微小装配系统精密视觉测量模块设计毕业论文.docx
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1、微小装配系统精密视觉测量模块设计Design of vision based precision measurement module for micro assembly system1. 绪论1.1 微小零件装配技术发展与应用1.1.1 微小零件装配概述微小零件装配是指对尺寸范围从几毫米到几十毫米之间的零件所进行的装配。微装配并不是一个新兴的领域, 它很早就进入了我们的生活, 例如钟表的装配, 只不过随着微机电系统(M EMS) 、纳米技术的发展以及人们在生活中对微产品的迫切需要, 使得微装配技术的地位越来越重要。由于装配对象微小,微装配与传统意义上的宏装配是完全不同的。主要表现在零件的物
2、理特性发生了变化,当器件的尺寸微小(甚至小于毫米时),器件的重力可以忽略,而范德华力、表面张力(包括静电力和粘滞力)起主要作用,这些力的力学性能尚不清楚,所以控制非常困难。由于装配器件微小,对装配过程中零件的位置精度要求极高,定位精度需达到5m,重复定位精度甚至需要达到0.5m。与此同时,装配过程中目视也很困难,一般需在显微镜下进行装配操作。另外,装配时不能对操作者直接地形成力的反馈,而这些微小器件又极易破碎,所以微小零件装配和传统宏装配相比要困难得多,牵扯的技术手段、理论基础也比较复杂。微装配一般常用于以下场合:(1) 组装不兼容材料制作的微部件。一个完整的微系统往往由不同材料所制作的部件组
3、成,由于热膨胀系数、化学性质、强度、形状等因素,许多部件不可能通过键合、封装等微电子工艺组合装配在一起,这就需要采用微操作方法将微器件定位到正确位置,然后通过胶粘、焊接、激光烧结等方法将其连接装配。(2) 由采用表面工艺加工的薄膜建立教练结构。(3) 在微系统与不同尺度的其他系统间建立接口或连接。(4) 微系统中运动器件的制作与安装。在对微小零件装配技术的研究和开发过程中,微装配的基本过程和方法分化为并行和串行两种。当基板上的一些零件必须在一个操作过程中同时完成装配作业任务,然后再通过适当的手段将装配后的微型系统彼此分开时,一般采用并行装配。这种装配形式与常见的微技术加工方法相适应。在并行装配
4、过程中,被装配在一起的物体外形尺寸较大,因此不存在单个微型系统装配中处理微型零件所遇到的问题,通过采用高精度、传统的定位和夹持装置,使这一精密的装配过程成为可能。并行装配的优点是批量生产,可获得很高的生产能力,但同时也存在对基板上各零件之间相互位置精度要求极高的问题,而这又是微装配作业所必需的如本课题所采用的串行装配是指对微型零件单个进行装配的作业过程。这种装配过程在原理上同精密机械和宏观尺寸下的装配相同,但是被装配的零件尺寸却有明显区别。首先,待装配的零件绝对尺寸微小,但相对于绝对尺寸来说有较大的允许误差;其次,待装配零件一般表面敏感,容易在夹持和放置过程中受到破坏;同时,用来夹持的表面也相
5、当有限。目前的微装配主要通过有经验的操作人员手工操作完成,要加工一定数量并具有稳定质量的微技术产品并同时又满足经济要求几乎无法实现,这也是目前特别需要对串行化微型零件装配自动化、模块化进行研究的主要原因,这其中包括用于微装配的机器人技术、夹持技术及微粘接技术等。1.1.2 微小零件装配的发展及应用 微小零件装配起源于20世纪80年代,在微机电系统研究领域,当LIGA技术出现后,人们发现要将利用LIGA工艺制造的微器件装配起来非常困难,从而引发了微装配研究的热潮。随着现代科学技术的发展和科技水平的不断提高,人们对微观领域的研究也逐渐愈加深入,微机电系统(MEMS)的迅猛发展更带动了微小零件装配技
6、术的发展。总的看来,微装配技术的发展历程大致可以分为以下三个阶段:(1) 手工装配。经过特殊培训的技术人员可以手工装配一些精密的光学和电磁器件。一些小型光纤已在Illinois大学的微工艺应用实验室用手工装配实现。但随着零件的微型化,公差变得越来越小,手工装配将受到很大限制。(2) 常规尺寸部分自动装配。机械手在操作杆控制下实现多自由度运动,进行装配工作,但是尺寸通常较大,仅适用于特定的装配任务,精度依赖于手工灵活性。这是目前采用较多的装配模式。(3) 微机器人自动化微装配。为实现微系统高精度与高速度的自动装配,人们已开始采用为机器人进行微操作或微装配。这是目前微装配与微操作系统研究的方向。
7、目前市场上可选择的微系统大多数是由日本的Leica、Nikon和德国的Eppendorf等公司生产的,这些微系统大多数都具有以下几个基本特点:(1) 采用模块化设计,用户可以根据要求选配不同组件;(2) 具有高清晰度的光学平面成像系统(460X);(3) 可选手动、液压、气动、电动方式控制微定位;(4) 价格昂贵,具有简单图像处理和电动遥控功能的系统价格一般在200万元人民币以上,即使是一套具有基本功能的微操作系统的价格也在50100万元人民币之间。近年来,微装配已成为MEMS和机器人领域的一个研究热点。我国自1997年起就将微装配方面的研究列入了“863”机器人主题和国家攀登计划,针对MEM
8、S器件的组装、粘接、微焊接和立体观测等作业,开展对精密定位技术、微操作器、作业工具、显微立体视觉系统和智能控制等MEMS微装配关键技术的研究。参与微装配项目研究的单位主要有清华大学、大连理工大学、北京航空航天大学、南开大学和中国科学院长春光学精密机械与物理研究所。在各方的辛勤钻研和不懈努力下,我国在20年间成功完成了如清华大学的“微型器件装配系统”、西安交通大学的“基于显微视觉反馈的微装配作业系统”等研制项目,诞生了如华中科技大学的“基于显微视觉的微装配机器人系统”等一系列相关专利。另一方面,我国针对微装配的研究虽然取得了一定的成果,但大都集中在微构件的设计和工艺研究上,对完整的微装配系统的研
9、究很少,这阻碍了我国 MEMS的长远发展。与此同时,受制造和系统集成技术所限,我国还没有形成有能力批量生产微装配系统的企业。作为全新的研究领域,微装配的意义和应用涉及航空航天、军事、生物医学工程、太空探险和深海探查等诸多领域。一旦技术成熟并形成产业化,必将对国民经济建设、国防建设乃至社会发展产生深远的影响。1.2 微小装配系统的功能模块化简介在系统的结构中,模块是可组合、分解和更换的基本单元。模块化是一种通过分解成为更好的可管理模块以处理复杂系统的方式。微小装配系统模块化可以通过在不同组件上设定不同的功能,把一个系统分解成多个小的独立、具有特定功能、互相作用的模块,来处理复杂的微小零件装配问题
10、。本文所针对的微小零件装配系统按功能可分为装配作业模块、精密测量模块、上料作业模块以及人机交互模块,如图1.1所示。操作者人-机界面人机交互模块信息交换接口装配作业模块精密测量模块上料作业模块图1 微装配系统功能模块1.3 课题研究背景和来源随着科技的飞速发展,微型产品在人民生产和日常生活的诸多方面所发挥的作用日益凸显,对微装配系统的结构和功能要求不断提高,模块化作为提高生产效率、适应大批量自动化生产要求的设计方式成为未来微装配技术发展的重要课题。装配作业模块是微小零件装配系统的最终执行机构,主要实现待装配器件的夹紧与释放、微器件位姿的精确调整以及夹紧力的监控等功能。完成微器件的装配,是微装配
11、运动的关键,因此,装配作业模块的设计在整个系统的作用显得尤为重要。欲实施对微小零件的装配作业, 微夹持技术是一个关键问题, 它需要有高精度、可抓取微小零件的机械手。尽可能高的工作可靠性和对夹持力大小的监控, 是机械手设计中有待解决的技术难题, 所以研制和开发不同原理和结构的微型机械手,是装配作业模块设计方面的重要课题。 夹持器是微型机械手和装配零件之间的接口,因此它的选择十分重要。夹持器从直接动力来源上可以大致分为机械式夹持器和吸附式夹持器。随着多方面科学技术与微装配领域的结合与发展,先后产生了如压电微夹持器、静电力微夹持器、电磁微夹持器、电致伸缩离子交换薄膜材料驱动微夹持器、电热微夹持器、形
12、状记忆合金微夹持器、真空微夹持器、组合式微夹持器等一系列基于不同原理设计而成的机械式夹持器;吸附式微夹持器也逐渐发展出真空吸附式微夹持器和液体吸附式微夹持器等。 以往的微装配系统装配作业模块中,一种是通过两个真空吸附吸嘴作为夹持器直接对待装配零件进行拾取、夹持和释放,这种设计虽然可以在气缸的带动下适应不同的零件尺寸,但零件在释放过程中定位精度难以保证,上层控制程序的设计和操作员的操作复杂性提高,与此同时还增加了机械手算占用的空间体积。 另一种微装配系统的装配作业模块中仅采用了一个真空吸附头,但通过引入与零件结构相适应的真空吸附块,在满足不同零件夹持要求的同时,保证了装配精度、提高了夹持的稳定性
13、和可靠性。 1.4 论文主要研究工作 本课题致力于完成对能够满足微小零件15装配要求的微装配系统装配作业模块的空间结构、上层控制的设计工作。结构上能够实现对不同尺寸和形状待装配零件的拾取(吸附或夹持)、定位和放置;空间上在满足上料和装配位置要求的同时,充分考虑与其他模块,尤其是精密测量模块的工作协同性,并避免空间运动干涉;驱动控制上完成对控制程序的模块化处理,以便系统快速集成和投产。论文的主要研究工作有一下几个方面:(1)完成装配作业模块结构设计,模块由三自由度电控精密位移平台,并集成带有微力感知和真空吸附功能的作业机械臂,能够在制定位置上进行微小零件的拾取和放置。(2)完成装配作业模块作业空
14、间设计,在满足装配空间要求的同时保证定位精度,电控精密位移平台的定位精度要求为5m,重复定位精度要求为0.5m,作业空间(运动范围)不小于XYZ:100*200*50mm3。(3)完成装配作业模块驱动控制系统设计,开发模块软件,实现上层控制程序的模块化。2. 微小装配系统结构组成及功能模块2.1 微小装配系统的结构组成2.1.1 微小装配系统中应注意的关键问题(1) 装配系统由多功能模块组成,如何设计装配作业模块作业空间以在满足自身装配要求的同时避免与其他模块发生干涉?(2) 各待装配零件尺寸和结构差异较大,如何设计夹持器件以同时实现不同零件的拾取和放置,并能保证夹持过程中的可靠性?(3) 待
15、装配零件一般轻薄小脆,如何设计机械臂结构以避免在夹持过程中对零件的破坏?(4) 各待装配零件在装配过程中有较高的同轴度及其他位置精度要求,需要采用精密测量系统进行图像采集和处理以进行精确定位。但同时零件尺寸跨度较大,如何保证足够的视觉模块视场以采集足够的图像信息?(5) 如何实现微装配系统的上层控制系统的控制程序模块化?2.1.2 装配系统的总体结构基于模块化、功能化的设计思想设计系统,根据功能的不同,该系统主要由装配作业模块、精密测量模块、上料作业模块以及人机交互模块组成。各个模块协调工作,共同完成整个产品的装配任务。装配作业模块主要由三自由度精密位移平台、力传感器以及组合式夹钳组。精密位移
16、平台满足了零件拾取、放置的空间要求和定位精度;力传感器实现了对零件夹持过程中力信息的实时检测与反馈;组合式夹钳由真空吸附夹钳和机械夹持夹钳组成,实现了对不同尺寸、形状和材料零件的拾取、搬运以及放置操作。视觉测量模块由三自由度精密位移平台、单目视觉系统、位移传感器组成,以完成对待装配零件的图像采集和处理、目标零件的识别与定位等工作。上料作业模块主要由单自由度精密旋转平台以及工装夹具组成,通过精密调整零件放置过程中定位角度以完成产品的装配过程,并且在其上集成了多个零件的上料台,结构更加紧凑。人机交互模块主要由控制面板、1/0控制卡以及交互控制程序组成,此模块主要为精密装配系统增加了人工干预的功能。
17、2.2 微小装配系统的功能模块组成2.2.1 装配作业模块在微小零件精密装配系统中,装配作业模块的设计需要充分考虑作业空间局限性、满足高度模块化要求并且需要对夹持力和装配力进行严格控制。与此同时,设计过程中还要考虑到装配零件的多样性,实现多尺寸多结构的有效拾取和装配。装配作业模块是微小零件装配系统的终端执行模块,是连接待装配零件和其他各模块的桥梁,精密测量模块所采集处理所获得的零件图像信息通过人机控制系统传递给装配作业模块并由其完成正确夹持和精密装配任务。装配作业模块一般由三自由度精密运动平台、气动传递部分、过载保护装置以及集成有组合式气动夹钳及应变传感器的机械作业臂等组成。为保证零件装配时的
18、精度,精密测量模块和装配作业模块都采用了由精密步进电机带动的高精度运动导轨平台,其中X轴方向运动导轨的最大行程为100mm,最小分辨率为0.2m;Y轴方向的运动导轨的最大行程为200mm,最小分辨率为0.2m;Z轴方向的运动导轨的最大行程为50mm,最小分辨率为0.2m。所有导轨绝对位置精度小于5m,重复位置精度小于0.5m。高精度运动平台不仅满足了装配作业空间要求,而且也为装配作业能在极高的精度下完成提供了保证。 在模块中将应变传感器集成于作业机械臂上,能够实时地检测和监控微夹钳与待装配零件的作用力变化情况,既保证夹持和装配的可靠性,又能够避免因夹持力过大对设备及轻薄待装配零件的损坏。电压比
19、较电路辅助应变传感器完成夹持力的控制,夹持装配过程中,应变传感器实时采集输出力信号,与原力设定阈值比较,如果装配力大于设定阈值,则输入急停信号,控制位移平台停止运动。加之过载保护装置能够在异常情况下自动切断电源,使得精密导轨、微夹钳以及操作对象均能得到更为有效保护。 组合式微夹钳由机械式夹钳和吸附式夹钳组合而成,共同安装于机械臂上,通过气动传递部分实现机械式夹钳夹指的开合动作以及吸附式夹钳的吸附释放动作。考虑到待装配零件(零件15)尺寸、结构差异较大且形状上以圆盘状为主,同时希望机械式夹钳能够针对不同形状的小尺寸零件采用夹指闭合、托持等方式进行装配,机械夹持部分(外夹钳)采用带有沟槽的阶梯状V
20、形铁结构,同时吸附夹持部分(内夹钳)托夹吸附块,通过改变吸附块尺寸结构及其吸附点位置排布方式满足不同零件的吸附要求,真正实现对多种待装配零件的夹持。2.2.2 精密测量模块 精密测量模块在微小零件装配系统中实现目标零件识别定位以及运动坐标的获取,从而指导装配作业模块的对准和夹持运动,因此视觉图像的采集和处理质量在整个装配工作中十分关键。本课题所采用的精密测量模块主要由单目视觉系统、位移传感器和驱动模块动作的三轴精密运动导轨平台组成。其中单目视觉系统和位移传感器在装配系统中起到视觉和触觉的作用,分别完成平面测量和垂直方向接触控制功能。视觉测量方式根据装配零件的多样性以及不同的装配指标要求按视觉传
21、感器的使用量可以分为单目视觉测量、双目视觉(立体视觉)测量和多(三)目视觉测量等。,本课题下采用单目机器视觉平面测量和位移传感器辅助控制实现对微小零件的装配工作。其中机器视觉硬件系统包括摄像机、光源、镜头等环节。(1)摄像机的选择摄像机是获取图像的前端采集设备,摄像机采集图像质量的好坏直接影响后期图像处理的效果,进而影响待装配零件的定位精度。摄像机的选择应从其分辨率、稳定性、CPU 占用率、传输能力和抗干扰能力等方面进行考虑。工业相机具有很强的图像稳定性、较好的图像质量以及较强的传输能力和噪声抑制能力,因而在工业领域得到了广泛的应用。数字摄像机的光电传感器主要有CCD 和CMOS 两种,其中C
22、CD 光电传感器具有体积小、重量轻等特点,能够获得高质量的图像,且采集的图像坏点少,又因其采集的数据以数字量的形式传输,能够直接显示在电脑屏幕上,因而数字可以有效避免传输过程中的图像衰减或噪声。综上,在精密测量模块中所选取的摄像设备宜采用数字工业摄像机。根据以上选择原则本课题装配系统中采用DH-SV1400FM 数字摄像机,技术参数指标如表2.1 所示。其具有体积小、重量轻、高分辨率、高精度、高清晰度、低噪声、CPU占用率低等特点。DH-SV1400FM 摄像机性能参数传感器1/2 英寸逐行扫描CCD最高分辨率1392*1040像素尺寸4.65m4.65m最大帧率7.5fps模数转换精度12
23、位数据接口IEEE-1394a(2)镜头的选择光学镜头相当于人眼的晶状体,在机器视觉系统中发挥着极其重要的作用。镜头通过集聚光线,将被测场景中的待装配零件成像到视觉传感器(CCD 或CMOS)的靶面上,使成像单元能获得清晰影像的结构。机器视觉行业内通常将光学镜头分为宏镜头、固定倍率镜头、变焦镜头、远心镜头、高精度镜头等,而如按照适用类型划分,又可分为监控级和工业级,由于工业级镜头图像质量好、图像畸变率低,因此多用于科学实验研究和工业零件检测中。在镜头的选取过程中,焦距、放大倍率、视场角、光圈系数、像差等都是镜头的重要内部参数,必须予以高度重视。于此同时,在选择镜头时还需要估计工作距离范围以及物
24、体厚度所需要的景深,分析物体的尺寸、结构特征和材料反射率等。为满足本课题的装配精度要求,精密测量模块中选择了MORITEX MML2-HR65D 远心镜头,其主要技术指标如表2.2 所示。MML2-HR65D 镜头性能参数放大倍率2 倍WD65mm景深270mTV 失真0.02%最大兼容CCD2/3(3)照明光源和照明方式的选择光源的主要功能是以适当的方式将光线投射到待测物体上,为视觉系统提供足够的照度,以突出被检测零件表面与背景环境之间的对比度。传统的照明方式有前光源法、背光源法,前光源法又分为高角度照明和低角度照明等。在机器视觉系统中,好的光源与照明方案能够改善整个视觉系统的分辨率,减轻后
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