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。     

微装配技术的发展现状及关键技术

微机械电子技术的快速发展及其系统结构的日趋复杂,促进了微机电系统中微装配技术的日益蓬勃发展.因此对微装配和微操作的研究日益引起国内外研究人员的重视.详细地综述了近年来微装配技术的国内外发展现状以及其发展过程中面临的一些关键技术,包括微装配机理、显微视觉技术、微夹持器、微驱动技术等,最后对微装配的发展进行了展望.     

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.     

MEMS器件微装配系统的设计与研制

在分析微装配特点的基础上,讨论了微装配系统的功能需求和组成。提出了一种新型MEMS器件微装配系统设计方案,描述了系统样机关键技术模块的研制方案。以微型光谱分析仪极板对准为示范目标开展了实验研究,结果表明该系统适用于典型MEMS芯片的微对准和封装研究。     

跨尺度微管微球三维半自动装配点胶系统

设计和搭建了一个3D半自动装配点胶系统,用于完成跨尺度零件微管与微球的三维装配点胶任务。系统主要由体视显微镜、变焦金相显微镜、发光二极管(LED)背光源、pL级点胶机、微操作手和零件夹持器组成。采用显微镜高低倍转换的方式实现了零件跨尺度特征的检测。基于提出的半自动装配点胶策略,并配合人工引导和显微视觉伺服技术,快速完成了跨尺度零件的半自动高精度对准和插入点胶。在搭建完成的系统上开展微管与微球的装配点胶实验,对提出的方法和装配精度进行了实验验证。结果表明,系统的位置对准误差优于1μm,角度对准误差优于0.5°,可以实现末端直径10μm的微管与孔径12μm的微球之间的装配和胶接,基本满足对该组件的装配精度和成功率要求。     

面向微装配的显微视觉伺服

将基于显微视觉伺服的机械手的装配位姿调整归结为使其末端执行器上三点运动到指定空间三点的问题.规定其中一点沿直线运动到目标位置,其余两点则以绕该点旋转的方法运动到它们对应的目标位置,避免部件的运动干涉与碰撞,并确保末端执行器始终在显微镜的视场中.以机械手的路径规划为基础,给出基于距离和角度的图像特征差的估计方法,定义并建立基于图像特征差的图像雅可比矩阵以及机械手的运动模型.提出基于图像误差与控制信号综合优化的具有图像延迟系统的最优控制算法,基于动态视觉伺服控制策略建立比例控制与最优控制综合的视觉伺服控制结构,通过一个误差开关在不同的控制器上切换,进行直线位姿调整和动态目标跟踪试验.结果表明,所研究内容正确可行,系统定位精度保持在两个像素以内,具有较好的实时性,能满足微装配性能指标的要求.     

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.     

微装配技术的进展和发展趋势

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.本文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.文章最后对今后微装配的发展方向进行了讨论.     

微装配系统三维坐标变换的研究

提出了基于立体视觉的微装配系统中微器件三维坐标变换的方法.该方法的系统模型中综合考虑了CCD摄像系统、显微成像系统、工作台以及微夹持手等多坐标系统,并运用光学原理,建立了微装配系统中微器件成像关系.研究分析表明,这种方法是一种有效、简单、易行的方法.     

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。     

螺栓螺母在3D软件中的装配方法的研究

以UG为载体,用几种不同的方法,详细介绍机械设计中螺栓、螺母的装配方法,这些装配方法,也可以应用于其他机械设计的3D软件。     

基于多姿态变化相机的CCD焦面组件热设计

为了保证CCD器件处于较小的温度波动范围,针对具有多姿态变化特点的空间相机,进行了CCD焦面组件热控系统的设计。根据具有不同温度膨胀系数的材料遇热变形不同的原理设计了该热控系统的关键部件－热开关;基于轨道分析计算所得到的地球阴影数据和太阳矢量方向变化情况,考虑了相机本体的遮挡关系,并结合相机姿态变化的特点,提出了由热开关控制双辐射板散热的方案;对此热控系统进行了具体的热设计;利用I-DEAS/TMG软件建立相机的热模型并进行了计算机仿真。结果显示仅采用被动热控措施的CCD焦面温度波动12.34℃,同时采用主动、被动热控措施后减小为1.73℃。满足热控指标的要求,热设计合理、有效。     

3D环境下飞机装配工艺规划与仿真一体化模型

为实现3D环境下飞机装配工艺规划与仿真过程的集成和统一,提出了一种飞机装配工艺一体化模型。该模型综合了装配工艺设计对产品对象以及工装、工具等资源对象在信息组织管理、零件几何运动描述等方面的要求,确定了装配＂产品—资源—工艺＂间的层进映射关系,将产品对象和资源对象间复杂的1∶N或N∶1关系分解为具体的1∶1关系,并基于文件对象结构原理建立了其数学表示模型。以某飞机中央翼部件装配为例,将该建模方法应用到自主开发的数字化飞机装配工艺规划与仿真系统中,验证了所提方法的有效性。     

基于屏幕空间变换的大型装配型架测量可视性分析

为提高型架安装精度,提出利用屏幕空间变换的一种简便易行的大型装配型架测量可视性分析方法.通过对大型型架测量可视性分析的关键问题进行研究,提出了障碍物判定与简化处理方法,并给出了基于可视性矩阵的最少仪器站位求解算法.以某盒式连接装配型架为例进行了验证.该方法通过将三维空间的干涉问题转化为二维空间的交集问题,可显著减少可视性分析的计算量、提高计算效率,为复杂现场环境下进行大尺寸测量可视性分析与仪器布局提供一种有效手段.     

空间相机焦平面CCD交错拼接重叠像元数计算

针对大视场空间相机焦平面采用的多片CCD交错拼接,提出了一种适用于多种姿态模式的重叠像元数解析计算方法,以保证空间相机成像视场中不出现漏缝。分析了CCD交错拼接的成像特性和产生漏缝的原因;基于空间坐标系变换和中心投影共线方程建立了重叠像元数计算模型,对像点、相机摄像中心、地面景物点建立动态数学关系,通过追踪像点在像面上的运动轨迹计算了拼接缝像元重叠情况。结合实际工程样例,计算和分析了空间相机机动角度、星下点纬度、视场位置等因素对重叠像元数的影响,并将各工况下计算的最多漏像元数作为最终拼接量。结果表明:重叠像元数理论误差小于1pixel;对比侧摆,俯仰成像时所需拼接像元数更多;该计算模型可扩展应用于其他类型空间相机在任何姿态模式下的重叠像元数计算。     

机械拼接时间延迟积分CCD空间相机的振动参数检测

为了获取空间相机在轨摄像期间的振动幅频特性,提出了一种基于TDICCD拼接技术的空间相机振动参数检测方法。根据TDICCD拼接原理,利用拼接结构中的重叠成像区域在不同时刻对同一景象成像,通过灰度投影算法对所成图像进行比对求取相对偏移量,拟合偏移量数据,进而根据拟合结果计算出空间相机振动参数。实验结果表明:对于一维单一频率的振动,频率相对误差小于0.5%,振幅绝对误差小于1个像元;对于一维混合频率的振动,频率相对误差小于3%,振幅绝对误差小于2个像元;对于沿推扫方向和垂直推扫方向均为单频振动的二维振动,频率相对误差小于1%,振幅绝对误差小于2个像元。实验结果验证了检测方法的正确性,达到了不增加额外设施,仅利用相机自身结构就能精确测量相机振动参数的目的,并为后续图像复原提供了数据基础。     

面向手工装配的计算机辅助装配过程控制方法

基于手工装配的复杂产品装配过程随机性较大,生产节拍不明显,缺乏有效的技术手段和方法对产品装配过程进行控制.针对这一问题,提出一种新型的面向手工装配的计算机辅助装配过程控制方法,该方法由装配工艺流程图创建、装配信息集成展示与工位数据采集、装配流程控制和装配进度监控三部分组成.引入工作流管理技术,把离散化产品的装配过程控制转化为对产品装配流程的控制,从而实现对复杂产品装配过程的时间进度、技术状态、装配质量的有效控制和基于装配流程的数据统一管理,为解决面向手工装配的复杂产品装配过程控制难的问题提供了有效的途径和方法.