时, 范德华力是微操作中作用于工件的主要吸附力, 是必须考虑的主要因素。降低范德华力主要有两种方法:在微操作手的工作部分沉积一层薄膜;改变物体的表面粗糙度。
3 夹持系统
微装配技术中的关键部分是设计能进行执行的微夹持系统。根据驱动方式的不同可分为压电驱动、静电驱动、热力驱动、形状记忆驱动。
3.1 采用压电驱动的微夹持器, 此类微夹持器具有可控输出、无摩擦、无间隙、易加工等优点;但器件总体尺寸受压电元件以及位移放大机构的限制, 难以做的很小, 所以现有的压电体驱动微夹持器的外形尺寸通常在10~500mm。压电驱动在驱动应用时, 具有很高的响应速度和较大的输出应力, 但是其变形量较小, 通常在最大电压下的变形量为1/1000左右, 变形量难以满足微夹持器的要求。因此压电元件通常与柔性铰链配合使用, 达到增大输出位移的目的。在该种驱动方式中柔性铰链的设计是一个关键, 柔性铰链放大机构可分为:
(1) 单级放大柔性铰链, 其优点是结构简单, 加工方便, 传动阻力小, 所占面积小;但是它的放大倍数的提高主要是依靠延长杠杆臂来实现, 所以必然会导致体积的增大, 从而限制了它的应用。
(2) 两级放大柔性铰链机构, 首先通过一级杠杆将输入位移进行放大, 再将一级放大的输出作为二级放大的输入再次进行放大, 其放大倍数是一级放大倍数和二级放大倍数的乘积。
采用压电驱动方式的缺点:由于MEMS器件大多采用硅作为材料, 而硅材料本身不具备压电效应, 电信号难以转换为机械驱动力, 因而必须采用其他的物理效应间接地实现这种转换, 而且难于以IC工艺兼容。
3.2 采用静电驱动的微夹持器, 该种驱动方式仅需施加驱动电压便可实现驱动, 而且控制方便、驱动效率高, 静电驱动技术完全与硅材料、集成电路处理技术相一致, 便于集成化且工艺相对成熟, 加工费用较低。静电驱动方式可以分为两类:
(1) 板电容结构, 该结构一般为垂直驱动, 驱动力较大, 但驱动力与极板间的距离呈非线性结构, 从而限制了可动结构的位移, 虽然在应用中该布局很简单, 但是由于电极在微夹持器中占据了很大的空间, 因此很少使用。
(2) 静电梳状结构, 该结构为横向驱动, 其静电力与位移无关, 可以获得很大的振幅, 受到的阻尼较小。
在一般的设计过程中选用静电梳状驱动较多。该驱动方式的难点在于细长梁的加工以及几何尺寸的控制。
3.3 双金属片微夹持器就是采用热力驱动的, 将两片热膨胀系数不同的金属片粘合在一起, 当由初始温度加热或冷却, 由于材料的热膨胀系数不同, 双金属片就会弯曲, 一旦热力消失, 金属片又会回到原来的形状。在微夹持器中, 用一片金属做热组片, 另一片可由硅或多晶硅等普通的微结构材料做成。温度或者热量驱动的微操作手的结构比较简单, 体积小, 但是也存在非常明显的缺点, 除了温度对环境的影响和较低的响应频率之外, 由于对热量的控制很困难, 所以很难实现精确的操作。
3.4 形状记忆材料是指具有形状记忆效应的材料。所谓形状记忆效应是指一定形状的固体材料, 在某种条件下经过一定的塑性变形, 然后加热到这种材料固有的某一临界温度 (温度阀值) 以上时, 材料又恢复到原来形状的现象。利用这种效应就可以制造热驱动的微操作手。形状记忆合金既可以直接加工成为微操作手, 也可以作为驱动源, 通过放大机构, 驱动操作手臂进行工作。但是由于记忆合金在通过临界温度的时候, 几何尺寸变化率非常大, 难以精确控制, 因此会导致一个很大的冲击, 不利于对脆弱的微小零件进行操作。综上所述, 对于引信中的夹持器操作技术的驱动方式趋向于压电驱动或静电驱动。
4 装配过程中移动方式
在装配过程中, 微夹持器传送器件时, 选择一个合理的移动路径不仅可以解决节省操作时间, 而且可以避开障碍, 确保不会与其他物体发生碰撞。如果需要在水平面内移动样品到目标位置, 就需要进行路径规划, 首先识别出工作场景内的所以障碍物, 然后根据要移动的物体大小对障碍物进行膨胀, 再构造可视图搜索最短路径, 但是由于显微镜的视场大小的限制, 我们没办法保证路径的可靠性, 那么通过移动工作台来探测更大范围内的障碍物的分布情况, 然后选择一条安全的平面路径是可能的。但这样做所需的时间代价是巨大的。
基于上述原因, 我们选择了一条非平面的安全移动路径, 由于工作场景中所有物体尺寸都在几十微米到几百微米之间, 有时到几毫米的范围, 因此它们的高度一般也不会超过几百微米到几毫米, 如果基底和微夹持器的所有水平相对位移都不在一个平面内发生 (微夹持器距离基底有一段安全距离) , 那么这样的路径是安全的。对于简单的微器件移动任务, 仅需移动微夹持器或工作台中的任意一组三维移动工作台即可完成。我们这里可以采用固定微夹持器的方式。工作台水平移动之前先降低工作台的高度, 使工作台上最高的器件都低于微夹持器的位置, 水平移动后再上升到所需的高度, 这样的移动避开了复杂的路径规划, 水平面的的移动可以直线到达, 从而缩短了移动时间。
结束语
引信MEMS机构在体积、重量、性能等方面的优势, 使其特别适合在小口径弹药中应用。装配技术是引信MEMS机构研究中的一项重要关键技术, 它的合适与否直接影响了引信系统的生产效率及系统可靠性。因此, 微装配技术的关键问题的解决将为引信MEMS机构提供批量、可靠的装配手段。
参考文献
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