基于机器视觉的微装配控制策略及软件架构

微装配是制造由不同材料组成的复杂微系统关键技术。本文针对装配控制和软件架构等微装配实用化的重要环节开展研究。对微装配具体需求、工作流程、人机交互方式进行了分析,建立一种基于显微机器视觉的微装配平台,提出先看—后动的微装配控制模式,建立了包含任务层、策略层和行为层的控制分层架构。围绕软件可复用性,对软件部分的核心类和类之间关系进行了分析,主要采用面向对象的聚集关系构造任务层和策略层中的类,最终实现了微装配控制系统软件。利用本系统对由6个无人工标记点的微型零部件组成的系统进行了微装配实验,采用工具显微镜对所装配的微系统关键技术指标进行了测量和对比分析。实验结果表明：自动装配与手动装配的同轴度误差平均值相近,而对称度误差平均值有改善,自动装配的各项指标不确定度误差均明显优于手动装配结果,提高了所装配的微系统互换性。利用本文建立的基于机器视觉的控制方法可以有效地对复杂微系统进行装配,基于分层架构建模和开发的软件具有较高的人机交互性、鲁棒性和可复用性。     

用于MEMS传感器批量制造的微装配系统

手工操作限制了MEMS传感器的批量生产.为了降低生产成本,同时提高传感器的产品质量,研制了柔性自动阳极键合系统.该系统包括一系列功能模块,包括精密定位系统、显微视觉子系统、柔性微操作手、加热系统、键合夹具、物流系统以及其它的附属系统.通过模块重构和调整,可实现不同尺寸规格传感器的键合.基于显微视觉以及微装配系统的特性,提出了基于小波变换的自动调焦清晰度评价函数,同时提出了基于改进史密斯预估器的用于克服视觉延迟的伺服控制结构.集成一维微力传感器的微操作手可实现高精度和无损操作.为了实现自动化操作,开发了包括任务规划和实时控制功能的控制系统.试验验证了该系统的自动键合功能.     

A Supervisory Wafer-Level 3D Microassembly System for Hybrid MEMS Fabrication

Hybrid MEMS (microelectromechanical systems) integrate solid-state ICs with MEMS sensors and actuators. It is widely believed that such systems will bring fundamental technological impacts and significant social benefits. Hybrid MEMS manufacturing requires the development of new fabrication, packaging and interconnection technologies in which microassembly plays a critical role. Microassembly is the assembly of objects with microscale and/or mesoscale features under microscale tolerances. It integrates techniques from many different areas such as robotics, computer vision, microfabrication and surface science. This paper studies the design and implementation of microassembly systems through the introduction of a supervisory microassembly workcell. This workcell is developed for 3D assembly of large numbers of micromachined thin metal parts into DRIE (deep reactive ion etching) etched holes in silicon wafers. It overcomes a major limitation of current MEMS fabrication techniques by allowing the use of incompatiable materials and fabrication processes to build complex-shaped 3D MEMS structures. The system is able to perform reliable and efficient wafer-level microassembly operations within a supervisory framework. Microassembly brings new and unique issues to robotics research. The major components of microassembly systems are analyzed. Results on micromanipulator design, illumination modeling and control, and microgripper design are presented.     

一种MEMS自动微装配机器人

介绍用于MEMS自动微装配的机器人系统的构成,讨论组成该系统的若干关键技术,包括宏/微精密定位技术、显微视觉系统、微夹持器的设计、系统的标定以及装配策略．集成各单元技术,以外径＜2 mm的微行星齿轮减速器为示范装配对象,研制能够完成微装配任务的微装配机器人．融合显微视觉和力信息,采用相应的装配策略,在2．5 min内,实现难度最大的3个行星齿轮的自动装配．     

基于LTCC微波多层基板的双面微组装技术研究

传统的微波组件通常在低温共烧陶瓷(LTCC)微波多层基板上单面组装裸芯片和片式元器件,组装密度难以进一步提高.文中采用了LTCC微波多层基板双面微组装技术以提高组装密度,重点研究了高精度芯片贴装技术和芯片金丝键合技术,实现了LTCC微波多层基板双面高精度芯片贴装和金丝键合,大大提高了微波组件组装密度.实验结果表明:裸芯片的双面贴装精度均达到了±20 μm;双面金丝键合强度(破坏性拉力)均大于5 g,满足国军标要求.     

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。