基于机器视觉的微小型零件精密装配研究

论文摘要

在精密微小型器件与系统产品制造中,需组装零件的尺寸一般包括零点几个毫米到十几个毫米之间,装配精度要求高。目前,装配作业一般是由熟练操作人员在显微镜下手工完成,生产效率和成品率较低,产品的一致性较差,并且对操作人员有较高的技能要求。随着对产品性能、质量稳定性的要求和产量需求的不断提高,手工装配难以适应。基于视觉的装配系统以其柔性化装配的特点在提高装配精度、保证产品质量稳定性以及提高生产率等方面,都显示出极大的优越性。在微小型零件视觉装配系统中,视觉部分的主要任务是对微小对象进行识别、测量和定位,即在一定的精度要求下获取目标物体的距离、形状、位置、姿态等信息。本文面向精密、复杂微小型器件与系统产品的自动化、批量制造,以及为提高产品的质量和一致性,研制了基于机器视觉的微小型零件装配系统。所研制的系统解决了某小型产品装配中的关键问题,其中包括待装配的零件尺寸相差大、形状和特征多样、表面质量差别较大、需要同时保证组装的位置精度和形位公差等典型问题。微小型零件自动组装系统包括四个功能子系统:人机交互的计算机控制子系统、视觉子系统、夹持操作子系统、回转工作台子系统。设计了视觉子系统和编写了完整的系统控制程序。其中视觉子系统的硬件组成包括三轴精密运动平台、工业数字摄像机和远心镜头。首先,视觉系统采集目标零件图像,并对图像做预处理,包括平滑滤波、增强、二值化、数学形态变化、图像拼接等;然后通过边缘提取、闭合轮廓搜索、模板匹配等方法对目标零件进行识别,采用最小包围矩形法以及具有亚象素精度的区域质心和主轴的定位方法获得零件的位姿;最后通过空间坐标转换获得操作机械手的运动信息,控制机械手完成五个不同微小零件的精密装配。实验表明所研制的系统在满足装配精度的同时,提高了产品的一致性和生产效率,降低了对操作人员的要求和工作强度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 精密装配与微装配概述
• 1.1.1 精密装配作业
• 1.1.2 微装配技术
• 1.2 机器视觉技术
• 1.3 基于机器视觉的装配技术发展现状
• 1.4 论文课题背景与来源
• 1.5 论文主要研究工作
• 2 微小型零件装配系统的组成及实现
• 2.1 微小型零件装配的具体要求
• 2.1.1 零件装配的形位精度要求
• 2.1.2 装配系统设计的难点
• 2.2 装配系统的总体设计
• 2.2.1 装配系统的控制方式
• 2.2.2 装配策略的设计
• 2.2.3 装配系统的精度分析
• 2.3 装配系统的总体结构
• 2.3.1 人机交互控制子系统
• 2.3.2 视觉子系统
• 2.3.3 夹持操作子系统
• 2.3.4 回转平台子系统
• 2.4 装配系统控制软件总体设计
• 2.5 本章小结
• 3 零件识别定位的方法及实现
• 3.1 目标零件的识别
• 3.1.1 图像预处理
• 3.1.2 图像阈值分割
• 3.1.3 图像形态学处理
• 3.1.4 边缘提取
• 3.1.5 闭合轮廓提取
• 3.2 目标零件的定位
• 3.2.1 基于模板匹配的定位法
• 3.2.2 形心、灰度重心以及主轴的定位法
• 3.2.3 圆的最小二乘拟合定位法
• 3.2.4 最小包围矩形的定位法
• 3.3 待装配零件的定位算法的实现
• 3.4 本章小结
• 4 微小型零件装配系统的标定方法及实现
• 4.1 摄像机标定
• 4.1.1 摄像机成像模型
• 4.1.2 线性标定
• 4.1.3 非线性标定
• 4.2 装配系统的标定及软件实现
• 4.2.1 设备坐标系统的组成及转换关系
• 4.2.2 装配系统的标定方法
• 4.2.3 标定方法的软件实现
• 4.3 本章小结
• 5 微小型零件装配系统的实验及结果
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢