CN105115419A - 一种基于机器视觉的自动跟踪监测系统及采用该系统实现的靶丸、充气管的装配监测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于机器视觉的自动跟踪监测系统及采用该系统实现的靶丸、充气管的装配监测方法，属于惯性约束聚变中(ICF)靶自动装配领域。解决了现有靶丸充气管装配过程中需熟练技术人员通过高倍率显微镜目视观测对准，导致装配精度低和装配效率低问题。它包括3个显微视觉系统、充气管微调辅助夹持件、反射镜、负压吸附头、靶丸微调整平台；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，一个显微视觉系统用于通过反射镜的反射对靶丸成像，监测靶丸上的靶孔的位置，剩余两个显微视觉系统成正交角度放置，反射镜与水平面成45度夹角，两路系统监测充气管的空间位置和姿态。它主要用于对靶丸、充气管的装配。

Description

一种基于机器视觉的自动跟踪监测系统及采用该系统实现的靶丸、充气管的装配监测方法

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。本申请主要针对靶丸充气管装配。

靶丸充气管是靶装配工艺中一个重要的环节，在的装配过程中，由于尺寸微小，而且靶丸充气管材料比较脆，稍有失误便可能会导致充气管或靶丸损坏，

由于空间排布限制，国内外主要由熟练技术人员通过高倍率显微镜目视观测对准，采用这种装配方式进行装配，使得装配精度较低，且装配的时间长。

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。

发明内容

本发明是为了解决现有靶丸充气管装配过程中需熟练技术人员通过高倍率显微镜目视观测对准，导致装配精度低和装配效率低问题，本发明提供了一种基于机器视觉的自动跟踪监测系统及采用该系统实现的靶丸、充气管的装配监测方法。

一种基于机器视觉的自动跟踪监测系统，它包括第一显微视觉系统、第二显微视觉系统、第三显微视觉系统、充气管微调辅助夹持件、反射镜、负压吸附头、靶丸微调整平台；

所述的第一显微视觉系统、第二显微视觉系统和第三显微视觉系统的结构完全相同，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，

反射镜的中心设有通孔，充气管位于反射镜的上方，且穿过反射镜的通孔，反射镜与水平面成45°角，反射镜和第一显微视觉系统位于同一水平面，

充气管微调辅助夹持件用于对所夹持的充气管进行水平及竖直方向上的微调，

反射镜和充气管微调辅助夹持件依次设置在靶丸的上方，且靶丸、反射镜和充气管同轴设置，

第一显微视觉系统位于靶丸微调整平台的一侧，第二显微视觉系统和第三显微视觉系统位于靶丸微调整平台的另一侧，

第一显微视觉系统用于通过反射镜的反射对靶丸成像，监测靶丸上的靶孔的位置，

第二显微视觉系统和第三显微视觉系统在水平方向上输出的光路正交设置，且第二显微视觉系统和第三显微视觉系统用于监测充气管的空间位置和姿态。

采用所述的一种基于机器视觉的自动跟踪监测系统实现的靶丸、充气管的装配监测方法，所述的装配监测方法的具体过程为：

首先，通过负压吸附头吸附靶丸，并保证靶丸上的靶孔竖直朝上，通过充气管微调辅助夹持件夹持充气管的夹持端，使得充气管竖直向下，

其次，靶丸通过微调整平台进行微调，使得第一显微视觉系统通过反射镜的反射对靶丸成像，监测靶丸上的靶孔的位置，

使充气管的插入端穿过反射镜的通孔，充气管的插入端对准靶丸上的靶孔，并与靶丸上的靶孔保持在20微米距离范围内，

通过第一显微视觉系统、第二显微视觉系统和第三显微视觉系统共同监测充气管和靶丸上的靶孔之间的空间位置关系，

最后，设定充气管的运动距离，通过充气管微调辅助夹持件使充气管竖直向下运动，使充气管插入到靶丸上的靶孔内，完成靶丸、充气管的自动装配监测。

本发明创新之处在于实现了对靶丸和充气管三路正交正向监测，为自动化装配监测提供了基础。充气管从正上方插入，靶丸正上方靶孔一般无法实现正向观测，国外类似仪器为了避免阻挡充气管，一般采用斜视监测，由于被测件尺寸微小，成像镜头一般放大倍数较大，成像镜头景深较小，斜视监测无法实现对靶丸孔的全轮廓成像，所以斜视监测一般由有经验的操作者人工目视对准，无法实现自动监测，本发明及实现了正向观测，又不遮挡充气管插入，可以实现装配过程的自动化。

本发明为了实现正向对靶孔成像，同时保证充气管从上方插入，首次提出了采用中空反射镜的方案，即保证充气管从反射镜孔插入，同时通过反射镜转折光路，实现了对靶孔的正向观测，避免原来倾斜观察无法准确的确定空的位置，通过水平相互正交的两路系统，实现了充气管空间位置和姿态检测，通过事先精密标定，实现了靶丸孔和充气管的精确自动对准，对准精度优于2微米。使得靶丸充气管的装配精度和速度显著提高。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于机器视觉的自动跟踪监测系统的原理示意图；表示调焦电动平移台，

图2为第一显微视觉系统通过反射镜反射，将靶孔转像到水平位置的成像原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于机器视觉的自动跟踪监测系统，它包括第一显微视觉系统1、第二显微视觉系统2、第三显微视觉系统3、充气管微调辅助夹持件4、反射镜5、负压吸附头6、靶丸微调整平台7；

所述的第一显微视觉系统1、第二显微视觉系统2和第三显微视觉系统3的结构完全相同，负压吸附头6放置在靶丸微调整平台7上，负压吸附头6用于吸附靶丸8，

反射镜5的中心设有通孔，充气管9位于反射镜5的上方，且穿过反射镜5的通孔，反射镜5与水平面成45°角，反射镜5和第一显微视觉系统1位于同一水平面，

充气管微调辅助夹持件4用于对所夹持的充气管9进行水平及竖直方向上的微调，

反射镜5和充气管微调辅助夹持件4依次设置在靶丸8的上方，且靶丸8、反射镜5和充气管9同轴设置，

第一显微视觉系统1位于靶丸微调整平台7的一侧，第二显微视觉系统2和第三显微视觉系统3位于靶丸微调整平台7的另一侧，

第一显微视觉系统1用于通过反射镜5的反射对靶丸8成像，监测靶丸8上的靶孔的位置，

第二显微视觉系统2和第三显微视觉系统3在水平方向上输出的光路正交设置，且第二显微视觉系统2和第三显微视觉系统3用于监测充气管9的空间位置和姿态。

本实施方式中，第一显微视觉系统1水平放置，通过反射镜5的反射，对靶丸正面成像，可以直接监测靶孔的位置，反射镜中间开孔以便充气管的插入。对于第一显微视觉系统1，通过中空反射镜反射，将靶孔转像到水平位置，其成像原理图，具体参见图2。

第二显微视觉系统2、第三显微视觉系统3成正交角度放置，反射镜5与水平面成45度夹角，两路系统监测充气管的空间位置和姿态，三路显微视觉系统相互配合，可以同时监测充气管和靶丸孔空间位置关系。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于机器视觉的自动跟踪监测系统的区别在于，所述的反射镜5的直径为20mm，反射镜5上的通孔的直径为3mm。

本实施方式中，由于反射镜中空与水平成45度角，为保证充气管能顺畅通过的同时减少光能的损失，需要分析和计算通孔的存在对于反射镜成像的影响，在已知显微镜数值孔径以及反射镜相对于靶丸的距离，可以计算出反射镜尺寸和反射镜开孔的尺寸。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于机器视觉的自动跟踪监测系统的区别在于，所述的第一显微视觉系统1、第二显微视觉系统2和第三显微视觉系统3均采用10倍显微物镜1-1、同轴照明光源1-2、CCD相机1-3和调焦电动平移台实现。

本实施方式中，显微视觉系统中点光源通过显微镜头光源插孔作为同轴光源，通过45度反射镜照明靶丸上侧，为上路摄像头提供照明，以使CCD对靶丸轮廓和充气管清晰成像，各路显微视觉系统通过电动调焦平台实现位置的精确调整。

CCD均选取MantaG-145B/C-30fps，分辨率1388×1038，像元尺寸6.45μm×6.45μm，像面尺寸8.95mm×6.7mm。

镜头及日本MoritexSOD10×镜头及配套光源。电动调焦平台选择日本骏河公司的KS302-70平台。光源选择奥普特公司的OPT-PI0805点光源。

具体实施方式四：采用具体实施方式一所述的所述的一种基于机器视觉的自动跟踪监测系统实现的靶丸、充气管的装配监测方法，所述的装配监测方法的具体过程为：

首先，通过负压吸附头6吸附靶丸8，并保证靶丸8上的靶孔竖直朝上，通过充气管微调辅助夹持件4夹持充气管9的夹持端，使得充气管8竖直向下，

其次，靶丸8通过微调整平台7进行微调，使得第一显微视觉系统1通过反射镜5的反射对靶丸8成像，监测靶丸8上的靶孔的位置，

使充气管9的插入端穿过反射镜5的通孔，充气管9的插入端对准靶丸8上的靶孔，并与靶丸8上的靶孔保持在20微米距离范围内，

通过第一显微视觉系统1、第二显微视觉系统2和第三显微视觉系统3共同监测充气管9和靶丸8上的靶孔之间的空间位置关系，

最后，设定充气管9的运动距离，通过充气管微调辅助夹持件4使充气管8竖直向下运动，使充气管9插入到靶丸8上的靶孔内，完成靶丸、充气管的自动装配监测。

Claims (4)

1.一种基于机器视觉的自动跟踪监测系统，其特征在于，它包括第一显微视觉系统(1)、第二显微视觉系统(2)、第三显微视觉系统(3)、充气管微调辅助夹持件(4)、反射镜(5)、负压吸附头(6)、靶丸微调整平台(7)；

所述的第一显微视觉系统(1)、第二显微视觉系统(2)和第三显微视觉系统(3)的结构完全相同，负压吸附头(6)放置在靶丸微调整平台(7)上，负压吸附头(6)用于吸附靶丸(8)，

反射镜(5)的中心设有通孔，充气管(9)位于反射镜(5)的上方，且穿过反射镜(5)的通孔，反射镜(5)与水平面成45°角，反射镜(5)和第一显微视觉系统(1)位于同一水平面，

充气管微调辅助夹持件(4)用于对所夹持的充气管(9)进行水平及竖直方向上的微调，

反射镜(5)和充气管微调辅助夹持件(4)依次设置在靶丸(8)的上方，且靶丸(8)、反射镜(5)和充气管(9)同轴设置，

第一显微视觉系统(1)位于靶丸微调整平台(7)的一侧，第二显微视觉系统(2)和第三显微视觉系统(3)位于靶丸微调整平台(7)的另一侧，

第一显微视觉系统(1)用于通过反射镜(5)的反射对靶丸(8)成像，监测靶丸(8)上的靶孔的位置，

第二显微视觉系统(2)和第三显微视觉系统(3)在水平方向上输出的光路正交设置，且第二显微视觉系统(2)和第三显微视觉系统(3)用于监测充气管(9)的空间位置和姿态。

2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的自动跟踪监测系统，其特征在于，所述的反射镜(5)的直径为20mm，反射镜(5)上的通孔的直径为3mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的自动跟踪监测系统，其特征在于，所述的第一显微视觉系统(1)、第二显微视觉系统(2)和第三显微视觉系统(3)均采用10倍显微物镜(1-1)、同轴照明光源(1-2)、CCD相机(1-3)和调焦电动平移台实现。

4.采用权利要求1所述的一种基于机器视觉的自动跟踪监测系统实现的靶丸、充气管的装配监测方法，其特征在于，所述的装配监测方法的具体过程为：

首先，通过负压吸附头(6)吸附靶丸(8)，并保证靶丸(8)上的靶孔竖直朝上，通过充气管微调辅助夹持件(4)夹持充气管(9)的夹持端，使得充气管(8)竖直向下，

其次，靶丸(8)通过微调整平台(7)进行微调，使得第一显微视觉系统(1)通过反射镜(5)的反射对靶丸(8)成像，监测靶丸(8)上的靶孔的位置，

使充气管(9)的插入端穿过反射镜(5)的通孔，充气管(9)的插入端对准靶丸(8)上的靶孔，并与靶丸(8)上的靶孔保持在20微米距离范围内，

通过第一显微视觉系统(1)、第二显微视觉系统(2)和第三显微视觉系统(3)共同监测充气管(9)和靶丸(8)上的靶孔之间的空间位置关系，

最后，设定充气管(9)的运动距离，通过充气管微调辅助夹持件(4)使充气管(8)竖直向下运动，使充气管(9)插入到靶丸(8)上的靶孔内，完成靶丸、充气管的自动装配监测。