CN105070323A - Icf靶丸充气管装配的精密标定方法 - Google Patents

Icf靶丸充气管装配的精密标定方法 Download PDF

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Abstract

ICF靶丸充气管装配的精密标定方法，属于惯性约束聚变中(ICF)靶自动装配领域。为了解决目前采用技术人员通过高倍率显微镜目视观测对准进行靶丸充气管的方式存在装配精度低的问题。所述方法采用三组显微视觉系统从三个不同角度监测靶丸的中心坐标，将获得的三个靶丸中心坐标进行统一，确定三组显微视觉系统的坐标系；利用确定坐标系的三组显微视觉系统监测靶丸孔的中心坐标和充气管的下端坐标；调整靶丸孔和充气管的位置，使靶丸孔的中心坐标和充气管的下端坐标与统一的靶丸中心坐标重合，实现精密对准，完成精密标定。本发明用于冷冻靶精密装配。

Description

ICF靶丸充气管装配的精密标定方法
技术领域
本发明属于惯性约束聚变中(ICF)靶自动装配领域。
背景技术
惯性约束聚变(ICF)的思想是利用高能粒子束在几纳秒的时间内将氘氚靶丸压缩到每立方厘米几百克的高密度，压强为几亿个大气压，从而使靶丸在局部形成热斑点火并燃烧。上世纪80年代末，美国科学家曾利用地下核爆的辐射能量成功地驱动了惯性约束核聚变，证实了这一技术路线的可行性。
随着激光技术的出现，人们开始研究利用强激光的极高功率密度和极好的方向性来轰击氘-氚靶，让它们产生受控的惯性约束核聚变从而释放出聚变能，这就是“激光核聚变”。靶的制备是ICF实验的核心内容，目前低温冷冻靶是研究热点，低温冷冻靶结构复杂，由十几零件组成，装配过程主要有五个环节。
靶丸充气管装配是冷冻靶精密装配中的重要组成部分，其目标是要将一根外径约10μm的充气管插入靶丸(外径约0.5mm)上直径约12～15μm的充气孔中，靶丸壁厚约为10μm至几十微米之间，由于靶丸和充气管都非常脆弱，装配时稍有偏差就会导致靶丸和充气管的损坏，为了保证装配精度、效率和成功率，需要研制高精度的监测系统，在装配过程中实时监测靶孔和充气管的位置，反馈给运动控制执行机构，实现高精度、高效的装配。
由于空间排布限制，主要由熟练技术人员通过高倍率显微镜目视观测对准，实现靶丸充气管。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前采用技术人员通过高倍率显微镜目视观测对准进行靶丸充气管的方式存在装配精度低的问题，本发明提供一种高速同步显示卡。
本发明的ICF靶丸充气管装配的精密标定方法，
所述方法是基于装配系统实现，所述装配系统包括三组显微视觉系统、反射镜和运动控制执行机构；
反射镜设置在靶丸的上方，所述反射镜中间开孔，用于充气管插入，第一组显微视觉系统发出的光通过反射镜的反射入射至靶丸，用于对靶丸和靶丸孔成像；
第二组显微视觉系统和第三组显微视觉系统均设置在水平方向，两者在水平方向上互相垂直，用于对靶丸和充气管成像；
运动控制执行机构用于调整充气管和靶丸孔的位置，完成充气管和靶丸孔对准，实现靶丸充气管装配；
所述标定方法包括如下步骤：
步骤一：利用三组显微视觉系统监测的图像，分别获得三个图像的靶丸中心坐标，将三个靶丸中心坐标进行统一，确定一个靶丸中心坐标，进而确定三组显微视觉系统的坐标系；
步骤二：利用第一组显微视觉系统监测的图像，获得靶丸孔的中心坐标；
步骤三：利用第二组显微视觉系统和第三组显微视觉系统监测的图像，获得充气管的图像，确定充气管的空间姿态和下端顶点坐标；
步骤四：利用运动控制执行机构调整靶丸孔和充气管的位置，使靶丸孔的中心坐标和充气管的顶点的坐标与确定的靶丸中心坐标重合，并保证充气管垂直向下，实现充气管和靶丸孔精密对准，完成ICF靶丸充气管装配的精密标定。
所述步骤一中，获得一个图像的靶丸中心坐标的方法包括：
采用形状模匹配方法对监测的图像进行圆区域自动搜索；
采用canny算子对圆区域自动搜索后的图像进行边缘精确细分定位；
采用最小二乘拟合法对边缘精确细分定位后的图像的外圆边缘进行精确拟合，确定靶丸的外圆边缘，进而获得靶丸的中心坐标。
所述步骤二中，获得靶丸孔的中心坐标的方法包括：
采用形状模板匹配方法对监测的图像中的靶丸孔进行自动定位；
采用最小二乘拟合法对定位的靶丸孔进行外圆边缘的精确拟合，确定靶丸孔的外圆边缘，进而获得靶丸孔的中心坐标。
所述步骤三中，获得充气管的下端顶点坐标的方法包括：
采用高斯直线法提取监测图像中充气管的中心和角度；
采用加权最小二乘拟合法对充气管的顶端进行直线拟合，获得充气管的下端顶点坐标。
所述装配系统还包括三维调整辅助夹持；
所述三维调整辅助夹持设置在反射镜的上方，通过运动控制执行机构对三维调整辅助夹持的控制，对充气管进行水平和竖直方向上的微调。
所述装配系统还包括负压吸附头和靶丸三维调整平台；
负压吸附头放置在靶丸微调整平台上，负压吸附头用于吸附靶丸，通过运动控制执行机构对靶丸三维调整平台的控制，对靶丸孔的位置进行微调。
显微视觉系统采用显微物镜、同轴照明光源和CCD相机实现。
本发明的有益效果在于，由于三组显微视觉系统无法同时观测到充气管和靶丸孔，所以充气管插入靶丸孔时必须精确标定出三组显微视觉系统的坐标关系，本发明在标定时以靶丸中心为基准，确定靶丸中心坐标，使充气管的下端顶点和靶丸孔中心坐标与靶丸中心坐标，完成精密对准，提高装配精度。
附图说明
图1为本发明的装配系统的原理示意图。
图2为显微视觉系统监测的靶丸的图像示意图。
图3为获得靶丸的中心坐标的图像示意图。
图4为显微视觉系统监测的靶丸孔的图像示意图。
图5为获得靶丸孔的中心坐标的图像示意图。
图6为显微视觉系统监测的靶丸和充气管的图像示意图。
图7为获得充气管的下端顶点坐标的图像示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述的ICF靶丸充气管装配的精密标定方法，所述方法是基于装配系统实现，所述装配系统包括三组显微视觉系统、反射镜5和运动控制执行机构10；
反射镜5设置在靶丸8的上方，所述反射镜5中间开孔，用于充气管9插入，第一组显微视觉系统发出的光通过反射镜5的反射入射至靶丸8，用于对靶丸8和靶丸孔成像；
第二组显微视觉系统2和第三组显微视觉系统3均设置在水平方向，两者在水平方向上互相垂直，用于对靶丸8和充气管9成像；
运动控制执行机构10用于调整充气管9和靶丸孔的位置，完成充气管9和靶丸孔对准，实现靶丸充气管装配；
所述标定方法包括如下步骤：
步骤一：利用三组显微视觉系统监测的图像，分别获得三个图像的靶丸中心坐标，将三个靶丸8中心坐标进行统一，确定一个靶丸中心坐标，进而确定三组显微视觉系统的坐标系；
由于三路显微视觉系统无法同时观测气管和靶丸孔，所以插入时必须精确标定出三路视觉系统的坐标关系。标定时以靶丸中心为基准，对于同一个靶丸来说，其中心是唯一的，三路成像系统分别在不同视角采集靶丸图像，通过图像处理算法，求出靶丸中心坐标，以此为基准实现了三路视觉系统的精确标定；
步骤二：利用第一组显微视觉系统1监测的图像，获得靶丸孔的中心坐标；
步骤三：利用第二组显微视觉系统2和第三组显微视觉系统3监测的图像，获得充气管9的图像，确定充气管的空间姿态和下端顶点坐标；
两组显微视觉系统相互正交放置，可以唯一确定充气管的空间姿态和下端顶点的位置，保证充气管垂直向下插入，并通过监测下端顶点的位置保证插入的深度。
步骤四：利用运动控制执行机构10调整靶丸孔和充气管9的位置，使靶丸孔的中心坐标和充气管9的顶点的坐标与确定的靶丸中心坐标重合，并保证充气管垂直向下，实现充气管和靶丸孔精密对准，完成ICF靶丸充气管装配的精密标定。
所述步骤一中，获得一个图像的靶丸中心坐标的方法包括：
图2为靶丸的图像，采用形状模匹配方法对监测的图像进行圆区域自动搜索；
采用canny算子对圆区域自动搜索后的图像进行边缘精确细分定位；
采用最小二乘拟合法对边缘精确细分定位后的图像的外圆边缘进行精确拟合，确定靶丸8的外圆边缘，进而获得靶丸8的中心坐标，参见图3。
所述步骤二中，获得靶丸孔的中心坐标的方法包括：
图4为靶丸孔的图像，采用形状模板匹配方法对监测的图像中的靶丸孔进行自动定位；
采用最小二乘拟合法对定位的靶丸孔进行外圆边缘的精确拟合，确定靶丸孔的外圆边缘，进而获得靶丸孔的中心坐标，参见图5。
所述步骤三中，获得充气管9的下端顶点坐标的方法包括：
图6为靶丸和充气管的图像，采用高斯直线法提取监测图像中充气管9的中心和角度；
采用加权最小二乘拟合法对充气管9的顶端进行直线拟合，获得充气管9的下端顶点坐标，参见图7。
本实施方式是一种基于机器视觉的自动跟踪检测系统，实现了靶丸从气管高精度实时在线检测，动态检测并反馈靶零件的位置和姿态，保证各零件装配的精度。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的ICF靶丸充气管装配的精密标定方法的进一步限定，所述装配系统还包括三维调整辅助夹持4；
所述三维调整辅助夹持4设置在反射镜5的上方，通过运动控制执行机构10对三维调整辅助夹持4的控制，对充气管9进行水平和竖直方向上的微调。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的ICF靶丸充气管装配的精密标定方法的进一步限定，所述装配系统还包括负压吸附头6和靶丸三维调整平台7；
负压吸附头6放置在靶丸微调整平台上，负压吸附头6用于吸附靶丸8，通过运动控制执行机构10对靶丸三维调整平台7的控制，对靶丸孔的位置进行微调。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的ICF靶丸充气管装配的精密标定方法的进一步限定，显微视觉系统采用10倍显微物镜1-1、同轴照明光源1-2和CCD相机1-3实现。

Claims (7)

1.ICF靶丸充气管装配的精密标定方法，其特征在于，所述方法是基于装配系统实现，所述装配系统包括三组显微视觉系统、反射镜(5)和运动控制执行机构(10)；
反射镜(5)设置在靶丸(8)的上方，所述反射镜(5)中间开孔，用于充气管(9)插入，第一组显微视觉系统发出的光通过反射镜(5)的反射入射至靶丸(8)，用于对靶丸(8)和靶丸孔成像；
第二组显微视觉系统(2)和第三组显微视觉系统(3)均设置在水平方向，两者在水平方向上互相垂直，用于对靶丸(8)和充气管(9)成像；
运动控制执行机构(10)用于调整充气管(9)和靶丸孔的位置，完成充气管(9)和靶丸孔对准，实现靶丸充气管装配；
所述标定方法包括如下步骤：
步骤一：利用三组显微视觉系统监测的图像，分别获得三个图像的靶丸中心坐标，将三个靶丸(8)中心坐标进行统一，确定一个靶丸中心坐标，进而确定三组显微视觉系统的坐标系；
步骤二：利用第一组显微视觉系统1监测的图像，获得靶丸孔的中心坐标；
步骤三：利用第二组显微视觉系统(2)和第三组显微视觉系统(3)监测的图像，获得充气管(9)的图像，确定充气管的空间姿态和下端顶点坐标；
步骤四：利用运动控制执行机构(10)调整靶丸孔和充气管(9)的位置，使靶丸孔的中心坐标和充气管(9)的顶点的坐标与确定的靶丸中心坐标重合，并保证充气管垂直向下，实现充气管和靶丸孔精密对准，完成ICF靶丸充气管装配的精密标定。
2.根据权利要求1所述的ICF靶丸充气管装配的精密标定方法，其特征在于，
所述步骤一中，获得一个图像的靶丸中心坐标的方法包括：
采用形状模匹配方法对监测的图像进行圆区域自动搜索；
采用canny算子对圆区域自动搜索后的图像进行边缘精确细分定位；
采用最小二乘拟合法对边缘精确细分定位后的图像的外圆边缘进行精确拟合，确定靶丸(8)的外圆边缘，进而获得靶丸(8)的中心坐标。
3.根据权利要求1所述的ICF靶丸充气管装配的精密标定方法，其特征在于，
所述步骤二中，获得靶丸孔的中心坐标的方法包括：
采用形状模板匹配方法对监测的图像中的靶丸孔进行自动定位；
采用最小二乘拟合法对定位的靶丸孔进行外圆边缘的精确拟合，确定靶丸孔的外圆边缘，进而获得靶丸孔的中心坐标。
4.根据权利要求1所述的ICF靶丸充气管装配的精密标定方法，其特征在于，
所述步骤三中，获得充气管(9)的下端顶点坐标的方法包括：
采用高斯直线法提取监测图像中充气管(9)的中心和角度；
采用加权最小二乘拟合法对充气管(9)的顶端进行直线拟合，获得充气管(9)的下端顶点坐标。
5.根据权利要求1所述的ICF靶丸充气管装配的精密标定方法，其特征在于，所述装配系统还包括三维调整辅助夹持(4)；
所述三维调整辅助夹持(4)设置在反射镜(5)的上方，通过运动控制执行机构(10)对三维调整辅助夹持(4)的控制，对充气管(9)进行水平和竖直方向上的微调。
6.根据权利要求1或5所述的ICF靶丸充气管装配的精密标定方法，其特征在于，所述装配系统还包括负压吸附头(6)和靶丸三维调整平台(7)；
负压吸附头(6)放置在靶丸微调整平台上，负压吸附头(6)用于吸附靶丸(8)，通过运动控制执行机构(10)对靶丸三维调整平台(7)的控制，对靶丸孔的位置进行微调。
7.根据权利要求6所述的ICICF靶丸充气管装配的精密标定方法，其特征在于，显微视觉系统采用显微物镜(1-1)、同轴照明光源(1-2)和CCD相机(1-3)实现。
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