一种基于视觉定位技术的MEMS摩阻传感器自动封装设备的制作方法

一种基于视觉定位技术的mems摩阻传感器自动封装设备
技术领域
1.本实用新型涉及微机电系统中的mems传感器封装技术领域，具体涉及一种基于视觉定位技术的mems摩阻传感器自动封装设备。


背景技术：

2.mems摩阻传感器主要用于测量飞行器表面的摩擦阻力，进而确定飞行器表面摩擦阻力的大小和分布情况，对飞行器设计具有重要意义。传统的表面摩擦阻力测试器件主要是微量应变式摩阻天平，但其受灵敏度、温度、体积和成本等因素限制，难以在飞行器设计领域广泛应用。以微机电系统技术为基础的mems摩阻传感器具有体积小、成本低、可靠性高等突出优点，能够广泛应用于飞行器设计等领域。
3.2014年，发明人设计一款立体结构的mems摩阻传感器(一种微机械摩阻传感器及制作方法，专利号201418003582.x,2017.07.)，其浮动元件通过支杆与带有敏感电容元件的弹性梁结构连接，浮动元件感受到的表面摩擦阻力通过支杆传递给弹性梁结构，驱动弹性梁两侧的敏感电容振动极板发生偏转，两侧敏感电容差分即可解算出测量的表面摩擦阻力；样机静态校准和高超声速风洞验证试验的结果表明，该mems摩阻传感器灵敏度高、稳定性好，表头结构和封装形式适用于高超声速风洞试验环境。2018年，发明人设计了该立体结构的mems摩阻传感器基于视觉对准的制作方法(一种基于视觉对准的mems摩阻传感器制作方法，专利号201810348331.2，2019.09.)，该方法采用了机械定位和视觉对准技术，能够提高该mems摩阻传感器的组装精度和摩阻测量准度。然而，该方法采用了机械定位和显微镜下的手动对准、组装和封装，需要人工全程参与，并且没有考虑mems摩阻传感器自动点胶、对准误差测量等特殊要求，使得该传感器组装的一致性和精度有待提升，导致摩阻测量的精准度有待进一步提高。
4.为了解决该mems摩阻传感器目前组装、封装过程存在的不足，本实用新型依托多轴精密运动模组、高精度视觉显微镜、自动点胶机、精密机械定位与气动吸附、伺服与工业运动控制等仪器与技术发展一种基于视觉定位技术的mems摩阻传感器自动封装设备。


技术实现要素：

5.(1)要解决的技术问题
6.本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种基于视觉定位技术的mems摩阻传感器自动封装设备，以解决背景技术中提出的问题。
7.(2)技术方案
8.为了实现本实用新型的目的，本实用新型所采用的技术方案为：
9.一种基于视觉定位技术的mems摩阻传感器自动封装设备，包括设备机架、多轴精密运动模组、视觉定位模块、自动点胶模块、定位与吸附模块和运动控制模块；
10.所述设备机架包括机架底座、机架底板、支板架和机架外壳；
11.所述多轴精密运动模组包括x轴底座、x轴导轨、x轴滑块、y轴底座、y轴导轨、y轴滑
块、z轴导轨、z轴滑块、u轴滑块、u轴导轨和拖链，所述x轴底座固定在机架底板顶部，所述x轴导轨和x轴滑块固定在x轴底座上，所述x轴滑块的顶部与y轴底座的底部固定连接；所述y轴导轨和y轴滑块固定在y轴底座顶部；所述z轴导轨固定于支板架外侧上部，所述u轴导轨固定于支板架外侧上部；
12.所述视觉定位模块包括上相机安装板、上视觉相机、上光源、下相机安装板、下视觉相机和下光源，所述上相机安装板与u轴滑块固定连接，所述上视觉相机和上光源固定安装在上相机安装板的外侧，所述下相机安装板固定安装在机架底板上；
13.所述自动点胶模块包括自动点胶机、点胶针筒、自动复位组件和磁性工装底板，所述自动点胶机固定在支板架顶部，所述点胶针筒与u轴滑块固定连接，所述磁性工装底板与y轴滑块固定连接；
14.所述定位与吸附模块包括吸附安装板、真空吸附组件、吸头、精密定位治具和精密定位治具，所述吸附安装板固定在z轴滑块上，所述吸附安装板与真空吸附组件固定连接，所述真空吸附组件与吸头连接；
15.所述运动控制模块包括工控机、急停开关、触觉显示屏、键盘和鼠标。
16.进一步地，所述机架底板通过螺栓锁紧固定在机架底座的顶部，所述支板架通过螺钉锁紧固定于机架底板顶部，所述机架外壳通过螺栓锁紧固定在机架底板的顶部。
17.进一步地，所述下视觉相机和下光源固定安装在下相机安装板上。
18.进一步地，所述自动复位组件通过磁性介质固定在磁性工装底板上。
19.进一步地，所述精密定位治具通过磁性与磁性工装底板连接，所述精密定位治具通过磁性与磁性工装底板连接。
20.进一步地，所述工控机、键盘和鼠标安装在机架底座上，所述急停开关和触觉显示屏安装在机架外壳上。
21.(3)有益效果
22.1、本实用新型中，本实用新型的mems摩阻传感器自动封装设备采用了专门的视觉定位模块、多轴精密运动模组和自动点胶模块。
23.2、本实用新型中，视觉定位模块采用了上下两个精密视觉相机，多轴精密运动模组包括水平面搬运的x轴和y轴运动模组、上下吸附搬运的z轴运动模组、点胶和视觉调焦的u轴运动模组。
24.3、本实用新型中，通过视觉精密定位和精密运动对准，实现了mems摩阻传感器的高精度自动组装、封装，对准精度可以达到1个像素(2μm)。
25.4、本实用新型中，mems摩阻传感器自动封装设备能够有效提高mems摩阻传感器组装、封装的一致性和精度，进而提升高超声速风洞模型表面摩阻测量试验的精准度。
附图说明
26.图1为本实用新型基于视觉定位技术的mems摩阻传感器自动封装设备的结构示意图；
27.图2为本实用新型基于视觉定位技术的mems摩阻传感器自动封装设备的mems摩阻传感器及其零部件结构示意图；
28.图3为本实用新型基于视觉定位技术的mems摩阻传感器自动封装设备的设备机架
结构示意图；
29.图4为本实用新型基于视觉定位技术的mems摩阻传感器自动封装设备的多轴精密运动模组结构示意图；
30.图5为本实用新型基于视觉定位技术的mems摩阻传感器自动封装设备的视觉定位模块结构示意图；
31.图6为本实用新型基于视觉定位技术的mems摩阻传感器自动封装设备的自动点胶模块结构示意图
32.图7为本实用新型基于视觉定位技术的mems摩阻传感器自动封装设备的定位与吸附模块结构示意图
33.图8为本实用新型基于视觉定位技术的mems摩阻传感器自动封装设备的运动控制模块结构示意图。
34.附图标记如下：
35.封装盖板1、浮动元件2、硅
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玻璃微结构3、陶瓷基接口电路4、封装底座5、设备机架6、多轴精密运动模组7、视觉定位模块8、自动点胶模块9、定位与吸附模块10、运动控制模块11、机架底座12、机架底板13、支板架14、机架外壳15、x轴底座16、x轴导轨17、x轴滑块18、y轴底座19、y轴导轨20、y轴滑块21、z轴导轨22、z轴滑块23、u轴滑块24、u轴导轨25、拖链26、上相机安装板27、上视觉相机28、上光源29、下相机安装板30、下视觉相机31、下光源32、自动点胶机33、点胶针筒34、自动复位组件35、磁性工装底板36、吸附安装板37、真空吸附组件38、吸头39、第一精密定位治具40、第二精密定位治具41、工控机42、急停开关43、触觉显示屏44、键盘45、鼠标46。
具体实施方式
36.下面结合附图1
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8和实施例对本实用新型进一步说明：
37.一种基于视觉定位技术的mems摩阻传感器自动封装设备，包括设备机架6、多轴精密运动模组7、视觉定位模块8、自动点胶模块9、定位与吸附模块10和运动控制模块11，所述设备机架6包括机架底座12、机架底板13、支板架14和机架外壳15，所述机架底板13通过螺栓锁紧固定在机架底座12的顶部，所述支板架14通过螺钉锁紧固定于机架底板13顶部，所述机架外壳15通过螺栓锁紧固定在机架底板13的顶部，所述设备机架6用于安装多轴精密运动模组模块7、视觉模块8、自动点胶模块9、吸附与定位模块10和运动控制模块11；
38.所述多轴精密运动模组7包括x轴底座16、x轴导轨17、x轴滑块18、y轴底座19、y轴导轨20、y轴滑块21、z轴导轨22、z轴滑块23、u轴滑块24、u轴导轨25和拖链26，所述x轴底座16固定在机架底板13顶部，所述x轴导轨17和x轴滑块18固定在x轴底座16上构成x轴运动模组，实现x轴方向精密运动，所述x轴滑块18的顶部与y轴底座19的底部固定连接，y轴底座19与x轴滑块18固定并随之沿x轴方向精密运动，所述y轴导轨20和y轴滑块21固定在y轴底座19顶部构成y轴运动模组，实现y轴方向的精密运动；所述z轴导轨22固定于支板架14外侧上部，z轴滑块23与z轴导轨22构成z轴运动模组，用于实现沿z轴方向的精密运动；所述u轴导轨25固定于支板架14外侧上部，u轴滑块24与u轴导轨25构成u轴运动模组，用于实现沿z轴方向的精密运动；x轴运动模组和y轴运动模组用于实现mems摩阻传感器待组装零部件沿x轴方向和y轴方向的精密对准；所述y轴导轨20和y轴滑块21固定在y轴底座19顶部；用于固
定y轴导轨20y轴滑块21；所述z轴导轨22固定于支板架14外侧上部；所述u轴导轨25固定于支板架14外侧上部；用于固定z轴导轨22和u轴导轨25；
39.所述视觉定位模块8包括上相机安装板27、上视觉相机28、上光源29、下相机安装板30、下视觉相机31和下光源32，所述上相机安装板27与u轴滑块24固定连接，所述上视觉相机28和上光源29固定安装在上相机安装板27的外侧，所述下相机安装板30固定安装在机架底板13上，所述下视觉相机31和下光源32固定安装在下相机安装板30上；视觉模块8主要用于识别mems摩阻传感器待组装零部件的位置坐标；
40.所述自动点胶模块9包括自动点胶机33、点胶针筒34、自动复位组件35和磁性工装底板36，如图6所示；所述自动点胶机33固定在支板架14顶部，所述点胶针筒34与u轴滑块24固定连接，所述磁性工装底板36与y轴滑块21固定连接，所述自动复位组件35通过磁性介质固定在磁性工装底板36上，所述自动定位组件35利用两轴光纤定位技术实现定位，用于点胶针筒34自动复位；通过x轴、y轴和u轴运动模组可以实现点胶位置和高度的自动调整；
41.所述定位与吸附模块10包括吸附安装板37、真空吸附组件38、吸头39、第一精密定位治具40和第二精密定位治具41，如图7所示；所述吸附安装板37固定在z轴滑块23上，所述吸附安装板37与真空吸附组件38固定连接，所述真空吸附组件38与吸头39连接，用于吸附和释放待组装的mems摩阻传感器零部件；所述第一精密定位治具40通过磁性与磁性工装底板36连接，用于精确设置待组装mems摩阻传感器浮动元件2、硅
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玻璃微结构3和陶瓷基接口电路4的相对初始位置；所述第二精密定位治具41通过磁性与磁性工装底板36连接，用于精确设置待组装封装底座5的相对初始位置；所述吸头39和z轴运动模组将mems摩阻传感器待组装零部件提升到一定高度，精密定位治具40和41通过x轴运动模组和y轴运动模组将与之组装的零部件搬运到对准的相应位置；
42.所述运动控制模块11主要包括工控机42、急停开关43、触觉显示屏44、键盘45和鼠标46，如图8所示；所述工控机42、键盘45和鼠标46安装在机架底座12上，所述急停开关43和触觉显示屏44安装在机架外壳15上；工控机42内嵌套了一组运动控制卡，用于多轴精密运动模组模块7的运动控制；急停开关42用于自动封装设备的紧急关停，触觉显示屏43用于自动封装设备的操作和显示，键盘45和鼠标46用于自动封装设备操作。
43.本实施例中，所述机架底板13通过螺栓锁紧固定在机架底座12的顶部，所述支板架14通过螺钉锁紧固定于机架底板13顶部，所述机架外壳15通过螺栓锁紧固定在机架底板13的顶部；用于将机架底座12、机架底板13、支板架14和机架外壳15固定连接。
44.本实施例中，所述下视觉相机31和下光源32固定安装在下相机安装板30上；用于固定下视觉相机31和下光源32。
45.本实施例中，所述自动复位组件35通过磁性介质固定在磁性工装底板36上；用于固定自动复位组件35。
46.本实施例中，所述第一精密定位治具40通过磁性与磁性工装底板36连接，所述第二精密定位治具41通过磁性与磁性工装底板36连接；用于固定第一精密定位治具40和第二精密定位治具41。
47.本实施例中，所述工控机42、键盘45和鼠标46安装在机架底座12上，所述急停开关43和触觉显示屏44安装在机架外壳15上；急停开关43用于紧急停机。
48.mems摩阻传感器主要用于测量飞行器表面的摩擦阻力，进而确定飞行器表面摩擦
阻力的大小和分布情况，对飞行器设计具有重要意义。现有的mems摩阻传感器分解为封装盖板1、浮动元件2、硅
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玻璃微结构3、陶瓷基接口电路4和封装底座5，如图2所示。mems摩阻传感器的工作原理是：浮动元件2通过其支杆与带有敏感电容元件的硅
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玻璃微结构3的弹性梁结构连接，浮动元件2感受到的摩阻通过其支杆传递给硅
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玻璃微结构3的弹性梁结构，驱动硅
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玻璃微结构3的弹性梁两侧的敏感电容振动极板发生偏转，两侧敏感电容差分即可解算出待测量的摩阻。本实用新型针对此mems摩阻传感器进行设计，并保证该传感器组装、封装的一致性和精度。
49.以下为本实用新型基于视觉定位技术的mems摩阻传感器自动封装设备的封装工艺流程，主要包括视觉对准、自动点胶和固定，具体包含以下步骤：
50.第一步、依次将mems摩阻传感器待组装的封装盖板1、浮动元件2、硅
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玻璃微结构3、陶瓷基接口电路4和封装底座5放置在第一精密定位治具0和精密定位治具42设定的位置，各轴运动模组复位到初始位置，点胶针筒34复位；
51.第二步、陶瓷基接口电路4通过x轴和y轴运动模组搬运到点胶u轴运动模组正下方，到位后u轴运动模组下降对陶瓷基接口电路4进行定点点胶，点胶完成后u轴运动模组上升到初始位置；硅
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玻璃微结构3通过x轴和y轴运动模组搬运到z轴运动模组正下方，到位后z轴运动模组下降通过吸头39吸附硅
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玻璃微结构3，z轴运动模组上升回到初始位置；陶瓷基接口电路4通过x轴和y轴运动模组搬运到硅
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玻璃微结构3正下方，z轴运动模组向下运动将硅
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玻璃微结构3贴装到陶瓷基接口电路4后释放硅
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玻璃微结构3，x轴、y轴和z轴运动模组均回到初始位置，完成硅
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玻璃微结构3和陶瓷基接口电路4组装；
52.第三步、组装后的陶瓷基接口电路4通过x轴和y轴运动模组搬运到上视觉相机28正下方，到位后u轴运动模组下降，上视觉相机28摄取硅
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玻璃微结构3表面圆孔图像，获取特征点坐标；组装后的陶瓷基接口电路4通过x轴和y轴运动模组搬运到u轴运动模组正下方，到位后u轴运动模组对硅
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玻璃微结构3进行定点点胶，点胶完成后u轴运动模组上升到初始位置；浮动元件2通过x轴和y轴运动模组搬运到z轴运动模组正下方，到位后z轴运动模组下降通过吸头39吸附浮动元件2并上升到初始位置，x轴和y轴运动模组回到初始位置；z轴运动模组下降，下视觉相机31摄取浮动元件2底部图像，获取浮动元件2底部定位轴的特征点坐标，与上视觉相机28获取的特征点坐标作差；x轴和y轴运动模组依据坐标差值运动对准，对准后z轴运动模组下降将浮动元件2的定位轴贴装到硅
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玻璃微结构3表面的圆孔内并释放浮动元件2，x轴、y轴和z轴运动模组回到初始位置，完成mems摩阻传感器表头结构的组装；
53.第四步、将封装盖板1手动安装到封装底座5上，通过x轴和y轴运动模组搬运到上视觉相机28正下方，到位后u轴运动模组下降通过上视觉相机28摄取封装盖板1表面圆孔图像，获取特征点坐标；手动取走封装盖板1，通过x轴和y轴运动模组封装底座5搬运到u轴运动模组正下方，到位后u轴运动模组对封装底座5进行定点点胶，点胶完成后u轴运动模组上升到初始位置；通过x轴和y轴运动模组将已组装的表头结构搬运到u轴运动模组正下方，到位后u轴运动模组下降通过上视觉相机28摄取浮动元件2测头圆台图像，获取特征点坐标，并与封装盖板1上表面圆孔的图像特征点坐标作差；通过x轴和y轴运动模组将已组装的表头结构搬运到z轴运动模组正下方，到位后z轴运动模组下降通过吸头39吸附表头结构并上升到初始位置；x轴和y轴运动模组依据坐标差值运动实现封装盖板1表面圆孔和浮动元件2
测头圆台对准，对准后z轴运动模组下降将表头结构贴装到封装底座5内，x轴、y轴和z轴运动模组回到初始位置，将封装盖板1手动安装到封装底座5上，完成mems摩阻传感器组装。
54.本实用新型的有益效果：
55.本实用新型中，本实用新型的mems摩阻传感器自动封装设备采用了专门的视觉定位模块、多轴精密运动模组和自动点胶模块。
56.本实用新型中，视觉定位模块采用了上下两个精密视觉相机，多轴精密运动模组包括水平面搬运的x轴和y轴运动模组、上下吸附搬运的z轴运动模组、点胶和视觉调焦的u轴运动模组。
57.本实用新型中，通过视觉精密定位和精密运动对准，实现了mems摩阻传感器的高精度自动组装、封装，对准精度可以达到1个像素(2μm)。
58.本实用新型中，mems摩阻传感器自动封装设备能够有效提高mems摩阻传感器组装、封装的一致性和精度，进而提升高超声速风洞模型表面摩阻测量试验的精准度。
59.本实用新型的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本实用新型的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本实用新型的精神，都在本实用新型的保护范围内。