自動微裝配系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、微裝配技術(shù)已成為生產(chǎn)具有復(fù)雜三維幾何結(jié)構(gòu)和由不同材料制造的微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-electro-mechanical system，MEMS）的重要手段。受機(jī)械手定位精度的限制，微裝配需要視覺和力的反饋控制才能實現(xiàn)。然而，在這種通過視覺和力反饋才能實現(xiàn)的微裝配中存在的一些問題一直限制了微裝配系統(tǒng)的裝配精度和裝配效率。首先，如何快速獲取清晰的多維高分辨率的視覺反饋信息一直是微裝配系統(tǒng)中的難點。其次，在微夾鉗上集成實現(xiàn)力反饋的微力傳感器是

2、困難的。因此，合理配置微裝配系統(tǒng)中的顯微視覺系統(tǒng)（Microscopic vision system, MVS），提高自動調(diào)焦精度和效率和建立有效的微力傳感及控制方法是微裝配系統(tǒng)能自動、快速和精確地實現(xiàn)裝配任務(wù)時必須解決的問題，開展這方面的研究具有重要學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用前景。
　　為解決上述問題，根據(jù)建立的顯微視覺系統(tǒng)的視覺可分辨能力模型和視場空間模型，提出了一種用于權(quán)衡雙目顯微視覺系統(tǒng)的視覺可分辨能力和視場空間的顯微視覺系統(tǒng)Pa

3、reto優(yōu)化方法；通過將調(diào)焦評價函數(shù)曲線以峰值為界分為左右兩條獨(dú)立的調(diào)焦評價函數(shù)曲線及將最佳聚焦位置看做這兩條獨(dú)立的調(diào)焦評價函數(shù)曲線的交點，提出了一種基于雙側(cè)預(yù)測求交的自動調(diào)焦方法；建立了夾持力與微夾鉗夾爪角度變化量正切之間的關(guān)系，提出了夾持力的顯微視覺伺服控制方法。
　　本文的主要研究工作和創(chuàng)新點可以歸納為以下五個方面：
　　1．建立了一個單操作手5自由度自動微裝配系統(tǒng)，為自動微裝配系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究提供了技術(shù)支撐和實驗條

4、件。分析了壓電致動微夾鉗的位移和夾持力特性，建立了夾持力與壓電致動微夾鉗夾爪角度變化量正切的關(guān)系。
　　2．為計算雙目顯微視覺系統(tǒng)的視場空間的相交體積，建立了雙目顯微視覺系統(tǒng)的相交視場空間模型。提出了一種顯微視覺系統(tǒng)的Pareto優(yōu)化方法權(quán)衡自動微裝配系統(tǒng)中的雙目顯微視覺系統(tǒng)的視覺可分辨能力和相交視場空間，優(yōu)化雙目顯微視覺系統(tǒng)的拓?fù)潢P(guān)系和光學(xué)放大倍數(shù)。通過在視覺可分辨能力模型和相交視場空間模型基礎(chǔ)上建立的多目標(biāo)函數(shù)和“Pareto

5、優(yōu)化”原理，獲得表征權(quán)衡雙目顯微視覺系統(tǒng)的視覺可分辨能力性能和相交視場空間性能之間的關(guān)系的Pareto最優(yōu)曲線（即Pareto前沿）。根據(jù)Pareto前沿，雙目顯微視覺系統(tǒng)的拓?fù)潢P(guān)系和光學(xué)放大倍數(shù)能夠被確定。
　　3．為實現(xiàn)自動微裝配過程中的自動調(diào)焦，提出并研究了一種雙側(cè)預(yù)測求交自動調(diào)焦方法。該方法將調(diào)焦評價函數(shù)曲線以峰值為界分為左右兩條獨(dú)立的調(diào)焦評價函數(shù)曲線，最佳聚焦位置看作是這兩條獨(dú)立的調(diào)焦評價函數(shù)曲線的交點。這種自動調(diào)焦方法

6、的調(diào)焦精度和調(diào)焦效率被測試并與7點爬山法和雙曲線擬合方法的調(diào)焦精度和調(diào)焦效率進(jìn)行了比較。
　　4．為避免在夾持過程中損傷或丟失零件，根據(jù)建立的夾持力與微夾鉗夾爪角度變化量正切之間的關(guān)系，提出了夾持力顯微視覺伺服控制方法。應(yīng)用基于輪廓點余弦值的角點提取方法，根據(jù)設(shè)定的輪廓點余弦值閾值，提取零件輪廓上的角點和融合圖像中零件之間的分界點。研究了基于圖像的顯微視覺伺服控制方法，設(shè)計了基于圖像的顯微視覺伺服控制的PID（Proportion

7、 Integration Differentiation）控制器。在建立的自動微裝配系統(tǒng)上，用零件和夾爪位置及夾爪間距控制實驗測試了基于圖像的顯微視覺伺服控制方法，用夾持力的控制實驗測試了夾持力顯微視覺控制方法。
　　5.為實現(xiàn)微型金屬圓柱腔的自動對準(zhǔn)和堆疊，規(guī)劃了這個微裝配任務(wù)的裝配序列。在構(gòu)建的自動微裝配系統(tǒng)上，測試并完成了微型金屬圓柱腔的自動對準(zhǔn)和堆疊任務(wù)。
　　本文的研究工作對自動微裝配系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計具有重要的指導(dǎo)