沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘 要 微機(jī)電產(chǎn)品在各行業(yè)的應(yīng)用比重越來(lái)越高 ，人們對(duì)產(chǎn)品性能要求提高。實(shí)現(xiàn)微小零件的裝配，是微機(jī)電產(chǎn)品得以發(fā)布 的核心技術(shù)。傳統(tǒng)的微小件裝配大多通過(guò)手工或半手工完成，自動(dòng)化程度低，產(chǎn) 品質(zhì)量的穩(wěn)定性難以保證。微小零件的顯著特點(diǎn)是體積微小，要保證微小件的裝 配質(zhì)量，需要借助顯微放大儀器和高度集成化的微裝配系統(tǒng)。然而，客戶購(gòu)買的 微小件控制系統(tǒng)大部分是零散的，這增加了操作復(fù)雜性，甚至集成化決定了功能的實(shí)現(xiàn)。 為了解決微裝配的系統(tǒng)集成度低，本文針 對(duì)微小件的裝配，依據(jù)微裝配的功能需求和控制流程策略，采用了“三層架 構(gòu)”式軟件體系結(jié)構(gòu)，架構(gòu)了微裝配控制系統(tǒng)。將系統(tǒng)劃分為宏/微運(yùn)動(dòng)臺(tái)控制、圖像采集、微夾持器控制、示教編程、相機(jī)標(biāo)定與模式識(shí)別五個(gè)功能模塊。論文就微小件的裝配控制系統(tǒng)展開(kāi)了研究。 首先，分析了微裝配的現(xiàn)狀，對(duì)機(jī)器視覺(jué) 的應(yīng)用和微裝配的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。 其次，根據(jù)微小件裝配對(duì)象，采用模塊化 方法將微裝配控制系統(tǒng)分為五個(gè)子模塊。對(duì)微裝配控制系統(tǒng)的視覺(jué)布局方案 、控制策略與解決方法進(jìn)行深入分析。提出了“鼠標(biāo)滾輪定點(diǎn)”裝配策略，有效的提高了裝配精度。 再次，分析了微裝配控制系統(tǒng)各模塊的功 能實(shí)現(xiàn)和控制流程，給出了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)的解決方法；控制系統(tǒng)將示教 編程引用到微裝配系統(tǒng)中，分析了示教編程路徑規(guī)劃；針對(duì)機(jī)器視覺(jué)的開(kāi)發(fā)，分 析了相機(jī)標(biāo)定與模式識(shí)別策略；基于宏動(dòng)運(yùn)動(dòng)臺(tái)的控制，建立了軟件控制評(píng)價(jià)函數(shù)。 最后，分析了控制系統(tǒng)的相機(jī)標(biāo)定和視覺(jué) 系統(tǒng)像素當(dāng)量標(biāo)定技術(shù)，對(duì)圖像處理基本算法、視覺(jué)伺服控制技術(shù)、亞像素 定位技術(shù)、模板匹配進(jìn)行深入分析，提出了基于主動(dòng)視覺(jué)和人工智能的像素當(dāng)量 標(biāo)定方法。針對(duì)微小件裝配系統(tǒng)，提出了像素當(dāng)量標(biāo)定誤差模型，并推導(dǎo)了像素 當(dāng)量標(biāo)定誤差算法。根據(jù)微小件裝配精度的要求，提出了形狀匹配的裝配精度測(cè)量方法。通過(guò) 7 個(gè)實(shí)驗(yàn)分析，證明了微小件裝配控制系統(tǒng)的可行性。 沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 本文針對(duì)微小件的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，對(duì) 各種關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入分析，論文中提出的理論與算法對(duì)微裝配控制系統(tǒng)的自動(dòng)化具有深遠(yuǎn)意義。 關(guān)鍵詞： 微小件裝配；形狀匹配；相機(jī)標(biāo)定；控制系統(tǒng)；亞像素 沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 an in of of by To is to or in of is in to of to of of a in of To of is on of to of of is to a of is on of of of of to on of of A of of of of of of 陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 to of to of on of of of of of is on of is of is of of is to of of of is on of of of at of of on in in of of of 錄 目 錄 第 1 章 緒論 . 題背景及研究目的和意義 . 1 裝配的國(guó)內(nèi)外研究概況 . 2 外的研究現(xiàn)狀 . 2 內(nèi)的研究現(xiàn)狀 . 5 裝配技術(shù)研究 . 6 裝配的關(guān)鍵技術(shù) . 7 器視覺(jué)在微裝配中的應(yīng)用 . 8 文主要的研究?jī)?nèi)容與方法 . 9 第 2 章 微小件裝配系統(tǒng)的組成與功能實(shí)現(xiàn) .裝配系統(tǒng)的分析 . 11 裝配方案 . 12 裝配的視覺(jué)布局方案 . 13 裝配策略 . 14 裝配的總體設(shè)計(jì) . 16 裝配的硬件組成 . 17 裝配的軟件設(shè)計(jì) . 18 章小結(jié) . 20 第 3 章 微裝配的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) . /微運(yùn)動(dòng)臺(tái)子模塊 . 21 運(yùn)動(dòng)臺(tái)軟件設(shè)計(jì) . 21 運(yùn)動(dòng)臺(tái)軟件設(shè)計(jì) . 25 像采集子模塊 . 26 夾持器控制子模塊 . 28 附式夾持器軟件設(shè)計(jì) . 28 沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 式夾持器軟件設(shè)計(jì) .教編程子模塊 . 示教編程軟件設(shè)計(jì) . 示教編程路徑規(guī)劃 .機(jī)標(biāo)定與模式識(shí)別子模塊 .章小結(jié) . 4 章 視覺(jué)系統(tǒng)的標(biāo)定. 37 機(jī)標(biāo)定原理 . 工業(yè)相機(jī)成像模型 . 工業(yè)相機(jī)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 . 工業(yè)相機(jī)標(biāo)定物 . 視覺(jué)系統(tǒng)的誤差 .機(jī)標(biāo)定算法 .覺(jué)系統(tǒng)像素當(dāng)量的標(biāo)定 .定實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析 . 工業(yè)相機(jī)的標(biāo)定 . 像素當(dāng)量的標(biāo)定 .章小結(jié) . 5 章 微小件的位姿識(shí)別與方法. 55 字圖像處理概述 . 圖像的數(shù)據(jù)類型 . 圖像的顏色空間 . 圖像處理的基本算法 .于視覺(jué)的控制 .像素定位算法 .板匹配算法 . 基于灰度值的模板匹配 . 基于形狀的模板匹配 . 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的模板匹配 .錄 章小結(jié) . 74 第 6 章 微小件的裝配與調(diào)試 .運(yùn)動(dòng)臺(tái)的定位精度測(cè)量 . 75 運(yùn)動(dòng)臺(tái)的重復(fù)定位精度測(cè)量 . 76 小件識(shí)別率的測(cè)量 . 78 聲對(duì)微小件識(shí)別的影響 . 79 小件的裝配精度測(cè)量 . 82 章小結(jié) . 84 結(jié) 論 . .考文獻(xiàn) . 讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文和獲得的科研成果 .致 謝 . . 1 章 緒論 - 1 - 第 1 章 緒論 題背景及研究目的和意義 隨著高科技的發(fā)展，人們對(duì)市場(chǎng)的需求不斷提高。 品滲透著生活的各個(gè)角落，如手機(jī)、筆記本、相機(jī)等產(chǎn)品 。在各種各樣的產(chǎn)品中，有小批量的專用傳感器，大批量的麥克風(fēng)、 于小批量來(lái)說(shuō)，從根本 上看并不符合自動(dòng)化生產(chǎn)成本效益，需要制作專用模具和制 定穩(wěn)定可靠的特殊工藝，過(guò)程復(fù)雜且耗時(shí)。為此，手工裝配是一種有效可行的方 案。然而，這些產(chǎn)品的尺寸通常為幾毫米至幾微米，人們對(duì)微觀尺度上的把握變 得困難。為解決這些問(wèn)題通常需借助顯微鏡、鑷子等儀器設(shè)備，同時(shí)要求操作人 員具備高精度的肌肉運(yùn)動(dòng)定位能力。此外，人們對(duì)微小力的感覺(jué)能力明顯比對(duì)尺寸的敏感能力差1。介于時(shí)代需求和上述應(yīng)用，微裝配孕育而生。 微裝配是實(shí)現(xiàn)裝配的特點(diǎn)是操作對(duì)象微小、能耗低， 具有很高的定位精度和顯微放大功能， 同時(shí)具備較多的操作功能與自由度2。對(duì) 微尺寸的定義沒(méi)有明確統(tǒng)一的界定，國(guó)內(nèi)外比 較認(rèn)可的尺寸為 1m1000m3微裝配主要完成幾微米到幾百微米，亞毫米級(jí)零件的裝配作業(yè)5 微裝配技術(shù)發(fā)展迅速，學(xué)科交叉性強(qiáng)，需 掌握的知識(shí)面廣。我國(guó)的微裝配研究已歷經(jīng)20余載，在一些領(lǐng)域取得了研究性成果，但目前我國(guó)的微裝配仍處于基礎(chǔ)性階段，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比尚有較大差距。最為突出的是主要停留在實(shí)驗(yàn)室階段、沒(méi)有實(shí)現(xiàn)批量化、應(yīng)用領(lǐng)域少。國(guó)外的微 裝配技術(shù)相比成熟許多，科學(xué)實(shí)驗(yàn)走向市場(chǎng)的比重高，形成了一定規(guī)模的批量化 、行業(yè)化應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)某些原子級(jí)的生物遺傳物質(zhì)組裝技術(shù)。但也面臨一些難題，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能、數(shù)據(jù)挖掘、微操作機(jī)理、機(jī)器視覺(jué)、微觀物理力學(xué)、 微觀熱流性質(zhì)等理論研究有待深入。實(shí)現(xiàn)真正意義上的微裝配自動(dòng)化，是從事微裝配科研人員面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。 傳統(tǒng)的微小零件裝配多是由相關(guān)操作人員 基于光學(xué)顯微鏡下手動(dòng)完成，裝配精度差、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品穩(wěn)定性弱，對(duì) 操作人員的專業(yè)技能要求較高，需耗費(fèi)大量工時(shí)7商業(yè)化的微裝配軟件系統(tǒng)，迄今在國(guó)內(nèi)未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。隨著人們對(duì)沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 - 2 - 產(chǎn)品性能要求的提高，集成化的微裝配系 統(tǒng)是廠商和客戶迫切需求的。客戶購(gòu)買的機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品和控制軟件大部分是零散 的，增加了操作的復(fù)雜性，甚至系統(tǒng)的集成化決定了功能的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于不同企業(yè) 的產(chǎn)品，通過(guò)廠家提供的二次開(kāi)發(fā)包，方便的將其集成在一個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。因此， 微裝配軟件的集成化對(duì)實(shí)現(xiàn)微裝配的自動(dòng)化具有深遠(yuǎn)意義。 裝配的國(guó)內(nèi)外研究概況 外的研究現(xiàn)狀 鑒于微裝配技術(shù)的需求和廣闊發(fā)展前景，國(guó)外以德國(guó)、日本、歐美在微裝配系統(tǒng)的研究方面成果顯著。美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)與能源部得到997年德國(guó)合微系統(tǒng)裝配”的研究中心。其中，較早開(kāi)展相關(guān)研究的著名機(jī)構(gòu)有明尼蘇達(dá)大學(xué)、德國(guó)本名古屋大學(xué)微系統(tǒng)工程部、麻省中，伊利諾斯州大學(xué)研發(fā)了遙控微裝配系統(tǒng)，把視覺(jué)伺服和虛擬顯微技術(shù)相結(jié)合；成了直徑500東京工程大學(xué)在體式顯微鏡監(jiān)控下， 實(shí)現(xiàn)了直徑30。下面是著重介紹近幾年國(guó)外的微裝配應(yīng)用。 （1）0，該機(jī)器人的特點(diǎn)是，具有三軸線性運(yùn)動(dòng)自由度，有效工作空間為3030 30度為5mm/s，加速度為5mm/s，s。并聯(lián)機(jī)器人的每軸由一棱柱平面結(jié)構(gòu)與齒輪線性驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和10片超彈性撓曲轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)組成。采用撓性接頭避免粘滑現(xiàn)象，造成本低廉，零件發(fā)生疲勞損壞后可進(jìn)行快速更換。 圖 聯(lián)微裝配機(jī)器人 第 1 章 緒論 - 3 - （2）1。該機(jī)械手采用鎢探針并行微夾持器，系統(tǒng)具有6個(gè)自由度。運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)可沿X、 時(shí)可圍繞軸做360度旋轉(zhuǎn)。頂部結(jié)構(gòu)允許鎢探針沿 和 軸旋轉(zhuǎn)，鎢探針的前端位于這兩個(gè)軸之間的交叉點(diǎn)。共使用 6 個(gè)步進(jìn)電機(jī)完成頂部工作臺(tái)和鎢探針的定位。線性移動(dòng)精度可達(dá) 圖 6 自由度并行機(jī)械手 （3）意大利的 人研制的微納米裝配機(jī)器人系統(tǒng)12，該系統(tǒng)稱命名為系統(tǒng)。 系統(tǒng)由多尺度的宏觀與微觀裝配系統(tǒng)組成。配備了體視顯微鏡視覺(jué)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn) 3確定位，內(nèi)部使用掃描電子顯微鏡（成納米操縱。微裝配系統(tǒng)， 圖 多尺度 微型裝配工廠 （4） - 4 - 產(chǎn)線帕爾烏斯新型機(jī)器人13，在滿足節(jié)約中小企業(yè)投資成本以適應(yīng)微系統(tǒng)技術(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)（如臺(tái)式機(jī)組裝） 。機(jī)器人設(shè)計(jì)有豐富的用戶功能和專業(yè)外觀，外殼可以很好的保護(hù)內(nèi)臟零件和機(jī)電組件。機(jī)器人采用并聯(lián)臂驅(qū)動(dòng)器，將真空發(fā)生器裝置集成一體，內(nèi)置四個(gè)功能豐富的微型功率放大器，支持更高的采樣率和復(fù)雜的控制算法，保證了機(jī)器人的速度需求和安全性。電機(jī)主軸（滾珠絲杠）直接耦合提供了良好的運(yùn)動(dòng)精度。傳動(dòng)鏈中的低摩擦軸承可以有效減小機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)的摩擦力矩。集成的兩個(gè)低成本絕對(duì)角傳感器，用于彌補(bǔ)微型齒輪的傳動(dòng)誤差。圖 爾烏斯新型機(jī)器人 （5）人們對(duì)“宏觀”和“微觀”產(chǎn)品之間的差異可以通過(guò)遙操作微裝配系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)1。一個(gè)臨場(chǎng)感系統(tǒng)不僅有裝配站，更重要的是給人逼真的感覺(jué)，主要包括聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)和視覺(jué)。操作者發(fā)出如速度、方向、夾緊、釋放等控制命令，傳輸?shù)竭h(yuǎn)距離操縱系統(tǒng)依次執(zhí)行，同時(shí)并傳回信息，例如：相機(jī)的視覺(jué)反饋和壓力傳感器的放大觸覺(jué)反饋。因此，操作人員通過(guò)不同的反饋方式得到遠(yuǎn)程環(huán)境不同的裝配情況。特別是觸覺(jué)反饋常用來(lái)顯示遠(yuǎn)程環(huán)境的接觸碰撞，如抓起對(duì)象的時(shí)候。臨場(chǎng)感系統(tǒng)一定程度彌補(bǔ)了人類對(duì)微力和微小件敏感能力弱的缺點(diǎn)，降低了裝配風(fēng)險(xiǎn)，提高了裝配精度。 第 1 章 緒論 - 5 - 圖 控操作臨場(chǎng)感應(yīng)微裝配系統(tǒng) 內(nèi)的研究現(xiàn)狀 我國(guó)的 發(fā)工作還處于起步階段，陸續(xù)形成了專業(yè)性研發(fā)團(tuán)隊(duì)并取得了一些階段性成果。要立足于 21 世紀(jì) 世界舞臺(tái)并超越發(fā)達(dá)國(guó)家，還需付出更多的努力。在國(guó)家自然科學(xué)基金委、973、863 和國(guó)防科工委基金的資助下，我國(guó)從 20 世紀(jì) 90 年代開(kāi)始也開(kāi)展了相關(guān)研究，目前己成為微機(jī)械研究最為熾熱的國(guó)家。針對(duì)生物操作和接、微焊接和立體觀測(cè)等作業(yè)，開(kāi)展精密定位技術(shù)、微夾持器、作業(yè)工具、顯微立體視覺(jué)系統(tǒng)和智能控制等裝配關(guān)鍵技術(shù)研究。并在懸臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳 感器、微型泵、微型機(jī)械元件、立體微型結(jié)構(gòu)、微裝配等方面取得了可喜進(jìn)步14。 （ 1）圖 示基于光學(xué)顯微原理的微裝配系統(tǒng)，由清華大學(xué)精密儀器系研制成功15該系統(tǒng)主要由顯微立體視覺(jué)系統(tǒng)，精密承載工作臺(tái)，控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以及左 /右微夾持器系統(tǒng)組成。通過(guò)微孔 /軸的三維裝配，證明了微裝配的可行性。 華大學(xué) 微孔 /軸 裝配系統(tǒng) 沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 - 6 - （2） 平臺(tái)包括由壓電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的 3 自由度工作臺(tái)，帶有 6 維力矩傳感器的記憶合金微夾持器，及可自動(dòng)調(diào)焦的監(jiān)視系統(tǒng)，在 力傳感系統(tǒng)和監(jiān)視系統(tǒng)的引導(dǎo)下完成無(wú)返回力矩鐘表機(jī)構(gòu)的裝配17。 圖 小齒輪裝配系統(tǒng) 此外，上海交通大學(xué)研制了以視覺(jué)信息來(lái) 獲取機(jī)器人位置、速度及零件外形尺寸等信息，以機(jī)器人為核心建立了毫米級(jí) 件模擬裝配系統(tǒng)，該微裝配系統(tǒng)包括微型裝配機(jī)器人和微型運(yùn)輸機(jī)器 人。北京航空航天大學(xué)機(jī)器人所研制出面向生物工程的微操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由操作系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)組成，操作者通過(guò)人機(jī)交互接口進(jìn)行操作 。廈門大學(xué)機(jī)電工程系實(shí)現(xiàn)了微 /宏兩種運(yùn)動(dòng)模式，利用磁懸浮技術(shù)搭建微裝配系統(tǒng)運(yùn)動(dòng) 平臺(tái)。國(guó)內(nèi)目前從事微裝配技術(shù)研究的單位，還有北京大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)、大連理 工大學(xué)、重慶大學(xué)、上海大學(xué)、浙江大學(xué)、上海冶金所電子部、東南大學(xué)、中科 院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所等，在微裝配的關(guān)鍵技術(shù)、控制技術(shù)等研究領(lǐng)域取得了可喜的成果9,14。 裝配技術(shù)研究 一套完整的微裝配系統(tǒng)主要包括視覺(jué)系統(tǒng) 、機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)、微夾持系統(tǒng)、控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。微裝配與微操作覆蓋 的技術(shù)包括顯微視覺(jué)伺服、微機(jī)器人技術(shù)、微驅(qū)動(dòng)、微夾持與定位、微力傳感器 、機(jī)器視覺(jué)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等技術(shù)，是第 1 章 緒論 - 7 - 一個(gè)多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域18。 裝配的關(guān)鍵技術(shù) 微裝配研究歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，已取得了 一些可喜的進(jìn)步，介于微觀裝配與宏觀裝配存在較大差異，因而在微裝配中 尚有很多關(guān)鍵技術(shù)需要深入研究。目前微裝配系統(tǒng)還存在以下技術(shù)難點(diǎn)： （1）（4）19， （5）共5個(gè)方面： （1）顯微視覺(jué)調(diào)焦技術(shù) 微裝配的特點(diǎn)是操作對(duì)象微小，零件多為 亞毫米級(jí)，甚至達(dá)到微米級(jí)。通過(guò)顯微視覺(jué)技術(shù)能夠很好的觀測(cè)裝配對(duì)象， 完成簡(jiǎn)單的相關(guān)裝配操作。在微裝配系統(tǒng)中，視場(chǎng)的交替變換是裝配的需求，如 需要觀察零件的細(xì)部特征，此時(shí)給予一個(gè)很小的視場(chǎng)以滿足高放大倍數(shù)的觀察； 當(dāng)需要觀測(cè)裝配的總體情況時(shí)，又要求有一個(gè)大的視場(chǎng)。對(duì)于微裝配空間無(wú)嚴(yán)格 限制的場(chǎng)合，增加多個(gè)相機(jī)可以解決視場(chǎng)觀察問(wèn)題，不過(guò)增加了投資成本；對(duì)于 一些裝配空間有嚴(yán)格限制的場(chǎng)合，顯微調(diào)焦能力可以為微裝配提供很好的解決方 案。然而，視場(chǎng)和放大倍數(shù)是一對(duì)矛盾體，這需要每個(gè)科技人員的共同努力。 （2）機(jī)器視覺(jué)與傳感器測(cè)量技術(shù) 在微裝配過(guò)程中，為提高裝配精度，使用 了各種傳感器檢測(cè)技術(shù)完成零件的位姿和力覺(jué)檢測(cè)。為了測(cè)量零件的位姿情 況，將視覺(jué)傳感器集成到視覺(jué)系統(tǒng)中，將采集到的圖像傳至上位機(jī)中，通過(guò)機(jī)器 視覺(jué)的亞像素輪廓提取、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模板匹配等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)零件的形狀、位姿識(shí) 別，最后將視覺(jué)定位信息傳遞給機(jī)械執(zhí)行運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，完成零件的定位工作。除視 覺(jué)檢測(cè)外，使用應(yīng)力傳感器對(duì)微裝配過(guò)程中的力進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，以實(shí)現(xiàn)高精度的微裝配。 （3）精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)技術(shù) 微裝配的定位與操作，最終由機(jī)械運(yùn)動(dòng)系 統(tǒng)來(lái)執(zhí)行。運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是微裝配的關(guān)鍵技術(shù)之一，機(jī)械系統(tǒng)不僅要有高的 定位精度，還需有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性，以實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)的微裝配定位。一般的 微裝配系統(tǒng)，裝配工作平臺(tái)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是連為一體的，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在加速和減 速（即啟動(dòng)和停止）階段，機(jī)械振動(dòng)會(huì)影響微小件在工作臺(tái)中的位姿情況。因此 ，恰當(dāng)?shù)囊曈X(jué)系統(tǒng)和精密穩(wěn)定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是微裝配成功的關(guān)鍵。 （4）微夾持技術(shù) 沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 - 8 - 微夾持器是完成微裝配的操作機(jī)構(gòu)，其性 能直接決定了微裝配的成敗。微夾持器的分類方法很多，根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不 同，可將夾持器分為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)微夾持器、熱變形驅(qū)動(dòng)微夾持器、靜電驅(qū)動(dòng)微 夾持器、電磁力驅(qū)動(dòng)微夾持器和記憶合金驅(qū)動(dòng)式微夾持器20。 微裝配的零件通常尺寸小、形狀各異，對(duì) 外界因素比較敏感。目前，針對(duì)不同材質(zhì)、不同形狀的零件常用的有夾鉗式 和真空吸附式兩種微夾持器。鉗式微夾持器主要對(duì)軸類或體積較大的零件的夾持 ，在夾持過(guò)程中較易實(shí)現(xiàn)夾持力的實(shí)時(shí)監(jiān)控，但釋放時(shí)受粘附力影響較大。吸附 式夾持器可以完成對(duì)片狀不規(guī)則零件的夾持操作，但夾持力不易控制。微夾持器 的小尺寸帶來(lái)了設(shè)計(jì)、制造、驅(qū)動(dòng)和傳感器集成的困惑，對(duì)微夾持技術(shù)的研究是微裝配的一個(gè)研究重點(diǎn)。 （5）系統(tǒng)的集成 系統(tǒng)的集成，這里所指的系統(tǒng)集成化主要側(cè)重 于硬件/軟件控制系統(tǒng)的集成化，不包括于控制系統(tǒng)的集成有利于提高微裝配的自動(dòng)化和產(chǎn)品的穩(wěn)定性。隨著信息時(shí)代的發(fā)展， 計(jì)算機(jī)在工業(yè)應(yīng)用中的地位不斷提升，將系統(tǒng)的集成看成是統(tǒng)的集成需要跨越不同的開(kāi)發(fā)平臺(tái)、不同的硬件廠商、不同的儀器 儀表、不同的通信接口等方面的困擾。系統(tǒng)集成在兼顧功能實(shí)現(xiàn)、效率和經(jīng)濟(jì)性 的情況下，最核心的問(wèn)題是找到一個(gè)平衡點(diǎn)：既要滿足系統(tǒng)集成的安全性，又要滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 器視覺(jué)在微裝配中的應(yīng)用 自然界的事物大部分可以表現(xiàn)為物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、天文學(xué)等屬性的耦合，其中物理學(xué)屬性包括力、熱、聲、光、電、磁等，是人們應(yīng)用廣泛且研究較為深入的自然規(guī)律。人類使用上述屬性感知外界事物，主要通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、味覺(jué)和嗅覺(jué)等感覺(jué)器官，其中人們最重要的感覺(jué)器官是視覺(jué)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類了解外部世界有80%以上是由視覺(jué)感知得到的信息21，因其直觀、便捷從而被廣泛的使用。機(jī)器視覺(jué)是模仿生物視覺(jué)功能的科學(xué)與技術(shù)，賦予計(jì)算機(jī)具備“看”的能力，機(jī)器視覺(jué)不僅是人眼的延伸，也具備了人腦的部分功能，目的是改善機(jī)器視覺(jué)的自動(dòng)化和智能化程度。 機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用越來(lái)越廣，它是一門涉及圖像處理、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、矩陣分析等諸多領(lǐng)域的交叉學(xué)科22。大多數(shù)程序員和計(jì)算機(jī)科學(xué)家已經(jīng)意識(shí)到機(jī)第 1 章 緒論 - 9 - 器視覺(jué)的重要作用，然而，機(jī)器視覺(jué)在多數(shù)行業(yè)的應(yīng)用很少有人熟悉。例如，大多數(shù)人略微知道視覺(jué)技術(shù)被用在網(wǎng)絡(luò)圖像和視頻方面，機(jī)器視覺(jué)可用于視頻監(jiān)控場(chǎng)合，很少人知道機(jī)器視覺(jué)在游戲界面方面的應(yīng)用。機(jī)器視覺(jué)在大多數(shù)航空和街道地圖圖像（如國(guó)的“北斗”、美國(guó)的羅斯的“格洛納斯”、歐盟的“伽利略”四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）也使用了大量的機(jī)器視覺(jué)定標(biāo)和圖像拼接技術(shù)。另外，機(jī)器視覺(jué)在無(wú)人飛行器、安全監(jiān)控、生物醫(yī)學(xué)分析等方面的也有廣泛深入的應(yīng)用，可以說(shuō)機(jī)器視覺(jué)幾乎廣泛地被用在工廠，絕大多數(shù)的大規(guī)模制造產(chǎn)品的流水生產(chǎn)線某個(gè)環(huán)節(jié)使用了機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)23。在微裝配中，機(jī)器視覺(jué)重點(diǎn)在于獲取環(huán)境中物體的形狀、尺寸 、位置、姿態(tài)等信息，系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為控制中心，主要由光源、光學(xué)傳感器、鏡頭、圖像采集存儲(chǔ)模塊、圖像處理軟件、I/器視覺(jué)在微裝配領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越重要，成功案例很多，從近4年內(nèi)微裝配專利應(yīng)用來(lái)看。例如，大連創(chuàng)達(dá)技術(shù)交易市場(chǎng)有限公司研制機(jī)器視覺(jué)微操作機(jī)器人24，用于細(xì)胞、染色體等的顯微操作，如細(xì)胞的分離、撿取、融合、顯微注射，染色體的切割等；北京航空航天大學(xué)研制的秀麗隱桿線蟲(chóng)自動(dòng)化篩選微操作裝置25，用于分揀并分類出線蟲(chóng)的幼蟲(chóng)、成蟲(chóng)、尸體等；廈門大學(xué)研制的微納級(jí)顯微操作裝置26，用于集成電路檢測(cè)、貼片與封裝、電子制造；南京理工大學(xué)研制的顯微注射用單細(xì)胞微操作裝置27，用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化細(xì)胞顯微注射，如人工受精等應(yīng)用。 微裝配視覺(jué)伺服控制是機(jī)器視覺(jué)在微裝配中的應(yīng)用，作為一種非接觸的測(cè)量定位控制方法，與傳統(tǒng)的微操作控制方法相比，無(wú)需接觸裝配零件、識(shí)別速度快、客觀穩(wěn)定、可視化的監(jiān)視操作及定位精度高等優(yōu)點(diǎn)。隨著微操作及視覺(jué)伺服控制技術(shù)的發(fā)展，視覺(jué)伺服控制技術(shù)必將在未來(lái)的微操作中得到更為廣泛的應(yīng)用28。基于本文構(gòu)建的微裝配機(jī)器視覺(jué)技術(shù)將在后面的章節(jié)給予詳細(xì)介紹。 文主要的研究?jī)?nèi)容與方法 本課題研究的主要目的是建立一套以視覺(jué) 為基礎(chǔ)的模式識(shí)別及示教編程微裝配軟件控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)微小件的精密拾取 與裝配。應(yīng)用到的主要技術(shù)包括：精密宏/微運(yùn)動(dòng)臺(tái)控制、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)控制、微夾持器控制、業(yè)相機(jī)標(biāo)定、微小零件的位姿識(shí)別與定位、微裝配控制策略等技術(shù)。 為解決微小件的裝配軟件系統(tǒng)集成度低、 操作復(fù)雜、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，這沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 - 10 - 里采用二次開(kāi)發(fā)技術(shù)。應(yīng)用+ 用相關(guān)硬件的開(kāi)發(fā)包，以 口/通信接口，快速實(shí)現(xiàn)基本的硬件通信，編制了人機(jī)界面，開(kāi)發(fā)了適用的控制算法。結(jié)合 0 機(jī)器視覺(jué)算法庫(kù)，開(kāi)發(fā)微小件模式識(shí)別與相機(jī)標(biāo)定算法。 論文的主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾點(diǎn)： 1）了解微操作機(jī)理，研究微小件裝配的實(shí)現(xiàn)方法； 2）根據(jù)搭建的硬件系統(tǒng)，了解硬件系統(tǒng)的基本工作原理與常規(guī)故障排除方法。其中，硬件主要包括精密宏/微運(yùn)動(dòng)臺(tái)、工業(yè)相機(jī)、工業(yè)鏡頭、形光源、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源、精密氣動(dòng)裝置、高速數(shù)據(jù)采集卡、微夾持器(以吸附式為主)。 3）研究宏/微運(yùn)動(dòng)臺(tái)控制、視覺(jué)伺服控制、亞像素定位、模板匹配等技術(shù)； 4）對(duì)已有的硬件系統(tǒng)，提出可行的相機(jī)標(biāo)定方法，完成相機(jī)標(biāo)定與圖像校正； 5）研究微小零件的位姿識(shí)別與定位技術(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)示教再現(xiàn)裝配控制； 6）完成微裝配軟件系統(tǒng)的構(gòu)建與調(diào)試，提出可行的微裝配控制策略，實(shí)現(xiàn)微小件的精密裝配與控制。 第 2 章 微小件裝配系統(tǒng)的組成與功能實(shí)現(xiàn) - 11 - 第 2 章 微小件裝配系統(tǒng)的組成與功能實(shí)現(xiàn) 一個(gè)典型的微裝配系統(tǒng)，一般應(yīng)包括硬件和軟件系統(tǒng)。本章主要介紹基于視覺(jué)的微小件裝配系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括支持微小件裝配所必備的總體硬件及軟件系統(tǒng)。首先，根據(jù)給定的微小件裝配對(duì)象，結(jié)合現(xiàn)有的硬件條件和需構(gòu)建的軟件系統(tǒng)，分析了微小件的精度情況、關(guān)鍵技術(shù)及控制策略。其次，根據(jù)搭建的硬件系統(tǒng)，分析了硬件系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，硬件系統(tǒng)主要包括：三軸精密位移臺(tái)（又稱工件臺(tái)） 、二維微動(dòng)工作臺(tái)、氣動(dòng)夾持系統(tǒng)、氣動(dòng)動(dòng)力源、數(shù)據(jù)采集卡、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源、微夾持器（以吸附式夾持為主，鉗式夾持為輔） 。最后，分析了軟件的總體模塊，其主要內(nèi)容有：運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊、圖像采集模塊、示教再現(xiàn)模塊、數(shù)據(jù)采集卡模塊、相機(jī)標(biāo)定、模式識(shí)別模塊。 裝配系統(tǒng)的分析 本文研究的微小件裝配系統(tǒng)，件共有5 個(gè)零件組成，零件外形尺寸為 900m 5000m，零件的材質(zhì)為鋁合金，零件均為平板類零件。最小直徑尺寸為 750m，最大直徑尺寸為 2000m，最小線性尺寸為 900m，最大線性尺寸為 5000m，最小圓角為 25m，最大圓角為 250m，板厚為 300m。裝配精度要求零件中心相對(duì)于孔位誤差 6m，角度誤差 圖 小件總裝配圖 沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 - 12 - 裝配方案 實(shí)現(xiàn)微小件的精密裝配，可以采用手工裝 配、手動(dòng)裝配、示教裝配及模式識(shí)別裝配等方法。對(duì)于后三種裝配方案，視 覺(jué)系統(tǒng)的布局將影響裝配功能的實(shí)現(xiàn)和裝配精度。一個(gè)合理的視覺(jué)硬件布局，一 方面可以給操作帶來(lái)便利；另一方面，可以簡(jiǎn)化控制算法、裝配過(guò)程