基于多传感器的微装配系统研究

1引言 随着MEMS(微机电系统)技术的发展,对于各种光学元件、压力传感器、加速度计等微型精密元件的年需求量已达数百万.微器件的加工与装配越来越引起人们的关注,许多研究单位对于微器件进行了研究与开发.微小零件的精密加工中存在的主要问题是:如何以微观精度和低成本实现微小零件的加工与装配.近些年来,基于IC工艺和深层X射线技术也被成功用于复杂工艺的微机械零件的加工.但是,对于那些由多个不同材料不同工艺加工而成的微小器件组成的混杂系统,往往需要进行一步或多步的装配.有时也需要将常规元件与微元件装配在一个系统中.这些都需要先进的定位技术和高度灵活的装配仪器.利用常规的设备进行上述操作,实现起来很困难,而且成本很高.     

基于多路显微视觉的微零件自动对准策略

基于对显微视觉系统成像特点的分析,针对搭建的微装配实验平台,提出了一种基于三路显微视觉的微零件自动对准策略,实现了毫米级复杂几何结构微零件的自动对准.基于显微视觉成像模型,推导了基于多路显微视觉的微零件运动控制的图像雅可比矩阵,证明了显微视觉引导下位置控制的图像雅可比矩阵为常数,并通过微零件的主动运动,实现了对图像雅可比矩阵的在线自标定.采用增量式PI(比例-积分)控制方式实现了对微零件快速有效的运动控制.实验结果验证了所提方法的有效性.     

基于无标定显微视觉伺服的零件微装配

为完成微小零件的装配操作,获得高效的微装配性能和避免复杂的摄像机标定工作,提出了基于BROYDEN方法的图像雅可比矩阵在线辨识模型．为了实现在线辨识快速收敛的目的,应用切比雪夫多项式构成了待辨识的图像雅可比矩阵的成本函数来逼近最优值．采用辨识的图像雅可比矩阵,设计了PD控制器,该控制器满足了系统的快速性和平滑性控制要求．在显微视觉环境下,完成了不同倍率物镜下微操作机械手自动定位与夹取三维微小零件的视觉伺服任务．实验结果表明,所提方法具有较好的鲁棒性和满意的执行效果,达到了系统应用要求．     

锥壳靶自动精密微装配系统

为解决多尺度、多形状的锥壳靶精密装配问题,研制了一套具有微米级定位精度的多操作手精密微装配系统.该系统具有3个多自由度操作手,能够针对不同形状、不同材质的零件进行拾取、装配.在显微视觉景深较小及装配空间光照有限的条件下,采用提升小波算法获得清晰的零件与操作手图像并进行相应图像的识别检测,实现了位置的闭环控制.通过3路显微视觉实现靶零件的在线测量,直线测量不确定度小于2μm,角度测量不确定度小于0.01?.装配实验结果表明,该系统能够保证微球中心与锥轴线的偏差小于5μm,微球中心与柱腔中心偏差小于10μm,与手动装配相比大大提高了装配精度.     

宏微结合的多机械手微装配机器人系统

为解决复杂组件装配中存在的并行操作、空间操作和多操作对象的难题,研制了一套基于显微视觉伺服的多机械手微装配机器人系统.该系统有6个机械手,每个机械手都由宏动模块、微动模块和末端夹持器组成.分别针对5种不同结构类型的零件,设计了5种异形零件夹持器.通过给镜头配置高精度的位移平台,实现了在30 mm×30 mm×30 mm的大操作空间内2μm精度的在线检测,可实现±9μm的装配精度.通过显微视觉反馈和力觉反馈相结合的策略,设计了过盈配合件的装配方法.使用该微装配机器人开展了微装配实验,实验结果表明该微装配机器人系统是可行的,基本能实现既定的装配要求.     

Zernike矩和最小二乘椭圆拟合的亚像素边缘提取

为了提高微操作系统的装配精度,提出了一种新型的亚像素边缘检测和中心定位算法。应用Canny算子提取了微零件在像素级的边缘。应用Zernike矩对微零件进行亚像素级的边缘定位。采用最小二乘椭圆拟合定位微零件的中心位置。实验结果表明,该算法能够实现更高的定位精度和消耗更少的时间。     

Pro/Engineer中装配仿真的实现方法

装配仿真能实时检测和改进产品的可装配性.提出一种可以实现零件在装配路径上进行连续运动的装配仿真方法.在装配体的基准零件中利用草绘工具规划出装配路径,在将要装配到基准零件上的零件中定义装配基准点.利用Mechanism模块的槽从动机构将装配路径定义为槽曲线,将装配基准点定义为从动机构点.根据槽曲线的空间形态定义伺服电动机即可驱动零件实现装配过程仿真.利用"回放"命令还可以重新演示装配过程以及进行实时干涉检测.     

基于单目显微视觉的微球姿态测量方法

微零件的姿态测量对微装配具有重要的作用.但对于微球零件,其姿态的精确测量存在困难,影响了装配精度.针对带有微孔的微球,本文提出了一种基于单目显微视觉的微球姿态高精度测量方法.设计了一种由粗到精的微孔检测算法,实现了高精度的微孔定位.通过对相机光轴方向的标定,在相机运动后对微球图像坐标进行补偿,提高了在相机坐标系下的微球定位精度.通过对微球和微孔的精确定位,计算出微球球心与微孔圆心的空间相对位置,实现了相机坐标系下高精度的微球姿态测量.同时,根据标定出的相机坐标系与调整平台坐标系之间的旋转关系,将微球姿态转换到调整平台坐标系.实验结果表明,最大姿态测量误差0.3度,验证了本文方法的有效性.     

微装配机器人的控制软件设计

针对亚毫米级微型零件的装配精度和效率偏低的问题,构建了21自由度微装配机器人控制系统。首先简要介绍了其控制系统的硬件组成。接着将系统控制软件分解成相应的功能模块,并由这些软件模块组成二个控制阶段,以完成整个微装配过程。提出了一种通用的基于.NET框架的＂四层架构＂设计模式,简化了各软件模块的编写工作,重点讨论了各层的功能及实现细节。最后,成功地应用了所提出的设计方案构建了微装配系统,结果表明该控制系统极大的改善了装配精度和装配效率,能够满足微装配作业的要求。     

基于显微视觉的微小型零件边缘检测技术研究

针对显微视场下微小型零件边缘检测精度要求高的问题,设计了一套微小型零件实时检测系统,给出了系统总体设计,完成了图像实时传输和处理;提出一种微小型零件亚像素级边缘检测算法：采用非正交二次B样条小波变换得到微小型零件的像素级边缘,利用Zernike矩算法的矩不变性对像素级边缘进行亚像素级精确定位,给出了算法原理,分析了像素级和亚像素级的边缘检测结果。实验数据表明：该系统检测零件尺寸可以达到0.01~10 mm,检测精度可以达到0.01%~0.1%,可准确识别出微小型零件的边缘,将检测精度提高到亚像素级,能够满足显微视场下微小型零件检测需要。