设计微小零件装配系统在线检测系统方案

H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y
设计微小零件装配系统在线检测系统方案
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时间：2014.03.30
©哈尔滨工业大学
设计微小零件装配系统在线检测系统方案
一、确定设计任务
为了设计如图所示的微小零件装配系统在线检测装置，并使其满足各项指标，现做出系统方案。

方案要求：位置对心检测精度优于3μm；径向角度检测精度优于0.5º；
在线检测系统形成后工作原理如下图：
二、设计任务分析、制定设计任务书
A、测试系统名称：微小零件装配系统在线检测系统。

B、任务提出者：
方案撰写者：
开发者：
用户：
C、设计对象
微小型零件的尺寸一般在零点几个毫米到十几个毫米之间，尺寸跨度较大精度要求较高。

微小零件装配系统在线检测系统通过检测，精确给出不同零件的径向角度检测精度，在此基础上，调整零件位姿，移动零件位置即可实现两个不同零件之间的装配，从而实现其装
配检测精度要求。

D、装配线测试系统与手机生产线系统的关系，如图。

生产线系统
装配线系统
装配线检测系统
三、调查研究、详细查阅有关资料
通过对微操作、微装配系统的分析，我们可以得到一套典型的微装配系统应该包括以下几个部分：
（1）显微视觉系统。

视觉系统包括CCD 相机、放大镜头、图形采集处理设备等，可以完成对零件的识别、空间的定位，对装配过程进行监视，通过视觉反馈对装配过程进行引导。

（2）承载系统。

一般包括行程大、速度快的宏动精密工作台、定位精确、分辨率高的微动工作台和真空吸附台等。

精密工作台可以带动夹持器在操作空间内移动，微动工作台可以实现零件位置的微小调整，真空吸附台可以对待装配零件进行装夹、定位。

（3）微夹持操作系统。

一般由钳式夹持器和真空吸附式夹持器组成，可以完成微小零件的拾取、移动和装配，是实现微装配的关键部分，微夹持器的性能直接关系到装配的成败。

（4）控制驱动系统。

包括各种需要驱动的元件的控制系统，并将这些控制系统集成在一起由计算机控制，可以根据图像反馈、力反馈来引导微装配的进行。

微装配系统经过几十年的发展，已经取得了很大的进步，但是由于微观世界与宏观世界相比存在很大的差异，所以在微装配系统中还有很多关键技术需要更进一步的研究，只有把这些技术解决好微装配系统才能更好的向前发展。

目前微装配系统还存在以下技术难点：
（1）显微视觉技术
微装配中的零件多为微米级别，甚至更小，在这种情况下依靠人眼识别会费时费力，通过显微视觉技术不仅能完成对零件形状的识别，还能对零件的位置进行精确定位，还能与控制系统形成精确闭环控制，因此，建立一套高精度的显微视觉系统对实现自动化微装配有重要意义。

（2）测量检测技术
在微装配过程中，为了提高装配精度，需要使用各种传感器检测技术对零件的位置和夹持过程中的力进行及时的检测。

为了测量零件的位置，将视觉传感器集成到视觉系统中，采集到的图像传送到计算机中处理后可以得到零件的边界特征和空间的位置信息，完成零件的形状、位置识别。

除了视觉检测，还应使用应力传感器对微装配过程中的力进行检测，以实现高精度的微装配。

（3）驱动控制技术驱动控制技术是微装配的一项关键技术，不仅要求要高的控制精度，还要有非常好的响应性，以实现准确、高效的微装配。

（4）微夹持技术
微夹持器是完成微装配的直接操作机构，微夹持器的性能直接决定了微装配的成败。

微装配的零件通常尺寸较小、形状不规则，对外界影响比较敏感。

目前，针对不同材料、形状的零件有机械夹钳式和真空吸附式两种微夹持器。

钳式微夹持器可以完成对轴类零件的夹持，且
在夹持过程中对夹持力实时可控，但释放时受粘附力影响较大。

吸附式夹持器可以完成对片状不规则零件的夹持操作，但夹持力不易控制。

总之，对微夹持技术的研究是微装配系统的一个研究重点。

而本文主要提供了一种微小零件装配系统在线检测系统方案，用以实现微小零件的设计要求，其中包括：（1）精度要求（2）检测效率要求（3）可靠性要求（4）经济性要求（5）使用条件要求（6）造型要求。

图2 清华大学微零件装配系统
四、总体方案设计
在此提出一种基于三路显微视觉系统的粗精调整结合的微零件装配在线检测策略。

该装配策略基于对微调整过程中始终处于视野范围内。

该策略实现了对微小零件图像特征的在线提取，实现了对ｍｍ级微零件的高精度装配。

粗调阶段，在低放大倍数视觉系统引导下，实现微零件空间位姿的粗对准，并且基于对过程中微零件图像特征区域的跟踪，实现显微视觉系统放大倍数的自动调整；精调阶段，在高放大倍数视觉系基于显微视觉系统引导下，实现对微零件空间相对位姿的高精度检测与调整。

图3 微小零件装配系统
微装配平台共由５部分组成（如图3所示），包括三路显微视觉系统（１、２、３号显微视觉系统）、一个操作台和一个机械臂。

１号显微视觉系统由１个ＣＣＤ、１个变倍变焦显微镜头和１个环形光源组成；２号显微视觉系统由１个ＣＣＤ、１个变倍变焦镜头、１个环形光源和１个背光光源组成，背光光源结合环形光源在清晰呈现物体边缘的同时又能够呈现物体的纹理；３号显微视觉系统由１个ＣＣＤ、１个变倍变焦显微镜头和１个同轴光源组成。

微零件装配。

三路显微视觉系统分别具有３个电动平移度和２个手动旋转自由度（俯仰，偏转）。

操作台具有俯仰、偏转两个电动旋转自由度、１个手动旋转自由度 Ｕ（滚轴）和１个ｚ向电动平移自由度。

机械臂具有３个电动平移和３个手动旋转自由度。

三路显微视觉系统在空间位置上彼此近似正交排布。

图4 微小零件与显微视觉系统的径向角度关系
微零件结构
微小零件如图所示，为薄片结构，末端为环形。

套筒位于操作台上，硅臂位于机械臂末端。

三路显微视觉系统、硅臂、套筒的近似空间位姿关系如图4所示。

基于三路显微视觉系统套筒的空间径向角度检测，基于检测结果调整二者空间相对角度，从而实现微零件装配在线检测。

五、技术设计
对于显微视觉系统，放大倍数越大则视场越小， 景深越短；反之，放大倍数越小则视场越大，景深越 长。

因此，为了实现硅臂和套筒在高放大倍数下的装配，首先在低放大倍数下，实现硅臂和套筒的位姿粗对准，从而保证放大倍数增大时，硅臂和套筒的特征区域均位于视野范围内，最终实现高放大倍数下的位姿对准与装配。

装配策略分为粗调流程和精调流程两部分。

粗调流程如下所述：首先，基于１号视觉系统，通过提取硅臂和套筒的几何特征，实现对,,,y z x T T θ∆∆∆的检测和调整，调整完毕后，通过调整１号显微视觉系统的空间位置，将硅臂和套筒的特征区域移至视野中心，然后通过自动变倍算法，实现对１号镜头的自动变倍；其次，基于２号视觉系统，实现对,,,x z y T T θ∆∆∆的检测和调整，调整完毕后实现对２号视觉系统的位置调整和自动变倍；最
后，基于３号视觉系统，实现对,,,z y x T T θ∆∆∆的检测和调整，通过调整３号视觉系统的位置将特征区域移至视野中心，然后实现对３号视觉系统的手动变倍。

精调流程在高放大倍数视觉系统引导下，首先顺次实现基于１号、２号、３号显微视觉引导的硅臂和套筒相对位姿检测与调整，然后基于２号显微视觉引导，控制套筒ｚ向运动，最终实现装配。

六、制造样机
样机的开发制作流程主要包括：样机的开发及调试、样机零部件的打样、物料的领取、设计文件的归档等。

七、产品鉴定或验收
鉴定验收是指对新产品的技术性能和水平、社会经济效益及市场前景进行客观、科学的评价。

它是新产品开发工作的阶段性总结，也是正式生产的依据。

新产品鉴定验收可分为样机(样品)试制鉴定、定型鉴定、试产(投产)鉴定或验收。

新产品试产前，必须进行样机(样品)试制鉴定；试产结束或正式投产前，必须进行定型鉴定、试产(投产)鉴定或验收。

要使总体设计合格，应满足以下条件 具备鉴定验收的条件：
(一)样机(样品)的设计合理、制造精良、性能先进、能投入试产，并有销售前景。

(二)工艺技术文件齐全。

具备正式投产必需的工艺规程、安全规程、操作规程及工装、检测等手段。

(三)产品符合标准化要求，质量合格。

(四)试产的原始记录齐全，数据可靠。

(五)试销产品达到设计规定或用户要求的技术、经济指标，用户反映良好。

(六)符合环保、安全、卫生等有关规定。

八、设计定型后进行小批量生产
小批量试生产是设计定型与生产定型之间的一个过程。

在产品设计定型后，通过小批量试生产来完善产品工艺和生产组织管理。

生产定型通过之后，产品进入批量生产阶段。