（机械电子工程专业论文）基于机器视觉的微小型零件精密装配研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 在精密微小型器件与系统产品制造中，需组装零件的尺寸一般包括零点几个毫米到 十几个毫米之间，装配精度要求高。目前，装配作业一般是由熟练操作人员在显微镜下 手工完成，生产效率和成品率较低，产品的一致性较差，并且对操作人员有较高的技能 要求。随着对产品性能、质量稳定性的要求和产量需求的不断提高，手工装配难以适应。 基于视觉的装配系统以其柔性化装配的特点在提高装配精度、保证产品质量稳定性以及 提高生产率等方面，都显示出极大的优越性。在微小型零件视觉装配系统中，视觉部分 的主要任务是对微小对象进行识别、测量和定位，即在一定的精度要求下获取目标物体 的距离、形状、位置、姿态等信息。本文面向精密、复杂微小型器件与系统产品的自动 化、批量制造，以及为提高产品的质量和一致性，研制了基于机器视觉的微小型零件装 配系统。所研制的系统解决了某小型产品装配中的关键问题，其中包括待装配的零件尺 寸相差大、形状和特征多样、表面质量差别较大、需要同时保证组装的位置精度和形位 公差等典型问题。 微小型零件自动组装系统包括四个功能子系统：人机交互的计算机控制子系统、视 觉子系统、夹持操作子系统、回转工作台子系统。设计了视觉子系统和编写了完整的系 统控制程序。其中视觉子系统的硬件组成包括三轴精密运动平台、工业数字摄像机和远 心镜头。首先，视觉系统采集目标零件图像，并对图像做预处理，包括平滑滤波、增强、 二值化、数学形态变化、图像拼接等；然后通过边缘提取、闭合轮廓搜索、模板匹配等 方法对目标零件进行识别，采用最小包围矩形法以及具有亚象素精度的区域质心和主轴 的定位方法获得零件的位姿；最后通过空间坐标转换获得操作机械手的运动信息，控制 机械手完成五个不同微小零件的精密装配。实验表明所研制的系统在满足装配精度的同 时，提高了产品的一致性和生产效率，降低了对操作人员的要求和工作强度。 关键词：微小型零件装配；机器视觉；精密装配系统；自动化装配 基于机器视觉的微小型零件精密装配研究 r e s e a r c ho nm a c h i n ev i s i o nb a s e dp r e c i s ea s s e m b l yf o rm i n i a t u r ep a r t s a b s t r a c t h lm a n u f a c t u r i n go fp r e c i s em i n i a t u r ep r o d u c t sa n dd e v i c e s ，t h es i z eo fp a r t st ob e a s s e m b l e di sg e n e r a l l yf r o ms u bm i l l i m e t e rt ot e n so fm i l l i m e t e r s ，a n dh i g ha c c u r a c ya r e r e q u i r e a tp r e s e n t , a s s e m b l yi sg e n e r a l l yc a r r i e do u tm a n u a l l yu n d e rt h em i c r o s c o p e ，w h i c h r e s u l t si nl o w e r y i e l dp e r c e n t a g ea n dp o o ru n i f o r m i t yo fp r o d u c t , f o rt h ew o r k e r s ，t h e yh a v et o b et r a i n e df o r b e t t e rs k i l l s w i t hm o f gr e q u i r e m e n t so nq u a l i t ys t a b i l i t ya n dy i e l do ft h e p r o d u c t , m a n u a la s s e m b l yi sd i f f i c u l tt os a t i s f yt h e s er e q u i r e m e n t s m a c h i n ev i s i o n - b a s e d a s s e m b l ys y s t e ms h o w st h ea d v a n t a g ei ni m p r o v i n gp r e c i s i o n , g u a r a n t e e i n gt h es t a b l eq u a l i t y i np r o d u c t i o na n di n e a s i n gp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y i nt h ev i s i o n b a s e da s s e m b l ys y s t e m ，t h e m a j o rt a s ko fm a c h i n ev i s i o ni s t oi m p l e m e n ti d e n t i f i c a t i o na n dl o c a t i o no ft h et a r g e t m i c r o o b j e c t s ；i ts h o u l db ea b l et oo b t a i nt h ed i s t a n c e ，s h a p e ，p o s i t i o na n do r i e n t a t i o no ft h e m i c r o p a r t su n d e rc e r t a i nr e q u i r e m e n to fp r e c i s i o n o r i e n t e dt oa u t o m a t i z a t i o na n db a t c h p r o d u c t i o no fp r e c i s ea n dc o m p l e xm i n i a t u r ep a r t s ，f o ri m p r o v i n gq u a l i t ya n du n i f o r m i t yo f p r o d u c t , a na s s e m b l ys y s t e mb a s e do nm a c h i n ev i s i o nf o rm i n i a t u r ep a r t sh a sb e e nd e v e l o p e d t h ea s s e m b l ys y s t e ms o l v e dt h et y p i c a lp r o b l e m si nt h ea s s e m b l yp r o c e s s ，i n c l u d i n gt h eg r e a t d i f f e r e n c ei ns i z e ，s h a p ea n ds u r f a c ef e a t u r ea m o n gp a r t s ；t o l e r a n c er e q u i r e df o rb o t hp o s i t i o n a n do r i e n t a t i o ne t c t h ep r e c i s ea s s e m b l ys y s t e mc o n s i s t so ff o u rf u n c t i o n a ls u b s y s t e m s ，i n c l u d i n gc o m p u t e r c o n t r o ls u b s y s t e m ，v i s i o ns u b s y s t e m , r o b o tm a n i p u l a t o rs u b s y s t e ma n dr o t a r yw o r k t a b l e s u b s y s t e m v i s i o ns u b s y s t e mi sd e s i g n e da n dc o m p l e t es y s t e mc o n t r o ls o f t w a r ei sd e v e l o p e d v i s i o ns u b s y s t e mi n c l u d e st h r e ed f om o t i o np l a t f o r m ，i n d u s t r i a ld i g i t a lc a m e r aa n d t e l e c e n t r i cl e n s f i r s t l y ，v i s i o ns u b s y s t e ma c q u i r ei n l a g eo fp a r t sa n dt h e np r e p r o c e s st h e i m a g e ，i n c l u d i n gs m o o t h i n gf i l t e r i n g ，i m a g ee n h a n c e m e n t ，b i n a r ys e g m e n t a t i o n ，m a t h e m a t i c a l m o r p h o l o g ya n di m a g em o s a i c s e c o n d l y ，s y s t e mr e c o g n i z et h et a r g e tp a r t sb yu s i n gt h e m e t h o d so fe d g ed e t e c t i o n ；c o n t o u re x t r a c t i o na n dt e m p l a t em a t c h i n ga n do b t a i nt h ep o s i t i o n a n do r i e n t a t i o no ft h ep a r t sb yu s i n gt h em e t h o d so fm i n i l t l u l t lb o u n d i n gr e c t a n g l e ，c e n t r o i d a n dp r i n c i p a la x i s f i n a l l y ，r o b o tm a n i p u l a t o ri st r a d e rc o n t r o lw i t ht h em o t i o ni n f o r m a t i o n t h r o u g ht r a n s f o r m a t i o no fs p e c i a lc o o r d i n a t e sa n dt h e na c c o m p l i s h e st h ep r e c i s ea s s e m b l y t a s k e x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ea s s e m b l ys y s t e mi m p r o v e su n i f o r m i t yo fp r o d u c t sa n d p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y ，l o w e rs k i l lr e q m r e m e ma n dw o r ki n t e n s i t yo ft h ew o r k e r 够w e l la s a c h i e v e st h ea c c u r a c yr e q u i r e m e n t s 一i i 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：a s s e m b l yo fm i n i a t u r ep a r t s ：m a c h i n ev i s i o n ：p r e c i s ea s s e m b l ys y s t e m ； a u t o - a s s e m b l y 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：基王扭墨趣鲎鲍微d ! 型鐾佳揎蜜装配珏究 作者签名：交笠玺均 日期：盟年丝月1 6 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理王大学硕士、溥士学位 论文版权使用规定，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者躲避巫 导师签名： 巡钲旦月丑曰 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 精密装配与微装配概述 产品制造过程中的装配就是把加工好的零件按规定的技术要求和一定的顺序组合 成套件、组件、部件或将已组合好的套件、组件、部件连接到一起，成为一个完整的产 品，并且可靠地实现产品设计的功能【l 】，因此装配是产品生产制造中的重要环节。装配 是产品制造过程中的劳动密集阶段，它耗费大量的人力和时间，装配过程的工艺精度和 可靠性直接影响产品的质量 2 1 。装配作业在现代化工业产品生产过程中所占的比例日益 增大，日、美及欧洲的制造业，约有4 0 以上的劳动是用于装配作业例。 近年来，随着新技术、新工艺、新材料的广泛应用，在机械加工方面的机械化、自 动化、规模化程度提高较快，对产品质量要求也越来越高，装配工作量在制造过程中所 占的比重逐步扩大，成为决定产品质量的决定性环节。装配系统的自动化、智能化程度 逐渐成为研制产品能否实现批量化生产的关键。 精密微小型产品，如高精度加速度计、陀螺等，由许多零件组成，同一般产品制造 过程相同，装配是制造过程中的最后阶段，占有非常重要的地位，装配质量的优劣，直 接影响微小型系统运行的性能和可靠性。国内外近年来在微小型零件的制造技术方面取 得了长足的进步，而在微小型零件装配系统与技术的研究与应用方面相对落后，传统的 手工装配方法无法满足精密微小型零件批量制造的需求，先进的微小型零件的装配技术 对于提高微小型产品的制造质量、缩短周期、降低产品成本等方面具有重要意义。 1 1 1 精密装配作业 日本精密机械学会将装配作业定义为：“将两个或两个以上的零件制作成一个半成 品或成品的作业，即依靠插入、联接等步骤，使零件发生相互作用而实现一体化p j 。 精密装配是指被装配零件之间的定位或配合精度要求较高的装配作业。机器人应用于装 配作业使得精密装配作业向着高质量、高效率、高柔性的方向发展，精密装配业被认为 是机器人最重要的应用领域。 美国吉尔曼工程制造公司1 9 5 7 年开发了圆珠笔尖自动装配的生产机械，宣布了装 配机械的诞生1 4 。六十年代，美国为了提高市场竞争力，改变小品种大批量生产状况， 致力于柔性制造系统( f m s ) 的研究，开展了机器人用于装配作业的研究。机器人装配技 术真正进入工业研究和开发时期是七十年代。到了八十年代，装配机器人已经广泛应用 于生产实际中，尤其是1 9 8 1 年，日本山梨大学工学部精密工学研究室开发出s c a r a 机器人后，装配机器人开始得到迅速发展。最初主要用于汽车、电子、电器等行业，日 基于机器视觉的微小型零件精密装配研究 本的日立、东芝、索尼、安川、电装和先锋等公司及枥木工场等均在八十年代初期将 s c a r a 型装配机器人引进到各自的生产线中。到九十年代，装配机器人在精密工业部 门开始得到应用，日本富士通研究所开发完成的m i c r o a r m 1 5 0 型超精密多关节型机器 人定位分辨率达到4 p r 0 1 3 1 。同时，装配机器人也从开始时只是完成简单的插装操作发展 到能根据传感器反馈信息进行一些难度较大的装配操作，甚至在医学、生物、光学等超 精密作业中得到应用。 伴随着装配机器入的发展，为了适应各种不同被装配零件的尺寸、形状的装配要求， 各种各样的装配机器人末端操作器被研制和开发出来，它被认为是机器人自动装配线的 关键技术。带有感知，如对装配力的检测，以及微位移运动机构的装配机器人末端微操 作器的开发应用，使得机器人完成各种复杂、精密的装配作业成为可能。 1 1 2 微装配技术 微装配一般是指微尺度( m i c r o s c a l e ，一般指1 1 0 0 i _ t m ) 的零件和或具有微尺度公 差中尺度( m e s o s c a l e ，一般指1 0 0 i - t m l m m ) 零件的装配【5 j 。 微装配技术归纳起来主要有两类，即直接微装配( d i r e c t e dm i c r o a s s e m b l y ) 和自组装微 装配( s e l f m i c r o a s s e m b l y ) t 6 1 。直接微装配技术在近年得到比较广泛的研究，融合了机器人 技术、视觉图像处理技术以及精密机械与控制技术等，从早期的主从遥控方式进行作业 的微操作系统到自动微装配系统，研制开发出一些微装配系统样机。自组装微装配是指 利用表面张力、静电力、磁力等的作用，使得微型零件能够进行自动定位而实现联接的 装配方法。 直接微装配技术使得采用互不兼容材料制作的微器件能够集成起来构成复杂的多 功能微系统。直接微装配方面的研究，从技术的角度上来看主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 基于传感器的微装配技术研究。 由于需要装配的微型零件尺寸很小，使得依靠设备本身的精度，即利用传统的精密 装配技术很难保证微装配的要求。目前为解决微型零件的装配问题，基于传感器的微装 配技术研究得到重视。将图像传感器安装在光学显微镜上，利用获取的图像信息可以获 得十几个纳米的高分辨率。通过扫描电子显微镜( s e m ) 将获得更高的精度。分辨率的提 高，必然使得视觉系统的视野变得狭小，同时又很容易得到模糊的图像。因此某些微装 配系统中采用了“全局( g l o b a l ) ”和“局部( 1 0 c a l ) 两个视觉系统1 7 ，8 1 。力觉信息能够用于 引导微装配作业，控制接触冲击力，也是实现自动微装配作业的重要研究内容。 ( 2 ) 微型夹钳等微型作业工具的研究。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 微型夹钳大致可以分为机械式和吸附式两大类。机械式微型夹钳的驱动原理主要有 形状记忆合金驱动、压电陶瓷驱动、静电力驱动等；吸附式微型夹钳主要有真空吸附、 静电吸附等方式。由于微观世界中范德华力、表面张力和静电力起主导作用，因此微型 夹钳等方面的研究需要对吸附力以及如何降低其影响进行研究。 ( 3 ) 微型零件的联接技术。 微型零件的联接技术是复杂多功能微系统的使能技术。除硅片键合等技术外，微型 零件的联接方式主要可以分为胶粘接和焊接，其中焊接主要指微电子封装中的芯片焊接 技术。微型零件的胶粘接技术与焊接技术相比具有不需要加热等优点，因而对所联接的 零件不会产生负面影响。胶粘接技术主要包括胶粘剂、点样技术以及对粘接过程的控制 世 号手。 另一类微装配技术，即自组装微装配，起源于生物化学领域普遍存在的分子自组装 现象。自组装微装配是一个开环控制的过程，涉及装配对象、驱动力的选取、装配环境 等许多因素，应用上有一定的局限性。c r a c i a s 等人提出了基于自装配的3 d 组装方法， 通过热运动将表面刻有集成电路、发光二极管等毫米级细小多面体装配成具有一定电子 功能的3 d 电子网络【9 j ，值得借鉴。 1 2 机器视党技术 人类感知外部世界主要是通过视觉、触觉、听觉和嗅觉等感觉器官，而视觉，是人 类最重要的感觉功能。据统计，人所感知的外界信息有8 0 以上是由视觉得到的1 1 0 j 。计 算机视觉的主要目标是用图像来创建和恢复现实世界模型，然后认知现实世界。简单的 说，计算机视觉就是使机器具备“看”的功能，使机器能认识和看懂所要看的东西，能 确定它所见范围内目标的位置。然而，视觉本身也是人类最复杂的感知过程之一，视觉 数据中通常含有大量的无关或者甚至使人误解的偏差，而其数据本身并不显示出相应的 相关性和不相关性。所以，计算机视觉所要完成的是一系列复杂的信息处理任务【1 1 1 。计 算机视觉是研究计算机模拟生物外显或宏观视觉功能的科学与技术。计算机视觉在人类 视觉无法感知的场合，如精确定量感知、危险场景感知、不可见物体感知等，更突显其 优越性1 2 1 。 机器视觉是计算机视觉应用的一个重要领域，它不仅研究解决某一特定任务的相应 视觉处理算法，而且研究为完成这一任务的视觉系统的组成和实现，以及与其它部件的 关系。机器视觉系统通过机器视觉产品将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图 像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些 信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作i l 引。 摹于机器视觉的微小型零件精密装配研究 机器视觉是在2 0 世纪j 0 年代从统计模式识别开始的，当时的工作主要集中在二维 图像分析和识别e ，如光学字符识别、工件表面、晟微图”和航空图片的分析和解释等。 6 0 年代，r o b e r t s 通过计算机程序从数字图像中提取h 诸如寺方体、楔形体、棱柱体等 多面体的二维结构并对物件形状及物体的空唰关系进行描述【1 4 1 。到了7 0 年代，已经 出现了些视觉应用系统。7 0 年代中期，麻省理工学院i t ) 人工智能( a i ) 实验室正式 丌设“机器视觉”( m a c h i n e v l s o o ) 课程。同时，m i ta i 实验室吸引了国际上许多知名 学者参与机器视觉的理论、算法、系统设计的研究。可以说，对机器视觉的全球性研究 热潮是从2 0 世纪8 0 年代开始的。到了8 0 年代中期，机器视觉获得了蓬勃发展，新概 念、新方法、新理论不断涌现，比如，基于感知特征群的物体识别理论框架、主动视觉 理论框架、视觉集成理论框架等”。 由于机器视觉系统可以快速获取大量信包，而且易于自动处理，也易于同设计信息 阻及加丁控制信息集成，创此，在现代自动化生产过程中，人们将机器视觉系统广泛地 用于电子与半导体、制药、医学、工业包装和印刷、机械制造等行业”“j 。机器视觉 系统的特点是提高生产的柔性和自动化程度。在一些不适台人工作业的危险工作环境或 人工视觉难以满足生产要求的场合，常用机器视觉来替代人工视觉；同时在大批量工业 生产过程巾用人工视觉检奇产品质量效率低且精度不高，用机器视觉检测方法町以大 大提高生产效率和生产的自动化程度。而且机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机 集成制造的基础技术。 典型的基于p c 的视觉系统通常主要包括：照明光源、工件放置( 夹具) 、相机、位 置传感器、控制逻辑、以及图像采集卡，图像处理软件。如图l1 所示。 ：。， 图ii 基于p c 的机器视觉系统基本组成 b a s j cc o m p o s i t i o no f p cb a s e dm a c h i n ev i s i o ns y s t c m 相机与镜头成像器件，通常的视觉系统都是由一套或者多套这样的成像系 统组成，如果有多路相机，可能由图像卡切换柬获取图像数据也可能由刚步控制同时 大连理工大学硕士学位论文 获取多相机通道的数据。根据应用的需要相机可能是输出标准的单色视频 ( r s 1 7 0 c c 取) 、复合信号( y c ) 、r g b 信号，也可能是非标准的逐行扫描信号、 线扫描信号、高分辨率信号等。 光源辅助成像器件，对成像质量的好坏往往能起到至关重要的作用，各种 形状的l e d 灯、高频荧光灯、光纤卤素灯等都容易得到。 传感器一通常以光纤开关、接近开关、力传感器等的形式出现，用以判断被 测对象的位置和状态，告知图像传感器进行正确的采集。 图像采集卡通常以板卡的形式安装在p c 中，图像采集卡的主要工作是把相 机输出的图像输送给电脑主机。它将来自相机的模拟或数字信号转换成一定格式的图像 数据流，同时它可以控制相机的一些参数，比如触发信号，曝光积分时间，快门速度等。 图像采集卡通常有不同的硬件结构以针对不同类型的相机，同时也有不同的总线形式， 比如p c i 、p c i 6 4 、c o m p a c tp c i ，p c i 0 4 ，i s a 等。 p c 平台电脑是机器视觉系统的核心，在这里完成图像数据的处理和绝大部 分的控制逻辑，对于检测类型的应用，通常都需要较高主频的c p u ，这样可以减少处理 的时间。同时，为了减少工业现场电磁、振动、灰尘、温度等的干扰，必须选择工业级 的电脑。 视觉处理软件机器视觉软件用来完成输入的图像数据的处理，然后通过一 定的运算得出结果，这个输出的结果可能是p a s s f a i l 信号、坐标位置、字符串等。 常见的机器视觉软件以c c + + 图像库，a c t i v e x 控件，图形式编程环境等形式出现，可 以是专用功能的( 比如仅仅用于l c d 检测，b g a 检测，模版对准等) ，也可以是通用 目的的( 包括定位、测量、条码字符识别、斑点检测等) 。 控制单元( 包含i o 、运动控制、电平转化单元等) 一旦视觉软件完成图像 分析( 除非仅用于监控) ，紧接着需要和外部单元进行通信以完成对生产过程的控制。 简单的控制可以直接利用部分图像采集卡自带的i o ，相对复杂的逻辑运动控制则必须 依靠附加可编程逻辑控制单元运动控制卡来实现必要的动作。 随着计算机硬件和软件的飞速发展，高分辨率影像输入设备的研制及相匹配的高性 能图像采集卡的出现，机器视觉在各个领域的应用必将越来越广泛。 1 3 基于机器视觉的装配技术发展现状 目前，基于机器视觉的装配技术以其柔性装配的特点在传统装配和微装配领域都有 广泛的应用。基于视觉的微装配与传统装配的主要区别在于： 基于机器视觉的微小型零件精密装配研究 ( 1 ) 装配的精度要求高【l9 1 。在宏观装配中，装配精度通常是几百个微米。而在微观 装配中，装配精度则通常是亚微米级。这个装配精度已经超过了传统装配系统的开环精 度范围，所以在视觉微装配系统中要严格校正图像测量中的图像畸变，并通常采用基于 图像位置的闭环控制补偿定位误差。 ( 2 ) 微观领域的力学影响。我们知道在宏观装配中，操作力学是可预知的。例如， 当钳口张开时，所夹持的物体会在重力的影响下脱落。但是在微装配中，由于受尺度效 应影响，重力不再起支配作用，取而代之的是表面张力，静电力和范德华力【2 0 】。物体的 重量和体积按尺寸的三次方减小，而表面积按尺寸的平方减小。当物体的尺寸小于某临 界值后，与物体表面积相关的粘附力如范德华力、表面张力和静电力等将大于重力1 2 1 1 ， 所以微装配变得更加困难。 ( 3 ) 微位移技术。由于微装配的高精度要求( 一般几个微米甚至亚微米) ，因此操作 零件的执行器需要能够进行微位移定位。微位移机构的关键在于直线驱动压电马达的设 计与制作，采用蠕动机构可以实现高分辨率和大行程。 ( 4 ) 微小器件的装夹和拾取。微小器件由于具有小、轻、薄、脆等特点，为了避免 微小器件因装夹和夹取而引起变形甚至于被损坏，夹具而夹取机构在设计时应严格控制 接触力；而且由于微观力学的影响，夹钳应该能够降低微器件表面的粘附力的作用。 在视觉微装配系统的发展中，按照操作方式的不同可分为精密机器人微装配系统、 移动机器人微装配系统以及宏微主从微装配系统等。 ( 1 ) 精密机器人微装配系统 精密机器人微装配系统主要由数据处理单元( p c ) 、精密微动平台、显微视觉系统、 微夹钳等组成。其基本结构如图1 2 所示。 z 平台 图1 2 微装配系统基本组成 f i g 1 2 b a s i cc o m p o s i t i o no fa s s e m b l ys y s t e m 一6 一 |昌 需 人连理工大学硕士学位论文 此类微装配系统其结构紧凑，成本低，是目前研究中常见的微装配系统。国内外出 现了许多基于此种结构原理的微装配系统。本文中的精密装配系统就是基于此类微装配 系统。 美国明尼苏达大学的gy a n g ，jag a i n e s 等人研制了一套可监控的品片级微装配 系统用于m e m s 的制造1 2 2 】。该装配系统的主要结构如图13 ( a ) 所示图13 ( b ) 为装配 区域。该系统拥有4 个自由度。水平运动由高精度的x y 平台驱动，最大位移3 2 0 m m ， 重复精度1 9 r n 。 r b 图13 晶片级微装配系统 f i g 13 w a f e r m i c r o - a s s e m b l ys y s t e m 德国不伦瑞克理工大学研发的基于单镜头3 d 视觉的精密装配系统，对1 6 0 r a m 4 0 0 r m n 1 5 r r m a 的尺寸空司范围内选到l2 u m 的定位不确定度，最终的装配不确定度达 到3 6 p r n 口”。 哈尔滨工业大学荣伟彬，谢晖，孙立宁等人研制了用于m e m s 传感器批量制造的 微装配系统u ，系统结构如图14 所示。该系统包括定位平台，视觉定位系统，柔性操 作手，加热器，夹具，供应站和附属装置。通过改变系统的物理机构，例直u 更换夹钳， 重新布置或者增加定位平台，更改显微镜的倍数改变硬件模块，用户可以很快的建立 一个基于任务的结构，并且使得结构适合一系列的微传感器装配任务。 基丁机器视觉的微小型零什精密装配研究 图14 传盛器微装配系统结构 f i g 14t h es t c t u mo fs e n s o r m i c r o a s s e m b l ys y s l e m f 2 ) 移动机器人微装配系统 微装配中，常常会遇到装配精度在纳米级，或者足待装配零件需要远距离运送，或 者是装配环境复杂，这些情况下基于微夹钳的微装配系统往往受到限制。基于移动机器 人的微装配系统被研究人员提出并且做了大量的研究。在各类研究中，移动机器人技 术是此类型微装配系统研究的关键技术，也是研究的热点。移动机器人微装配系统和基 于微夹钳的微装配系统主要的不同之处在于前者的微操作装置安装在一个可移动的微 型机器人l ，通过机器人的移动带动要装配的零件到达装配区域，完成安装。一般结构 原理如图i5 所示。 j 4 豁。 差垄_卅_ _ 图】j 移动机器人微装配系统 f i g 15m o b i l e - r o b o tb a a e dm i c r o - a a s e m b l ) s y s t e m 全局c c d 满足机器人在较大运动范围的低精度定位，装配区c c d 可以保证显微 视觉视野范围中微执行器的高精度定位。 过一 菖 人连理工大学硕士学位论文 德国卡尔斯鲁厄大学的sf 乱i k o w 和ur e m b o l d 提出并建立了基于桌面移动机器人 的桌面微装配系统m 】。同时研制了m i n i m a n 和s p i n d r e r 移动机器人。这些机器人能 够在光学显微镜监视下完成装配任务。其中sf a n b u s e h ，s f a t i k o w 等人研究并制造出 m i n i m a n 系列机器人虽具有代表性】。机器人基于s t i c k s l i p 运动方式，这将使得机 器人分辨率达到1 0 r i m ，移动速率达到3 0 m r n s 。机器人能够在玻璃平板上以三个自由度 平移。机器人上装配有三个自由度的微夹钳。机器人能够接触到操作空间中的任何位置， 且携带的工具也比较容易被替换。 哈尔滨工业大学的基于2 d 视觉伺服控制的m e m s 精密作业系统利用宏微摄像头监 测控制实现微型机器人对零件较大范围的搬运及精密装配口】，如图16 所示。微型机器 人在全局视野内运动精度微o5 一l m m ，微型机器人的微夹钳由压电陶瓷驱动，局部定位 精度可以达到亚微米级。 熏擒莲 图16 基于微机器人的微装配系统 f i g 16s e tu p o f m i n i a t u r e m b o tb a s e d m i c r o a s s e m b l ) rs t a t i o n 上海交大研制的毫米级全方位的移动机器人微装配系统，如图所示。微装配机器人 体积小于t e m 3 ，可实现每步小于o8 。转向精度和每步步进00 7 r a m 的定位精度，微动 平台能实现水平方向的平移，定位精度为每步00 0 5 r a m ，行程为0 - 03 m m 。微机器人与 微动平台相互结合实现了轴孔装配，轴承孔径为o6 m m ，轴径03 5 r a m i 1 。 ( 3 ) 主从控制微装配系统 主从微装配系统主要是为了克服其它微装配系统的一些缺点，例如由操作人员接近 而引起的质量问题，装配作业环境危险不适合人工作业，以及长时间使用显微镜对视力 基于机器视觉的微小型零们精密裴配研究 照成的伤害。主从控制微装配系统包括两大部分。 部分是宏操作部分，主要是操作人 员的控制部分一部分是微装配部分，主要用来实现微装配，它将操作人员的宏观操作 通过控制系统转换为对微器件的微观操作，如图17 所示。 斟i7 土从控制微装配系统组成 f i g 17c o m p o s i t i o no f m a s l e rs l a v e m i c r o - a s s e m b l ys y s t e m 德国慕尼黑科技大学的m i c h a e ifz a e h 和a n d r e ar e l i e r 开发了一套用于微装配的 主从控制微装配系统口。该系统包括控制终端和从操作装置。从操作装置的视觉和力的 信息被传感器采集并传送到控制终端。控制终端有两个视场以便更好的帮助操作者观察 工作环境。一个视场显示的是微零件区域的图像，另一个视场屁示的是整体主从操作装 置的图像。同时在夹钳的夹取和释放巾采用力反馈技术。 日本东京大学的m a m o r u m i t s u i s h i l 2 7 1 等人开发了套主从微手术系统，并且在这 个系统下完成了直径人约l m m 的人工血管缝台实验。“操作市”和“手术地点”相距 大约7 0 0 k m 。“手术地点”和“操作室”之间由i m e m e t 连接。“操作室”中的主操作 装置的信息由实时控制器通过路由器传送到“手术地点”的从操作装置。从操作器的顶 端安装有多力传感器。能将收集到的信息转化成听力信息传送回“操作室”。视觉信启 由c c d 相机获得，c c d 相机安装在液晶显示器的h 端。视觉力网和放大倍数随姿势的 改变而改变。 1 4 论文课题背景与来源 随着世界微机电系统( m e m s ) 产品需求量的快速增长，对微细加t 和装配技术提出 了更高的要求。目前国内工业生产中针对只有几个毫米尺q 或亚毫米尺寸的微小型零件 高精度装配多采用显微镜下的人工操作，造成生产效率和成品率很难提高，限制了微系 统技术的产业化。将机器视觉技术应用于微小型零件的装配，将大大提高微小型零件装 配的精度和不确定度以及自动化程度。在微小型器件装配系统中，视觉部分的主要任务 大连理工大学硕士学位论文 是对微小对象进行识别和定位，它必须在一定的精度要求下获取目标物体的距离、形状、 位置、姿态等信息，以配合装配工作的进行。 基于视觉的装配系统以其柔性化装配的特点在提高装配精度、保证产品质量稳定性 以及提高生产率等方面，都显示出极大的优越性。面向工业需求，课题研究的目标就是 研发用于微小型零件微组装的视觉装配平台，通过平台机械结构模块化以及控制程序模 块化的设计实现只需更换不同的夹具和软件模块的重用即可完成对一定尺寸范围的小 型零件的装配，通过图像识别算法使装配系统适用于具有多种特征形状、表面质量差异 大的多零件精密装配。针对特定组件装配系统通过视觉测量定位，实现对5 个不同尺寸 不同材料的微小型零件的装配。 本课题源于国家部委预研项目( 5 1 3 1 8 0 2 0 3 ) “典型x x 器件微组装关键技术及设备” 和教育部新世纪优秀人才支持计划项目( n c e t - 0 6 - 0 2 7 9 ) 。 本文的研究对提高微小型系统产品的一致性和成品率，降低操作人员的劳动强度都 具有现实经济意义。对于微小型零件的柔性装配系统的研究具有一定的参考价值。 1 5 论文主要研究工作 本课题研究的目的是将机器视觉技术引入微小型系统精密装配领域，利用视觉技术 获取零件及其周围环境的信息，识别定位所要的零件，并做出逻辑决策，从而指导操作 机械手完成对零件的抓取、装配等操作。论文主要的研究工作包括以下几个方面： ( 1 ) 根据测量对象和装配平台的物理结构组建合适的光学视觉系统，包括摄像机、 镜头、光源、照明方式的选择。 ( 2 ) 综合考虑装配条件和定位要求，制定切实可行的装配策略，策略在满足测量、 装配精度的同时尽量减少装配步骤、提高装配的可靠性和可操作性、缩短单个组件的装 配周期。 ( 3 ) 在装配策略的基础上，基于图像工程理论针对不同形状不同尺寸的零件设计相 应的图像处理、目标识别、测量定位的算法。 ( 4 ) 制定一套切实可行的视觉系统标定方案，完成图像坐标与世界坐标转换的算法， 最终实现的微小型零件的装配。 ( 5 ) 采用面向对象编程的分层软件架构搭建装配控制系统的软件程序，软件具有参 数化设计、数据驱动的特点，采用了高度模块化的结构，程序具有一定可复用性。 基于机器视觉的微小型零件精密装配研究 2 微小型零件装配系统的组成及实现 本章主要内容是装配系统的设计以及针对特定组件的装配策略的研究和实现。装配 系统采用“自上而下”的设计方式口”，即先分析系统需要完成的功能和精度指标，然后 进行结构和功能设计，最后再完成各零部件的识别和装配设计。本文所要研制的微小型 零件装配系统，主要是用于多零件，多特征形状的复杂装配，要实现的功能主要分为两 大部分，零件的准确识别精确定位和操作手夹持装配。针对系统实现的具体需求，满足 其功能和应用范围，搭建了一套应用于尺寸范围跨度较大、表面差异较大、多特征形状 的零件视觉装配系统。针对不同的待装配组件，根据定位方式的不同和待装配零件特征 形状的不同需要制定不同的装配策略和图像识别算法，本课题的研究针对由五个特定微 小型零件组成的组件，分析了其装配策略和软件控制策略。 21微小型零件装配的具体要求 针对由5 个微小型零件组成的特定组件，根据零件的特征形状、表面特性、尺寸范 围、装配形位精度要求设计装配系统，包括视觉系统测量方式，机械手夹持方式，零件 装夹和装配方式，以及人机交互控制方式的设计。图2l 是组件的结构示意图。组件中 最大零件尺寸为d 18 4 0 4 ，最小零件尺寸小于32 1s x l ，最高装配定位精度要求达到 oo s m l 。 图21 组忭结构示意图 f i g21 s t r u c t u r a ld i a g r a mo f t h ea s s e m b l y 211 零件装配的形位精度要求 零件的装配定位精度要求如下： ( 1 ) 零件2 和零件3 2 n 旱- 1 8 0 度胶接在零件1 上且内肇均处于1 7 1 0 的外圆上； ( 2 1 零件4 胶结在零件2 与零件3 上，要求保证零件2 、零件3 相对于零件4 中心 方孔的轴线具有o0 5 的对称度，与零件l 具有00 5 的同轴度： 丈连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 零件5 粘接在零件4 上，要求保证其处于1 5 5 0 0 5 的外圆上，并且对零件4 中心方孔的轴线具有0 0 5 的对称度。 零件的装配过程示意如图2 2 所示。零件2 、3 的内径位置精度由夹具的精度保证， 依靠视觉装配保证的形位精度包括装配定位精度要求中的( 2 ) ( 3 ) 项。 气jv 毒件3 二k 夕一沁。一一 刻，、具、一磐： ，每r 5 、 _ 一一 完成的o l 什 图22 组件装配示意幽 f i g2 2a s s e m b l yp r o c e d u r e & t h ep a r t s 212 装配系统设计的难点 由零件尺寸和装配要求可以看出装配系统需要解决的问题具有如下几个特点： r 1 1 待装配零件多且装配过程复杂。 r 2 1 零件之间的尺寸跨度较人，装配精度等级要求高。 r 3 1 零件采用不同的材料，具有不同的颜色和表面加工质量。 f 4 1 零件的特征复杂，包括方孔、扇环、圆环等不同的形状：对零件装配的形位精 度要求相对较高，包括对称度、同轴度等。 ( 5 1 装配定位存在多个设计基准。如零件1 圆环中，i x , 、零件4 方孔中心及其对称轴、 零件2 、3 的对称轴。 ( 6 ) 待装配零件含有易碎零件，如零件4 为厚度02 r m n 的硅晶片。 22 装配系统的总体设计 对所要完成的装配任务进行分析针对技术指标和存在的技术难点采用“自上而下” 的设计方式，即先分析系统需要完成的功能和精度指标，然后进行结构和功能设计，最 后再完成各零部件的设计。综合第一章中微装配系统的研究现状，本设计采用目前研究 设计中常用的基于微夹钳的微装配系统。系统包括数据处理逻辑控制部分( 计算机系统) 、 视觉部分、精密运动部分、操作夹持部分。 22 1 装配系统的控制方式 基于视觉的定位装配控制通常采用两种控制方式口。 基于机器视觉的微小型零件精密装配研究 ( 1 ) 先看一后动( l o o k a n d m o v e ) 方式。先看一后动的方式是一种开环控制，其利 用计算机视觉分析出目标点位置，再将目标点