CN105222767B - 基于视觉检测的激光陀螺自动合光装配系统 - Google Patents

基于视觉检测的激光陀螺自动合光装配系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于视觉检测的激光陀螺自动合光装配系统，包括一个控制柜、一个激光陀螺自动合光装配视觉检测装置、一个主控计算机、一个激光电源、一个信号发生器及一个显示器，所述激光陀螺自动合光装配视觉检测装置安装在控制柜台面上，用于完成激光陀螺合光装配及其检测任务；主控计算机固定在控制柜右下方，用于数据采集处理以及运动控制处理；激光电源固定在控制柜面板右上方，用于为激光陀螺提供电压；信号发生器固定在激光电源的上方，用于对激光陀螺提供振动源；显示器固定在控制柜面板的左上方。本发明能够代替人工工作，布局规整、可操作性强、可靠性好、检测精度高、效率高，有助于提高激光陀螺合光装配的质量和效率。

Description

基于视觉检测的激光陀螺自动合光装配系统
技术领域
本发明涉及激光陀螺装配领域，特别是一种基于视觉检测的激光陀螺自动合光装配系统。
背景技术
激光陀螺具有快速反应能力强、动态测量范围宽、线性度好、动态误差小、高精度、可靠性高等优点，广泛应用于捷联式惯性导航系统中。激光陀螺的合光光学元件装配，简称合光装配，是指在激光陀螺的制造过程中精确调整合光棱镜、腔体以及光电管的位置，使得谐振腔体内运行的激光束输出时产生干涉，准确得到对应于陀螺角速度的频差信息。合光装配在激光陀螺制造过程中具有重要地位，目前国内激光陀螺的合光装配主要采用人工操作方式，由于受到操作人员的经验、技巧等诸多因素的影响，人工操作的质量和效率已无法满足激光陀螺生产的需要。
视觉检测是指通过图像摄取装置将被摄取目标转换成图像信号，传送给图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号，图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。视觉检测具有非接触测量、具有较宽的光谱响应范围和具有长时间工作能力的优点而广泛运用于零件检测、机器人视觉等行业。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的采用人工操作的激光陀螺合光光学元件装配工艺中存在的问题，设计一种基于视觉检测的激光陀螺自动合光装配系统。
为达到上述目的，本发明的思路如下：
考虑到系统的布置紧凑和良好的可操作性，基于视觉检测的激光陀螺自动合光装配系统中的各个组件应被合理放置，为便于习惯右手操作人员，把信号发生器、激光陀螺、主控计算机等组件放在控制柜右侧，又因为，主控计算机会发出噪声，所以把主控计算机放在控制柜右下方的封闭空间内；为方便显示把显示器放置在控制柜左上方。作为系统主体，激光陀螺自动合光装配视觉检测装置应放置在控制的中间位置。
而在激光陀螺自动合光装配视觉检测装置中，考虑机械结构完成合光装配的方便性，谐振腔体应竖直放置，即装配合光棱镜的平面反射镜与水平面平行。为防止机构在谐振腔体上装配合光棱镜及光电管产出干涉，合光棱镜调整装置、陀螺抖动装置及光电管调整装置应在光学平台的左、中、右处进行布置。而为完成合光任务，合光棱镜需在平面反射镜所在平面内进行X、Y向移动及绕Z轴的转动，同时，为适应不同尺寸的谐振腔体，还需Z向的上下平移运动，因此，合光棱镜调整装置由三个自动滑台和一个电动旋转台串联组成，用以实现合光棱镜的运动。由于光电管要安装在合光棱镜的上表面以接受谐振腔体的输出光，而合光棱镜的上表面与水平面成一定倾角，故光电管调整装置的支座设计成与合光棱镜的上表面相同的倾角，并在其上安装三个正交的平移工作台以实现光电管的位姿调整，故选用三个自动滑台来完成光电管的运动。本系统中有三个关键工序需要视觉检测：一是合光棱镜与平面镜的相对位置，按照工艺要求，合光棱镜需要在平面镜的中间；二是腔体输出的顺时针和逆时针两个光点需要重合；三是光电管与合光棱镜竖直方向是否贴合，即缝隙检测。在以上三个工序中工序一和工序二可以共用一套检测系统，只需将CCD相机旋转不同的角度即可；工序三需要单独的检测系统。
基于以上思路，本发明采用如下技术方案：
一种基于视觉检测的激光陀螺自动合光装配系统，包括一个控制柜、一个激光陀螺自动合光装配视觉检测装置、一个主控计算机、一个激光电源、一个信号发生器及一个显示器，所述激光陀螺自动合光装配视觉检测装置安装在控制柜台面上，用于完成激光陀螺合光装配及其检测任务；主控计算机固定在控制柜右下方，用于数据采集以及运动控制；激光电源固定在控制柜面板右上方，用于为激光陀螺提供电压；信号发生器固定在激光电源的正上方，用于对激光陀螺提供振动源；显示器固定在控制柜面板的左上方。
所述激光陀螺自动合光装配视觉检测装置包括一个光学平台、一个合光棱镜调整机构、一个光电管调整机构、一个陀螺定位抖动机构、一个第一视觉检测机构及一个第二视觉检测机构，所述光学平台安装在控制柜台面上，合光棱镜调整机构固定在光学平台左侧，光电管调整机构固定在光学平台右侧，陀螺定位抖动机构固定在光学平台中间，第一视觉检测机构固定在控制柜面板的顶部，第二视觉检测机构固定在合光棱镜调整机构和光电管调整机构之间的光学平台上。
所述合光棱镜调整机构包括一个第一转接板、一个第一X向自动滑台、一个第一Y向自动滑台、一个第一L型转接板、一个第一Z向自动滑台、一个自动旋转台、一个第二L型转接板、一个合光棱镜固定支架、四个螺旋旋钮及一个合光棱镜；所述第一转接板与光学平台通过螺钉连接，第一X向自动滑台通过螺钉连接固定在第一转接板上方，第一Y向自动滑台螺钉连接固定在第一X向自动滑台上方沿正交方向水平放置，第一L型转接板通过螺钉与第一Y向自动滑台相连接，第一Z向自动滑台通过螺钉与第一L型转接板相连接，沿正交垂直于第一Y向自动滑台的方向放置，自动旋转台通过螺钉与第一Z向自动滑台连接，第二L型转接板通过螺钉与自动旋转台相连接；合光棱镜固定支架通过螺钉与第二L型转接板相连接，四个螺旋旋钮对称分布在合光棱镜固定支架两侧，用于夹持合光棱镜，合光棱镜的位姿调整由第一X向自动滑台、第一Y向自动滑台、第一Z向自动滑台及自动旋转台协调运动完成。
所述光电管调整机构包括一个倾斜支座、一个第二X向自动滑台、一个第二Y向自动滑台、一个第二L型转接板、一个第二Z向自动滑台、一个第二转接板、一个弓形连接板、一个定位爪、一个支撑爪、一个弹性伸缩杆及一个光电管；所述倾斜支座与光学平台固接，其倾斜角度与合光棱镜的倾斜角度相同，第二X向自动滑台与第二Y向自动滑台正交连接后通过螺钉与倾斜支座连接，第二Z向自动滑台固定在L型转接板上与第二Y向自动滑台连接，第二转接板通过螺钉与第二Z向自动滑台连接，弓形连接板一端通过螺钉与第二转接板连接，另一端与定位爪和支撑爪连接，定位爪固定在弓形连接板左侧，支撑爪固定在弓形连接板右侧，弹性伸缩杆通过螺钉连接在支撑爪上，与定位爪协调完成对光电管的夹持，光电管的位姿调整由第二X向自动滑台、第二Y向自动滑台、第二Z向自动滑台完成。
所述陀螺定位抖动机构包括一个L型支架、两个抖动轮安装架、一个抖动轮、一个陀螺腔体安装机构、两个定位块、一个带有平面镜的激光陀螺腔体及一个圆螺母组成；所述L型支架固定在光学平台的中间位置，抖动轮与两个抖动轮安装架通过螺钉连接，一端与L型支架固定，另一端与陀螺腔体安装机构连接，两个定位块分别固定在陀螺腔体安装机构的左、右下角形成V形结构，与陀螺腔体安装机构上的圆柱面一起实现激光陀螺腔体的精确定位，以保证平面镜的上表面与光学平台水平面平行，圆螺母与陀螺腔体安装机构上的螺纹连接，用于实现激光陀螺腔体的夹持；抖动轮上粘贴压电陶瓷，通过信号发生器产生振动源以实现激光陀螺腔体的抖动。
所述第一视觉检测机构包括控制柜的上平台、一个第三转接板、一个第一自动X-Y滑台、一个第一直线驱动杆、一个第一旋转基座、一个第一CCD控制器、一个第一步进电机、一个第一CCD及一个成像板；所述第三转接板通过螺钉固定在上平台上，第一X-Y自动滑台通过螺钉与第三转接板相连接，第一直线驱动杆一端通过螺钉与第一X-Y自动滑台连接，另一端与第一旋转基座固接，第一旋转基座、第一CCD控制器和第一步进电机通过转动副串联，第一CCD控制器的末端与第一CCD连接，成像板通过螺钉连接在上平台的左侧。
所述第二视觉检测机构包括一个第二自动X-Y滑台、一个第二直线驱动杆、一个第二旋转基座、一个第二步进电机、一个第二CCD控制器及一个第二CCD；所述第二自动X-Y滑台通过螺钉与光学平台连接，第二直线驱动杆一端通过螺钉与第二自动X-Y滑台连接，另一端与第二旋转基座固接，第二旋转基座、第二CCD控制器和第二步进电机通过转动副串联，第二CCD控制器的末端与第一CCD连接。
与现有技术相比，本发明具有如下的突出的实质性特点和显著的优点：
本发明能够代替人工工作，布局规整、可操作性强、可靠性好、检测精度高、效率高，有助于提高激光陀螺合光装配的质量和效率。
附图说明
图1为本发明基于视觉检测的激光陀螺自动合光装配系统整体结构示意图。
图2为本发明系统的激光陀螺自动合光装配视觉检测装置结构示意图。
图3为本发明系统的合光棱镜调整机构结构示意图。
图4为本发明系统的光电管调整机构结构示意图。
图5为本发明系统的陀螺定位抖动机构结构示意图。
图6为本发明系统的第一视觉检测机构第一工位状态示意图。
图7为本发明系统的第一视觉检测机构第一工位检测结果光斑变化示意图。
图8为本发明系统的第一视觉检测机构第二工位状态示意图。
图9为本发明系统的第一视觉检测机构第二工位检测对象示意图。
图10为本发明系统的第二视觉检测机构结构示意图。
图11为本发明系统的第二视觉检测机构检测对象示意图。
具体实施方式
下面结合附图及优选实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，一种基于视觉检测的激光陀螺自动合光装配系统，包括一个控制柜1、一个激光陀螺自动合光装配视觉检测装置2、一个主控计算机3、一个激光电源4、一个信号发生器5及一个显示器6，所述激光陀螺自动合光装配视觉检测装置2安装在控制柜1台面上，用于完成激光陀螺合光装配及其检测任务；主控计算机3固定在控制柜1右下方，用于数据采集处理以及运动控制处理；激光电源4固定在控制柜1面板右上方，用于为激光陀螺提供电压；信号发生器5固定在激光电源4的上方，用于对激光陀螺提供振动源；显示器6固定在控制柜1面板的左上方。
如图2所示，所述激光陀螺自动合光装配视觉检测装置2包括一个光学平台7、一个合光棱镜调整机构8、一个光电管调整机构9、一个陀螺定位抖动机构10、一个第一视觉检测机构12及一个第二视觉检测机构13，所述光学平台7安装在控制柜1台面上，合光棱镜调整机构8固定在光学平台7左侧，光电管调整机构9固定在光学平台7右侧，陀螺定位抖动机构10固定在光学平台7中间，第一视觉检测机构12固定在控制柜1面板的顶部，第二视觉检测机构13固定在合光棱镜调整机构8和光电管调整机构9之间的光学平台7上。
如图3所示，所述合光棱镜调整机构8包括一个第一转接板16、一个第一X向自动滑台17、一个第一Y向自动滑台18、一个第一L型转接板19、一个第一Z向自动滑台20、一个自动旋转台21、一个第二L型转接板22、一个合光棱镜固定支架23、四个螺旋旋钮24及一个合光棱镜25；所述第一转接板16与光学平台7通过螺钉连接，第一X向自动滑台17通过螺钉连接固定在第一转接板16上方，第一Y向自动滑台18螺钉连接固定在第一X向自动滑台17上方沿正交方向水平放置，第一L型转接板19通过螺钉与第一Y向自动滑台18相连接，第一Z向自动滑台20通过螺钉与第一L型转接板19相连接，沿正交垂直于第一Y向自动滑台18的方向放置，自动旋转台21通过螺钉与第一Z向自动滑台20连接，第二L型转接板22通过螺钉与自动旋转台21相连接；合光棱镜固定支架23通过螺钉与第二L型转接板22相连接，四个螺旋旋钮24对称分布在合光棱镜固定支架23两侧，用于夹持合光棱镜25，合光棱镜的位姿调整由第一X向自动滑台17、第一Y向自动滑台18、第一Z向自动滑台20及自动旋转台21协调运动完成。
如图4所示，所述光电管调整机构9包括一个倾斜支座30、一个第二X向自动滑台31、一个第二Y向自动滑台32、一个第二L型转接板33、一个第二Z向自动滑台34、一个第二转接板35、一个弓形连接板36、一个定位爪37、一个支撑爪38、一个弹性伸缩杆39及一个光电管40；所述倾斜支座30与光学平台7固接，其倾斜角度与合光棱镜25的倾斜角度相同，第二X向自动滑台31与第二Y向自动滑台32正交连接后通过螺钉与倾斜支座30连接，第二Z向自动滑台34固定在L型转接板33上与第二Y向自动滑台40连接，第二转接板35通过螺钉与第二Z向自动滑台34连接，弓形连接板36一端通过螺钉与第二转接板35连接，另一端与定位爪37和支撑爪38连接，定位爪37固定在弓形连接板36左侧，支撑爪38固定在弓形连接板36右侧，弹性伸缩杆39通过螺钉连接在支撑爪38上，与定位爪37协调完成对光电管40的夹持，光电管40的位姿调整由第二X向自动滑台31、第二Y向自动滑台32、第二Z向自动滑台34完成。
如图5所示，所述陀螺定位抖动机构10包括一个L型支架41、两个抖动轮安装架42、一个抖动轮43、一个陀螺腔体安装机构44、两个定位块45、一个带有平面镜48的激光陀螺腔体46及一个圆螺母47组成；所述L型支架41固定在光学平台7的中间位置，抖动轮43与两个抖动轮安装架42通过螺钉连接，一端与L型支架41固定，另一端与陀螺腔体安装机构44连接，两个定位块45分别固定在陀螺腔体安装机构44的左、右下角形成V形结构，与陀螺腔体安装机构44上的圆柱面一起实现激光陀螺腔体46的精确定位，以保证平面镜48的上表面与光学平台7水平面平行，圆螺母47与陀螺腔体安装机构44上的螺纹连接，用于实现激光陀螺腔体46的夹持；抖动轮43上粘贴压电陶瓷，通过信号发生器5产生振动源以实现激光陀螺腔体46的抖动。
如图6和图7所示，所述第一视觉检测机构12包括控制柜1的上平台11、一个第三转接板50、一个第一自动X-Y滑台51、一个第一直线驱动杆52、一个第一旋转基座53、一个第一CCD控制器54、一个第一步进电机55、一个第一CCD56及一个成像板57；所述第三转接板50通过螺钉固定在上平台11上，第一X-Y自动滑台51通过螺钉与第三转接板50相连接，第一直线驱动杆52一端通过螺钉与第一X-Y自动滑台51连接，另一端与第一旋转基座53固接，第一旋转基座53、第一CCD控制器54和第一步进电机55通过转动副串联，第一CCD控制器54的末端与第一CCD56连接，成像板57通过螺钉连接在上平台11的左侧。
通过控制第一步进电机55的转角，可以实现两个检测工位的转换。当第一CCD56中轴线与第一直线驱动杆52中轴线成45度夹角时为第一工位，用于检测第一光斑67、第二光斑68、第三光斑69的位置，当第一CCD56中轴线与第一直线驱动杆52中轴线成0度夹角时为第二工位，用于检测合光棱镜25与平面镜48的相对位置。第一自动X-Y滑台51、第一直线驱动杆52和第一步进电机55可以实现第一CCD56的位姿调整。
如图10所示，所述第二视觉检测机构13包括一个第二自动X-Y滑台61、一个第二直线驱动杆62、一个第二旋转基座63、一个第二步进电机64、一个第二CCD控制器65及一个第二CCD66；所述第二自动X-Y滑台61通过螺钉与光学平台7连接，第二直线驱动杆62一端通过螺钉与第二自动X-Y滑台61连接，另一端与第二旋转基座63固接，第二旋转基座63、第二CCD控制器65和第二步进电机64通过转动副串联，第二CCD控制器65的末端与第一CCD56连接。第二自动X-Y滑台61、第二直线驱动杆62和第二步进电机64可以实现第二CCD66的位姿调整。
如图7所示，所述第一视觉检测机构12在第一工位工作状态的检测结果光斑变化图，其中第一光斑67为光斑分开状态，第二光斑68为光斑正在靠近状态，第三光斑69为光斑重合状态。
如图8所示，所述第一视觉检测机构12在第二工位工作状态。
如图9所示，所述第一视觉检测机构12在第二工位工作状态的检测对象图。
如图10所示，所述第二视觉检测机构13在工作状态。
如图11所示，所述第二视觉检测机构13在工作状态的检测对象图。

Claims (5)

1.一种基于视觉检测的激光陀螺自动合光装配系统，包括一个控制柜(1)、一个激光陀螺自动合光装配视觉检测装置(2)、一个主控计算机(3)、一个激光电源(4)、一个信号发生器(5)及一个显示器(6)，其特征在于：所述激光陀螺自动合光装配视觉检测装置(2)安装在控制柜(1)台面上，用于完成激光陀螺合光装配及其检测任务；主控计算机(3)固定在控制柜(1)右下方，用于数据采集及运动控制；激光电源(4)固定在控制柜(1)面板右上方，用于为激光陀螺提供电压；信号发生器(5)固定在激光电源(4)的正上方，用于对激光陀螺提供振动源；显示器(6)固定在控制柜(1)面板的左上方；所述激光陀螺自动合光装配视觉检测装置(2)包括一个光学平台(7)、一个合光棱镜调整机构(8)、一个光电管调整机构(9)、一个陀螺定位抖动机构(10)、一个第一视觉检测机构(12)及一个第二视觉检测机构(13)，所述光学平台(7)安装在控制柜(1)台面上，合光棱镜调整机构(8)固定在光学平台(7)左侧，光电管调整机构(9)固定在光学平台(7)右侧，陀螺定位抖动机构(10)固定在光学平台(7)中间，第一视觉检测机构(12)固定在控制柜(1)面板的顶部，第二视觉检测机构(13)固定在合光棱镜调整机构(8)和光电管调整机构(9)之间的光学平台(7)上。
2.根据权利要求1所述的基于视觉检测的激光陀螺自动合光装配系统，其特征在于：所述合光棱镜调整机构(8)包括一个第一转接板(16)、一个第一X向自动滑台(17)、一个第一Y向自动滑台(18)、一个第一L型转接板(19)、一个第一Z向自动滑台(20)、一个自动旋转台(21)、一个第二L型转接板(22)、一个合光棱镜固定支架(23)、四个螺旋旋钮(24)及一个合光棱镜(25)；所述第一转接板(16)与光学平台(7)通过螺钉连接，第一X向自动滑台(17)通过螺钉连接固定在第一转接板(16)上方，第一Y向自动滑台(18)螺钉连接固定在第一X向自动滑台(17)上方沿正交方向水平放置，第一L型转接板(19)通过螺钉与第一Y向自动滑台(18)相连接，第一Z向自动滑台(20)通过螺钉与第一L型转接板(19)相连接，沿正交垂直于第一Y向自动滑台(18)的方向放置，自动旋转台(21)通过螺钉与第一Z向自动滑台(20)连接，第二L型转接板(22)通过螺钉与自动旋转台(21)相连接；合光棱镜固定支架(23)通过螺钉与第二L型转接板(22)相连接，四个螺旋旋钮(24)对称分布在合光棱镜固定支架(23)两侧，用于夹持合光棱镜(25)，合光棱镜的位姿调整由第一X向自动滑台(17)、第一Y向自动滑台(18)、第一Z向自动滑台(20)及自动旋转台(21)协调运动完成。
3.根据权利要求1所述的基于视觉检测的激光陀螺自动合光装配系统，其特征在于：所述光电管调整机构(9)包括一个倾斜支座(30)、一个第二X向自动滑台(31)、一个第二Y向自动滑台(32)、一个第二L型转接板(33)、一个第二Z向自动滑台(34)、一个第二转接板(35)、一个弓形连接板(36)、一个定位爪(37)、一个支撑爪(38)、一个弹性伸缩杆(39)及一个光电管(40)；所述倾斜支座(30)与光学平台(7)固接，其倾斜角度与合光棱镜(25)的倾斜角度相同，第二X向自动滑台(31)与第二Y向自动滑台(32)正交连接后通过螺钉与倾斜支座(30)连接，第二Z向自动滑台(34)固定在L型转接板(33)上与第二Y向自动滑台(32)连接，第二转接板(35)通过螺钉与第二Z向自动滑台(34)连接，弓形连接板(36)一端通过螺钉与第二转接板(35)连接，另一端与定位爪(37)和支撑爪(38)连接，定位爪(37)固定在弓形连接板(36)左侧，支撑爪(38)固定在弓形连接板(36)右侧，弹性伸缩杆(39)通过螺钉连接在支撑爪(38)上，与定位爪(37)协调完成对光电管(40)的夹持，光电管(40)的位姿调整由第二X向自动滑台(31)、第二Y向自动滑台(32)、第二Z向自动滑台(34)完成。
4.根据权利要求1所述的基于视觉检测的激光陀螺自动合光装配系统，其特征在于：所述第一视觉检测机构(12)包括控制柜(1)的上平台(11)、一个第三转接板(50)、一个第一自动X-Y滑台(51)、一个第一直线驱动杆(52)、一个第一旋转基座(53)、一个第一CCD控制器(54)、一个第一步进电机(55)、一个第一CCD(56)及一个成像板(57)；所述第三转接板(50)通过螺钉固定在上平台(11)上，第一X-Y自动滑台(51)通过螺钉与第三转接板(50)相连接，第一直线驱动杆(52)一端通过螺钉与第一X-Y自动滑台(51)连接，另一端与第一旋转基座(53)固接，第一旋转基座(53)、第一CCD控制器(54)和第一步进电机(55)通过转动副串联，第一CCD控制器(54)的末端与第一CCD(56)连接，成像板(57)通过螺钉连接在上平台(11)的左侧。
5.根据权利要求1所述的基于视觉检测的激光陀螺自动合光装配系统，其特征在于：所述第二视觉检测机构(13)包括一个第二自动X-Y滑台(61)、一个第二直线驱动杆(62)、一个第二旋转基座(63)、一个第二步进电机(64)、一个第二CCD控制器(65)及一个第二CCD(66)；所述第二自动X-Y滑台(61)通过螺钉与光学平台(7)连接，第二直线驱动杆(62)一端通过螺钉与第二自动X-Y滑台(61)连接，另一端与第二旋转基座(63)固接，第二旋转基座(63)、第二CCD控制器(65)和第二步进电机(64)通过转动副串联，第二CCD控制器(65)的末端与第一CCD(56)连接。
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