CN2854663Y - 微器件自动精密定位视觉伺服装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属微机电和机器人领域。现有亚毫米微器件定位是在显微镜帮助下监控显示屏，手动控制电动位移台，但是在高倍率显微镜下，焦深大，微器件定位困难。该微器件自动精密定位视觉伺服装置结构：系统主控计算机(1)作为主控制单元将图像采集的参数发送到图像采集系统(2)，并接收采集的图像信号；图像采集系统(2)完成显微图像的感应，并转换成计算机认识的数字图像；系统主控计算机(1)将伺服定位参数传送给伺服执行机构(3)并接收伺服执行机构(3)实际速度和位置反馈；系统主控计算机(1)接收辅助开关量(4)的极限位置信号，并将报警、指示信号传送到辅助开关量(4)。本实用新型适用于微装配中的亚毫米微器件的自动定位。

Description

微器件自动精密定位视觉伺服装置

技术领域

本实用新型涉及一种采用机器视觉的微器件自动定位装置。该定位装置适用于微装配中的亚毫米(1um-100um)微器件的自动定位。本实用新型属于MEMS(微机电系统)和机器人领域。

背景技术

本实用新型是在微技术和机器视觉伺服系统的基础上发展而成。

自1986年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针，1988年美国加州大学Berkeley分校研制出第一个直径为200μm的微电机以来，国内外学者在MEMS工艺、材料以及微观机理方面取得了很大进展，发展了各种MEMS器件。微操作与微装配的研究从20世纪90年代末期在世界范围内逐步兴起，日本、德国、美国在微操作与微装配的研究上比较突出；国内的北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、长春光机所都对微操作和微装配进行了研究。

微操作和微装配的前提就是对微器件的定位。在公知的亚毫米(1um-100um)微器件的定位上，采用在生物显微镜(或者电子显微镜、体视显微镜)的帮助下，直接通过眼睛或者监控显示屏，手工移动或者手动控制电动位移台，使得工作台上的微器件能够到达视场，但是由于亚毫米尺寸的微器件在高倍率显微镜下，焦深大，微器件的查找和定位变得异常困难，不利于微操作和微装配的更进一步研究。

国内外虽然对微操作和微装配进行了较多的研究，但是对于微器件的机器视觉伺服自动定位很少有提及或相应的装置面世，本实用新型正是在这样的情况下，设计出了一套通过显微机器视觉的反馈，控制伺服执行机构的装置，达到微器件的自动精确查找和定位的目的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于构建一个用于微器件自动精密定位视觉伺服装置，在显微机器视觉的反馈下，通过对伺服机电系统的控制，构成微器件的闭环检测和自动精确定位。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型微器件自动精密定位视觉伺服装置如图1，其特征在于，结构如下：系统主控计算机1作为主控制单元将图像采集的参数发送到图像采集系统2，并接收采集的图像信号；系统主控计算机1将伺服定位参数传送给伺服执行机构3并接收伺服执行机构3实际速度和位置反馈；系统主控计算机1接收辅助开关量4的极限位置信号，并将报警、指示信号传送到辅助开关量4。如图2，在图像采集系统2中，显微镜10将显微图像反映到数字相机11，数字相机将模拟量信号传送到图像采集卡12，图像采集卡12将模拟量信号转换成数字信号与系统主控计算机1交换数据；如图3，在伺服执行机构3中，系统主控计算机1通过三轴运动控制卡20、运动控制接口卡21将伺服控制信号分别传送给x轴伺服驱动器22、y轴伺服驱动器23、θ旋转轴伺服驱动器24，并同时通过三轴运动控制卡20、运动控制接口卡21接收伺服驱动器的实际速度和位置，x轴伺服驱动器22输出驱动x轴伺服马达25A、y轴伺服驱动器23输出驱动y轴伺服马达26A、θ旋转轴伺服驱动器24输出驱动θ轴伺服马达27A，x轴伺服驱动器22接收x轴光电编码器25B的脉冲反馈信号、y轴伺服驱动器23接收y轴光电编码器26B的脉冲反馈信号、θ旋转轴伺服驱动器24接收θ轴光电编码器27B的脉冲反馈信号，x轴伺服马达25A和y轴伺服马达26A以及θ轴伺服马达27A与三轴精密定位平台28直接连接；如图4，系统主控计算机1通过数字量控制卡30、数字量接口卡31接收x轴近马达微动开关32、x轴远马达微动开关33、y轴近马达微动开关34、y轴远马达微动开关35的开关信号，系统主控计算机1根据收到的微动开关的信号决定换向或者报警，并发送信号到报警36和指示37；系统主控计算机1包含相应的图像处理程序以及伺服控制程序，用以完成微器件的辨识和自动精确定位。

图像采集系统2完成显微图像的感应，并转换成计算机认识的数字图像；系统主控计算机1将图像采集系统2采集的图像的滤波、对应阈值的二值化处理、边缘检测、轮廓提取图像处理过程，输出微器件的形状、坐标伺服控制参数给伺服执行机构3；伺服执行机构3将根据系统主控计算机1的指令执行位置控制，将检测到的微器件定位；辅助开关量4将伺服执行机构3的极限位置和零位反馈给系统主控计算机1，为伺服执行机构3的进一步运动以及警报位置提供参考。

本实用新型是一个将显微机器视觉、伺服机电系统、机器人技术结合起来的，可以实现微器件自动精密定位的开放式系统。该系统的机器视觉可以和设有数字图像获取接口的任何显微镜相搭配，通过图像采集卡的图像输入，系统对采集的图像信息进行处理，输出信号控制伺服机电系统，并实时对辅助开关量信号进行检测，提供对伺服机电系统极限位置的判断。

附图说明

图1本实用新型系统结构示意图。

图2图像采集系统结构示意图。

图3伺服执行机构结构示意图。

图4辅助开关量结构示意图。

图5伺服执行机构和辅助开关量电路设计图。

具体实施方式

在本实施例中，显微镜10采用最大放大倍数为1600倍光学显微镜，通过数字图像获取接口连接数字相机11，数字相机11选用解析度为480线、PAL制式输出、最低照度为1.0Lux的CCD数字相机，CCD数字相机通过图像传输线连接到图像采集卡12，图像采集卡12采用支持PAL制式输入、最大分辨率为768×576×24(PAL方式)的大恒公司的DH-CG300图像采集卡，图像采集卡12通过PCI总线与系统主控计算机1通信，系统主控计算机1可以采用个人PC机或者工控机。在实际应用过程中，通过调整光学显微镜的放大倍数，使得微器件能在采集的图像中占有50×50左右像素的面积，以提高图像识别的准确性。

系统主控计算机1经过图像处理后，计算出相应的伺服控制信号，通过PCI总线传输给三轴运动控制卡20，三轴运动控制卡20通过数据线与运动控制接口卡21相连。

如图5所示，运动控制接口卡21的S1接口与三轴运动控制卡20相连，24伏直流电压的正端接到运动控制接口卡21的V+和数字量接口卡31的V1+，24伏直流电压的负端接到运动控制接口卡21的V-和数字量接口卡31的V1-，为运动控制接口卡21和数字量接口卡31提供工作电压；将220伏的单相交流电压接到x轴伺服驱动器22、y轴伺服驱动器23、θ旋转轴伺服驱动器24的L和N，为伺服驱动器提供功率部分的工作电压；同时，将x轴伺服驱动器22、y轴伺服驱动器23、θ旋转轴伺服驱动器24的VIN1接上24伏直流电压的正端，将x轴伺服驱动器22、y轴伺服驱动器23、θ旋转轴伺服驱动器24的SG1接上24伏直流电压的负端，为伺服驱动器提供信号工作电压。当系统自检完成后，系统输出控制信号给x轴伺服驱动器22、y轴伺服驱动器23、θ旋转轴伺服驱动器24的ON1，表示伺服处于允许运行状态，如果此时伺服驱动器接收到运动控制接口卡21的脉冲串信号，伺服驱动器就能输出驱动伺服马达的运转。运动控制卡的+5是5伏直流电压输出端，将它与x轴伺服驱动器22、y轴伺服驱动器23、θ旋转轴伺服驱动器24的COM1相连，提供伺服驱动器的共阳极工作电压。x轴伺服驱动器22的PP1和运动控制接口卡21的CW1相连以接收速度信号，x轴伺服驱动器22的NP1和运动控制接口卡21的D1相连以接收方向信号，改变D1的电平的高低就可改变x轴伺服运动的方向；y轴伺服驱动器23的PP2和运动控制接口卡21的CW2相连以接收速度信号，y轴伺服驱动器23的NP2和运动控制接口卡21的D2相连以接收方向信号，改变D2的电平的高低就可改变y轴伺服运动的方向；θ旋转轴伺服驱动器24的PP3和运动控制接口卡21的CW3相连以接收速度信号，θ旋转轴伺服驱动器24的NP3和运动控制接口卡21的D3相连以接收方向信号，改变D3的电平的高低就可改变θ轴伺服运动的方向。x轴伺服驱动器22的U1、V1、W1提供x轴伺服马达25A的三相电压输入，为x轴伺服马达25A提供功率，A1和AR1与x轴光电编码器25B的差动驱动的A相对应，B1和BR1与x轴光电编码器25B的差动驱动的B相对应，C1和CR1与x轴光电编码器25B的差动驱动的Z相对应，将x轴光电编码器25B的信号反馈到x轴伺服驱动器22；y轴伺服驱动器23的U2、V2、W2提供y轴伺服马达26A的三相电压输入，为y轴伺服马达26A提供功率，A2和AR2与x轴光电编码器26B的差动驱动的A相对应，B2和BR2与x轴光电编码器26B的差动驱动的B相对应，C2和CR2与y轴光电编码器26B的差动驱动的Z相对应，以将y轴光电编码器26B的信号反馈到y轴伺服驱动器23；θ旋转轴伺服驱动器24的U3、V3、W3提供θ轴伺服马达27A的三相电压输入，为θ轴伺服马达27A提供功率，A3和AR3与θ轴光电编码器27B的差动驱动的A相对应，B3和BR3与θ轴光电编码器27B的差动驱动的B相对应，C3和CR3与y轴光电编码器27B的差动驱动的Z相对应，以将θ轴光电编码器27B的信号反馈到θ旋转轴伺服驱动器24。

系统通过三轴运动控制卡20与运动控制接口卡21将x轴的控制参数传送给x轴伺服驱动器22，x轴伺服驱动器22输出驱动伺服马达25A，伺服马达25A通过轴连接直接驱动三维精密定位平台28的x轴，x轴伺服驱动器22同时接收对应x轴光电编码器25B的反馈信号；同样的，系统通过三轴运动控制卡20与运动控制接口卡21将y轴的控制参数传送给y轴伺服驱动器23，y轴伺服驱动器23输出驱动伺服马达26A，伺服马达26A通过轴连接直接驱动三维精密定位平台28的y轴，y轴伺服驱动器23同时接收对应的y轴光电编码器26B的反馈信号；系统通过三轴运动控制卡20与运动控制接口卡21将θ轴的控制参数传送给θ旋转轴伺服驱动器24，θ旋转轴伺服驱动器24输出驱动伺服马达27A，伺服马达27A通过轴连接直接驱动三维精密定位平台28的θ轴，θ旋转轴伺服驱动器24同时接收对应的θ轴光电编码器27B的反馈信号，形成闭环控制，提高了定位的精度，避免了脉冲丢失的情况。光电编码器的分辨率应尽可能的选择高一些，本实施例中选用每转10000个脉冲的光电编码器，分辨率和三维定位精度的最小分辨率是互相联系的，三维精密定位平台28由同一平面相互垂直x、y轴以及旋转的θ轴组成，x、y轴传动采用精研丝杠副，导轨采用V型导轨副，θ轴采用精密齿轮传动；x、y轴最大行程为30毫米，螺距为5毫米，所以三维精密定位平台28的x、y轴定位精度是0.5μm，θ轴定位精度为0.0002°。

系统主控计算机1通过PCI总线与数字量控制卡30通信，并通过数据线与数字量接口卡31相连。如图5，采集x轴近马达微动开关32输入到数字量接口卡31的I1，x轴远马达微动开关33输入到数字量接口卡31的I2，y轴近马达微动开关34输入到数字量接口卡31的I3，以及y轴远马达微动开关35输入到数字量接口卡31的I4，数字量接口卡31的COM为I1、I2、I3、I4提供输入的公共端，当三维精密定位平台28的I1、I2、I3、I4任意一个有输入时，数字量接口卡31的CO1驱动小喇叭SIREN发出短促的报警音，提醒操作者注意；当系统工作正常时，CO2输出使得指示灯LAMP发亮。

显微图像的显示、处理，伺服反馈的位置信息的显示，图形化的操作界面均由系统主控计算机1的系统应用软件完成。

Claims (1)

1、一种微器件自动精密定位视觉伺服装置，其特征在于，结构如下：

系统主控计算机(1)作为主控制单元将图像采集的参数发送到图像采集系统(2)，并接收采集的图像信号；系统主控计算机(1)将伺服定位参数传送给伺服执行机构(3)并接收伺服执行机构(3)实际速度和位置反馈；系统主控计算机(1)接收辅助开关量(4)的极限位置信号，并将报警、指示信号传送到辅助开关量(4)；在图像采集系统(2)中，显微镜(10)将显微图像反映到数字相机(11)，数字相机将模拟量信号传送到图像采集卡(12)，图像采集卡(12)将模拟量信号转换成数字信号与系统主控计算机(1)交换数据；在伺服执行机构(3)中，系统主控计算机(1)通过三轴运动控制卡(20)、运动控制接口卡(21)将伺服控制信号分别传送给x轴伺服驱动器(22)、y轴伺服驱动器(23)、θ旋转轴伺服驱动器(24)，并同时通过三轴运动控制卡(20)、运动控制接口卡(21)接收伺服驱动器的实际速度和位置，x轴伺服驱动器(22)输出驱动x轴伺服马达(25A)、y轴伺服驱动器(23)输出驱动y轴伺服马达(26A)、θ旋转轴伺服驱动器(24)输出驱动θ轴伺服马达(27A)，x轴伺服驱动器(22)接收x轴光电编码器(25B)的脉冲反馈信号、y轴伺服驱动器(23)接收y轴光电编码器(26B)的脉冲反馈信号、θ旋转轴伺服驱动器(24)接收θ轴光电编码器(27B)的脉冲反馈信号，x轴伺服马达(25A)和y轴伺服马达(26A)以及θ轴伺服马达(27A)与三轴精密定位平台(28)直接连接；系统主控计算机(1)通过数字量控制卡(30)、数字量接口卡(31)接收x轴近马达微动开关(32)、x轴远马达微动开关(33)、y轴近马达微动开关(34)、y轴远马达微动开关(35)的开关信号，系统主控计算机(1)根据收到的微动开关的信号决定换向或者报警，并发送信号到报警(36)和指示(37)；系统主控计算机(1)包含相应的图像处理程序以及伺服控制程序，用以完成微器件的辨识和自动精确定位；

图像采集系统(2)完成显微图像的感应，并转换成计算机认识的数字图像；系统主控计算机(1)将图像采集系统(2)采集的图像的滤波、对应阈值的二值化处理、边缘检测、轮廓提取图像处理过程，输出微器件的形状、坐标伺服控制参数给伺服执行机构(3)；伺服执行机构(3)将根据系统主控计算机(1)的指令执行位置控制，将检测到的微器件定位；辅助开关量(4)将伺服执行机构(3)的极限位置和零位反馈给系统主控计算机(1)，为伺服执行机构(3)的进一步运动以及警报位置提供参考。

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