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面向微装配的宏微视觉检测研究

面向微装配的宏微视觉检测研究

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作者：杜宏宇大连理工大学

学位级别：硕士

微装配是将多个不同尺度的微小零件精密集成的工艺过程。显微视觉引导的定位和操纵是实现微装配任务的主要途径,定位操纵准确性与视觉测量分辨率密切相关。理论上物镜数值孔径越大,显微视觉成像的分辨率越高,但相应的视场、景深和工作... 详细信息

微装配是将多个不同尺度的微小零件精密集成的工艺过程。显微视觉引导的定位和操纵是实现微装配任务的主要途径,定位操纵准确性与视觉测量分辨率密切相关。理论上物镜数值孔径越大,显微视觉成像的分辨率越高,但相应的视场、景深和工作距离也随之减小。有些装配任务要在高分辨率下才能保证精度,但其姿态调整则要在大视场条件下进行,以避免执行器、镜头、工件之间的干涉碰撞。在这类工作场景下,如何兼顾显微成像大视场和高分辨率就成为微装配的突出问题。本文针对微装配中显微视觉成像大视场和高分辨率难以兼顾的问题,以无限远成像为基础,采用集成宏-微并行成像的视觉单元,通过调配后端的镜筒透镜实现单物镜双通道变倍。最后搭建了基于宏微视觉单元引导的微装配实验平台,以光纤和微流控芯片流道对准装配实验验证了宏微成像单元引导实现微装配任务的能力。首先,根据微装配任务需求设定显微视觉单元的设计指标,提出了单物镜双通道变倍的宏微视觉单元。对显微视觉单元成像指标进行理论计算,确定宏微视觉单元光学器件的参数。采用ZEMAX搭建光路模型进行仿真,对宏微视觉单元成像质量进行评价,最终搭建了宏微视觉单元实物。其次,为检验利用宏微视觉单元进行精密运动检测和微装配作业的效果,本文设计微装配实验平台,包括显微视觉进给模块、零件调整模块以及宏微视觉单元,并以工控机为控制核心设计微装配实验平台的控制系统。在微装配控制系统中采用基于宏微视觉单元引导的微装配策略和位姿检测方法。微装配采用宏成像引导实现姿态对准,微成像引导实现位置对准的策略。针对装配任务设计微装配实验平台软件框架,创建面向对象的类实现微装配操作软件。接着,分析宏微视觉单元光路误差,得到分光镜和反光镜偏转对宏微视觉单元成像的影响。计算显微视觉进给模块的X、Y和Z轴滑台运动产生的俯仰角和偏航角对视觉检测的影响,建立误差补偿模型提高视觉检测精度。通过实验标定宏微视觉单元、显微视觉进给模块以及零件调整模块,实现了装配误差的补偿。最后,通过实验进行测试,在保证工作距离和视场的前提下,宏微视觉单元测量误差小于0.3μm,运动定位的精度优于2μm。此外,利用宏微视觉单元引导的微装配实验平台进行了微流控芯片和光纤装配实验,实现了微光纤与微流道的精确连接。实验表明宏微视觉单元可以应用于需要兼顾高分辨率和大视场的复杂微装配视觉引导任务。

关键词：显微视觉微装配图像处理位姿检测宏微装配策略

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