面向復(fù)雜微裝配的宏微視覺單元*

徐 征，杜宏宇，楊一帆，王曉東，王彥琪，韓 剛

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116085）

0 引 言

微裝配是將多個(gè)不同尺度的微小零件精密集成的工藝過程。受異質(zhì)材料、不同結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)成本等因素影響，目前還很難通過成形制造流程完成多個(gè)微小單元的高度集成，慣性導(dǎo)航器件［1］、核聚變靶［2］、光學(xué)器件［3］、靈巧制導(dǎo)裝置［4］等復(fù)雜微小系統(tǒng)制造均需要微米級精度的微裝配技術(shù)?；陲@微視覺引導(dǎo)［5～8］的定位和操縱是實(shí)現(xiàn)微裝配任務(wù)的主要方法，視覺測量分辨率與定位操縱準(zhǔn)確性密切相關(guān)。

理論上，物鏡數(shù)值孔徑越大，顯微視覺成像的分辨率越高，但相應(yīng)的視野、景深和工作距離也隨之減小，有些裝配任務(wù)要在高分辨率下才能保證精度，而有些姿態(tài)調(diào)整則要在大視野條件下進(jìn)行，以避免執(zhí)行器、鏡頭、工件之間的干涉碰撞。在這類工作場景下，如何兼顧顯微成像大視野和高分辨率就成為微裝配的突出問題。傳統(tǒng)上常采用動(dòng)態(tài)調(diào)度高分辨率視覺單元位置多次拼接來解決這一矛盾，但對效率和精度均有影響。目前，解決上述問題主要采用多點(diǎn)成像和變倍成像兩類方法。

Lee S J等人［9］研制的顯微視覺采用多個(gè)相機(jī)采集同一區(qū)域內(nèi)的多幅圖像，利用低倍視覺在大視野內(nèi)搜索檢測對象確定其位置，再采取高倍視覺進(jìn)行特征精確定位。Eisinberg A等人［10］采用多個(gè)視覺成像單元反饋信息，其中主成像單元負(fù)責(zé)反饋全局圖像，其他成像單元安裝在關(guān)鍵位置獲取局部精確定位信息，實(shí)現(xiàn)微鏡頭的精密裝配。Allegro S等人［11］搭建的微裝配系統(tǒng)中采用低分辨率和高分辨率結(jié)合以及由粗到精的定位方法，裝配的傳感器線圈精度達(dá)到25 μm。Chen W H等人［12］采用雙路顯微視覺，其中一路高分辨率成像視覺確定微零件的具體位置，另一路負(fù)責(zé)大視野下同時(shí)獲取多個(gè)零件的相對位置，使得光纖和U型槽的裝配位置誤差優(yōu)于5 μm。

為滿足零件多尺度檢測需求，Zhao H T 等人［13］建立了基于變倍鏡頭的視覺測量模塊。張娟等人［14～17］將變倍顯微鏡搭載在微裝配系統(tǒng)中，通過調(diào)整放大倍率使零件特征保持在視野范圍內(nèi)，采集從低倍到高倍的圖像，實(shí)現(xiàn)零件相對位姿的粗調(diào)和精調(diào)。應(yīng)用變倍鏡頭需要在多個(gè)倍率下進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)，還要通過運(yùn)動(dòng)控制盡量減小變倍變焦誤差。

本文針對微裝配中顯微視覺成像大視野和高分辨率難以兼顧的問題，以無限遠(yuǎn)成像為基礎(chǔ)，提出了集成宏-微并行成像的視覺單元，通過調(diào)配后端的鏡筒透鏡實(shí)現(xiàn)單物鏡雙通道變倍。仿真分析和測試了成像質(zhì)量。最后搭建了微裝配實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過光纖和微流控芯片流道對準(zhǔn)裝配實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于宏微成像單元實(shí)現(xiàn)微裝配的能力。

1 宏微視覺單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 宏微視覺單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

無限遠(yuǎn)顯微成像是指通過顯微物鏡的光線不在物鏡后端直接成像，而以平行光束形式進(jìn)入后級鏡筒透鏡（成像透鏡），由鏡筒透鏡在像面上成像，由于物鏡不直接聚焦光線，就可以在物鏡與鏡筒透鏡之間插入光學(xué)元件調(diào)整光路，且不需要改變最終像面位置。無限遠(yuǎn)成像的放大倍率計(jì)算公式為M＝ftube／fobj，其中，ftube為鏡筒透鏡焦距，fobj為物鏡焦距。

宏微視覺單元結(jié)構(gòu)如圖1 所示，在無限遠(yuǎn)物鏡后端放置2 個(gè)分光鏡和1 個(gè)反光鏡，分光鏡1 將照明光引入物鏡，單色光經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后，經(jīng)分光鏡1 進(jìn)入物鏡，匯聚到檢測對象后反射，反射后的光線經(jīng)過物鏡和分光鏡1 到達(dá)分光鏡2。分光鏡2 將光線分為兩束，分別通過鏡筒透鏡1 和鏡筒透鏡2 分別在2 個(gè)相機(jī)上成像。由于鏡筒透鏡1 和鏡筒透鏡2 焦距ftube不同，從而實(shí)現(xiàn)了宏微并行成像。

圖1 宏微視覺單元成像原理

1.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)與光學(xué)器件選擇

根據(jù)實(shí)際裝配需要，設(shè)定宏微視覺單元設(shè)計(jì)指標(biāo)：分辨率＝1 μm，物方視野≥1.5 mm，工作距離≥30 mm，檢測精度≤5 μm，畸變≤1%。

根據(jù)宏微視覺分辨率1 μm 和工作距離大于30 mm 的要求，選擇fobj＝20 mm的長工作距離物鏡，所用光學(xué)器件參數(shù)如表1 所示。根據(jù)瑞利判據(jù)計(jì)算，微成像分辨率d＝0.991 μm，宏成像視野FN＝1.8 mm。其中，鏡筒透鏡和物鏡均可根據(jù)需求變化更換。此外，受限于微裝配的作業(yè)空間，這里沒有采用多物鏡塔式轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)。

表1 光學(xué)參數(shù)

利用Zemax軟件對宏微視覺單元成像光路仿真，建立光學(xué)模型，設(shè)置物方視野為2 mm，波長為455 nm，選擇光程差和畸變對成像質(zhì)量評價(jià)，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 像質(zhì)評價(jià)

由圖2 結(jié)果可知：宏成像的光程差為0.05 個(gè)波長，微成像的光程差為0.01波長，均小于1／4 波長。宏成像最大畸變率為0.63%，微成像最大畸變率為0.01%，均為枕形畸變。上述指標(biāo)滿足引導(dǎo)微裝配的顯微成像對像質(zhì)的要求。

1.3 成像單元搭建與測量精度測試

搭建宏微視覺單元如圖3所示。根據(jù)文獻(xiàn)［18 ～20］對宏微視覺單元參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定模板為1951 USAF 標(biāo)準(zhǔn)板，所用公式如下

圖3 宏微視覺單元

式中Sx和Sy為像素代表的實(shí)際尺寸；u0和v0為圖像中心；Zc為光心到圖像平面的距離；θ為Z軸轉(zhuǎn)角；Tx，Ty和Tz為相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)相對世界坐標(biāo)系原點(diǎn)3 個(gè)方向軸的平移參數(shù)。

標(biāo)定后，利用標(biāo)準(zhǔn)板對其分辨率進(jìn)行初步測試。如圖3所示，微成像可以分辨線寬小于1 μm 的相鄰線對，即分辨率優(yōu)于1 μm。采用顯微鏡標(biāo)定板對其自動(dòng)測量精度進(jìn)行測試，特征點(diǎn)拾取方法為：1）Sobel算子計(jì)算梯度；2）取最大梯度點(diǎn)作為特征點(diǎn)；3）最小二乘法擬合直線。

分別選取標(biāo)準(zhǔn)板中的四組線對，每組測量10 次計(jì)算均值為線條測量長度，然后比對線條測量長度與測試板標(biāo)稱長度差異，計(jì)算其測量偏差和均方差如表2 所示。測量結(jié)果顯示：宏成像測量誤差小于1 μm，均方差小于0.3 μm；微成像測量誤差小于0. 5 μm，均方差小于0.2 μm。

表2 測量結(jié)果μm

2 基于宏微視覺單元定位與裝配實(shí)驗(yàn)

為檢驗(yàn)利用宏微視覺單元進(jìn)行精密運(yùn)動(dòng)檢測和微裝配作業(yè)的效果，本文搭建了如圖4 所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，除視覺單元外，還包括搭載視覺單元的顯微視覺進(jìn)給模塊、零件調(diào)整模塊。顯微視覺進(jìn)給模塊由三維精密滑臺(tái)和夾具組成。零件調(diào)整模塊主體由2 個(gè)精密滑臺(tái)和3 個(gè)精密轉(zhuǎn)臺(tái)組成的五軸零件調(diào)整模塊和Z軸單向零件調(diào)整模塊組成，實(shí)現(xiàn)待測或待裝配零件的姿態(tài)調(diào)整，其滑臺(tái)分辨率為2 μm。

2.1 定位實(shí)驗(yàn)

選取標(biāo)準(zhǔn)板特定區(qū)域，控制精密滑臺(tái)移動(dòng)給定距離，然后采集圖像和自動(dòng)拾取特征點(diǎn)，計(jì)算特征偏移位置，并將像素?cái)?shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際長度。定位實(shí)驗(yàn)測量5 組數(shù)據(jù)，每組測量10次計(jì)算均值為檢測結(jié)果，通過比對精密滑臺(tái)實(shí)際移動(dòng)距離和位置檢測結(jié)果，確定宏微視覺單元定位偏差。其中較長距離定位采用宏成像，短距離精確定位采用微成像。宏微視覺單元定位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 精密定位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)μm

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，宏微視覺單元定位誤差小于2 μm，均方差小于1 μm。

2.2 微裝配實(shí)驗(yàn)

宏微視覺單元引導(dǎo)的微裝配實(shí)驗(yàn)，將待裝配零件固定在零件調(diào)整模塊，視覺進(jìn)給模塊調(diào)整宏微視覺單元使零件進(jìn)入視野。然后，通過宏微視覺單元的宏成像引導(dǎo)零件姿態(tài)對準(zhǔn)，微成像引導(dǎo)零件位置對準(zhǔn)。本文以微流控光纖芯片為對象進(jìn)行了裝配實(shí)驗(yàn)，此芯片將光纖與微流道連接以實(shí)現(xiàn)紫外光度檢測。微流控芯片的基片利用聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）制作，然后用玻璃蓋片封裝，所用光纖為單模光纖。

圖像處理過程為：1）對圖像高斯濾波和直方圖均衡；2）對圖像閾值分割，尋找輪廓，根據(jù)輪廓面積特征過濾零件以外的輪廓，得到興趣區(qū)域；3）在興趣區(qū)域采用Canny算子提取邊緣，然后通過聚類過濾干擾點(diǎn)；4）采用最小二乘法擬合直線。

微流控光纖芯片裝配過程如下：1）將微流控芯片固定在Z向單軸零件調(diào)整模塊，光纖固定在五軸零件調(diào)整模塊；2）調(diào)整進(jìn)給模塊使芯片和光纖進(jìn)入宏成像視野；3）調(diào)整視覺進(jìn)給模塊Z軸對光纖聚焦，然后通過Z向零件進(jìn)給模塊對微流控芯片上的流道聚焦；4）采集宏成像光路圖像，通過圖像計(jì)算光纖和芯片流道的相對角度，然后估計(jì)旋轉(zhuǎn)角度，調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)對準(zhǔn)，如圖5（a）所示；5）采集微成像光路圖像，通過圖像計(jì)算光纖和芯片流道的相對位置，然后估計(jì)移動(dòng)距離，調(diào)整滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)位置對準(zhǔn)，如圖5（b）所示；6）通過Z向零件進(jìn)給模塊調(diào)整微流控芯片，使得光纖和微流控芯片的Z向?qū)?zhǔn)，然后進(jìn)行裝配連接，裝配的芯片效果如圖5（c）所示。

圖5 裝配實(shí)驗(yàn)

3 結(jié) 論

本文基于無限遠(yuǎn)成像原理研制了宏微視覺單元，實(shí)現(xiàn)了顯微視覺高分辨率和大視野并行成像，避免了使用變倍成像和多次拼接產(chǎn)生的誤差。在保證工作距離和視野的前提下，宏微視覺單元的測量特征尺寸的精度優(yōu)于0.5 μm；測量運(yùn)動(dòng)定位的精度優(yōu)于2 μm。利用研制的宏微視覺單元進(jìn)行了微流控光纖芯片裝配，通過宏姿態(tài)調(diào)整和微位置對準(zhǔn)兩步操作，實(shí)現(xiàn)微光纖與微流道的精確連接，這表明研制的宏微視覺單元可以勝任同時(shí)需要高分辨率和大視野的復(fù)雜微裝配視覺引導(dǎo)任務(wù)。