CN108655693B - 一种面向同轴对位装配系统的快速改变视场的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向同轴对位装配系统的快速改变视场的装置及方法，该装置包括机械手、上短焦镜头、上下环形光源、半反半透棱镜、下短焦镜头、基体零件、微动台、工业相机、水平位移台和平动态；机械手和微动台在空间上以上下环形光源为中心呈上下布置，待装配零件和基体零件分别受到机械手和微动台的夹持，上短焦镜头及下短焦镜头分别位于待装配零件下方和基体零件上方，半反半透棱镜位于上下环形光源的中心，工业相机位于半反半透棱镜的光轴上；上短焦镜头及下短焦镜头分别位于待装配零件下方和基体零件上方，当待装配零件和基体零件尺寸较大时，上短焦镜头及下短焦镜头扩大成像视场范围，使待装配零件及基体零件能够完全成像在工业相机中。

Description

一种面向同轴对位装配系统的快速改变视场的装置及方法

技术领域

本发明涉及小微零件机械装配技术领域，具体涉及一种可以大范围且快速改变视场的同轴光学对位装配系统。

背景技术

目前，针对微机电系统的半自动、自动装配系统是当前机械微装配领域的一个热点。而装配零件之间的精确对准是实现微结构器件高精度装配的关键。所以，微装配系统中通常采用显微视觉图像检测来实现精确对位。北京理工大学微小型实验室设计了一种同轴光学对位系统作为微装配系统的视觉对位检测方法。该方法的原理在于在基体与目标零件之间加载一个半反半透膜的立体分光棱镜，在棱镜的侧面放置一个工业相机，可同时获取基体与目标零件的图像信息，以及基体和目标零件在不同位姿时的位置对应关系。但是由于这种对位方法受到分光棱镜对于工业相机视场角的限制，目前只能应用于一个较小的视场范围。如果装配系统在装配过程中需要从一个尺寸较小的零件转变成一个尺寸较大的零件，就目前的同轴光学对位检测系统来说无法达到。单纯地依靠更换工业相机的镜头以改变放大倍率也无法完成对视场快速大范围地变换。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种面向同轴对位装配系统的快速改变视场的装置及方法，能够实现基体零件与待装配零件在一个大范围变化视场内的同轴对位装配。并通过一个机械手和一个微动调整台完成两个零件的对位及装配。

一种面向同轴对位装配系统的快速改变视场的装置，该装配系统包括机械手、上短焦镜头、上下环形光源、半反半透棱镜、下短焦镜头、基体零件、微动台、工业相机、水平位移台和平动台；

所述机械手和微动台在空间上以上下环形光源为中心呈上下布置，待装配零件和基体零件分别受到机械手和微动台的吸附或夹持，所述上短焦镜头及下短焦镜头分别位于待装配零件下方和基体零件上方，所述半反半透棱镜位于上下环形光源的中心，半反半透棱镜用于改变基体零件和待装配零件反射光的光路，所述上下环形光源分别为基体件和待装配件提供照明；所述工业相机位于半反半透棱镜的光轴上；所述上短焦镜头及下短焦镜头分别位于待装配零件下方和基体零件上方，当待装配零件和基体零件尺寸较大时，上短焦镜头及下短焦镜头扩大成像视场范围，使待装配零件及基体零件能够完全成像在所述工业相机中。

进一步的，所述上短焦镜头及下短焦镜头具有在竖直方向上的移动调整功能，所述工业相机在水平方向上具有移动调整功能，用于完成图像对焦。

进一步的，所述上短焦镜头及下短焦镜头具有在水平方向上进给和撤出的功能，当两个短焦镜头撤出时，同轴对位系统成像视场较小，装配系统完成对尺寸较小零件的对位装配；当两个短焦镜头进给至对应位置时，同轴对位系统成像视场较大，装配系统完成对尺寸较大零件的对位装配。

进一步的，所述上短焦镜头的及下短焦镜头的放大倍数分别为M₁、M₂，焦距分别为f₁、f₂，则两短焦镜头的物距分别为u₁＝f₁(1+M₁)/M₁、u₂＝f₂(1+M₂)/M₂像距为v₁＝f₁(1+M₁)、v₂＝f₂(1+M₂)。

进一步的，当所述上短焦镜头水平方向进给扩大视场时，待装配零件成像光路设计处理为：待装配零件表面至上短焦镜头的第一成像基准点A的距离:

d₁＝u₁＝f₁(1+M₁)/M₁

上短焦镜头的第二成像基准点B到半反半透棱镜上表面的距离：

d₂＝v₁+2l₀＝f₁(1+M₁)+l

待装配零件首先通过上短焦镜头成像于棱镜表面上方，距离2l₀，同时保证2l₀+2l₀+d₀＝2l+d₀＝u₀，即

d₀＝u₀-2l

其中，u₀为工业相机镜头的物距，l为半反半透棱镜边长，l₀为棱镜表面至中心点O的距离，d₀为工业相机上镜头的第一成像基准点至棱镜侧表面的距离。

而当上短焦镜头水平方向撤出缩小回原小视场时，待装配零件成像光路只需要满足：2l₀+d′₀+d₅＝l+d′₀+d₅＝u₀，即

d′₀+d₅＝u₀-l。

进一步地，当所述下短焦镜头水平方向进给扩大视场时，基体零件成像光路设计处理为：基体表面至下短焦镜头的第一成像基准点E的距离：

d₃＝u₂＝f₂(1+M₂)/M₂

下短焦镜头的第二成像基准点F到半反半透棱镜下表面的距离：

d₄＝v₂＝f₂(1+M₂)

基体零件首先通过下短焦镜头成像于棱镜下表面上，而此时，基体零件的像需经过半反半透棱镜的两次反射，成像光路进入工业相机的镜头中，则此时需要保证4l₀+d₀＝2l+d₀＝u₀，即

d₀＝u₀-2l

而当下短焦镜头水平方向撤出缩小回原小视场时，待装配零件成像光路变为：4l₀+d′₀+d₆＝2l+d′₀+d₆＝u₀，即

d′₀+d₆＝u₀-2l

所述工业相机同时采集待装配零件和基体零件图像，经过图像处理计算得到二者位姿偏差，位姿偏差再由控制系统返回至所述微动台，所述微动台完成对位调整，所述机械手控制待装配零件下移，完成对位装配过程。

有益效果：

本发明是的装配系统能够大范围快速改变视场并满足同轴光学对位，通过在半反半透棱镜及成像物体间添加一个短焦工业镜头并设计对焦位置光路，实现了扩大被棱镜限制的视场及视场角的目的。既能完成在零件尺寸较小、视场较小条件下的同轴对位装配，又能完成零件尺寸较大，视场较大条件下的同轴对位装配。两种装配条件能够快速转换，视场变化范围较大；本发明结构简单，控制上也易于实现。

附图说明

图1为本发明面向同轴对位装配系统的快速改变视场的装置结构示意图。

图2为上短焦镜头x方向进给扩大视场时待装配零件对焦成像光路示意图。

图3为上短焦镜头x方向撤出缩小视场时待装配零件对焦成像光路示意图。

图4为下短焦镜头x方向进给扩大视场时基体零件对焦成像光路示意图。

图5为下短焦镜头x方向撤出缩小视场时基体零件对焦成像光路示意图。

图中：1机械手、2待装配零件、3上短焦镜头、4上下环形光源、5半反半透棱镜、6下短焦镜头、7基体零件、8微动台、9工业相机、10水平位移台、11平动台。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1所示，本发明提供了一种面向同轴对位装配系统的快速改变视场的装置，该系统包括机械手1、待装配零件2、上短焦镜头3、上下环形光源4、半反半透棱镜5、下方短焦镜头6、基体零件7、微动台8、工业相机9、水平位移台10和平动台11。

所述机械手1位于整个同轴对位装配系统的最上方，其包括一个待装配件夹持器，通过真空吸附或者柔性夹持的方法完成对待装配零件2的夹持固定。

所述待装配零件2受到所述机械手1的吸附或夹持。

所述微动台8处于整个同轴对位装配系统的最下方，其包括一个待基体零件夹持器，可以通过真空吸附或者柔性夹持的方法完成对基体零件7的夹持固定。

所述基体零件7受到所述微动台8的吸附或夹持。

所述半反半透棱镜5及所述上下环形光源4位于整个同轴对位装配系统的正中间。所述半反半透棱镜5位于所述上下环形光源4空间位置的中心。所述上下环形光源4分别为基体件和待装配件提供照明。所述半反半透棱镜5用于改变基体件和待装配件反射光的光路。

所述工业相机9与所述半反半透棱镜5位于同一水平线上，用于获取经过棱镜折射得到的基体件与待装配零件2的图像。其所述平动台11用于调整工业相机在水平方向位置。

所述上短焦镜头3及下短焦镜头6分别位于待装配零件2下方和基体零件7上方，为两个焦距较短的工业相机镜头。所述水平位移台10用于调整上短焦镜头3和下短焦镜头6在水平方向的位置。

选择所述半反半透棱镜5尺寸为20×20×20mm，即l＝20mm，l₀＝10mm。

选择所述工业相机9的镜头选择远心镜头，放大倍数为1，靶面尺寸为2/3″(即6.6×8.8mm)，工作距离u₀＝60mm。

选择所述上短焦镜头3和下方短焦镜头6焦距均为f＝8mm，靶面尺寸为2/3″。选择放大倍数均为M＝0.1。即所能得到的最大视场为66×88mm。则像距

v₁＝v₂＝f(1+M)＝1.2f＝9.6mm

物距

u₁＝u₂＝f₁(1+M)/M＝6f＝48mm

根据图2所示，当上短焦镜头3朝x方向进给扩大视场时，

d₁＝u₁＝48mm；d₂＝v₁+2l₀＝29.6mm；d₀＝u₀-2l＝20mm

所得视场大约为66×88mm。

根据图3所示，当上短焦镜头3朝x方向撤出缩小视场时，

d′₀+d₅＝u₀-l＝40mm

所得视场大约为6.6×8.8mm。

根据图4所示，当下方短焦镜头6朝x方向进给扩大视场时，

d₃＝u₂＝48mm；d₄＝v₂＝9.6mm；d₀＝u₀-2l＝20mm

所得视场大约为66×88mm。

根据图5所示，当下方短焦镜头6朝x方向撤出缩小视场时，

d′+d₆＝u₀-2l＝20mm

其中，d₆＝d₅-2l₀

所得视场大约为6.6×8.8mm。

所述工业相机9同时采集待装配零件2和基体零件7图像后，经过图像处理计算得到二者位姿偏差。位姿偏差再由控制系统返回至所述微动台8，所述微动台8完成对位调整，所述机械手1控制待装配零件2下移，完成对位装配过程。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种面向同轴对位装配系统的快速改变视场的装置，其特征在于，该装配系统包括机械手、上短焦镜头、上下环形光源、半反半透棱镜、下短焦镜头、基体零件、微动台和工业相机；

所述机械手和微动台在空间上以上下环形光源为中心呈上下布置，待装配零件和基体零件分别受到机械手和微动台的吸附或夹持，所述上短焦镜头及下短焦镜头分别位于待装配零件下方和基体零件上方，所述半反半透棱镜位于上下环形光源的中心，半反半透棱镜用于改变基体零件和待装配零件反射光的光路，所述上下环形光源分别为基体件和待装配件提供照明；所述工业相机位于半反半透棱镜的光轴上；当待装配零件和基体零件尺寸较大时，上短焦镜头及下短焦镜头扩大成像视场范围，使待装配零件及基体零件能够完全成像在所述工业相机中所述上短焦镜头的及下短焦镜头的放大倍数分别为M₁、M₂，焦距分别为f₁、f₂，则两短焦镜头的物距分别为u₁＝f₁(1+M₁)/M₁、u₂＝f₂(1+M₂)/M₂像距为v₁＝f₁(1+M₁)、v₂＝f₂(1+M₂)；

当所述上短焦镜头水平方向进给扩大视场时，待装配零件成像光路设计处理为：待装配零件表面至上短焦镜头的第一成像基准点A的距离：

d₁＝u₁-f₁(1+M₁)/M₁

上短焦镜头的第二成像基准点B到半反半透棱镜上表面的距离：

d₂＝v₁+2l₀＝f₁(1+M₁)+l

待装配零件首先通过上短焦镜头成像于棱镜表面上方，距离2l₀，同时保证2l₀+2l₀+d₀＝2l+d₀＝u₀，即

d₀＝u₀-2l

其中，u₀为工业相机镜头的物距，l为半反半透棱镜边长，l₀为棱镜表面至中心点O的距离，d₀为工业相机上镜头的第一成像基准点至棱镜侧表面的距离；

而当上短焦镜头水平方向撤出缩小回原小视场时，待装配零件成像光路只需要满足：2l₀+d′₀+d₅＝l+d′₀+d₅＝u₀，即

d′₀+d₅＝u₀-l；

当所述下短焦镜头水平方向进给扩大视场时，基体零件成像光路设计处理为：基体表面至下短焦镜头的第一成像基准点E的距离：

d₃＝u₂＝f₂(1+M₂)/M₂

下短焦镜头的第二成像基准点F到半反半透棱镜下表面的距离：

d₄＝v₂＝f₂(1+M₂)

基体零件首先通过下短焦镜头成像于棱镜下表面上，而此时，基体零件的像需经过半反半透棱镜的两次反射，成像光路进入工业相机的镜头中，则此时需要保证4l₀+d₀＝2l+d₀＝u₀，即

d₀＝u₀-2l

而当下短焦镜头水平方向撤出缩小回原小视场时，待装配零件成像光路变为：4l₀+d′₀+d₆＝2l+d′₀+d₆＝u₀，即

d′₀+d₆＝u₀-2l

所述工业相机同时采集待装配零件和基体零件图像，经过图像处理计算得到二者位姿偏差，位姿偏差再由控制系统返回至所述微动台，所述微动台完成对位调整，所述机械手控制待装配零件下移，完成对位装配过程。

2.如权利要求1所述的面向同轴对位装配系统的快速改变视场的装置，其特征在于，所述上短焦镜头及下短焦镜头具有在竖直方向上的移动调整功能，所述工业相机在水平方向上具有移动调整功能，用于完成图像对焦。

3.如权利要求1所述的面向同轴对位装配系统的快速改变视场的装置，其特征在于，所述上短焦镜头及下短焦镜头具有在水平方向上进给和撤出的功能，当两个短焦镜头撤出时，同轴对位系统成像视场较小，装配系统完成对尺寸较小零件的对位装配；当两个短焦镜头进给至对应位置时，同轴对位系统成像视场较大，装配系统完成对尺寸较大零件的对位装配。