CN109570950A - 一种基于机器视觉的微纳装配平台装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于机器视觉的微纳装配平台装置。引入机器视觉系统突破大范围高精度装配问题，利用机器视觉对预先设定的模板进行匹配定位，用二维运动平台显微镜补偿大行程运动系统的末端定位误差，最终实现精度可以达到微纳级别的大行程装配。
Description
技术领域
本专利涉及一种装配技术，具体涉及一种大行程、精度可以达到微纳级别的装配技术。
背景技术
随着现代化生产的迅速发展，在电子、光学、机械制造等众多技术领域中，器件的加工尺寸已经进入微纳级别。芯片的封装、光纤耦合模块的装配、MEMS器件的加工等所需装配精度均为微纳精度，为了满足这类产品的大规模批量生产要求，迫切需要高速率、大行程、高精度、高稳定性的定位系统。而大行程的伺服运动平台往往难以实现如此高精度的定位。上海大学曾申请过机器视觉对准方法及其装置（201310464698.8），涉及一种机器视觉对准技术，ABB研究有限公司曾申请过视觉引导对准系统和方法（201180041489.1），涉及一种用于对准多个组件的视觉引导对准系统的技术，但两者均不适用于大行程、微纳精度的装配，本专利利用机器视觉对预先设定的模板进行匹配定位，用二维运动平台显微镜补偿大行程运动系统的末端定位误差的技术，最终实现精度可以达到微纳级别的大行程装配。
发明内容
本发明为了解决高精度定位的问题，提出了一种基于机器视觉的微纳装配平台装置，本专利引入机器视觉系统突破大范围高精度装配问题，利用图像匹配技术，实现微纳级别的定位，用二维运动平台显微镜补偿大行程运动系统的末端定位误差的技术，最终实现精度可以达到微纳级别的大行程装配。
一种基于机器视觉的微纳装配平台装置主要包括：光学透镜，镜筒，皮带，电动机，变焦环，物镜，二维运动平台，待装配元件，被装配元件，显微放大系统，连接支架，粗调焦装置，显微镜支架，数据线，上位机和控制线。其中所述的二维运动平台放置在底座上，二维运动平台上放置待装配元件和被装配元件，显微镜支架安装在底座上，粗调焦装置安装在显微镜支架上，连接支架将粗调焦装置和镜筒相连，透镜、物镜、相机构成光学采集系统，皮带将电动机和变焦环相连，数据线将相机连接在上位机上，控制线将二维运动平台连接到上位机上。
进一步的，所述装置中的二维运动平台放置在底座上，可实现同一平面上两个垂直方向上的运动，待装配元件放置在二维运动平台上，随着二维运动平台的运动实现待装配元件的运动。
进一步的，所述装置中的粗调焦装置通过连接支架和镜筒相连，透镜、物镜、相机构成光学采集系统，光学采集系统用于采集光学图像。
进一步的，所述装置中的数据线将相机连接在上位机上，控制线将二维运动平台连接到上位机上，上位机接收来自相机的数据，通过控制线控制二维运动平台的运动。
进一步的，所述装置中的电动机驱动皮带调节变焦环，以不断改变系统的放大倍数和视场。
进一步的，所述装置中的待装配元件和被装配物件的图像经过物镜、透镜在相机上成像，使上位机从而获取装置图像。
进一步的，所述装置中的上位机识别待装配元件和被装配元件的位置，通过相机获取待装配元件和被装配元件上的标记位置，进行模板匹配，获取待装配元件和被装配元件的位置。
进一步的，所述装置用待装配元件位置减去被装配元件位置，从而获取待装配元件和被装配元件的位置差。
进一步的，所述装置将待装配元件和被装配元件的位置差发送给上位机，上位机驱动二维运动平台运动，使待装配元件和被装配元件对准装配起来。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
一种基于机器视觉的微纳装配平台装置，采用光学放大系统和高分辨率相机采集微纳级图像，同时采用模板匹配技术获取最后1mm范围内的定位数据，发送给上位机，驱动二维移动平台对准，最终实现微纳级别的装配。项目符合新旧动能转换重大工程实施规划中新一代信息技术、高端装备的支持方向。从而代替了人工视觉，提高了精度，使精度达到了微纳级别，同时也提高了装配效率。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明所述的一种基于机器视觉的微纳装配平台装置的整个系统侧视图；
图2为本发明所述的一种基于机器视觉的微纳装配平台装置的局部装配区域俯视图；
图中：1、相机；2、光学透镜；3、镜筒；4、皮带；5、电动机；6、变焦环；7、物镜；8、工件夹取装置；9、连杆；10、联动轴；11、支撑支架；12、二维运动平台；13、待装配元件；14、被装配元件；15、光学采集系统；16、连接支架；17、粗调焦装置；18、显微镜支架；19、待装配元件上的标记；20、被装配元件上的标记；21、数据线；22、上位机；23、控制线。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景介绍中所说，随着现代化生产的迅速发展，在电子、光学、机械制造等众多技术领域中，器件的加工尺寸已经进入微纳级别，为了满足微纳级别产品的大规模批量生产要求，本发明提出一种基于机器视觉的微纳装配平台装置，使精度达到微纳级别。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种基于机器视觉的微纳装配平台装置，包括相机1，光学透镜2，镜筒3，皮带4，电动机5，变焦环6，物镜7，工件夹取装置8，可伸缩摆臂 9，转轴10，支撑支架11，二维运动平台12，待装配元件13，被装配元件14，光学采集系统15，连接支架16，粗调焦装置17，显微镜支架18，待装配元件上的标记19，待装配元件上的标记20，数据线21，上位机22，控制线23。
所述装置中的二维运动平台12放置在底座24上，二维运动平台12上放置有待装配元件13和被装配元件14，显微镜支架18安装在底座24上，粗调焦装置17安装在显微镜支架18上，连接支架16将粗调焦装置17和镜筒3相连，透镜2、物镜7、相机1构成光学采集系统15，皮带4将电动机5和变焦环6相连，数据线21将相机1连接在上位机22上，控制线23将二维运动平台12连接到上位机22上。
所述装置中二维运动平台12放置在底座24上，可实现同一平面上两个垂直方向上的运动，二维运动平台12上放置有待装配元件13，待装配元件13随着二维运动平台12的运动而运动，驱动待装配元件13和被装配元件14进行对准装配。
所述装置中支撑支架11通过转轴10连接可伸缩摆臂结构9，可伸缩摆臂结构9端部连接工件夹取装置8，用来抓取被装配元件14和固定被装配元件的位置。转轴10可以旋转不同角度，可伸缩摆臂结构9具有不同长度，支撑支架11、转轴10、可伸缩摆臂结构9和工件夹取装置8共同构成了大行程运动平台抓取机构，可以抓取不同位置的工件，这种大行程运动平台并不是唯一的，仅为一种实例。
所述装置中的粗调焦装置17通过连接支架16和镜筒3相连，透镜2、物镜7、相机1构成光学采集系统15，光学采集系统15用来收集图像，获取待装配元件上的标记19位置和被装配元件上的标记20位置。
所述装置中的数据线21将相机1连接在上位机22上，控制线23将二维运动平台12连接到上位机22上，上位机22接收到来自相机1的数据后可以驱使二维运动平台12运动。
所述装置中的皮带4将电动机5和变焦环6相连，电动机5驱动皮带4调节变焦环6，改变放大光学采集系统的放大倍数和视场，从而可以进行多次对准，多次装配，提高对准精度。
所述装置的具体操作步骤为：
（1）工件夹取装置8抓取被装配元件14到二维运动平台12上方的指定位置；
（2）待装配元件13和被装配元件14的图像经过物镜7、透镜2在相机1上成像；
（3）相机1捕捉待装配元件13的图像，将待装配元件上的标记19和模板进行匹配，记录出待装配元件上的标记19的位置；
（4）相机1捕捉被装配元件14的图像，将被装配元件上的标记20和模板进行匹配，记录出被装配元件上的标记20的位置；
（5）获取被装配元件13和待装配元件14的位置差；
（6）将获得的位置差发送给上位机22，上位机22驱动二维运动平台12运动；
（7）电动机5驱动皮带4调节变焦环6，改变放大光学采集系统的放大倍数和视场，重复上述（2）-（6）的步骤再次将待装配元件13和被装配元件14进行对准，直到装配精度达到要求的精度为止。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (5)
1.一种基于机器视觉的微纳装配平台装置包括：光学透镜，镜筒，皮带，电动机，变焦环，物镜，二维运动平台，待装配元件，被装配元件，显微放大系统，连接支架，粗调焦装置，显微镜支架，数据线，上位机和控制线，其特征是：所述二维运动平台放置在底座上，二维运动平台上放有待装配元件和被装配元件，显微镜支架安装在底座上，粗调焦装置安装在显微镜支架上，连接支架将粗调焦装置和镜筒相连，透镜、物镜、相机构成光学采集系统，数据线将相机连接在上位机上，控制线将二维运动平台连接到上位机上。
2.如权利要求1所述的一种基于机器视觉的微纳装配平台装置，其特征是：所述电动机驱动皮带调节变焦环，用来改变放大光学采集系统的放大倍数和视场。
3.如权利要求1所述的一种基于机器视觉的微纳装配平台装置，其特征是：所述待装配元件和被装配物件的图像经过物镜、透镜在相机上成像，上位机用来获取装置图像。
4.如权利要求1所述的一种基于机器视觉的微纳装配平台装置，其特征是：所述上位机通过相机获取待装配元件和被装配元件上的标记位置，利用机器视觉对预先设定的模板进行匹配定位，上位机驱动程序使二维运动平台控制待装配元件的位置，二维运动平台显微镜补偿大行程运动系统的末端定位误差。
5.如权利要求1所述的一种基于机器视觉的微纳装配平台装置，其特征是：所述上位机通过识别待装配元件和被装配元件的位置，通过相机获取待装配元件和被装配元件上的标记位置，进行模板匹配，获取待装配元件和被装配元件的位置；获取待装配元件和被装配元件的位置差；将位置差发送给上位机，上位机驱动二维运动平台运动，使待装配元件和被装配元件对准装配起来。
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