基于立體顯微鏡微裝配系統(tǒng)總體方案報告

基于立體顯微鏡微裝配系統(tǒng)總體方案報告一、設(shè)計任務(wù)及要求1.1、設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個微裝配系統(tǒng)，可以裝配微米級的器件。它是基于精密機(jī)械-光學(xué)顯微鏡-CCD攝像機(jī)-微機(jī)控制原理，主要包括微操作運(yùn)動平臺、顯微視覺系統(tǒng)、帶有力感知的真空吸附式夾鉗及真空氣路系統(tǒng)、系統(tǒng)控制電路等。自動裝配系統(tǒng)的主體安裝在組合工作臺的主操作臺上。自動裝配系統(tǒng)的主體有微操作運(yùn)動平臺，顯微視覺系統(tǒng)，真空吸附式夾鉗。其中微操作運(yùn)動平臺分為視覺運(yùn)動平臺、操作運(yùn)動平臺和回轉(zhuǎn)運(yùn)動平臺。視覺運(yùn)動平臺安裝在主操作臺的光學(xué)平板的左側(cè)，其驅(qū)動單目顯微視覺系統(tǒng)，操作運(yùn)動平臺安裝在光學(xué)平臺的右側(cè)，其驅(qū)動真空吸附式夾鉗。回轉(zhuǎn)運(yùn)動平臺和裝配夾具及載件臺構(gòu)成裝配平臺。系統(tǒng)控制按鈕分別置于主操作臺的光學(xué)平臺兩側(cè)，便于指令的輸入。工控機(jī)和步進(jìn)電機(jī)電源安裝在組合工作臺的隨動支架里，監(jiān)視器在支架的托板上，裝配系統(tǒng)主體的前方。各個局部相互獨(dú)立，由系統(tǒng)的軟件和硬件將各個局部集成為帶有計算機(jī)視覺反應(yīng)控制的微裝配作業(yè)系統(tǒng)。1.2、任務(wù)要求需要到達(dá)的技術(shù)指標(biāo)有：1、系統(tǒng)裝配精度達(dá)微米級；2、裝配器件形狀為方形槽、塊；3、裝配系統(tǒng)的驅(qū)動定位精度為微米級；4、裝配器件的特征尺寸在10~100范圍內(nèi)。二、系統(tǒng)方案選擇微裝配系統(tǒng)主要分為兩種：一種是基于SEM的裝配系統(tǒng)，另一種是基于光學(xué)顯微鏡的裝配系統(tǒng)?；赟EM的微裝配系統(tǒng)具有放大倍數(shù)高、焦深大和分辨率高等特點(diǎn)，是一種理想的裝配方法，但操作復(fù)雜且設(shè)備昂貴。而基于傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的微裝配系統(tǒng)具有操作簡單，本錢低廉等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)外在微裝配方面的研究說明，采用顯微視覺實(shí)現(xiàn)微器件裝配過程的控制，是微裝配技術(shù)的開展趨勢。本設(shè)計就是基于立體顯微鏡微裝配系統(tǒng)。由于裝配零件材料不同以及尺寸形狀復(fù)雜，夾持局部采用真空吸附式夾鉗，這樣可以很好的解決不同形狀、大小及材料的零件，并能夠保證零件的外表材料不被破壞。待裝配零件從載物臺上移動到裝配位置，真空吸附式夾鉗至少需要三個自由度的運(yùn)動。采用高精度高可靠性的X．Y及Z移動導(dǎo)軌組合成微操作運(yùn)動平臺，來實(shí)現(xiàn)夾鉗的三自由度的運(yùn)動。在裝配過程中，需要對零件進(jìn)行定位及檢測，因此采用CCD攝像機(jī)和顯微鏡組成的視覺系統(tǒng)來完成監(jiān)測及圖像采集任務(wù)。同樣為了定位不同零件和裝配位置，要求顯微鏡也要有三個自由度的運(yùn)動。同樣采用高精度高可靠性的x．Y及z移動導(dǎo)軌組合成微操作平臺，來實(shí)現(xiàn)視覺系統(tǒng)的三自由度的運(yùn)動。由于裝配零放置在載物臺上的角度不能確定，并且僅僅依靠真空夾鉗的移動來完成裝配比擬復(fù)雜，所以采用回轉(zhuǎn)運(yùn)動導(dǎo)軌驅(qū)動零件裝配夾具及載物臺來完成角度的旋轉(zhuǎn)，配合真空吸附式夾鉗的運(yùn)動來完成裝配。自動裝配系統(tǒng)的原理圖如下列圖所示：2.1、微操作運(yùn)動平臺設(shè)計微操作運(yùn)動平臺是自動裝配系統(tǒng)的驅(qū)動局部。微操作運(yùn)動平臺分為三個，分別視覺運(yùn)動平臺、操作運(yùn)動平臺，回轉(zhuǎn)運(yùn)動平臺。微型零件的裝配精度是微米級的微操作運(yùn)動平臺的參數(shù)直接影響了系統(tǒng)的裝配精度。微操作運(yùn)動平臺選擇已有的產(chǎn)品其選擇要滿足精度、經(jīng)濟(jì)性、效率、可靠性、壽命、造型等要求，其中精度要求是第一位的。綜合考慮各個因素，選擇x-y導(dǎo)軌，z導(dǎo)軌和回轉(zhuǎn)導(dǎo)軌組成微操作運(yùn)動平臺。2.2、顯微視覺系統(tǒng)設(shè)計顯微視覺系統(tǒng)包括圖像采集系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)兩局部。圖像采集系統(tǒng)在硬件上包括高精度的CCD攝像機(jī)、顯微鏡及光源、圖像采集卡和自動調(diào)焦機(jī)構(gòu)等。圖像采集系統(tǒng)將監(jiān)測目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，然后傳給圖像處理系統(tǒng)。圖像處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對采集圖像的噪點(diǎn)的去除、圖像闕值的選取、圖像的二值化、圖像的定位和形狀識別等。通過圖像處理系統(tǒng)傳來的微小零件位置信號，顯微視覺系統(tǒng)可以獲取零件的形狀、位置、態(tài)等視覺信息，完成對象識別、特征識別、重構(gòu)、精確測量和定位等各種功能，工控機(jī)的程序軟件根據(jù)顯微視覺系統(tǒng)提供的信息計算出回轉(zhuǎn)平臺應(yīng)旋轉(zhuǎn)的角度和導(dǎo)軌應(yīng)移動的距離，再由步迸電機(jī)電源驅(qū)動導(dǎo)軌運(yùn)動和回轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)對微型零件的精密定位和裝配。2.3、夾持系統(tǒng)設(shè)計自動裝配系統(tǒng)的夾持局部是自動裝配系統(tǒng)的重要組成局部，它直接影響到自動裝配系統(tǒng)的操作能力、根據(jù)微器件裝配對自動裝配系統(tǒng)的要求，選用適宜的驅(qū)動和夾鉗。在本裝配中微夾鉗的運(yùn)動功能是：1、移動微夾鉗到載件臺上方；2、夾鉗拾取微型零件；3、移動微型零件到裝配區(qū)域；4、裝配并釋放零件。根據(jù)微夾鉗的運(yùn)動功能以及微型零件的特點(diǎn)，我們對微夾鉗的根本性能要求是：重量小，體積輕，便于安裝，能夠持久夾持力及不破壞零件。綜合考慮各種因素，我們采用真空吸附式夾鉗作為自動裝配系統(tǒng)的作業(yè)工具。真空吸附式夾鉗是一種通過真空產(chǎn)生動作的微夾鉗，通過負(fù)壓將微型零件吸取到吸管頂端，通過正壓釋放微型零件。真空吸附式夾鉗結(jié)構(gòu)簡單，吸嘴處光滑，可以防止零件的劃傷和損壞。2.4、控制電路設(shè)計系統(tǒng)控制電路原理圖如圖2．13所示。采用兩個步進(jìn)電機(jī)電源，每個步進(jìn)電源有四個輸出。其中一個控制視覺運(yùn)動平臺的三自由度運(yùn)動平臺和回轉(zhuǎn)運(yùn)動平臺的回轉(zhuǎn)導(dǎo)軌，另一個控制操作運(yùn)動平臺的三自由度運(yùn)動平臺。兩個步進(jìn)電機(jī)電源分別由工控機(jī)控制。工控機(jī)上接有PCL725繼電器卡負(fù)責(zé)輸入輸出。繼電器卡的輸入輸出分別有8路。輸入是工控機(jī)的人機(jī)交互局部，主要是提供輸入指令，如繼續(xù)，急停等控制按鈕。輸出那么是工控機(jī)內(nèi)的程序指令命令相應(yīng)設(shè)備完成指令動作。輸出控制著真空閥的工作和停止，光強(qiáng)轉(zhuǎn)換模塊對光源強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換等。3、微裝配系統(tǒng)顯微鏡視覺下目標(biāo)識別的算法微裝配系統(tǒng)顯微鏡視覺下目標(biāo)識別的算法，包括圖像的灰度化、中值濾波、直方圖均衡、二值化以及邊緣檢測，圖像處理的好壞直接影響到其目標(biāo)圖像的特征提取，是進(jìn)行多目標(biāo)識別的根底。3.1、圖像的灰度化圖像采集卡采集到的顯微圖像是彩色的，圖像預(yù)處理的第一步就是將所采集的圖像進(jìn)行灰度化。在真彩色圖像中一般用RGB模型來描述，灰度化的圖像中每一像素只需用一個亮度值來進(jìn)行量化，通常為0~255共256個級別，0為全黑，255為全白。根據(jù)YUV色彩系統(tǒng)可知：Y就是圖像的亮度，U、V表示的是色調(diào)值。RGB與YUV之間的對應(yīng)關(guān)系如下式所示：由上式可得：由彩色圖像的RGB值可得到Y(jié)的值，獲得圖像的灰度化圖像。原始圖像原始圖像灰度化后的圖像3.2、基于中值濾波的圖像平滑由于混入了噪聲，因此對圖像進(jìn)行灰度化后要進(jìn)行濾波以去除這類噪聲。中值濾波在灰度值變化比擬小的情況之下可以得到很好的平滑處理。對于3×3的鄰域，其中值是第5個值。將該數(shù)值賦給指定點(diǎn)。其算法如下式所示：下列圖為中值濾波后的效果圖，圖像中減少了一些噪聲，使圖像得到了較好的平滑效果，邊緣信息并沒有受到太大的影響。中值濾波后的圖像3.3、圖像的直方圖均衡由于很容易發(fā)生照明光源分布不均勻的情況，以至于出現(xiàn)前景或背景太亮或太暗的情形，從而影響顯微圖像的質(zhì)量。因此使用圖像的直方圖均衡，它可以消除或減弱顯微圖像中的曝光率過度或曝光率缺乏的問題。直方圖均衡化是通過將原來圖像的直方圖進(jìn)行變換，使得變換后的直方圖的像素范圍更加均勻，從而增加了像素灰度值的動態(tài)范圍，在變換后的圖像中比照度就會得到增強(qiáng)，其原理和算法如下：首先定義隨機(jī)變量概率密度函數(shù)為：其中為圖像的直方圖，為圖像的總面積。令和分別為轉(zhuǎn)換前、轉(zhuǎn)換后圖像的概率密度函數(shù)，隨機(jī)變量s的分布函數(shù)用表示根據(jù)概率密度函數(shù)是分布函數(shù)的導(dǎo)數(shù)關(guān)系，上式兩邊對s求導(dǎo)可得由直方圖均衡化的原理，假定變化后有因此對等式兩邊積分可得：在計算機(jī)中處理的是離散的圖像，所以將連續(xù)的灰度均衡化公式用離散的形式，表示如下式：為第i級灰度的像素個數(shù)。經(jīng)直方圖均衡化后的圖原始圖的直方圖經(jīng)均衡化圖像的直方圖3.4、圖像二值化圖像的二值化是將灰度化圖像的像素變換為只有0和255兩種灰度值的圖像，從而方便提取邊緣，處理過程主要分為以下三個局部：〔1〕確定閾值(自動方差門限法確定閾值)；〔2〕將閾值與當(dāng)前的像素值進(jìn)行比擬；〔3〕把像素進(jìn)行歸類。圖像灰度值如下式所示：經(jīng)二值化的圖像結(jié)果由于出現(xiàn)黑點(diǎn)，采用一種灰度級形態(tài)學(xué)算法——膨脹算法來進(jìn)行處理，使圖像中暗的細(xì)節(jié)局部全部減少或是被消除。設(shè)f(x,y)和b(s,t)均為離散空間函數(shù)，用模板b對f(x,y)進(jìn)行膨脹；其中和分別是f和b的定義域。進(jìn)行膨脹處理后，黑影局部已去除，邊緣局部更加清晰。3.7圖像的邊緣檢測3.5、圖像的邊緣檢測圖像的邊緣是圖像最根本的特征，它保存了原始圖像中最重要的局部信息，可以很好的反映圖像的根本信息，另外邊緣提取可以使原始圖像總的數(shù)據(jù)量大大減少。采用圖像的邊緣檢測算子〔Roberts邊緣檢測算子〕來進(jìn)行圖像邊緣局部的提取，根據(jù)任意一對互相垂直方向上的差分可用來計算梯度的原理，采用對角線方向相鄰兩像素之差，即：根據(jù)和，可以計算出Roberts的梯度幅值為：為方便計算，近似表示為：邊緣提取后的圖像如下所示：邊緣提取后的圖像四、誤差分析4.1、誤差理論分析自動裝配系統(tǒng)所采用的x-y導(dǎo)軌及z導(dǎo)軌的定位精度為5um。也就是說它們在運(yùn)動的過程中誤差小于等于5um。定位精度是系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差的綜合，既包含系統(tǒng)誤差又包含隨機(jī)誤差。系統(tǒng)誤差是由測量過程中的某一個突出因素變化所致，隨機(jī)誤差是由測量過程中多種因素微小變化綜合所致。二者并不存在絕對的界限，比方系統(tǒng)誤差中的變化系統(tǒng)誤差，本身具有隨機(jī)性。本文將導(dǎo)軌及視覺系統(tǒng)的定位精度作為隨機(jī)誤差來處理。并在誤差分析計算中，采用隨機(jī)誤差合成方法來分析計算微型零件的裝配誤差。隨機(jī)誤差的合成方法有標(biāo)準(zhǔn)差合成和極限差合成兩種。在沒有進(jìn)行實(shí)驗標(biāo)定的情況下，根據(jù)本文所采用的導(dǎo)軌和視覺系統(tǒng)的硬件參數(shù)，我們只知道各分項的極限誤差。因此本文采用隨機(jī)誤差中的極限誤差合成方法。4.2、誤差源1、視覺誤差和視覺運(yùn)動平臺的移動誤差。2、回轉(zhuǎn)運(yùn)動平臺回轉(zhuǎn)誤差3、基準(zhǔn)線產(chǎn)生的角度偏差4.3、誤差計算誤差示意圖如下列圖所示：設(shè)以為零件1中心方孔的軸線l3和零件2的軸線l5的夾角誤差。那么零件2的軸線l5相對于零件1中心方孔的軸線l3的對稱度誤差為:其中R為零件2的圓周半徑，是零件1中心方