基于机器视觉与被动柔顺机构的孔轴精密装配研究

人工装配微小型孔轴类零件,生产效率低,精度和一致性难以保证。为了实现微小型孔轴类零件的自动精密装配,研制了基于机器视觉与被动柔顺机构的装配系统。在装配的非接触阶段,该系统的机器视觉通过精密运动平台的引导进行位置检测与控制;在装配的接触阶段,被动柔顺机构补偿零件位姿偏差来实现精密装配。该系统组成简单、操作容易、效率高、成本低。     

微小易损零件的精密装配及接触控制

针对某微小易损零件在装配过程中易损坏的问题,采用有限元仿真对其薄弱部分的装配应力进行了分析.搭建了一套基于机器视觉和激光位移传感器的微装配系统,该系统主要包括1个3自由度机械手,1个3自由度精密视觉系统与测距传感模块和一套专用夹具.采用机器视觉系统实现了目标零件在XY平面内的精确定位.采用激光位移传感器与工控机所组成的闭环系统对目标零件装配过程中Z轴方向上的接触状态进行检测和控制,接触状态检测精度优于2μm.     

精密微小组件压装技术及仪器

根据一种过盈联接精密微小组件的装配要求,研制了一套精密微小组件自动压装仪器。通过分析压装过程中压装力与系统弹性变形的变化关系,对组件的压装位移进行了有效补偿。采用具有上下视野的机器视觉装置测量压装组件的相对位置,并采用XY位移平台对组件进行精确对准。提出了对具有上下视野的机器视觉装置的标定方法;分析了组件压装力与压装位移的关系,得出了压装力-位移曲线的预测值。对随机抽取的5套零件进行了装配实验,结果表明:对组件进行精密对准后,组件压装位移-压装力曲线符合预测值;组件装配后相对位置的距离偏差小于±5μm,垂直度偏差小于10μm。实验表明组件装配精度达到了设计指标要求。     

微小磁性零件装配设备自动标定及误差补偿

为了实现微小磁性零件装配设备的精密装配任务,弥补加工误差和安装误差带来的系统精度损失,提出了一套自动标定及误差补偿方法。依照设备布置形式建立了不同模块的坐标系,提取影响装配精度的全部误差参数。根据导轨的位置关系建立了模块之间的运动转换模型,进而推导出基于装配任务的误差补偿模型。以设备中的机器视觉系统作为测量工具,同时设计专用标定板。通过观察各模块运动前后特征点的坐标变化对误差参数进行测量和辨识,并使用粒子群算法对参数进行了全局优化。基于开发的自动标定软件,在装配区域进行了标定和验证实验。实验结果表明,补偿后的系统开环控制精度在6μm以内,满足设备的装配精度需求。该方法为微小零件装配设备提供了自动化、高精度和高效率的标定方案。     

基于显微机器视觉的微小零件装配系统研究

针对精密微小型机电产品装配中的组成零件尺寸小、普通摄像机的分辨率低的问题,提出了一种基于显微机器视觉而建立的高分辨率CCD摄像机与体式显微镜相结合的显微视觉测量系统。采用MATLAB软件中图像平滑、图像识别、边缘提取以及最小二乘拟合圆等方法,对采集到的待装配微小零件的图像进行分析,研究了微小零件装配系统的组成、待装配微小零件的识别定位以及装配过程。结果表明,所采用的显微视觉测量系统,实现了待装配零件的识别定位,完成了待装配微小零件的自动测量和精密装配。     

平板类微小型零件的自动化装配

针对MEMS器件中平板类微小型零件轻、小、薄的特点,搭建了基于单目显微视觉的真空吸附式微装配系统。通过研究微小型零件装配过程中的抓取方式、运动控制以及显微视觉定位等关键技术问题,制订了基于示教再现与显微视觉反馈相结合的平板类微小型零件自动化装配总体方案,并利用VC++平台开发了自动化装配程序。经实验验证,该微装配平台不仅可以实现微小型零件的高精度检测定位以及完成不同形状和尺寸的平板类微小型零件精准吸附,而且通过示教再现和视觉伺服相结合的控制方式实现了微小型零件的自动化装配,从而为提高微装配系统的装配精度和装配质量打下了坚实的基础。     

微装配正交精确对准系统的设计

针对平板类零件微装配系统设计过程中面临的问题,提出采用正交光学对准机构来实现用人机协同的微装配系统对微小型平板类结构件的高精度装配,并分析计算高精度对准机构模块产生的误差.建立了基于显微机器视觉及正交光学对准的微装配系统平台,用本文提出的方法进行了微装配实验,结果显示本装配系统在装配的一致性与装配效率方面有较大的改善与提高.提出的光学对准方法可有效地用于平板结构的硅微MEMS器件和非硅MEMS器件等集成的复杂微小型异构机电系统的装配,设计的平台具有很好的开放性和可移植性.棱镜正交对准机构产生0.001°的角度误差时,对准理论偏差小于0.98 μm,实际实验中微装配平台系统装配精度小于5μm,满足平板类微小型结构件装配一般精度需求.     

平板类微小零件的高精确真空吸附抓取

微小型零件的抓取是实现零件自动化装配的第一步,考虑到装配对象尺寸小、材质脆弱,目标件的抓取不仅要求定位精度高,而且要精确控制抓取力。为解决微小零件抓取难的问题,采用视觉定位和真空吸附相结合的方式实现了平板类微小型零件的高精确抓取。具体方法:首先,经由视觉定位的中心提取法检测上CCD光轴中心与吸附针孔心的距离;其次,采用边缘检测、最小外接矩形以及最小二乘拟合算法实现微小型零件的亚像素级定位;最后,利用控制气动系统实现目标零件的真空吸附抓取。实验表明,在微小型零件自动化装配过程中,通过视觉标定、亚像素定位以及真空吸附相结合的方式可以很好地实现平板类微小型零件的精确吸附抓取。     

基于单目视觉的轴孔零件定位系统设计

针对轴孔零件精密装配过程中单目视觉定位系统的使用困难,设计了一种基于单目视觉的轴孔零件定位系统,提出了基于图像特征的零件倾斜角计算方法,可直接判定零件倾斜姿态.通过对椭圆快速检测算法进行优化,减小噪声影响,实现了高精度检测.最终通过该系统实现了轴孔零件的准确定位,提高了轴孔零件自动装配的成功率.实验证明,提出的方法能够在单目视觉条件下准确得到待装配零件的空间位置信息,满足同轴度要求 １５ μ m 级的轴孔精密装配需求,具有较好的工程应用价值.     

万向支架微小螺纹副自动装配系统

针对万向支架微小螺纹副装配自动化程度低、一致性差的问题,研制了一套自动装配系统,并对装配过程中的微小螺纹零件中心位置提取方法和多个微小螺纹副之间的装调策略进行了研究.首先,提出了一种改进的清晰度评价函数,并基于该函数实现了机器视觉装置的自动聚焦.然后,针对螺轴以及内环螺纹孔的端面特征不对称问题,提出了变聚焦位置分区域图...     

激光跟踪视觉导引测量系统的全局校准方法

针对柔性装配中现有激光跟踪测量系统存在效率低、成本高、自动化程度低等问题,提出用单目视觉系统联合激光跟踪仪实现大尺寸组合式自主导引测量.为实现该系统的全局校准,提出了一种新的基于平面的全局校准方法,该方法通过获取靶标平面分别在视觉系统和激光跟踪仪坐标系中的平面方程,求解两坐标系间转换矩阵,完成系统全局校准.建立了数学模型,进行了算法仿真和全局校准实验.实验中测量30个不同位姿的平面靶标,并进行全局校准.结果表明,该方法操作简单,稳定性强,有实际应用价值,校准后平面法向量夹角、原点到平面距离的RMS误差分别为0.13°和1.50 mm.     

跨尺度微管微球三维半自动装配点胶系统

设计和搭建了一个3D半自动装配点胶系统,用于完成跨尺度零件微管与微球的三维装配点胶任务。系统主要由体视显微镜、变焦金相显微镜、发光二极管(LED)背光源、pL级点胶机、微操作手和零件夹持器组成。采用显微镜高低倍转换的方式实现了零件跨尺度特征的检测。基于提出的半自动装配点胶策略,并配合人工引导和显微视觉伺服技术,快速完成了跨尺度零件的半自动高精度对准和插入点胶。在搭建完成的系统上开展微管与微球的装配点胶实验,对提出的方法和装配精度进行了实验验证。结果表明,系统的位置对准误差优于1μm,角度对准误差优于0.5°,可以实现末端直径10μm的微管与孔径12μm的微球之间的装配和胶接,基本满足对该组件的装配精度和成功率要求。     

Volumetric error modelling of a stereo vision system for error correction in photogrammetric three-dimensional coordinate metrology

Optical three-dimensional coordinate measurement using stereo vision has systematic errors that affect measurement quality. This paper presents a scheme for measuring, modelling and correcting these errors. The position and orientation of a linear stage are measured with a laser interferometer while a stereo vision system tracks target points on the moving stage. With reference to the higher accuracy laser interferometer measurement, the displacement errors of the tracked points are evaluated. Regression using a neural network is used to generate a volumetric error model from the evaluated displacement errors. The regression model is shown to outperform other interpolation methods. The volumetric error model is validated by correcting the three-dimensional coordinates of the point cloud from a photogrammetry instrument that uses the stereo vision system. The corrected points from the measurement of a calibrated spherical artefact are shown to have size and form errors of less than 50 μm and 110 μm respectively. A reduction of up to 30% in the magnitude of the probing size error is observed after error correction is applied.     

分体式激光扩束系统平行度测量装置的设计

为精确测量强激光发射系统中高功率激光经分体式扩束系统后光束的传输方向,设计了一种新型分体式扩束系统输出光平行度测量装置.根据高功率激光分体式扩束系统及红外激光的特点,该装置采用高分辨率红外CCD作为监测成像设备.采用轻质高刚度的优质铝合金对装置的机械结构进行了设计,切换部件搭载在高精度线性位移平台上.基于高分辨率CCD和精密线性位移平台,该装置可较好地完成动态和静态测量.测试结果表明,该平行度测量装置工作稳定、可靠,测量精度优于2.0″;装置设计合理,实用,可为扩束系统的装调及应用提供可靠依据.     

飞机零部件自适应装配系统研究

针对当前飞机零部件装配型架自动化程度低、装配过程可控性差等问题,研究了一种飞机零部件自适应装配系统。该系统集成了虚拟技术、激光跟踪仪检测技术与柔性定位技术,采用了基于力与位移的全闭环控制方法,借助虚拟装调系统实现关键部件的自适应定位与装夹。系统采用某型机机头锥作为自适应装配验证对象,完成了对该部件的自适应精确装调,保证了安装精度,实现了装配过程中力与位移的监控。     

双波长集成光栅干涉微位移测量方法

介绍了一种基于双波长激光的集成光栅干涉位移检测方法,利用该方法对硅-玻璃键合工艺制作的集成光栅位移敏感芯片进行了测试实验。实验系统主要由敏感芯片、波长为640nm和660nm的双波长半导体激光器、双光电二极管及检测电路组成,敏感芯片则由带反射面的可动部件和透明基底上的金属光栅组成。入射激光照射到光栅上产生衍射光斑,衍射光的光强随可动部件与光栅之间的距离变化,通过分别测量两个波长的衍射光强信号并交替切换选取灵敏度较高的输出信号,实现了一定范围内的扩量程位移测量,并得到绝对位置。实验结果表明,利用双波长集成光栅干涉位移检测方法测得敏感芯片可动部件与基底光栅的初始间隙为7.522μm,并实现了间隙从7.522μm到6.904μm区间的高灵敏度位移测量,其噪声等效位移为0.2nm。     

双柔性平行六连杆微动平台结构的设计及测试

采用直圆型柔性铰链设计了承载能力较大的双柔性平行六连杆微纳定位平台,并对其性能进行了测试。基于柔性铰链经典刚度公式计算了直圆型柔性铰链转动刚度,推导了双柔性平行六连杆微动平台在运动方向的整体刚度函数;建立了平台的动力学模型,得到了平台的固有频率解析式。基于静动态特性优化设计了双柔性平行六连杆微纳定位平台,得到了平台的优化参数。基于激光干涉仪和多普勒激光测振仪建立了平台的静动态特性测试系统。对微纳定位平台进行了试验和测试,结果显示:刚度的理论计算值为7.92N/μm,试验值为7.44N/μm,误差为6.5%;固有频率的理论模型值为349.9Hz,实验值为342.2Hz,误差为2.3%。空载和加载为250、500、2 000、2 250、2 500g时的平台位移表明加载不均匀会对平台输出位移产生较大的影响,当加载为2 500g时,不均匀加载对位移的影响量约为均匀加载的5倍。此外,平台最大位移为56.59μm。重复定位精度测试显示,在施加电压50、100、150V时,定位平台在同一输入电压下的位移最大偏差为0.896μm。实验结果表明,建立的双柔性平行六连杆的刚度和固有频率计算模型是正确的,设计的微动平台的最大位移及精度可满足设计要求。     

大型飞机部件数字化对接装配技术研究

为克服大型飞机部件对接装配的困难,提出了一种集成多项先进数字化技术的柔性装配技术体系.分析并阐述了该体系概念和结构组成,建立了用于部段对接装配的柔性装配工作站原型.归纳和阐述了四项主要支撑技术.其中,装配过程仿真技术是以数字样机为基础的,并说明了其在飞机部段对接中的应用特点和存在的难点.提出了数字化标准工装新概念,纠正了传统实体标工的缺点.对机械随动定位装置的样式、功能及其两类控制软件进行了说明.最后,说明了激光跟踪测量技术在对接装配中的作用、原理和测量方法.