一种用于微小型结构件的自动对位装配系统

摘要

本发明公开一种用于微小型结构件的自动对位装配系统，属于自动控制领域；它具有将待配件精确地装配到基体件上的功能，同时能过保护待配件和基体件之间不相互挤压损坏。其中包括控制装置，通过电机伺服系统来控制摆臂的旋转，角度标定装置通过对旋转角度的测试使摆臂的旋转角度更加精确，通过对显微成像系统采集的图像进行相应的计算来调节微动平台使其能过进行六个自由度的旋转，来确保基体件与待配件之间可以达到精密的配合。本发明通过控制装置调节系统各部分的工作，可以提高装配的效率，而且提高装配的精度。

权利要求

1.一种用于微小型结构件的自动对位装配系统，包括控制装置，角度标定装置，电机伺服系统，摆臂，立体分光镜、显微摄像装置、微力传感保护装置以及光源；其中，显微摄像装置处于立体分光镜的正上方，微动平台处于立体分光镜的正下方，摆臂与电机伺服系统相连，微力传感保护装置与摆臂相连；

控制装置，包括旋转控制模块、角度测试模块、图像处理模块、微动平台控制模块、外控模块以及光源控制模块；

旋转控制模块，用于通过控制电机伺服系统来实现对摆臂进行相应角度的旋转或调整；

角度测试模块，用于控制角度标定装置进行摆臂当前位置的检测；

图像处理模块，用于对显微摄像装置传输过来的图像进行相应的处理生成微动平台控制信号并传输给微动平台控制模块；

外控模块，用于控制外部自动供料系统将待配件安装在摆臂上；

微动平台控制模块，用于根据图像处理模块传输过来的微动平台控制信号，控制微动平台进行相应的调整；

光源控制模块，用于实现对光源的控制；

角度标定装置，用于检测当前摆臂的位置；

电机伺服系统，用于控制摆臂进行旋转或微调；

摆臂，用于承载待配件并带动其一起旋转；

立体分光镜，用于将改变待配件的反射光路；

显微摄像装置，用于通过接收立体分光镜传输过来的反射光采集待配件图像和基体件图像，并将采集的待配件图像和基体件图像传输给图像处理模块；

光源，用于为待配件和基体件提供照明；

微力传感保护装置，用于控制摆臂旋转使基体件与待配件之间的相互接触力在一定的阈值之内；

微动平台，用于承载基体件，根据图像处理模块传输过来的微动平台控制信号进行6个自由度的调整；

当系统上电时，角度测试模块控制角度标定装置检测摆臂的当前位置，角度标定装置将检测结果传输给旋转控制模块，旋转控制模块通过控制电机伺服系统实现对摆臂进行相应调整使其恰好处于水平位置，调整结束，外控模块控制外部自动供料系统将带配件安装在摆臂上；

待配件安装结束后，旋转控制模块通过控制电机伺服系统实现对摆臂进行90°的旋转，旋转结束后，角度测试模块控制角度标定装置检测摆臂当前位置，角度标定装置将检测的结果传输给旋转控制模块，旋转控制模块通过控制电机伺服系统实现对摆臂进行调整使其恰好处于竖直位置；

光源控制模块控制光源对待配件进行照明，显微摄像装置通过立体分光镜采集待配件的图像进行自动调焦，调焦结束后显微摄像装置采集待配件图像并传输给图像处理模块；

光源控制模块控制光源对基体件进行照明，显微摄像装置采集基体件图像并传输给图像处理模块；图像处理模块对待配件图像与基体件图像进行相应处理，生成微动平台调整信号传输给微动平台调整模块控制微动平台进行6个自由度的调整；

调整结束后，旋转控制模块通过控制电机伺服系统实现对摆臂进行90°的旋转，旋转结束后，当所旋转的角度小于90°时，角度测试模块控制角度标定装置检测摆臂当前位置，角度标定装置将检测的结果传输给旋转控制模块，旋转控制模块通过控制电机伺服系统来实现对摆臂进行微调使摆臂位于水平位置，从而使待配件与基体件配合；当微力传感保护装置检测到所述的基体件与待配件之间的相互作用力大于事先设置的阈值时，则控制摆臂停止旋转。

2.根据权利要求1所述的一种用于微小型结构件的自动对位装配系统，其特征在于还包括一个光电传感保护装置，用于控制摆臂使其旋转的角度不超过180°，实现过保护功能。

3.根据权利要求1所述的一种用于微小型结构件的自动对位装配系统，其特征在于所述的角度标定装置为圆光栅，该圆光栅用于对摆臂进行角位移量的精确测量和反馈控制，实现高精度的摆动定位。

4.根据权利要求1所述的一种用于微小型结构件的自动对位装配系统，其特征在于还包括一个气动装置，所述的气动装置通过微力传感保护装置与摆臂相连，实现在摆臂旋转过程中将零件吸附于摆臂上，在零件装配时消除摆臂与零件之间的粘附力。

5.根据权利要求4所述的一种用于微小型结构件的自动对位装配系统，其特征在于所述的气动装置的吸附面与摆臂的转轴在一个平面上。

说明书

一种用于微小型结构件的自动对位装配系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于微小型结构件的自动对位装配系统，属于自动控制领域。

背景技术

[0002] 现有的针对微小型结构件的装配系统一般都具有视觉系统，视觉系统多数仅仅起到监视作用，运动操作是由多个机械手、多自由度的组合机构实现，操作过程中随机误差较大。操作者通过监视器上装配体间相对位置控制机器人运动实现试探性装配操作。该种装配方式造成了时间耗费较大，装配效率较低，且装配精度一致性较差。另外，为精确对位必须首先确定两图像的各自的方位，传统确定方位的方法是通过图像模板匹配方法，该方法精度较低，且绝对方位确定的标准模板建立较为困难。

发明内容

[0003] 本发明1.一种用于微小型结构件的自动对位装配系统，包括控制装置，角度标定装置，电机伺服系统，摆臂，立体分光镜、显微摄像装置、微力传感保护装置以及光源；其中，显微摄像装置处于立体分光镜的正上方，微动平台处于立体分光镜的正下方，摆臂与电机伺服系统相连，微力传感保护装置与摆臂相连；

[0004] 控制装置，包括旋转控制模块、角度测试模块、图像处理模块、微动平台控制模块、外控模块以及光源控制模块；

[0005] 旋转控制模块，用于通过控制电机伺服系统来实现对摆臂进行相应角度的旋转或调整；

[0006] 角度测试模块，用于控制角度标定装置进行摆臂当前位置的检测；

[0007] 图像处理模块，用于对显微摄像装置传输过来的图像进行相应的处理生成微动平台控制信号并传输给微动平台控制模块；

[0008] 外控模块，用于控制外部自动供料系统将待配件安装在摆臂上；

[0009] 微动平台控制模块，用于根据图像处理模块传输过来的微动平台控制信号，控制微动平台进行相应的调整；

[0010] 光源控制模块，用于实现对光源的控制；

[0011] 角度标定装置，用于检测当前摆臂的位置；

[0012] 电机伺服系统，用于控制摆臂进行旋转或微调；

[0013] 摆臂，用于承载待配件并带动其一起旋转；

[0014] 立体分光镜，用于将改变待配件的反射光路；

[0015] 显微摄像装置，用于通过接收立体分光镜传输过来的反射光采集待配件图像和基体件图像，并将采集的待配件图像和基体件图像传输给图像处理模块；

[0016] 光源，用于为待配件和基体件提供照明；

[0017] 微力传感保护装置，用于控制摆臂旋转使基体件与待配件之间的相互接触力在一定的阈值之内；

[0018] 微动平台，用于承载基体件，根据图像处理模块传输过来的微动平台控制信号进行6个自由度的调整；

[0019] 当系统上电时，角度测试模块控制角度标定装置检测摆臂的当前位置，角度标定装置将检测结果传输给旋转控制模块，旋转控制模块通过控制电机伺服系统实现对摆臂进行相应调整使其恰好处于水平位置，调整结束，外控模块控制外部自动供料系统将带配件安装在摆臂上；

[0020] 待配件安装结束后，旋转控制模块通过控制电机伺服系统实现对摆臂进行90°的旋转，旋转结束后，角度测试模块控制角度标定装置检测摆臂当前位置，角度标定装置将检测的结果传输给旋转控制模块，旋转控制模块通过控制电机伺服系统实现对摆臂进行调整使其恰好处于竖直位置；

[0021] 光源控制模块控制光源对待配件进行照明，显微摄像装置通过立体分光镜采集待配件的图像进行自动调焦，调焦结束后显微摄像装置采集待配件图像并传输给图像处理模块；光源控制模块控制光源对基体件进行照明，显微摄像装置采集基体件图像并传输给图像处理模块；图像处理模块对待配件图像与基体件图像进行相应处理，生成微动平台调整信号传输给微动平台调整模块控制微动平台进行6个自由度的调整；

[0022] 调整结束后，旋转控制模块通过控制电机伺服系统实现对摆臂进行90°的旋转，旋转结束后，当所旋转的角度小于90°时，角度测试模块控制角度标定装置检测摆臂当前位置，角度标定装置将检测的结果传输给旋转控制模块，旋转控制模块通过控制电机伺服系统来实现对摆臂进行微调使摆臂位于水平位置，从而使待配件与基体件配合；当微力传感保护装置检测到所述的基体件与待配件之间的相互作用力大于事先设置的阈值时，则控制摆臂停止旋转。

[0023] 本发明还包括一个光电传感保护装置，用于控制摆臂使其旋转的角度不超过180°，实现过保护功能。

[0024] 本发明所述的角度标定装置为圆光栅，该圆光栅用于对摆臂进行角位移量的精确测量和反馈控制，实现高精度的摆动定位。

[0025] 本发明还包括一个气动装置，所述的气动装置通过微力传感保护装置与摆臂相连，实现在摆臂旋转过程中将零件吸附于摆臂上，在零件装配时消除摆臂与零件之间的粘附力。

[0026] 本发明中所述的气动装置的吸附面与摆臂的转轴在一个平面上。

[0027] 有益效果

[0028] 本发明采用控制装置协调实现系统各部分的工作，根据角度标定装置采集的数据通过电机伺服系统实现对摆臂角度的精确控制，根据显微摄像装置采集的图像信号，通过调节微动平台实现待配件与基体件的精密配合；

[0029] 而且，本发明采用立体分光来实现另外采用单个立体分光镜相比多个光学器件的组合结构的精度也会有不同程度的提高；

[0030] 同时，本发明采用微力传感保护装置和光电传感保护装置实现对摆臂过角度的保护，能够确保装配件与基体件之间不会出现相互挤压而损坏。

[0031] 再次，本发明采用吸附装置将零件固定于摆臂上，可以避免零件与摆臂之间的粘附效应。

附图说明

[0032] 图1为本系统工作的流程图

[0033] 图2为本系统的控制框图

[0034] 图3为本系统的结构图

具体实施方式

[0035] 本发明一种用于微小型结构件的自动对位装配系统，包括控制装置，角度标定装置，电机伺服系统，摆臂，立体分光镜、显微摄像装置、微力传感保护装置，光源以及光电传感保护装置；其中，显微摄像装置处于立体分光镜的正上方，微动平台处于立体分光镜的正下方，摆臂与电机伺服系统相连，微力传感保护装置和光电传感保护装置分别与摆臂相连；

[0036] 控制装置，包括旋转控制模块、角度测试模块、图像处理模块、微动平台控制模块、外控模块以及光源控制模块；

[0037] 旋转控制模块，用于通过控制电机伺服系统来实现对摆臂进行相应角度的旋转或调整；其中，旋转控制模块根据微力传感保护装置传输过来的安装完毕信号生成90°旋转信号并传输给电机伺服系统；根据微动平台传输过来的调整完毕信号生成180°旋转信号并传输给电机伺服系统；根据角度标定装置传输过来的0°测量信号、90°测量信号以及180度测量信号生成相应的0°微调信号、90°微调信号以及180°微调信号并传输给电机伺服系统；

[0038] 角度测试模块，用于控制角度标定装置进行摆臂当前位置的检测；其中，角度测试模块在系统上电时自动生成一个0°待测信号，根据电机伺服系统传输过来的90°旋转结束信号生成90°待测信号，根据电机伺服系统传输过来的180°旋转结束信号生成180°待测信号；并将上述生成的0°待测信号、90°待测信号以及180°待测信号传输给角度标定装置；

[0039] 图像处理模块，用于根据显微摄像装置传输过来的图像进行相应的处理生成微动平台控制信号并传输给微动平台控制模块；其中，所述的图像包括待配件图像、微动平台竖直方向调整前的基体件图像以及微动平台调整后的基体件图像；图像处理模块根据接收的微动平台竖直方向调整前的基体件图像计算调焦函数值，并根据上述计算得到的调焦函数值以及事先存储的数据生成微动平台竖直方向调整信息，传输给微动平台控制模块；图像处理模块根据接收的待配件图像和微动平台竖直方向调整之后的基体件图像获得待配件方位信息和基体件方位信息，根据上述待配件方位信息和基体件方位信息生成微动平台的x调整信号、y调整信号以及角度偏差信号并传输给微动平台控制模块。

[0040] 其中方位信息的获取是以获取微小结构件直线亚像素边缘为基础，根据装配对象的凸凹配合特性提出的有向性亚像素定位方法。本系统图像获取后，凸体测量尺寸较之真实尺寸偏大，凹体测量尺寸较之实际尺寸偏小，因此，提出了有向性亚像素边缘定位方法，并确定了有向性确定的原则：

[0041] 通过自动变倍和调焦获取清晰图像后，首先对图像进行中值滤波与斑块面积阈值相结合的滤波，将此时处理后的单帧图像进行保存。然后用Canny算子获得零件边缘二值化图像实现粗定位，并用双阈值法连接边缘。利用最小外接矩形获得方法确定零件跟踪起始点(x0，y0)，进行链码跟踪，跟踪点数根据图像的放大倍数M进行确定，设定单倍放大时的跟踪点数为n1，M倍放大时跟踪点数则为M×n1，边缘链码跟踪后以一维数组[x0，y0，di](0≤i≤(n1M-1))形式保存，其中di取值为8向链码值{[0-7]}。通过相隔一定像素数的两点确定直线方程a0x+b0y+c0＝0并检测各跟踪点到直线的距离，根据距离阈值判定这些跟踪点是否为共线点。如果是共线点则调取开始保存的图像，提取图像上各跟踪点的灰度值Gi，根据公式(1)得到各跟踪点的亚像素坐标浮动值：

[0042]

[0043] 检测边缘属于零件的外轮廓则在定位过程中Δi取为负值(如微小弹簧)；检测边缘属于内轮廓则Δi取为正值(如配合凹槽)。

[0044] 最后根据有向亚像素定位原则，实现直线边缘的亚像素定位。各点的亚像素定位坐标为：

[0045] (xΔi，yΔi)＝(xi+Δi，yi+Δi) (2)

[0046] 如果不共线则跟踪起始点向后选择，一般选取距离该直线偏差最大的点作为新的链码跟踪起始点，直线进行重新拟合，用上述同样的方法进行直线的判定以及方向角与定位点的获取。

[0047] 外控模块，用于根据电机伺服系统传输过来的0°位置信号控制外界自动供料系统将待配件安装在摆臂上；

[0048] 微动平台控制模块，用于根据图像处理模块传输过来的微动平台控制信号，控制微动平台进行相应的调整；所述的微动平台控制信号包括x调整信号、y调整信号、角度偏差信号以及微动平台竖直方向调整信号，其中微动平台控制模块根据x调整信号控制微动平台实现微动平台x(即左右)方向的调整，微动平台控制模块根据y调整信号控制微动平台实现微动平台y(即前后)方向的调整，微动平台控制模块根据角度偏差信号控制微动平台实现微动平台角度偏差的调整(即绕微动平台中心，进行水平方向旋转的调整)；微动平台控制模块根据微动平台竖直方向调整信号控制微动平台实现微动平台沿竖直方向的调整；

[0049] 光源控制模块，用于实现对光源的控制；其中，光源控制模块用于接收电机伺服系统传输过来的90°位置信号打开待配件的光源；用于接收显微摄像装置传输过来的调焦完毕信号来控制关闭待配件光源和打开基体件光源；

[0050] 角度标定装置，用于检测当前摆臂的位置；其中，角度标定装置根据接收的0°待测信号、90°待测信号以及180°待测信号相应生成0°微调信号、90°微调信号以及180°微调信号并传输旋转控制模块；所述的角度标定装置可以为圆光栅，该圆光栅用于对摆臂进行角位移量的精确测量和反馈控制，实现高精度的摆动定位；其中圆形光栅安装与摆臂转轴同轴安装，并且具有精密的安装配合座，安装过程进行严格调整。安装前水平0°位置进行严格标定，保证读数头的0°读数位置时摆臂也是严格的水平零度；安装后，当接收到0°待测信号时，圆形光栅读数头的读数与内部程序设定的0°角比较，并将偏差信息进行实时反馈给控制装置控制电机伺服系统不断调整，直到满足0°则停止进行实时微调；
当接收到90°待测信号时，圆形光栅读数头的读数与内部程序设定的90°转角比较，并将偏差信息进行实时反馈给控制装置控制电机伺服系统不断调整，直到满足转角为90°停止。同理，180°位置也是这样。检测精度可以达到0.02角秒。

[0051] 电机伺服系统，用于控制摆臂的旋转或微调；其中，电机伺服系统根据接收的90°旋转信号来控制摆臂的旋转90°，旋转结束后生成90°旋转结束信号并传输给角度测试模块；伺服电机根据接收的180°旋转信号控制摆臂按原来的旋转方向继续旋转
90°，旋转结束后生成180°旋转结束信号传输给角度测试模块；伺服电机根据接收的0°微调信号控制摆臂进行相应的调整使其恰好处于水平位置，同时生成0°位置信号传输给外控模块；伺服电机根据接收的90°微调信号控制摆臂进行相应的调整使其恰好位于竖直位置，同时生成一个90°位置信号传输给光源控制模块；伺服电机根据接收的180°微调信号控制摆臂进行相应的调整使其恰好位于180°(即与摆臂原来所处的位置成一个
180°的夹角)的位置；所述微调的调整精度可达到9.89角秒。

[0052] 摆臂，用于承载待配件并带动其一起旋转；

[0053] 立体分光镜，用于将改变待配件的反射光路；

[0054] 显微摄像装置，用于通过接收立体分光镜传输过来的反射光采集待配件图像和基体件图像，并将采集的待配件图像和基体件图像传输给控制装置的图像处理模块；其中，显微摄像装置根据采集的待配件图像进行自动调焦；并在调焦之后采集待配件图像并传输给图像处理模块；保持显微摄像装置的参数不变，采集微动平台竖直方向调整前的基体件图像和微动平台竖直方向调整后的基体件图像，并将采集的基体件图像传输给图像处理模块；

[0055] 光源，用于为待配件和基体件提供照明；

[0056] 微力传感保护装置，用于控制摆臂使基体件与待配件之间的相互接触力不超过事先设定的阈值；其中，当基体件与待配件之间的接触力大于事先设置的阈值的时候，微力传感保护装置生成一个旋转停止信号传输给电机伺服系统，电机伺服系统接收到旋转停止信号时控制摆臂使其停止旋转；微力传感保护装置的最小分辨0.3mN；

[0057] 微动平台，用于承载基体件，根据微动平台控制模块传输过来的微动平台控制信号进行6个自由度的调整；其中，所述的微动平台控制信号包括调焦函数值、x调整信号、y调整信号以及微动平台竖直方向调整信号，微动平台根据接收到的微动平台竖直方向调整信号进行相应的竖直方向的调整，微动平台根据接收到的x调整信号进行微动平台x(即左右)方向的调整，微动平台根据接收到的y调整信号进行微动平台y(即前后)方向的调整，微动平台根据接收到的角度偏差信号进行角度偏差调整(即绕微动平台中心，进行水平方向旋转的调整)；

[0058] 光电传感保护装置，用于控制摆臂使其旋转的角度不超过180°，实现过保护功能，光电开关保护装置最快响应速度16μs。

[0059] 本系统的工作过程如下：

[0060] 初始时摆臂处于一个大致水平的位置，当系统上电时，角度测试模块自动生成一个0°待测信号并传输给角度标定装置，角度标定装置根据接收的0°待测信号检测当前的摆臂位置，并根据检测的结果生成一个0°测量信号传输给旋转控制模块，旋转控制模块根据接收到的0°测量信号生成0°微调信号并传输给电机伺服系统，电机伺服系统根据接收到的0°微调信号对摆臂进行调整使摆臂恰好处于水平位置，调整结束时，电机伺服系统生成一个0°位置信号传输给控制装置的外控模块，外控模块根据接收到的0°位置信号控制自动供料系统根据将待配件安装在摆臂上。

[0061] 当待配件安装在摆臂上时，摆臂上的微力传感保护装置生成一个安装完毕信号传输给旋转控制模块，旋转控制模块根据接收到的安装完毕信号生成一个90°旋转信号并传输给电机伺服系统，电机伺服系统根据接收到的90°旋转信号控制摆臂旋转90°，旋转结束之后，电机伺服系统生成一个90°旋转结束信号传输给角度测试模块，角度测试模块根据接收到的90°旋转结束信号生成一个90°待测信号传输给角度标定装置，角度标定装置根据接收的90°待测信号对摆臂当前位置进行检测，并生成一个90°测量信号传输给旋转控制模块，旋转控制模块根据接收到的90°测量信号生成90°微调信号并传输给电机伺服系统，电机伺服系统根据接收到的90°微调信号对摆臂进行调整使摆臂恰好处于竖直位置，调整结束后，电机伺服系统生成一个90°位置信号传输给光源控制模块，光源控制模块根据接收到的90°位置信号控制打开待配件的光源。

[0062] 待配件的反射光通过立体分光镜传输到显微摄像装置，显微摄像装置采集待配件的图像，并根据所采集的待配件图像进行自动调焦，当自动调焦完毕后显微摄像装置再次采集待配件图像并传输给图像处理模块，图像处理模块根据接收的待配件图像进行处理，获取待配件图像的方位信息，同时显微摄像装置生成一个调焦完毕信号传输给控制装置的光源控制模块；光源控制模块根据接收到的调焦完毕信号关闭待测件的光源，同时打开基体件的光源。

[0063] 保持显微摄像装置的参数不变，基体件的反射光通过立体分光镜传输到显微摄像装置，显微摄像装置采集基体件图像并传输给图像处理模块，图像处理模块根据接收的基体件图像计算调焦函数值，微动平台控制模块根据计算得到的调焦函数值和事先存储于图像处理模块中的数据来调整微动平台竖直方向的位置；当微动平台竖直方向调整完毕后，显微摄像装置再次采集基体件图像并传输给图像处理模块，图像处理模块根据接收的基体件图像进行相应的处理，获得的基体件图像的方位信息；图像处理模块根据计算出的基体件图像的方位信息和待配件图像的方位信息进行处理，生成微动平台x调整信号、y调整信号以及角度偏差信号并传输给微动平台控制模块，微动平台控制模块根据接收的x调整信号、y调整信号以及角度偏差信号控制微动平台进行x方向(即左右)、y方向(即前后)以及角度偏差的调整。

[0064] 当微动平台调整结束后生成一个调整完毕信号传输给旋转控制模块，旋转控制模块根据接收到的调整完毕信号生成一个180°旋转信号并传输给电机伺服系统，电机伺服系统根据接收到的180°旋转信号控制摆臂沿原来旋转的方向再次旋转90°。旋转结束后，当所旋转的角度小于90°时，电机伺服系统生成一个180°旋转结束信号传输给角度测试模块，角度测试模块根据接收的180°旋转结束信号生成一个180°待测信号传输给角度标定装置，角度标定装置根据接收的180°待测信号检测摆臂的当前位置，并根据测试的结果生成一个180°测量信号传输给旋转控制模块，旋转控制模块根据获得的180°测量信号生成180°微调信号并传输给电机伺服系统，电机伺服系统根据接收到的180°微调信号来控制摆臂调整到180°位置(即水平位置)，实现基体件与待配件之间的配合。当待配件与基体件之间的接触力超过事先设置的阈值时，微力传感保护装置根据生成一个旋转停止信号传输给电机伺服系统控制摆臂停止转动，这样就实现了待配件与基体件之间的配合，同时又不损坏零件。