第 1 章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
随着微加工技术的发展，微机电系统(MEMS)也朝着复杂化、精细化、多样化发展，根据实际情况，可应用在航空航天、精密电子、生物医药和军工等各个领域。微机电系统(MEMS)的概念自提出以来发展非常迅速，但现在还未有具备一次性装配、多功能集成的微系统。虽然各式各样的微小器件可以通过精密和超精密加工技术制得，但目前的主流微小件的装配还是通过装配工人借助显微镜等器械来完成[1]。在当前国内外微小型机电系统研发领域，中间尺度微器件组成的精密微小型系统是目前民品与国防微制造中的主流[2]。所谓中间尺度器件，是指外形几何尺寸通常从数十微米到数十毫米的结构件[3]。针对这样结构的微小器件，所要求的加工误差要求达到微米甚至纳米级，而且这样的加工工艺已经不是一般加工方法所能完成的，所以对这样微小的结构件的装配精度更是需要达到微米级别。这就对现有的研究提出了严峻的考验，因此如何使微小器件的装配达到高精度，已经是摆在广大科研工作者眼前急需解决的一道难题。对于微小器件的装配领域，主要的方法就是依靠工人的传统手工装配。在现代工业制造中，装配工作量平均占制造工作量的 45%，装配费用占制造总费用的20%~30%或更高[4]，因此，如果在工业制造中能够采用自动的的或者半自动的装配系统可有效减少企业的成本。目前微小件的装配可分为两个主要研究方向，一是批量、并行微装配技术；二是基于微操作机器人技术的直接、串行机器人微装配技术[5]。串行完成诸如微器件的抓取、搬运、调整和连接等子任务，实现串行操作和装配。串行操作和装配生产率低，但可实现三维复杂结构微小型系统的装配，故得到了越来越多国内外研究人员的关注。针对微小器件的装配系统，主要采用精密电控台、视觉识别、微操作器和微传感等关键技术，这些技术一定程度上体现着一个国家的科学技术水平。因此微小器件高精度装配领域的研究无论是对工厂提高效益还是推动我国科研技术实力的发展都具有重要意义。
.........
1.2 国内外微小器件装配领域研究概述
随着科学的不断进步，微纳米领域已经得到了国内外学者的大量关注，并且各个国家对该领域也是投入了大量的资金，并取得了一定的研究成果。我国相较于发达的工业国家来说微小器件装配领域起步较晚，于 1989 年开始研究微装配技术。其中主要包括清华大学、哈尔滨工业大学、北京理工大学、北京航空航天大学、武汉理工大学、天津大学等。具有代表性的哈尔滨工业大学研发的一种宏/微双重驱动微操机器人[6-8]，如图1.1 所示，微位移驱动器的精度可达到纳米级。微操作机器人的物理尺寸小于 0.5m3，占地不足 1m2，可完成 3 个自由度的宏观运动，并保持毫米级的定位精度；微观上主要由球形操作器完成，旋转分辨率可达到 3 个微米，并通过微夹持器夹取零件。硬件驱动器上实现蓝牙无线通信，电源采用两块锂电，均内置安装机器人结构体内，供电时长达 3 小时。北京理工大学[9]研制了面向非硅 MEMS 的装配系统，如图 1.2 所示，其中转台的分辨率可以达到 3.5/10000°，单向重复定位精度小于 0.0001°，针对装配执行模块末端相对于随行夹具的水平位姿误差进行相应方法补偿后的相对姿态偏差小于 0.03°，并且对影响装配精度的各项误差源进行误差综合，可获得最终的系统装配精度为±2.38μm。清华大学[10-12]设计了一套自动微装配系统。该系统主要包括高精密的立体显微镜、CCD、电动平移台和驱动装置组成，能够完成轴和孔的定位及装配任务，在二维平面内的对准定位精度可达到 10μm。北京航空航天大学机器人研究所自主研发的微操机器人系统[13-14]，具备显微视觉反馈的功能，借助宏微操作装置和全局视觉闭环反馈，完成显微作业。驱动器采用的是压电陶瓷，在结构上采用较新颖的柔性铰链机构。武汉理工大学[15]研制的具备多个夹持器的微装配系统，采用双路正交视觉，并采用了基于真空和压电的两类微夹持器，可达到 30um 的装配精度。另外中国科学院物理所、华东师范大学等在微系统方面开展了微装配装置、生物细胞转基因微操作系统、微型光谱仪等的研究。北京大学和上海交通大学也建立了微米/纳米加工技术重点实验室和微系统技术重点实验室。其中，上海交通大学[16]成功研制了 2mm 的精密定位装置，并且自主建立了一套微型装配试验系统；北京航空航天大学机器人研究所利用微机器人对微观领域操作技术开展了实验研究。
.........
第 2 章 微小器件高精度装配系统的总成
微小器件的装配是精密微小型机械系统的关键技术，由于它所装配的器件的几何尺寸一般较小，所以属于微观制造领域，而微观制造领域不是宏观机械系统的缩小形式，从微小型器件的制造难度、操作难度再到分析难度，都使微系统领域的研究难上加难。为了完成微小零件高精度装配的任务，除了要求各个集成单元各自的精准性以外，还要求多个系统模块的之间集成精度来保证高精度装配的目的。微小器件的装配关键技术主要集中微领域，但是为了能进行人为的控制和操作，又必须结合宏观领域的高精度技术，因此，要实现微系统的高精度特性，在很大的程度上需要同时引用宏、微领域的高精度操作技术[30]。对于目前研究的大多数微微小器件装配系统而言，其尺度范围主要介于微米或毫米尺度的操作[31]。通常操作要求具有微米甚至纳米级的定位精度和运动分辨力，而且可能要求系统能实现大范围快速运动调整的特性。而微小器件一般具有几何尺寸小、质量低、刚度比较低和易碎的特性，有些甚至是肉眼很难去发现的器件。
2.1 支持高精度装配的系统构成
为了实现微小器件的定位、抓取、释放等动作，首先需要宏观的运动平台以及微观的精密操作机械手，本文的微小器件高精度装配系统主要体现在如图 2.2 所示的几个方面。(1）首先是是一套机械结构平稳的工作台，工作台的主要作用是支撑整个系统其它模块的根基，为了使整个系统具有抵抗外界干扰的能力，工作台安装在大理石底座上，并且工作台面上具有吸附式夹持器的存放区，以及待装配零件的存放区。（2）其次是在整个工作台的基础上，设计了具有高分辨率光栅尺的运动执行机构，包括水平平面内 X、Y 方向上的直线运动，以及竖直平面内 Z 轴的直线运动和 T 轴的旋转运动，其中 T 轴的选装精度可达到 0.002°以上。每个轴的控制信号通过伺服系统发送到控制卡进行采集，然后传送给 PC 进行相应的整合和处理。（3）然后是真空式精密夹持机构，针对器件的型号和尺寸，设计了一套应用范围广泛的基于真空吸附式的微夹持机构，并设计了相对应的气路装置，其中夹持器件的质量范围在 0.5g-10g，这种夹持器具有抓取定位准确、对零件损坏小、适应多种复杂器件的优点，如图 2.1 所示。（4）再次就是微小器件的装配系统包括由台面上相机和台面下相机组成的机器视觉部分，分辨率可达到 2μm，上 CCD 和吸附式夹持器是平行安装的，保证垂直工作台面，主要进行的是零件的精确定位与识别，下 CCD 同样垂直于工作台面，主要完成的任务是对抓取的零件进行位姿的识别。（5）最后是整个装配系统的大脑，是在 Windows 系统下开发的一套控制程序，借助的主要工具是 C++和开源计算机视觉库，并能够实现微小平板零件的多套自动化装配。
.........
2.2 装配系统各个部件之间的关系
微小器件装配系统各个功能模块之间的相互协作是使整个装配系统达到高精度装配和自动装配的首要条件，而有效地使各个功能模块之间进行衔接，以及在衔接以后依旧保持高精度的性能甚至比单独工作时性能更优是本文研究的重点以及难点。微小器件装配系统的控制最终是通过各模块的有机结合与相互通讯实现的，其软件控制系统在 VS 环境下进行开发，应用模块化的软件开发方法。它主要包括移动台的运动控制、示教再现、气动控制，图像处理等 4 个部分。设计的微装配平台主要有软件和硬件组成，硬件主要完成装配任务的定位、抓起、夹紧、搬运、释放、拍照等动作，而软件主要完成对硬件数据的接受和发出数据控制硬件。其中样机的控制过程主要是由计算机控制工业相机和数字采集卡实现的，数据采集卡发送信号控制电机驱动器以及控制阀等完成各个轴的插补运行以及零件的吸附和释放，机器视觉这部分，围绕工业摄像机构建的图像处理系统，能够实现器件的固定位置识别定位以及空间位置的位姿调整。软件方面是通过 VS 编写一个 MFC 控制项目，通过通讯协议与数据采集卡进行通讯，能够在计算机屏幕上显示各种硬件的信号变化。在 XY 平面上，吸附头和相机位置是平行放置的，通过控制系统吸附头可在导轨上沿 X、Y 和 Z 向运动，但上相机只能在 X、Y 方向运动，在 Z 方向是固定不动的，目的是保持上相机与整个平台内的焦距，保证识别精度。相机分辨率可随着镜头的改变而改变，为了精确吸附头和上相机的光轴中心，需要在台面上标记一个点，标定点间的距离根据每次输入的指令位置设定，但是必须保证每次相机获取的图片完整。
............
第 3 章 运动控制对装配精度的影响 ....... 19
3.1 运动控制对高精度的影响及优化 ............. 19
3.1.1 对 X、Y 轴进行误差测量和补偿 ........ 20
3.1.2 对 XY 轴插补运动进行角度补偿 ........ 24
3.1.3 对旋转轴进行角度测量 ..... 27
3.2 装配路径的选择对高精度控制的影响 ......... 30
3.2.1 常规微小器件装配路径规划方法 ....... 30
3.2.2 多套微小器件装配路径规划方法 ....... 32
3.3 吸附夹持对高精度控制的影响 .... 33
3.4 本章小结 ............. 36
第 4 章 装配系统高精度识别和特征提取 ............. 37
4.1 机器视觉模块相机外参数的分析及高精度调整 ........... 37
4.1.1 相机小角度偏转对精度的分析 ......... 39
4.1.2 相机偏转角的测量与调整方法 ......... 40
4.2 显微视觉高精度特征提取算法研究 ........... 42
4.3 器件图像特征点高精度定位技术 ............. 49
4.4 本章小结 ............. 50
第 5 章 装配系统的精度测量 ............. 51
5.1 水平面内的位移精度检测 ......... 51
5.2 水平面内的角度精度检测 ......... 54
5.3 装配系统高精度夹持实验 ......... 55
5.4 本章小结 ............. 57
第 5 章 装配系统的精度测量
机器视觉不仅可以提高装配系统的定位精度，而且还可以增强微装配系统的质量和灵活。主要显现在微小器件装配系统的实时监测和测量方面，如果因为某些器件的质量不合格标准或者装配过程中由于某些原因并未对准，那么机器视觉就可以通过相应的调整来提高装配系统的精度。在装配完成后对零件的装配情况的高精度检测是整个装配系统的重要组成部分，对于装配系统的装配精度主要包括基底零件和装配件之间的同轴度、角度偏转精度、平行度等。应用机器视觉来进行微小器件的检测不仅效率高，而且精度也能达到很高的要求，是当下越来越成熟的检测技术。对于微小器件的装配精度通常就是装配件和基底器件的相互位置关系[56]，通过机器视觉将装配信息提取出来，得到相应基底件和装配件的外形轮廓、角点和距离等信息[57]，进而获取装配件与基底件之间的相对位置关系，并运用该方法进行了 X、Y 轴的位置精度和角度精度测量。
5.1 水平面内的位移精度检测
微小件在装配完成后，需要合理的检测方法来检测装配完成后的零件对准情况，其中对于微小器件在 X、Y 说平面内的误差，包括 X、Y 的轴向误差和角度误差，下面主要介绍一下 X、Y 方向的轴向误差测量实验。该实验主要在微小器件的精密装配实验台上进行，其中硬件系统包括 X、Y 轴向的直线电机、Z 轴伺服电机等，X、Y 方向光栅尺的反馈精度达到 0.1um，实验的运动行程 30cm 以内，经过补偿后的各位置点的定位精度可控制在±10um。通过调整相机分辨率测量出像素尺每个刻度的最小度量值，然后根据像素尺去测量 X、Y 方向上的对准偏差值，其中，实验系统的原理如图 5 所示。主要是一个直径为 2.1mm 的薄圆孔和一个直径为 1.5mm 的薄圆轴。对于 X、Y 轴向的装配误差测量，提出了图像处理后的轮廓进行像素尺对比测量的方法，以中心位置为理论值波动，固定误差受机器的精度所影响，平均偏差表示随机波动的情况，反映机器的鲁棒性，其他差值在最大最小值之间随机波动。装配精度的测量主要是基于板类圆孔的间隙配合，通过用吸附式微夹持器夹持薄板圆形零件，装配到的圆孔中，测量其中的间隙变化值，主要测量方法如图5.1 所示，图 5.1（a）是测量 X 轴的间隙，图 5.1（b）表示测量 Y 轴的间隙。主要步骤为：识别托盘中微圆盘的中心→坐标转换→确定吸附坐标→中心点与中心点配合→夹持到已设好的孔位并释放→相机移动到装配位并识别→canny 算子图像轮廓提取→计算出间隙值，重复多次实验，数据如图 5.2 所示。
........
总结
微小器件装配系统是微操作系统中的关键技术，本文主要针对微小器件装配系统的高精度控制技术进行了研究，其中高精度的运动控制和高精度机器视觉是整个微小器件装配系统高精度的重要环节。首先是根据微小器件的特性，设计了具有机器视觉的微小器件装配系统。并对整个装配系统进行了深入的研究，针对如何使系统提高精度的为主线进行了系统理论的分析，研究了装配系统的高精度伺服系统、视觉定位系统和吸附夹持系统等，提出了装配系统高精度的一些参数和指标，并针对如何提高精度的控制方面采取了相应的措施，本文取得了以下的研究成果。
第一、为满足本课题的器件装配精度要求，设计的装配系统具有集成化程度高、自动化程度高、操作简便和应用广泛的特点。硬件方面主要结合了运动伺服、机器视觉、气路控制和机械结构等，软件方面也是结合当下的主流开发平台 VS 以及开放源代码的图像及视频分析库（opencv）进行编写的，并结合数据库和相应的电机控制程序，完成整个系统的架构。
第二、针对搭建好的装配系统，进行了路径规划研究和装配流程研究，制定了精简化的装配流程和装配策略，并针对多套零件的循环自动装配，提出了一种自平均坐标的运动控制方法。
第三、针对运动控制对高精度装配的影响，首先分析了在装配过程中运动控制误差产生的原因，并采用了激光干涉仪的测量办法，并对误差结果进行高精度的补偿，这种补偿办法不仅对 X、Y 单轴运动有效，而且对 XY 插补运动的补偿同样效果明显，而且在旋转轴的测量方面，采用了现在最先进的角度测量系统进行测量，这些都为提高装配系统精度起着重要的作用。
第四、对于机器视觉部分对高精度的影响，提出了一种基于模板匹配的二分法阈值提取，该方法相对与其他方法具有明显的特征提取精度，边缘轮廓更加清晰，而且对于特征提取后的吸附点的定位问题，提出了一种最小力矩的吸附点定位方法，该方法可高精度的对准吸附点，并且是高精度对准的重要参照点，该方法充分提高了装配精度。
第五、对装配系统进行实际的装配工作，对装配结果进行有效的评估，采用了基于轮廓边缘的装配结果测量方法，并运用该方法进行了水平面内 X、Y 轴向装配精度的测量，以及装配角度的测量，并通过大量实验得出了装配精度和装配效率的最终数据。
..........
参考文献（略）