武器装备、民用产品的精密微小型化已经成为高端制造装备领域发展的重要趋势。随着惯性器件、微传感器、钟表机构等精密微小型系统在航天、兵器、和医疗器械等行业的广泛应用,其精度和复杂性也越来越高,对微小型制造技术的要求也越来越高。微小型系统是由不同材料和结构的零部件组装而成,而将这些零部件组装成具备特定功能的系统需要经历非常重要的过程-微装配。微装配过程涉及到微操作技术、精密对位检测技术、微力反馈技术、虚拟技术、计算机图形学以及自动控制技术等多学科知识,研究应用难度大。在微装配方面,国内外的研究虽然已经取得了一定的成果,但仍然非常缺乏成熟有效的技术和设备仪器,不能满足日益增长的对高精度微小型系统产品的需求。本论文在研究微装配系统和各项关键技术的基础上,设计和研制了一台面向微小型零件装配的高精度对位检测仪,首次将同轴共像技术和激光共聚焦的对位方法集成应用于微装配领域,达到了亚微米的检测对位精度。本文的主要研究内容及结论如下:(1)针对微小型零件的特征和装配需求,在对微装配系统及各项关键技术研究的基础上,提出了高精度微装配对位检测系统的总体方案。该系统采用“CCD工业相机+立方体棱镜”和“共聚焦光路+三角棱镜”的两套光路检测对位系统,结合“工控机+独立控制器+多运动轴控制卡”的开放式控制系统,实现了面向微小型零件的高精度装配。(2)在对高精度微装配系统进行详细分析的基础上,对系统关键零部件进行了静动态特性分析,热力学分析和结构优化。在系统关键零部件静力学校核的基础上,对其进行了实验模态和计算模态的分析和比较,得出了模态频率、模态阻尼和模态振型等参数。在室温变化时,对其进行了热力学分析,研究了温度对系统精度的影响。在综合上述分析和满足系统功能技术要求的前提下,对系统关键零部件进行了结构优化,减轻了大约30%的重量,使其一阶固有频率处于环境震动频率的三倍以上,改善了系统的动态特性。(3)通过对系统的共聚焦检测对位系统的光路几何误差和运动机械误差的分析,辨识出共聚焦对位检测系统的误差源,并基于多体理论和齐次坐标变化理论,建立了系统的综合误差模型。根据系统实际情况,对系统误差模型进行了估算并获得了系统的精度。为进一步提高系统精度,利用基于方差的Sobol算法对其进行了误差灵敏度的分析,得知在微装配过程中垂直于装配匹配端面的角度误差对其装配精度影响较大,为后续的标定和优化设计提供了理论参考。(4)在零件的接触装配阶段,无法对其进行相对位姿检测,为了实现高精度的装配,对零件的装配力和位姿之间的对应关系进行了研究,提出了基于微力/位姿映射关系的高精度对位装配方法。利用遗传算法(GA)和前向反馈(BP)神经网络建立了零件微力/位姿的映射模型,制定了对应的装配策略。通过单边5μm和2μm的轴孔装配实验,验证了该装配方法的有效性和可行性,为微装配最后阶段的装配提供了有利的指导。(5)在对整个微装配过程详细分析的基础上,对装配对位过程的各个运动、检测环节进行了高精度标定和调整,主要包括装配基准平台的调平标定、共聚焦系统光学棱镜位姿标定和共聚焦对位检测模块误差的标定。