平板类微小零件装配控制策略与软件架构研究

针对不同尺寸的平板类微小零件装配问题,将视觉技术引入到微装配作业中,对微装配控制策略和软件架构进行分析研究。根据微小零件结构特点、尺寸与装配精度要求,提出"Look and move+Visual servo"相结合的微装配控制模式,采用由界面层、数据层和逻辑层组成的分层软件架构,建立基于视觉的真空吸附式微装配系统平台。围绕集成化、可复用性要求,进行软件框架类继承关系的分析,采用基于动态链接库和VC++的MFC应用程序框架编程方法,集成Halcon视觉算法库,应用数据驱动模式,最终实现微装配控制软件设计。基于控制方法对由5个不同平板类微小零件组成的微组件采用三种不同装配方式,分别进行8组装配试验,并对其关键精度指标进行测量与分析,其测量结果表明,三种装配方式中姿态调整自动装配方式装配效果最佳,微组件的同轴度和平行度误差基本满足装配精度要求,微装配的适用性有明显改善。此控制方法可以有效的用于其他微装配系统,且具有良好的鲁棒性、可复用性和人机交互性。     

复杂机械产品装配过程质量门监控系统与关键技术

为及时甄别出复杂机械产品装配过程中的质量问题,提出一种质量门监控系统。分析了复杂机械产品装配流程及特点,提出装配过程质量门控制方法,并定义了质量门的内涵。研究了装配过程质量主动控制的体系架构,构建了一套使能装配过程质量控制的系统和关键技术,包括质量门资源标识和主动感知技术、质量门监控和数据采集技术、基于分层推理的专家知识系统、基于状态空间模型的装配误差分析技术、动态工序能力分析、基于粒子群优化算法的误差逆传播神经网络的分层装配性能预测、基于机器视觉的防误技术。应用J2EE构架开发了某型发动机的装配过程质量门监控系统,验证了该方法的可行性和有效性。     

微装配机器人系统

研制一种具备多操作手协调工作的微装配机器人系统,该系统包括两个4自由度的主微操作手和一个3自由度的辅助微操作手,并采用双光路正交显微视觉作为获取机器人和微对象的位姿与环境信息的主要手段.为适应不同形状和材质微目标的操作需要,分别设计真空和压电陶瓷两类微夹钳,以微夹钳工作原理分析为基础,给出微夹钳的控制依据.就显微图像获取和视觉伺服等问题进行研究,包括基于维纳滤波的模糊图像逆滤波器复原,基于图像分析的显微镜自动调焦,以及基于距离和角度图像特征的显微视觉伺服控制等.以人机交互的半自主方式控制机器人进行微装配作业.装配结果表明,系统工作可靠,能够完成具有复杂工艺要求的微装配任务,目前微零件最小装配精度可达30 μm.     

基于机器视觉的激光植球系统标定

构建了一个基于机器视觉辅助定位的激光植球系统。通过试验发现，整个系统的定位误差主要由机器视觉中透镜畸变和X—Y定位平台的装配误差引起。对于透镜畸变，引入了基于直线方法的图像畸变校正算法进行校正；对于非垂直的X—Y定位平台，通过基于机器视觉的软件补偿算法来校正X—Y定位平台的装配误差。最后，给出了试验对比数据和试验结果，验证了整个系统的标定效果。     

一种用于微器件装配的系统设计与研制

首先概述了国内外微装配系统的研究现状,在分析微装配系统的特点和功能需求基础上,提出一种基于计算机视觉伺服控制的微装配系统设计方案,详细描述了系统中精密三维微定位工作台、SMA微夹持作业工具以及视觉伺服控制系统等关键技术的解决方案,并以直径为几百微米级的典型微轴孔的装配为目标开展各项关键技术的试验研究.     

微装配正交精确对准系统的设计

针对平板类零件微装配系统设计过程中面临的问题,提出采用正交光学对准机构来实现用人机协同的微装配系统对微小型平板类结构件的高精度装配,并分析计算高精度对准机构模块产生的误差.建立了基于显微机器视觉及正交光学对准的微装配系统平台,用本文提出的方法进行了微装配实验,结果显示本装配系统在装配的一致性与装配效率方面有较大的改善与提高.提出的光学对准方法可有效地用于平板结构的硅微MEMS器件和非硅MEMS器件等集成的复杂微小型异构机电系统的装配,设计的平台具有很好的开放性和可移植性.棱镜正交对准机构产生0.001°的角度误差时,对准理论偏差小于0.98 μm,实际实验中微装配平台系统装配精度小于5μm,满足平板类微小型结构件装配一般精度需求.     

平板类微小型零件的自动化装配

针对MEMS器件中平板类微小型零件轻、小、薄的特点,搭建了基于单目显微视觉的真空吸附式微装配系统。通过研究微小型零件装配过程中的抓取方式、运动控制以及显微视觉定位等关键技术问题,制订了基于示教再现与显微视觉反馈相结合的平板类微小型零件自动化装配总体方案,并利用VC++平台开发了自动化装配程序。经实验验证,该微装配平台不仅可以实现微小型零件的高精度检测定位以及完成不同形状和尺寸的平板类微小型零件精准吸附,而且通过示教再现和视觉伺服相结合的控制方式实现了微小型零件的自动化装配,从而为提高微装配系统的装配精度和装配质量打下了坚实的基础。     

基于机器视觉的机械产品装配系统在线作业方法

针对应用机器视觉对促进制造业发展所具有的重要现实意义,在分析机器视觉在制造业应用模式的基础上,以机械产品装配作业为研究对象,设计了基于机器视觉的机械产品装配系统在线作业体系架构,定义了机械产品装配系统在线作业视觉因子集及其图像处理算子。构建了面向机械产品装配作业过程的视觉集成应用基于知识的面向对象Petri网模型,其中知识规则赋予模型中的决策变迁智能行为,主要用于解决模型中的算法失效与系统死锁问题。以某型号变速箱阀体装配工艺为例,基于HALCON视觉开发环境进行了原型系统开发,验证了该方法的可行性和有效性。     

微器件装配系统机器视觉的实现

高精度的机器视觉系统是实现微器件装配的关键之一.本文对微器件装配系统中机器视觉的功能和过程进行了设计,并对各部分算法进行了改进设计使其能够满足微装配的实时检测定位的功能.对微器件中广泛存在的圆形轮廓进行了识别定位的实验,结果表明该视觉系统能够为微器件的装配提供精确的定位参数可以保证微装配过程的实现.     

微小易损零件的精密装配及接触控制

针对某微小易损零件在装配过程中易损坏的问题,采用有限元仿真对其薄弱部分的装配应力进行了分析.搭建了一套基于机器视觉和激光位移传感器的微装配系统,该系统主要包括1个3自由度机械手,1个3自由度精密视觉系统与测距传感模块和一套专用夹具.采用机器视觉系统实现了目标零件在XY平面内的精确定位.采用激光位移传感器与工控机所组成的闭环系统对目标零件装配过程中Z轴方向上的接触状态进行检测和控制,接触状态检测精度优于2μm.     

A flexible microassembly system based on hybrid manipulation scheme for manufacturing photonics components

In this paper, a flexible microassembly system based on hybrid manipulation scheme is proposed to apply to the assembly of photonics components such as lensed optical fiber ferrules and laser diode (LD) pumps. In order to achieve both high precision and dexterity in microassembly, we propose a hybrid microassembly system with sensory feedbacks of vision and force. This system consists of the distributed six degrees of freedom (DOF) micromanipulation units, the stereomicroscope, and haptic interface for the force feedback-based microassembly. A hybrid assembly method, which combines the vision-based microassembly and the scaled teleoperated microassembly with force feedback, is proposed. The feasibility of the proposed method is investigated via experimental studies for assembling micro-optoelectrical components. Experimental results show that the hybrid microassembly system is feasible for applications to the assembly of photonic components in the commercial market with better flexibility and efficiency.     

基于显微视觉的MEMS微装配系统研究

提出一种基于显微视觉伺服控制的MEMS器件微装配系统设计方案,描述了系统样机及关键技术模块的研制方案。以微型光谱分析仪极板粘接为示范应用开展了实验研究,表明该系统适用于典型MEMS芯片的微对准和封装研究。     

RETRACTED ARTICLE: Automatic micropart assembly of 3-Dimensional structure by vision based control

We propose a vision control strategy to perform automatic microassembly tasks in three-dimension (3-D) and develop relevant control software: specifically, using a 6 degree-of-freedom (DOF) robotic workstation to control a passive microgripper to automatically grasp a designated micropart from the chip, pivot the micropart, and then move the micropart to be vertically inserted into a designated slot on the chip. In the proposed control strategy, the whole microassembly task is divided into two subtasks, micro-grasping and micro-joining, in sequence. To guarantee the success of microassembly and manipulation accuracy, two different two-stage feedback motion strategies, the pattern matching and auto-focus method are employed, with the use of vision-based control system and the vision control software developed. Experiments conducted demonstrate the efficiency and validity of the proposed control strategy. This paper was recommended for publication in revised form by Associate Editor Dong Hwan Kim Lidai Wang received the B.A. Sc. and M.A.Sc. degree in instrument science and technology from the Tsinghua University, Beijing, China, in 2003 and 2005, respectively. He is currently working toward the Ph.D. degree in mechanical engineering at the University of Toronto, ON, Canada. His research interests include data fusion, computer vision, robotics, micromachines and control. His M.A.Sc. work involved the development of an inertial measurement unit and data fusion algorithm for use in miniature aerial vehicle. His current research specializes in the automation of robotic microassembly and its application. Seungmin Kim graduated with Bachelor’s degree in Mechanical Engineering (1992), Master’s degree in Mechanical Engineering (1996) and completed the Ph.D. degree in Mechanical Engineering (2005) from the Pukyung National University, Pusan, Korea, specializing in control system design. His research interests have encompassed a number of related areas, including: robotics and automation, motion controls, and mechatronics, design and control of high speed machines, MEMS 3D assembly, MEMS robotic task execution, etc. He works as a post-doctoral researcher at the University of Toronto in Canada from January 2008. Since 2005, he has been with the Mechatronics Examination Team at the Korea Intellectual Property Office, and is now an Assistant Director.     

毫米级全方位微机器人结构设计与控制对运动精度的影响研究

运动精度是微操作机器人的一个重要参数。针对一种用于微装配操作的毫米级全方位微机器人,分析了影响其运动精度的两个重要方面,即结构设计与控制。分析了结构设计方面的优点和不足,主要涉及传动系统、轮子的安装等。控制方面涉及路径规划和驱动器电磁微马达等。针对微机器人直线运动的非线性问题,提出了对工作区域进行分区的路径规划控制方法。针对电磁微马达的结构特点,提出了矢量合成、力矩自平衡等特殊的控制方法和思想,将微机器人步进运动精度提高了3倍。应用微机器人进行的微装配实验证明了以上方法的有效性。     

MEMS微装配机器人系统的研究

首先总结了国内外微装配机器人系统及其关键技术的研究现状,并列举了部分应用实例。然后在分析微装配特点的基础上,提出了在显微视觉、多传感器信息融合控制以及微夹持器设计的解决方案。最后展望了微装配机器人及其关键技术的发展趋势。     

基于实体模型的虚拟微装配视觉伺服研究

微装配的主要问题是装配的器件小,装配精度高,一般用显微镜作为视觉传感器对装配运动进行控制。在大放大倍数下,显微镜的视场和景深很小,这时操作对象和操作工具就不会同时处在焦平面内,使得图像模糊,操作很难完成。利用显微镜的聚焦理论,提取对象的三维信息,构造对象的实体模型,使微装配在虚拟环境中进行,而实际环境只起监视的作用,当对象和工具不动时,虚拟操作环境不变化,而当操作对象和工具位置变化时,重构三维环境,使得虚拟环境和实际环境具有严格的位置对应关系。试验和仿真结果表明,该方法可以克服物体在显微镜下的失焦问题,而且操作方便。     

微装配技术的发展现状

微器件的装配并不是一个新兴的领域 ,但随着微加工技术、显微技术和集成电路技术的发展 ,微装配概念发生了根本性的变化 ,产品的范围和应用领域被拓宽 ,出现了许多新的技术 ,它的发展是与微机电系统 (MEMS)、纳米技术 (Nanotechnology)密切相关的。本文对微装配技术的发展现状进行了综述 ,介绍了微装配的特点和使用的许多新技术     

微装配的若干关键技术

随着微机电系统的快速发展,对微装配技术的需求日益迫切。详细地综述了近年来微装配技术发展的几个主要方面,包括微装配机理、视觉伺服微装配的结构、微夹持器等等。最后对微装配的发展方向进行了讨论。     

微型零件胶粘接的微装配技术

微型零件的胶粘接技术是微装配中一种重要的联接技术，用于微小型产品的制造。本文介绍了微型零件的胶粘接技术及其所研制开发的用于胶粘接的微装配机器人系统，对微型直线电机导轨的胶粘接进行了说明，分析了胶粘接过程中可能出现的问题，提出了基于视觉图象对微型零件胶接过程的检测方法，通过图象处理测量胶滴的点样位置和大小，以确保胶粘接的质量。     

基于显微镜聚焦的微装配视觉伺服研究

利用显微镜聚焦理论,沿显微镜光轴方向移动物体,不断计算图像的灰度变化之和,可判断出物体沿光轴的坐标,将这一坐标集成在伺服控制方程中,可完成立体视觉跟踪。这样,采用单目视觉系统就可以获得物体的三维坐标,避免了双目立体视觉系统的复杂结构。为了提高系统图像处理速度,利用卡尔曼滤波器对跟踪的特征点进行预测,并用窗口处理技术减小图像处理区域。实验和仿真结果表明,上述方法可完成复杂微装配的视觉跟踪,系统有好的实时性。