跨尺度微小型零件的識(shí)別定位與裝配*

朱歡歡　郝永平　劉　揚(yáng)　賈　瑾

(①沈陽(yáng)理工大學(xué)遼寧省先進(jìn)制造與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遼寧 沈陽(yáng)110159；②淮海工業(yè)集團(tuán)，山西 長(zhǎng)治 046000)

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跨尺度微小型零件的識(shí)別定位與裝配*

朱歡歡①郝永平①劉揚(yáng)①賈瑾②

(①沈陽(yáng)理工大學(xué)遼寧省先進(jìn)制造與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遼寧 沈陽(yáng)110159；②淮海工業(yè)集團(tuán)，山西 長(zhǎng)治 046000)

針對(duì)微小型零件裝配過(guò)程中基體件尺寸過(guò)大與顯微視覺(jué)視場(chǎng)較小相矛盾的問(wèn)題，研究了顯微視場(chǎng)下的微小型零件識(shí)別定位技術(shù)。為提高微裝配精度，首先，通過(guò)圖像預(yù)處理去除噪聲干擾；然后，采用最小二乘法和形狀模板匹配方法檢測(cè)目標(biāo)件參考基準(zhǔn)點(diǎn)與偏角；最后，通過(guò)零件位姿信息的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了微小型零件的精確裝配。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，關(guān)鍵零件的裝配精度滿足工藝要求，配合偏差優(yōu)于5 μm，平行度優(yōu)于0.003°，該裝配方案可靠地完成了跨尺度微小型零件的高精度裝配。

微裝配；顯微視覺(jué)；跨尺度零件；識(shí)別定位

隨著MEMS的逐步發(fā)展，微小型結(jié)構(gòu)件的樣式越來(lái)越多，意味著裝配對(duì)象不斷擴(kuò)展。一個(gè)突出的特點(diǎn)是微裝配任務(wù)的尺度交叉，從而導(dǎo)致裝配對(duì)象涉及宏尺度、中間尺度和微尺度等[1]。裝配對(duì)象的尺度交叉越嚴(yán)重，意味著微小型零件的裝配難度越大，因此研究跨尺度微小型零件的自動(dòng)裝配技術(shù)對(duì)微小型零件的制造技術(shù)有著深遠(yuǎn)的意義。

跨尺度微小型零件的裝配的關(guān)鍵是解決不同尺寸的微小型零件在同一分辨率下相機(jī)的視覺(jué)定位技術(shù)，由于零件尺寸不均，工業(yè)相機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)大尺寸零件全局特征的采集，只能采集其局部特征圖像。目前，針對(duì)超出視野的零件特征檢測(cè)方法有主動(dòng)視覺(jué)方法、主動(dòng)縮放方法等。主動(dòng)視覺(jué)方法需要對(duì)目標(biāo)零件特征邊緣進(jìn)行連續(xù)跟蹤，通過(guò)拼接技術(shù)獲取零件的全局特征，效率較低，不適合高速度的裝配場(chǎng)合；主動(dòng)縮放方法，該方法的視場(chǎng)具有一定的局限性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)跨度較大的零件檢測(cè)[2]。

本文針對(duì)跨尺度微小型零件的裝配問(wèn)題提出了基于顯微視覺(jué)的微小型零件精密檢測(cè)方法，研制了龍門(mén)式微裝配系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)特征尺寸從一毫米左右到十幾毫米零件的識(shí)別定位與精密裝配，并且裝配精度很好地滿足了精度指標(biāo)要求。

1　裝配任務(wù)分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1微小型零件的裝配任務(wù)分析

微小型結(jié)構(gòu)件是由LIGA加工工藝加工而成的，LIGA加工的零件精度高，可應(yīng)用于大批量生產(chǎn)。跨尺度微小型零件的組成均為平板類(lèi)微小型零件，具有中間尺度和大尺度的特征。裝配結(jié)構(gòu)件主要由4種零件組成，包括1個(gè)基板件和3個(gè)待裝配小件，零件的尺寸不均，其最小平面特征尺寸為1.8 mm，最大外形尺寸為14 mm，零件厚度為300 μm，材質(zhì)為硅鋼，按零件順序號(hào)依次將1、2、3號(hào)零件裝配到基體上。零件的裝配即為待裝配件與基板件上槽孔的配合，裝配方式主要屬于間隙配合，配合公差在0.005 mm以內(nèi)，角度誤差≤0.003°。由于微小型零件的圖像采集設(shè)備選用的是顯微式工業(yè)相機(jī)，視野較小，因此，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)基板件全局特征的檢測(cè)，只能采集基板件的局部特征圖像，相機(jī)采集獲取的零件圖像如圖1a所示,裝配完成后的組件如圖1b所示。

1.2微小型零件裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，主要由5大模塊組成組成：視覺(jué)模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊、控制反饋模塊、真空吸附模塊。運(yùn)動(dòng)控制模塊、運(yùn)動(dòng)反饋模塊及運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊負(fù)責(zé)微小型零件的搬運(yùn)；視覺(jué)模塊，采用雙CCD實(shí)現(xiàn)零件的位姿識(shí)別；真空吸附模塊負(fù)責(zé)零件的夾持與釋放，系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示。

通過(guò)對(duì)基板局部特征的相應(yīng)基準(zhǔn)進(jìn)行視覺(jué)定位，得到參考基準(zhǔn)的位姿信息，機(jī)械手根據(jù)待裝配零件與裝配基準(zhǔn)相對(duì)位姿的偏差進(jìn)行誤差補(bǔ)償，從而執(zhí)行裝配動(dòng)作。

2　識(shí)別定位

不同于傳統(tǒng)貼片機(jī)的工作原理是將電子元件貼裝于電路板上，平板類(lèi)微小型零件的裝配是將微小型零件裝配于基板件上，基板最初存放于零件存儲(chǔ)區(qū)，由夾持器搬運(yùn)至零件裝配區(qū)，采用真空吸附的方式將基板固定在吸附臺(tái)上，利用示教相機(jī)進(jìn)行基板位姿檢測(cè)。在微小型零件裝配過(guò)程中，以基板上相應(yīng)基準(zhǔn)的位姿為參考基準(zhǔn)，利用位姿調(diào)整模塊進(jìn)行待裝配零件位姿調(diào)整，從而完成裝配。

在微裝配系統(tǒng)中，微小型零件按類(lèi)別與尺寸依次擺放在零件存放區(qū)的槽中。由于零件槽是固定不動(dòng)的，放置于槽中的零件在機(jī)器坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)大致確定，并且，采用了分辨率為0.1 μm的光柵尺測(cè)取了裝配臺(tái)上每一關(guān)鍵位置點(diǎn)的機(jī)器坐標(biāo)。各個(gè)零件的模板參數(shù)以坐標(biāo)數(shù)據(jù)的形式保存于相應(yīng)的text文檔中，單位均是毫米，其中，微小型結(jié)構(gòu)件基板的模板參數(shù)包括原點(diǎn)、各裝配件的裝配點(diǎn)；各個(gè)待裝配件的模板信息包括原點(diǎn)、吸附點(diǎn)和裝配傾角，理論上，裝配完成后，待裝配件的吸附點(diǎn)和基板相應(yīng)位置的裝配點(diǎn)重合，各模板的裝配角度都以零度為基準(zhǔn)。根據(jù)微小型零件是否為彼此嵌套裝配，經(jīng)裝配件分為內(nèi)嵌式和非內(nèi)嵌式零件，一號(hào)件和二號(hào)件為非內(nèi)嵌式零件，三號(hào)件為內(nèi)嵌式零件。對(duì)于非內(nèi)嵌式零件，將零件最小外接矩形的左上角角點(diǎn)定義為原點(diǎn)，并定義零件上一點(diǎn)為裝配點(diǎn)和吸附點(diǎn)，其中吸附點(diǎn)和裝配點(diǎn)位于裝配件上同一位置；對(duì)于內(nèi)嵌式零件，選取與非內(nèi)嵌式零件的配合點(diǎn)為裝配點(diǎn)，并定義形心位置為零件吸附點(diǎn)，模板參數(shù)定義示意圖如圖3所示。

2.1圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理，其作用是在減少噪聲影響的同時(shí)，又能很好地保護(hù)邊緣輪廓信息，突出目標(biāo)零件的特征，有利于微小型零件的定位。采集的目標(biāo)零件圖像，經(jīng)由高斯濾波、迭代法二值化圖像分割以及面積法去除噪聲點(diǎn)，獲取只含目標(biāo)零件的二值圖像。高斯濾波可以實(shí)現(xiàn)算法獨(dú)立運(yùn)算，處理速度快、效果好，適合于顯微視覺(jué)下的圖像平滑。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)高斯濾波圖像進(jìn)行高精度的二值化圖像分割，通過(guò)創(chuàng)建隨環(huán)機(jī)制進(jìn)行灰度值判斷，從而選取最優(yōu)閾值，迭代法閾值選取如圖4所示。由于背景反光或雜質(zhì)等原因，雖然進(jìn)行了高斯平滑處理，但并不能去除一些小面積的噪聲，為了得到只含目標(biāo)零件的單連通區(qū)域，采用面積法，去除一些小面積區(qū)域的噪點(diǎn)。經(jīng)過(guò)圖像預(yù)處理，得到只含目標(biāo)零件的單連通區(qū)域圖像。

2.2微小型零件局部特征定位策略

零件的裝配不僅包括零件與基板槽孔之間的裝配，而且包括不同零件之間的配合裝配，前一零件的裝配精度會(huì)對(duì)后續(xù)待裝配零件的裝配精度產(chǎn)生很大的影響，裝配柔性要求高。根據(jù)微小型零件的裝配特點(diǎn)以及配合要求，針對(duì)非內(nèi)嵌式零件的裝配，采用了最小二乘擬合方法進(jìn)行零件的位姿識(shí)別；針對(duì)內(nèi)嵌式零件的裝配，采用了局部形狀模板匹配方法，實(shí)現(xiàn)了零件的識(shí)別定位。

2.2.1非內(nèi)嵌式待裝配件的位姿識(shí)別

(1)零件邊緣最小二乘直線擬合分析

微小型結(jié)構(gòu)件外圍邊緣主要由直線構(gòu)成，由于零件采用LIGA工藝加工而成，直線相對(duì)平直，兩相鄰邊緣點(diǎn)之間的像素間距在5個(gè)像素之內(nèi)，采用最小二乘直線擬合方法是實(shí)現(xiàn)零件偏角的最優(yōu)選擇，最小二乘直線擬合原理如下：

給定函數(shù)y=f(x),在點(diǎn)x1，…，xn處的函數(shù)值y1,…，yn，設(shè)x與y的關(guān)系y=a+bx，兩個(gè)待定參數(shù)a和b，a代表直線的截距，b代表直線的斜率，根據(jù)最小二乘法的原理，需求取與函數(shù)關(guān)系的誤差平方和，使得結(jié)果值最小，如式(1)所示。

(1)

定義函數(shù)s(a,b)，得到公式(2)。

(2)

為了得到a和b，分別對(duì)a、b求偏導(dǎo)，由微積分基本知識(shí)，得到式(3)。

(3)

(4)

最終可以求取直線參數(shù)a和b的最佳估計(jì)值，如式(5)和(6)所示。

(5)

(6)

通過(guò)最小二乘直線擬合，將相關(guān)掃描得到的離散點(diǎn)擬合成為直線，有效地消除了由于加工問(wèn)題造成的零件邊緣像素點(diǎn)的小范圍波動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)零件位姿的精度檢測(cè)。

(2)最小二乘直線擬合定位策略

一號(hào)件和二號(hào)件屬于非內(nèi)嵌式零件，采用基于最小二乘擬合的方法進(jìn)行零件的定位。對(duì)于獲取的二值圖像，首先，采用最小外接矩形算法定位零件幾何特征的4個(gè)角點(diǎn)圖像坐標(biāo)位置；其次，創(chuàng)建兩個(gè)二維數(shù)組，分別存儲(chǔ)靠近最小外接矩形左邊與上邊所有點(diǎn)5個(gè)像素之內(nèi)的邊緣點(diǎn)，并采用最小二乘直線擬合算法分別擬合兩個(gè)數(shù)組內(nèi)的點(diǎn)[3]，得到兩直線方程。兩直線的交點(diǎn)即為目標(biāo)零件的原點(diǎn)，上邊緣所擬合直線的斜率即為目標(biāo)零件的偏角,擬合效果圖如圖5所示。

2.2.2內(nèi)嵌式待裝配件的位姿識(shí)別

(1)形狀模板匹配方法分析

基于形狀模板匹配方法，也稱(chēng)為基于像素的模板匹配方法，其優(yōu)勢(shì)在于可以表示任意形狀的模板，有效地減少了混亂、遮擋的影響[4]。采用形狀模板匹配，需要考慮3個(gè)方面：

①加快匹配速度。通過(guò)定義合適的相似度量，可以加快搜素速度，提高匹配速率。進(jìn)行形狀模板匹配時(shí)，將模板中所有點(diǎn)的方向向量與目標(biāo)圖像相應(yīng)點(diǎn)處的方向向量的點(diǎn)積之和進(jìn)行歸一化處理來(lái)定義相似度量[5]，消除混亂和遮擋的影響，得到歸一化相似度量如式(7)所示。

(7)

②像素級(jí)位姿定位。為了得到目標(biāo)物體精確的位姿，采用構(gòu)建金字塔的方式，自上而下逐層搜索模板，在金字塔的最底層找到目標(biāo)物體，確定像素級(jí)的潛在的匹配位置。

③亞像素級(jí)位姿定位。為了得到零件在空間更精確的位姿，采用最小二乘法調(diào)整位姿參數(shù)，可以使匹配定位精度達(dá)到亞像素級(jí)。

(2)形狀模板匹配策略

三號(hào)件屬于內(nèi)嵌式零件，該零件一端與基體件配合，另一端與一號(hào)件的相應(yīng)槽孔配合，從而完成零件的裝配。一號(hào)件的裝配精度將直接影響三號(hào)件的裝配精度，由此，本文選取一號(hào)件與三號(hào)件的配合處創(chuàng)建局部模板，通過(guò)形狀模板匹配方法完成零件的識(shí)別定位。

采用基于像素的模板匹配，在搜索對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)過(guò)程中，通過(guò)外推法的方式得到了目標(biāo)零件亞像素級(jí)精度的位姿識(shí)別。零件及零件配合處形狀匹配效果如圖6所示。

3　零件位姿信息轉(zhuǎn)換與裝配

3.1系統(tǒng)坐標(biāo)系相互關(guān)系

微裝配系統(tǒng)坐標(biāo)系由圖像坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系、基板坐標(biāo)系和機(jī)器坐標(biāo)系組成。各坐標(biāo)系關(guān)系如圖7所示。

圖像坐標(biāo)系以圖像左上角為原點(diǎn)，相機(jī)坐標(biāo)系以圖像的中心為原點(diǎn)，X軸與Y軸方向分別與裝配機(jī)X軸、Y軸平行且方向一致，吸附頭坐標(biāo)系以吸附尖中心為原點(diǎn)，方向分別與裝配機(jī)X軸、Y軸平行且方向一致。圖像坐標(biāo)系中計(jì)算單位為像素，其他坐標(biāo)系計(jì)算單位均為毫米。在微小型零件的裝配過(guò)程中，所有坐標(biāo)系均以機(jī)器坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，目標(biāo)零件經(jīng)由圖像采集與處理，獲取其位姿信息，最終將位姿信息轉(zhuǎn)換至裝配機(jī)坐標(biāo)系中。由于安裝誤差，相機(jī)坐標(biāo)系與裝配機(jī)坐標(biāo)系不一定滿足相互平行關(guān)系，存在一定偏角，如圖8a所示，需要將相機(jī)模塊進(jìn)行調(diào)整，從而使相機(jī)坐標(biāo)系與裝配機(jī)坐標(biāo)系平行。事先在微裝配平臺(tái)上貼裝一黑色實(shí)心標(biāo)定點(diǎn)，首先,控制裝配機(jī)運(yùn)行，調(diào)整示教相機(jī)位置，使實(shí)心標(biāo)定點(diǎn)位于工業(yè)相機(jī)視野的最左側(cè)，提取此時(shí)標(biāo)定點(diǎn)質(zhì)心的圖像坐標(biāo)(x1,y1)；其次，沿微裝配平臺(tái)X軸方向移動(dòng)L，使碳墨點(diǎn)位于相機(jī)視野的最右側(cè)，使碳墨點(diǎn)處于相機(jī)視野最右端，采用質(zhì)心法提取質(zhì)心像素坐標(biāo)(x2,y2)。裝配機(jī)坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系之間的夾角即為兩次獲取標(biāo)定點(diǎn)質(zhì)心之間的連線與相機(jī)X軸之間的夾角，示意圖如圖9所示。

定義兩點(diǎn)之間的夾角為?[6]，由此，得到相機(jī)坐標(biāo)系與裝配機(jī)坐標(biāo)系夾角如公式(8)所示：

(8)

測(cè)得偏角后，經(jīng)過(guò)逐步調(diào)整便可以使圖像坐標(biāo)系與機(jī)器坐標(biāo)系平行，即?=0，如圖8b所示為調(diào)整坐標(biāo)系后，微裝配系統(tǒng)各坐標(biāo)系之間的相互關(guān)系。

3.2裝配實(shí)驗(yàn)

微小型零件裝配誤差判定示意圖如圖10所示，由于吸附點(diǎn)和裝配點(diǎn)是我們?cè)谲浖凶孕卸x的，即O1和O2的距離是無(wú)法直接測(cè)量出來(lái)的。為了測(cè)量裝配誤差，我們采用了與需要裝配的零件同樣的材料和加工工藝加工了測(cè)試測(cè)試件，進(jìn)行了10組裝配實(shí)驗(yàn)。該測(cè)試件只有一個(gè)矩形小零件和矩形基體件，通過(guò)在工業(yè)相機(jī)上安裝了一個(gè)兩倍高倍鏡頭，進(jìn)行零件裝配完成后基體件和小零件的配合間距和夾角的測(cè)量，其中裝配精度定義為(Δx,Δy,α)，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

從裝配實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，橫向和縱向裝配間距配合誤差均在0.005mm以內(nèi)，其中橫向?yàn)?.013 11mm，縱向?yàn)?.012 10mm，裝配件與基體件的裝配平行度為0.002 03°，由此橫向裝配誤差為0.003 11mm，縱向裝配誤差為0.002 10mm，滿足裝配精度需求，10組裝配均成功，橫向和縱向裝配間距配合誤差均在0.005mm以內(nèi)。

表1裝配誤差測(cè)量數(shù)據(jù)

裝配次數(shù)Δx/mmΔy/mmα/°10.01660.01330.002220.00680.00730.002730.00910.01780.001140.01740.01590.001550.00810.00940.002860.01780.00800.001670.00900.01650.002480.01090.00690.001390.00980.01770.0025100.01550.01830.0022平均值0.012100.013110.00203

4　結(jié)語(yǔ)

針對(duì)跨尺度微小型零件的特點(diǎn)，以及裝配精度高、速度快的要求，研制了基于顯微視覺(jué)的自動(dòng)化微裝配系統(tǒng)。根據(jù)裝配配合對(duì)象不同，將微小型零件劃分為了內(nèi)嵌式和非內(nèi)嵌式零件，并研究了相應(yīng)的識(shí)別定位算法。針對(duì)非內(nèi)嵌式零件的裝配，采用了最小二乘擬合方法進(jìn)行零件的位姿識(shí)別；針對(duì)內(nèi)嵌式零件的裝配，采用了局部形狀模板匹配方法，實(shí)現(xiàn)了零件的識(shí)別定位。最終，通過(guò)在示教相機(jī)上安裝高倍鏡頭，實(shí)現(xiàn)了零件裝配精度的檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明各項(xiàng)裝配精度均滿足裝配工藝要求。

[1]宗光華，孫明磊，畢樹(shù)生，等. 宏-微操作結(jié)合的自動(dòng)微裝配系統(tǒng)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2005(23): 2125-2130.

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(編輯孫德茂)

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Identification and assembly of trans-scale microminiature parts

ZHU Huanhuan①,HAO Yongping①,LIU Yang①,JIA Jin②

(①Key Laboratory of Advanced Manufacture and Equipment of Liaoning Province , Shenyang Ligong University, Liaoning 110159,CHN;②Huaihai Industrial Group,Changzhi 046000,CHN)

In view of the contradiction of parts dimension and microscopic visual field in the process of microminiature parts assembly, identification technology of the microminiature parts in microscopic view has been studied. In order to improve the micro- assembly accuracy, first of all, removing noises by image preprocessing; secondly, using the least square method and shape template matching method to detect the reference fiducial point and angle of target; finally, by, precise assembly of the microminiature parts has been realized by coordinate transformation of pose information parts. By proving experimentation, the assembly precision of the key parts can meet the technological requirements,and fit tolerance is better than 5 microns, and parallelism is superior to 0.003°. Precisely assembling of the trans-scale microminiature parts has been realized by the method mentioned in the paper.

micro-assembly;microscopic vision;trans-scale microminiature parts;identification

TH166

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.018

朱歡歡，女，1991年生，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄軝z測(cè)與信息處理。

2016-04-11)

160634

* 國(guó)家863 計(jì)劃資助項(xiàng)目(2009AA04Z167)