一种微米级的轴与孔的装配装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种微米级的轴与孔的装配装置，用于微轴与微孔的对接与胶接。该装置包括：控制主机、操作平台、位姿调整装置、多维显微视觉观测装置、微点胶装置，其中，多维显微视觉观测装置包括四个视觉观测组件，位于水平面上且彼此正交排布的两个视觉观测组件具有较低放大倍数，用于微轴零件与微孔零件空间位姿的低精度检测，与水平面呈交角的两个视觉观测组件具有较高放大倍数，用于微轴零件末端的微轴与微孔零件顶部的微孔的空间位姿的高精度检测；微点胶装置用于微轴与微孔的胶接。本实用新型可实现微米级的微轴和微孔的高精度装配。
【专利说明】
一种微米级的轴与孔的装配装置
技术领域
[0001]本实用新型属于微装配技术领域，具体涉及一种微米级的轴与孔的装配装置。
【背景技术】
[0002]随着微机电系统的发展，对微小零件装配提出了更高的要求。基于显微视觉引导的微装配机器人系统为微小零件的空间装配提供了有效解决方案。
[0003]哈尔滨工业大学研制的面向微小零件装配的微操作机器人(陈立国，孙立宁，荣伟彬.基于显微视觉与微力觉柔顺混合控制的微操作机器人，高技术通讯，2003，13
(12): 53-56.)，采用宏微结构相结合的方式获取较大的操作范围和较高的操作精度。左手由宏动工作台、微操作手、微夹持器构成，工作台有2个自由度，可以实现较大范围的调整，微操作手由压电陶瓷管驱动，微操作手的末端装有微夹持器;右手是一个4自由度的宏动工作台，工作台末端是一个微操作平台。整个系统工作时，首先通过显微视觉实现对轴和孔的三维空间位置的识别，引导宏动工作台调整；当轴孔零件接触或出现遮挡现象时，由微力觉系统感知接触力的大小和方向，采用柔顺控制的方法完成轴孔零件的装配，该系统能够实现亚毫米级的轴与孔的装配，但是对于尺寸位于几微米至几十微米的微轴与微孔的装配并不适用，并且不能实现微轴与微孔的胶接，此外，该系统的自由度较少，使其通用性受到了限制。
[0004]中国科学院自动化研究所的基于显微视觉的微器件装配在线姿态检测装置(中国专利文献号CN102873523A)由控制主机，三路正交显微视觉系统，视觉系统姿态调整机构，微器件夹持装置和微器件姿态调整运动机构组成，能够实现对两个毫米级微器件进行微米级精度的空间对准与装配，具有一定的适用范围。但是，该系统中的三路正交的显微视觉系统不能实现微米尺度的微轴与微孔对接过程中二者空间相对位姿的检测，并且不能实现微轴与微孔的胶接。
[0005]可以看出，目前虽然在微小零件的空间装配方面取得了一些研究进展，但是已研制系统的视觉观测装置结构较为简单，不能满足微米级的轴与孔空间装配的视觉观测需求，并且不能实现微米级的轴与孔的胶接。
【发明内容】
[0006]本实用新型要解决的技术问题是提供了一种微米级的轴与孔的装配装置。
[0007]本实用新型的微米级的轴与孔的装配装置，其特点是，包括:控制主机、操作平台、位姿调整装置、多维显微视觉观测装置、微点胶装置;微孔零件固定在所述的操作平台上，微轴零件固定在所述的位姿调整装置上，周围布置所述的多维显微视觉观测装置和微点胶装置，多维显微视觉观测装置用于观测微轴零件与微孔零件装配过程中的空间相对位姿，将图像信号反馈至所述的控制主机上，控制主机发送信号给位姿调整装置调整微轴零件的位姿，直至微轴零件与微孔零件的完成对接，微点胶装置将微轴零件与微孔零件胶接固定；
[0008]所述的多维显微视觉观测装置包括视觉观测组件，视觉观测组件由显微视觉组件1、显微视觉组件π、显微视觉组件m、显微视觉组件IV构成，用于从四个方位获取微轴零件与微孔零件的图像信号，并将图像信号发送给控制主机；
[0009]所述的多维显微视觉观测装置包括观测控制装置，观测控制装置由显微视觉位置调整机构1、显微视觉位置调整机构π、显微视觉位置调整机构m、显微视觉位置调整机构IV构成，所述的显微视觉组件I固定在显微视觉位置调整机构I上，显微视觉组件π固定显微视觉位置调整机构π上，显微视觉组件m固定在显微视觉位置调整机构m上，显微视觉组件IV固定在显微视觉位置调整机构IV上；
[0010]所述的显微视觉组件I与显微视觉组件Π的光轴夹角为90°，位于水平平面上；所述的显微视觉组件m位于显微视觉组件I的正上方，显微视觉组件m与显微视觉组件I的光轴夹角为40°?70°，位于竖直平面I上;所述的显微视觉组件IV位于显微视觉组件π的正上方，显微视觉组件IV与显微视觉组件π的光轴夹角为40°?70°，位于竖直平面Π上。
[0011 ]所述的位姿调整装置包括微轴零件夹持器和微轴零件位姿调整机构，微轴零件通过微轴零件夹持器固定在微轴零件位姿调整机构上。
[0012]所述的操作平台包括微孔零件夹持器和微孔零件位姿调整机构，微孔零件通过微孔零件夹持器固定在微孔零件位姿调整机构上。
[0013]所述的微点胶装置包括点胶针、点胶针夹持器和点胶针位姿调整机构，点胶针夹持器夹持点胶针，点胶针夹持器固定在点胶针位姿调整机构上，点胶针位姿调整机构接收控制主机的信号，调整点胶针的空间位姿。
[0014]所述的多维显微视觉观测装置包括外光源系统，外光源系统由准直光源、半透半反镜、反射镜1、反射镜π构成；
[0015]所述的准直光源位于微轴零件位姿调整机构沿Y轴方向的侧面，发射平行光；1/2平行光经所述的半透半反镜进行90°反射，反射光再经所述的反射镜I反射至显微视觉组件I的镜头；另外的1/2平行光经半透半反镜进行透射，透射光再经所述的反射镜Π反射至显微视觉组件Π的镜头。
[0016]所述的显微视觉组件1、显微视觉组件π、显微视觉组件m、显微视觉组件IV在外接点光源后，通过内置的光学元件在镜筒内产生同轴光，分别用于显微视觉组件1、显微视觉组件π、显微视觉组件m、显微视觉组件IV在观测过程中的照明。
[0017]所述的显微视觉组件I与显微视觉组件Π的放大倍数为A，显微视觉组件m与显微视觉组件IV的放大倍数为B，A<B。
[0018]微轴零件末端的微轴与微孔零件顶部的微孔为间隙配合，配合间隙的范围为0.5μm?1.5μπι0
[0019]所述的显微视觉组件I与显微视觉组件Π用于获得微轴零件与微孔零件在Χ、Υ、Ζ轴方向上的相对位置以及绕x、Y轴的相对姿态，显微视觉组件m与显微视觉组件IV用于获得微轴零件末端的微轴与微孔零件顶部的微孔在x、y、z轴方向上的相对位置以及绕x、y轴的相对姿态。
[0020]本实用新型的微米级的轴与孔的装配装置的工作流程如下:
[0021]首先，将微轴零件与微孔零件分别安装在所述的微轴零件夹持器与微孔零件夹持器上，将所述的点胶针安装在点胶针夹持器上，此时，微轴零件、微孔零件、以及点胶针在空间中相距较远；
[0022]然后，调整所述的显微视觉组件I与显微视觉组件Π的放大倍数，并且通过显微视觉位置调整机构I与显微视觉位置调整机构Π分别调整显微视觉组件I与显微视觉组件Π的空间位置，使微轴零件、微孔零件、点胶针的末端均呈现在视野范围内，通过控制主机接收到的图像信号观测微轴零件与微孔零件的相对位姿、点胶针的末端与点胶位置的相对位置，之后通过控制主机发送微轴零件、微孔零件、点胶针的位姿调整信号，实现微轴零件与微孔零件的位姿粗对准，以及点胶针的末端与点胶位置的位置粗对准，此时微轴零件末端的微轴与微孔零件顶部的微孔的相对位置较小，点胶针的末端与点胶位置的相对位置较小；
[0023]再次，调整所述的显微视觉组件m与显微视觉组件IV的放大倍数，并且通过显微视觉位置调整机构m与显微视觉位置调整机构IV分别调整显微视觉组件m与显微视觉组件IV的空间位置，使微轴零件末端的微轴与微孔零件顶部的微孔均呈现在视野范围内，通过控制主机接收到的图像信号观测微轴和微孔的相对位姿，之后通过控制主机发送微轴零件位姿调整信号实现微轴与微孔位姿的精对准以及二者的对接；
[0024]最后，通过控制主机接收到的图像信号观测所述的点胶针的末端与点胶位置的相对位置，通过控制主机发送点胶针位姿调整信号控制点胶针运动到点胶位置，实现点胶。
[0025]本实用新型的微米级的轴与孔的装配装置能够满足微轴与微孔装配过程中二者空间位姿的实时监测，并且能够实现二者的对准、对接与胶接，具有方便高效的优点。
【附图说明】
[0026]图1为本实用新型的微米级的轴与孔的装配装置结构示意图；
[0027]图2为本实用新型的微米级的轴与孔的装配装置的工作流程图；
[0028]图中，1.显微视觉组件I 2.显微视觉组件Π 3.显微视觉组件ΙΠ 4.显微视觉组件IV 5.显微视觉位置调整机构I 6.显微视觉位置调整机构Π 7.显微视觉位置调整机构m 8.显微视觉位置调整机构IV 9.微轴零件夹持器10.微孔零件夹持器11.微轴零件位姿调整机构12.微孔零件位姿调整机构13.点胶针14.点胶针夹持器15.点胶针位姿调整机构16.准直光源17.半透半反镜18.反射镜I 19.反射镜Π。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和实施例详细说明本实用新型。
[0030]如图1所示，本实用新型的微米级的轴与孔的装配装置，包括:控制主机、操作平台、位姿调整装置、多维显微视觉观测装置、微点胶装置;微孔零件固定在所述的操作平台上，微轴零件固定在所述的位姿调整装置上，周围布置所述的多维显微视觉观测装置和微点胶装置，多维显微视觉观测装置用于观测微轴零件与微孔零件装配过程中的空间相对位姿，将图像信号反馈至所述的控制主机上，控制主机发送信号给位姿调整装置调整微轴零件的位姿，直至微轴零件与微孔零件的完成对接，微点胶装置将微轴零件与微孔零件胶接固定；
[0031]所述的多维显微视觉观测装置包括视觉观测组件，视觉观测组件由显微视觉组件
11、显微视觉组件π 2、显微视觉组件m3、显微视觉组件IV4构成，用于从四个方位获取微轴零件与微孔零件的图像信号，并将图像信号发送给控制主机；
[0032]所述的多维显微视觉观测装置包括观测控制装置，观测控制装置由显微视觉位置调整机构15、显微视觉位置调整机构Π 6、显微视觉位置调整机构ΙΠ7、显微视觉位置调整机构IV8构成，所述的显微视觉组件Il固定在显微视觉位置调整机构15上，显微视觉组件Π 2固定显微视觉位置调整机构Π 6上，显微视觉组件ΙΠ3固定在显微视觉位置调整机构ΙΠ7上，显微视觉组件IV4固定在显微视觉位置调整机构IV8上；
[0033]所述的显微视觉组件Il与显微视觉组件Π 2的光轴夹角为90°，位于水平平面上；所述的显微视觉组件ΙΠ3位于显微视觉组件Il的正上方，显微视觉组件m3与显微视觉组件Il的光轴夹角为40°?70°，位于竖直平面I上;所述的显微视觉组件IV4位于显微视觉组件Π2的正上方，显微视觉组件IV4与显微视觉组件Π 2的光轴夹角为40°?70°，位于竖直平面Π上。
[0034]所述的位姿调整装置包括微轴零件夹持器9和微轴零件位姿调整机构11，微轴零件通过微轴零件夹持器9固定在微轴零件位姿调整机构11上。
[0035]所述的操作平台包括微孔零件夹持器10和微孔零件位姿调整机构12，微孔零件通过微孔零件夹持器10固定在微孔零件位姿调整机构12上。
[0036]所述的微点胶装置包括点胶针13、点胶针夹持器14和点胶针位姿调整机构15，点胶针夹持器14夹持点胶针13，点胶针夹持器14固定在点胶针位姿调整机构15上，点胶针位姿调整机构15接收控制主机的信号，调整点胶针13的空间位姿。
[0037]所述的多维显微视觉观测装置包括外光源系统，外光源系统由准直光源16、半透半反镜17、反射镜118、反射镜Π 19构成；
[0038]所述的准直光源16位于微轴零件位姿调整机构11沿Y轴方向的侧面，发射平行光；1/2平行光经所述的半透半反镜17进行90°反射，反射光再经所述的反射镜118反射至显微视觉组件Il的镜头;另外的1/2平行光经半透半反镜17进行透射，透射光再经所述的反射镜Π 19反射至显微视觉组件Π 2的镜头。
[0039]所述的显微视觉组件I1、显微视觉组件Π 2、显微视觉组件ΙΠ3、显微视觉组件IV4在外接点光源后，通过内置的光学元件在镜筒内产生同轴光，分别用于显微视觉组件I1、显微视觉组件Π 2、显微视觉组件m3、显微视觉组件IV4在观测过程中的照明。
[0040]所述的显微视觉组件Il与显微视觉组件Π2的放大倍数为A，显微视觉组件m3与显微视觉组件IV4的放大倍数为B，A〈B。
[0041]微轴零件末端的微轴与微孔零件顶部的微孔为间隙配合，配合间隙的范围为0.5μm?1.5μπι0
[0042]实施例1
[0043]实施例中，所述的显微视觉组件I1、显微视觉组件Π 2、显微视觉组件ΙΠ3、显微视觉组件IV4均由瑞士Baumer公司的TXG50C摄像头和美国Navi tar公司的变倍显微镜头构成，显微视觉组件11与显微视觉组件Π 2的放大倍数为1.74-21,显微视觉组件ΙΠ3与显微视觉组件IV4的放大倍数为5.54?66.63。显微视觉组件ΙΠ3与显微视觉组件11的光轴夹角为60°，显微视觉组件IV4与显微视觉组件Π 2的光轴夹角为60°。所述的显微视觉位置调整机构15与显微视觉位置调整机构Π 6均包含沿光轴方向的一维电动位置调整器，分别用于显微视觉组件Il与显微视觉组件Π 2沿光轴方向的位置调整;所述的显微视觉位置调整机构ΙΠ7与显微视觉位置调整机构IV8均包含沿光轴方向的一维电动位置调整器与沿X、Y、Z轴的三维手动位置调整器，分别用于显微视觉组件ΙΠ3与显微视觉组件IV4沿光轴方向的位置调整以及沿X、Y、Z轴的位置调整;所述的微轴零件位姿调整机构11、微孔零件位姿调整机构12、点胶针位姿调整机构15均包含沿X、Y、Z轴方向的三维电动位置调整器与绕X、Y轴的二维电动偏摆调整器;所述的显微视觉位置调整机构15、显微视觉位置调整机构Π6、显微视觉位置调整机构ΙΠ7、显微视觉位置调整机构IV8，以及微轴零件位姿调整机构11、微孔零件位姿调整机构12、点胶针位姿调整机构15均采用日本KOHZU公司的精密台；所述的准直光源16采用美国Thor Iabs公司的准直光源。
[0044]本实施例中微轴零件为圆锥形零件，长度约为40mm，粗端的外径约为1mm，细端即微轴的外径约为9μπι，微孔零件为球形零件，外径约为1mm，微孔零件顶部的微孔的内径约为I Ομπι，二者的间隙约为Ιμπι。
[0045]工作流程如图2所示:
[0046]步骤1:系统初始化，包括将四个显微视觉组件的放大倍数调整到最小，以及控制各个电动位置调整器与电动偏摆调整器运动到初始位置；
[0047]步骤2:零件装夹，将微轴零件、微孔零件分别安装在微轴零件夹持器9和微孔零件夹持器10上，将点胶针13安装在点胶针夹持器14上，此时，微轴零件、微孔零件、以及点胶针在空间中相距较远；
[0048]步骤3:
[0049]3a.增大显微视觉组件I1、显微视觉组件Π 2的放大倍数，并且调整二者的聚焦位置，将微轴零件与微孔零件的特征清晰的呈现在视野范围内，将点胶针13的末端呈现在视野范围内；
[0050]3b.通过控制主机接收到的显微视觉组件11、显微视觉组件Π 2的图像信号观测微轴零件与微孔零件的空间相对位姿；
[0051]3c.基于观测信息，通过控制主机发送微轴零件、微孔零件的位姿调整信号；
[0052]3d.不断循环3b、3c，直到完成微轴零件与微孔零件的位姿粗对准，此时微轴与微孔的相对位置较小；
[0053]3e.通过控制主机接收到的显微视觉组件I1、显微视觉组件Π 2的图像信号观测点胶针13的末端与点胶位置的空间相对位置；
[0054]3f.基于观测信息，通过控制主机发送点胶针13的位姿调整信号；
[0055]3g.不断循环3e、3f，直到实现点胶针13的末端与点胶位置的位置粗对准，此时点胶针13的末端与点胶位置的相对量较小；
[0056]步骤4:
[0057]4a.增大显微视觉组件ΙΠ3、显微视觉组件IV4的放大倍数，并且调整二者的空间位置，将微轴与微孔清晰的呈现在视野范围内，将点胶针13的末端呈现在视野范围内；
[0058]4b.通过控制主机接收到的图像信号观测微轴与微孔的相对位姿；
[0059]4c.基于观测结果，通过控制主机发送微轴位姿调整信号；
[0060]4d.不断循环4b、4c，直到完成微轴插入微孔内；
[0061]步骤5:
[0062]5a.通过控制主机接收到的显微视觉组件I1、显微视觉组件Π 2、显微视觉组件ΙΠ
3、显微视觉组件IV4的图像信号观测点胶针13的末端与点胶位置的相对位置；
[0063]5b.基于观测结果，通过控制主机发送点胶针13的位置调整信号；
[0064]5c.不断循环5a、5b，直到点胶针13运动到点胶位置；
[0065]步骤6:
[0066]通过外接的时间-压力点胶机控制胶液从点胶针13的末端流出至点胶位置，实现点胶。
[0067]实施例2
[0068]实施例2的实施方式与实施例1基本相同，主要区别在于，显微视觉组件ΙΠ3与显微视觉组件Il的光轴夹角为45°，显微视觉组件IV4与显微视觉组件Π 2的光轴夹角为45°。微轴零件末端的微轴与微孔零件顶部的微孔为间隙配合，配合间隙的范围为0.5μπι。
[0069]实施例3
[0070]实施例3的实施方式与实施例1基本相同，主要区别在于，显微视觉组件ΙΠ3与显微视觉组件Il的光轴夹角为70°，显微视觉组件IV4与显微视觉组件Π 2的光轴夹角为70°。微轴零件末端的微轴与微孔零件顶部的微孔为间隙配合，配合间隙的范围为1.5μπι。
[0071]以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种微米级的轴与孔的装配装置，其特征在于，包括:控制主机、操作平台、位姿调整装置、多维显微视觉观测装置、微点胶装置;微孔零件固定在所述的操作平台上，微轴零件固定在所述的位姿调整装置上，周围布置所述的多维显微视觉观测装置和微点胶装置，多维显微视觉观测装置用于观测微轴零件与微孔零件装配过程中的空间相对位姿，将图像信号反馈至所述的控制主机上，控制主机发送信号给位姿调整装置调整微轴零件的位姿，直至微轴零件与微孔零件完成对接，微点胶装置将微轴零件与微孔零件胶接固定； 所述的多维显微视觉观测装置包括视觉观测组件，视觉观测组件由显微视觉组件I(I)、显微视觉组件Π (2)、显微视觉组件m(3)、显微视觉组件IV(4)构成，用于从四个方位获取微轴零件与微孔零件的图像信号，并将图像信号发送给控制主机； 所述的多维显微视觉观测装置包括观测控制装置，观测控制装置由显微视觉位置调整机构I(5)、显微视觉位置调整机构Π (6)、显微视觉位置调整机构m(7)、显微视觉位置调整机构IV(S)构成，所述的显微视觉组件I(I)固定在显微视觉位置调整机构1(5)上，显微视觉组件Π (2)固定显微视觉位置调整机构Π (6)上，显微视觉组件m(3)固定在显微视觉位置调整机构m (7 )上，显微视觉组件IV (4)固定在显微视觉位置调整机构IV (8 )上； 所述的显微视觉组件I(I)与显微视觉组件Π (2)的光轴夹角为90°，位于水平平面上；所述的显微视觉组件m(3)位于显微视觉组件I(I)的正上方，显微视觉组件m(3)与显微视觉组件I(I)的光轴夹角范围为40°?70°，位于竖直平面I上;所述的显微视觉组件IV(4)位于显微视觉组件Π (2)的正上方，显微视觉组件IV(4)与显微视觉组件Π (2)的光轴夹角范围为40°~70°，位于竖直平面Π上。2.根据权利要求1所述的一种微米级的轴与孔的装配装置，其特征在于，所述的位姿调整装置包括微轴零件夹持器(9)和微轴零件位姿调整机构(11)，微轴零件通过微轴零件夹持器(9)固定在微轴零件位姿调整机构(11)上。3.根据权利要求1所述的一种微米级的轴与孔的装配装置，其特征在于，所述的操作平台包括微孔零件夹持器(10)和微孔零件位姿调整机构(12)，微孔零件通过微孔零件夹持器(10)固定在微孔零件位姿调整机构(12)上。4.根据权利要求1所述的一种微米级的轴与孔的装配装置，其特征在于，所述的微点胶装置包括点胶针(13)、点胶针夹持器(14)和点胶针位姿调整机构(15)，点胶针夹持器(14)夹持点胶针(13)，点胶针夹持器(14)固定在点胶针位姿调整机构(15)上，点胶针位姿调整机构(15 )接收控制主机的信号，调整点胶针(13 )的空间位姿。5.根据权利要求1所述的一种微米级的轴与孔的装配装置，其特征在于，所述的多维显微视觉观测装置包括外光源系统，外光源系统由准直光源(16)、半透半反镜(17)、反射镜I(18)、反射镜Π( 19)构成; 所述的准直光源(16)位于微轴零件位姿调整机构(11)沿Y轴方向的侧面，发射平行光；1/2平行光经所述的半透半反镜(17)进行90°反射，反射光再经所述的反射镜1(18)反射至显微视觉组件I(I)的镜头；另外的1/2平行光经半透半反镜(17)进行透射，透射光再经所述的反射镜Π (19)反射至显微视觉组件Π (2)的镜头。6.根据权利要求1所述的一种微米级的轴与孔的装配装置，其特征在于，所述的显微视觉组件1(1)、显微视觉组件Π (2)、显微视觉组件ΙΠ(3)、显微视觉组件IV(4)在外接点光源后，通过内置的光学元件在镜筒内产生同轴光，分别用于显微视觉组件1(1)、显微视觉组件Π (2)、显微视觉组件m (3)、显微视觉组件IV(4)在观测过程中的照明。7.根据权利要求1所述的一种微米级的轴与孔的装配装置，其特征在于，所述的显微视觉组件I (I)与显微视觉组件Π (2 )的放大倍数为A，显微视觉组件m (3 )与显微视觉组件IV(4)的放大倍数为B，A〈B。8.根据权利要求1所述的一种微米级的轴与孔的装配装置，其特征在于，微轴零件末端的微轴与微孔零件顶部的微孔为间隙配合，配合间隙的范围为0.5μπι?1.5μπι。
【文档编号】G01C11/02GK205465163SQ201620245652
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月29日
【发明人】张娟, 吴文荣, 毕列, 杨宏刚, 王红莲, 温明, 彭博, 魏红
【申请人】中国工程物理研究院激光聚变研究中心