[发明专利]基于显微视觉的微器件装配在线检测装置

说明书

技术领域

本发明属于微装配和微操作技术领域，尤其是一种在三路正交显微视觉的引导下，对两个毫米级微器件进行微米级精度空间对准与装配的装置。

背景技术

微装配是通过准确地抓取、定位、对准等操作将多个微零件组装成复杂微系统的技术，主要指对几十微米到毫米尺寸的零部件进行的装配作业，是微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)研究的核心内容和热点课题，具有广泛的应用前景和重要意义。微装配技术可广泛应用于电子、航天、生物、半导体集成电路等领域，受到世界各国的普遍重视。

华中科技大学申请号为01252465.4的专利所设计的微装配机器人系统，由系统控制主机、微操作机械手、真空微夹、带有摄像头的显微镜构成，可对亚毫米级微粒物体进行自动和半自动操作和装配作业，其定位精度可达到1-5μm，三维空间的运动范围可达到50-150mm，具有一定应用前景和社会经济效应。但是，该系统只能对亚毫米的微粒物体进行操作，对于几个微米级尺寸的零件装配无能为力。另外，该系统自由度较少，系统中没有集成数字样机系统和各类光源，因此，其灵活度和通用性受到了限制。

大连理工大学搭建的微型步进电机胶粘接机器人系统，包括3个运动自由度，由3个精密直线导轨构成，在机器人的末端集成了微型夹钳、金属毛细管点胶系统的贮胶管、CCD摄像头、两个柔性导光管。能够完成自动微装配和点胶作业，但是其自由度较少，无法完成精密零件空间复杂装配。

总之，国内外虽然对微小零件的装配研究工作取得了一些进展，但是这些技术的视觉系统相对简单，大多针对平面检测，空间姿态检测困难，精度较低；另外，装配装置自由度较少，对复杂装配灵活度不够；微装配系统中基于物理装置的数字样机系统研究较少。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种能够满足10μm～12mm大范围观测区间的微器件姿态在线检测和装配的装置。该装置具有25个自由度，可以实现灵活的空间装配任务，检测位置精度3-5μm，角度精度0.3～0.5度。并且具有数字样机系统，可以全方位展示狭小装配空间内微器件的装配状态。

本发明的突出特点是：1)基于三路正交的自动变倍显微镜头，实现大测量范围和高精度空间姿态检测；2)具有丰富的姿态调整机构，具有25个自由度，可以胜任复杂的装配任务和良好的灵活性；3)准直光源、环形光源、同轴光源根据不同的观测要求优化组合，保证成像效果；4)具有数字样机演示系统，可以方便的显示装配过程。

为了实现上述目的，本发明提出的一种基于显微视觉的微器件装配在线检测装置，其特征在于，该装置包括：控制主机，三路正交显微视觉系统，视觉系统姿态调整机构，微器件夹持装置和微器件姿态调整运动机构，其中：

所述3路正交显微视觉系统包括竖直主动变倍显微镜组件1，第一水平主动变倍显微镜组件3和第二水平主动变倍显微镜组件5，所述视觉系统采用千兆以太网与控制主机连接，所述竖直主动变倍显微镜组件1、第一水平主动变倍显微镜组件3、第二水平主动变倍显微镜组件5成正交排列，用于获取三个方位上的微器件图像信号，并将该三个方位上的微器件图像信号发送给控制主机；

所述视觉系统姿态调整机构包括竖直显微镜组件调整机构2，第一水平显微镜组件调整机构4和第二水平显微镜组件调整机构6，所述竖直显微镜组件调整机构2、第一水平显微镜组件调整机构4、第二水平显微镜组件调整机构6分别与所述显微镜组件之间通过二维手动角度调整装置相连，用于对各路显微镜组件进行调整；

所述微器件姿态调整运动机构包括微器件A姿态调整运动机构7和微器件B姿态调整运动机构10，分别用于对所述微器件A9和微器件B12进行姿态调整；

所述微器件夹持装置包括微器件A真空夹持装置8和微器件B真空夹持装置11，所述微器件A真空夹持装置8安装在微器件A姿态调整运动机构7上，所述微器件B真空夹持装置11安装在微器件B姿态调整运动机构10上，分别用于对所述微器件A9和微器件B12进行夹持；

所述微器件A9和微器件B12分别安装在相应的夹持装置上；

所述控制主机以串口与所述微器件姿态调整运动机构相连，用于在对接收到的微器件的三个图像信号进行图像处理得到显微镜组件之间的相对位置后，分别给所述微器件A姿态调整运动机构7和微器件B姿态调整运动机构10的步进电机控制器发运运动指令，使其根据所述运动控制指令对所述微器件A和B的相对位置进行调整。