面向復(fù)雜微裝配的宏微視覺單元*

徐 征，杜宏宇，楊一帆，王曉東，王彥琪，韓 剛

（大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116085）

0 引 言

微裝配是將多個不同尺度的微小零件精密集成的工藝過程。受異質(zhì)材料、不同結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)成本等因素影響，目前還很難通過成形制造流程完成多個微小單元的高度集成，慣性導(dǎo)航器件［1］、核聚變靶［2］、光學(xué)器件［3］、靈巧制導(dǎo)裝置［4］等復(fù)雜微小系統(tǒng)制造均需要微米級精度的微裝配技術(shù)。基于顯微視覺引導(dǎo)［5～8］的定位和操縱是實現(xiàn)微裝配任務(wù)的主要方法，視覺測量分辨率與定位操縱準(zhǔn)確性密切相關(guān)。

理論上，物鏡數(shù)值孔徑越大，顯微視覺成像的分辨率越高，但相應(yīng)的視野、景深和工作距離也隨之減小，有些裝配任務(wù)要在高分辨率下才能保證精度，而有些姿態(tài)調(diào)整則要在大視野條件下進行，以避免執(zhí)行器、鏡頭、工件之間的干涉碰撞。在這類工作場景下，如何兼顧顯微成像大視野和高分辨率就成為微裝配的突出問題。傳統(tǒng)上常采用動態(tài)調(diào)度高分辨率視覺單元位置多次拼接來解決這一矛盾，但對效率和精度均有影響。目前，解決上述問題主要采用多點成像和變倍成像兩類方法。

Lee S J等人［9］研制的顯微視覺采用多個相機采集同一區(qū)域內(nèi)的多幅圖像，利用低倍視覺在大視野內(nèi)搜索檢測對象確定其位置，再采取高倍視覺進行特征精確定位。Eisinberg A等人［10］采用多個視覺成像單元反饋信息，其中主成像單元負責(zé)反饋全局圖像，其他成像單元安裝在關(guān)鍵位置獲取局部精確定位信息，實現(xiàn)微鏡頭的精密裝配。Allegro S等人［11］搭建的微裝配系統(tǒng)中采用低分辨率和高分辨率結(jié)合以及由粗到精的定位方法，裝配的傳感器線圈精度達到25 μm。Chen W H等人［12］采用雙路顯微視覺，其中一路高分辨率成像視覺確定微零件的具體位置，另一路負責(zé)大視野下同時獲取多個零件的相對位置，使得光纖和U型槽的裝配位置誤差優(yōu)于5 μm。

為滿足零件多尺度檢測需求，Zhao H T 等人［13］建立了基于變倍鏡頭的視覺測量模塊。張娟等人［14～17］將變倍顯微鏡搭載在微裝配系統(tǒng)中，通過調(diào)整放大倍率使零件特征保持在視野范圍內(nèi)，采集從低倍到高倍的圖像，實現(xiàn)零件相對位姿的粗調(diào)和精調(diào)。應(yīng)用變倍鏡頭需要在多個倍率下進行標(biāo)定校準(zhǔn)，還要通過運動控制盡量減小變倍變焦誤差。

本文針對微裝配中顯微視覺成像大視野和高分辨率難以兼顧的問題，以無限遠成像為基礎(chǔ)，提出了集成宏-微并行成像的視覺單元，通過調(diào)配后端的鏡筒透鏡實現(xiàn)單物鏡雙通道變倍。仿真分析和測試了成像質(zhì)量。最后搭建了微裝配實驗平臺，通過光纖和微流控芯片流道對準(zhǔn)裝配實驗驗證了基于宏微成像單元實現(xiàn)微裝配的能力。

1 宏微視覺單元設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 宏微視覺單元設(shè)計與實現(xiàn)

無限遠顯微成像是指通過顯微物鏡的光線不在物鏡后端直接成像，而以平行光束形式進入后級鏡筒透鏡（成像透鏡），由鏡筒透鏡在像面上成像，由于物鏡不直接聚焦光線，就可以在物鏡與鏡筒透鏡之間插入光學(xué)元件調(diào)整光路，且不需要改變最終像面位置。無限遠成像的放大倍率計算公式為M＝ftube／fobj，其中，ftube為鏡筒透鏡焦距，fobj為物鏡焦距。

宏微視覺單元結(jié)構(gòu)如圖1 所示，在無限遠物鏡后端放置2 個分光鏡和1 個反光鏡，分光鏡1 將照明光引入物鏡，單色光經(jīng)準(zhǔn)直擴束后，經(jīng)分光鏡1 進入物鏡，匯聚到檢測對象后反射，反射后的光線經(jīng)過物鏡和分光鏡1 到達分光鏡2。分光鏡2 將光線分為兩束，分別通過鏡筒透鏡1 和鏡筒透鏡2 分別在2 個相機上成像。由于鏡筒透鏡1 和鏡筒透鏡2 焦距ftube不同，從而實現(xiàn)了宏微并行成像。

圖1 宏微視覺單元成像原理

1.2 設(shè)計指標(biāo)與光學(xué)器件選擇

根據(jù)實際裝配需要，設(shè)定宏微視覺單元設(shè)計指標(biāo)：分辨率＝1 μm，物方視野≥1.5 mm，工作距離≥30 mm，檢測精度≤5 μm，畸變≤1%。

根據(jù)宏微視覺分辨率1 μm 和工作距離大于30 mm 的要求，選擇fobj＝20 mm的長工作距離物鏡，所用光學(xué)器件參數(shù)如表1 所示。根據(jù)瑞利判據(jù)計算，微成像分辨率d＝0.991 μm，宏成像視野FN＝1.8 mm。其中，鏡筒透鏡和物鏡均可根據(jù)需求變化更換。此外，受限于微裝配的作業(yè)空間，這里沒有采用多物鏡塔式轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)。

表1 光學(xué)參數(shù)

利用Zemax軟件對宏微視覺單元成像光路仿真，建立光學(xué)模型，設(shè)置物方視野為2 mm，波長為455 nm，選擇光程差和畸變對成像質(zhì)量評價，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 像質(zhì)評價

由圖2 結(jié)果可知：宏成像的光程差為0.05 個波長，微成像的光程差為0.01波長，均小于1／4 波長。宏成像最大畸變率為0.63%，微成像最大畸變率為0.01%，均為枕形畸變。上述指標(biāo)滿足引導(dǎo)微裝配的顯微成像對像質(zhì)的要求。

1.3 成像單元搭建與測量精度測試

搭建宏微視覺單元如圖3所示。根據(jù)文獻［18 ～20］對宏微視覺單元參數(shù)進行標(biāo)定，標(biāo)定模板為1951 USAF 標(biāo)準(zhǔn)板，所用公式如下

圖3 宏微視覺單元

式中Sx和Sy為像素代表的實際尺寸；u0和v0為圖像中心；Zc為光心到圖像平面的距離；θ為Z軸轉(zhuǎn)角；Tx，Ty和Tz為相機坐標(biāo)系原點相對世界坐標(biāo)系原點3 個方向軸的平移參數(shù)。

標(biāo)定后，利用標(biāo)準(zhǔn)板對其分辨率進行初步測試。如圖3所示，微成像可以分辨線寬小于1 μm 的相鄰線對，即分辨率優(yōu)于1 μm。采用顯微鏡標(biāo)定板對其自動測量精度進行測試，特征點拾取方法為：1）Sobel算子計算梯度；2）取最大梯度點作為特征點；3）最小二乘法擬合直線。

分別選取標(biāo)準(zhǔn)板中的四組線對，每組測量10 次計算均值為線條測量長度，然后比對線條測量長度與測試板標(biāo)稱長度差異，計算其測量偏差和均方差如表2 所示。測量結(jié)果顯示：宏成像測量誤差小于1 μm，均方差小于0.3 μm；微成像測量誤差小于0. 5 μm，均方差小于0.2 μm。

表2 測量結(jié)果μm

2 基于宏微視覺單元定位與裝配實驗

為檢驗利用宏微視覺單元進行精密運動檢測和微裝配作業(yè)的效果，本文搭建了如圖4 所示的實驗平臺，除視覺單元外，還包括搭載視覺單元的顯微視覺進給模塊、零件調(diào)整模塊。顯微視覺進給模塊由三維精密滑臺和夾具組成。零件調(diào)整模塊主體由2 個精密滑臺和3 個精密轉(zhuǎn)臺組成的五軸零件調(diào)整模塊和Z軸單向零件調(diào)整模塊組成，實現(xiàn)待測或待裝配零件的姿態(tài)調(diào)整，其滑臺分辨率為2 μm。

2.1 定位實驗

選取標(biāo)準(zhǔn)板特定區(qū)域，控制精密滑臺移動給定距離，然后采集圖像和自動拾取特征點，計算特征偏移位置，并將像素數(shù)轉(zhuǎn)換為實際長度。定位實驗測量5 組數(shù)據(jù)，每組測量10次計算均值為檢測結(jié)果，通過比對精密滑臺實際移動距離和位置檢測結(jié)果，確定宏微視覺單元定位偏差。其中較長距離定位采用宏成像，短距離精確定位采用微成像。宏微視覺單元定位實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 精密定位實驗數(shù)據(jù)μm

實驗結(jié)果顯示，宏微視覺單元定位誤差小于2 μm，均方差小于1 μm。

2.2 微裝配實驗

宏微視覺單元引導(dǎo)的微裝配實驗，將待裝配零件固定在零件調(diào)整模塊，視覺進給模塊調(diào)整宏微視覺單元使零件進入視野。然后，通過宏微視覺單元的宏成像引導(dǎo)零件姿態(tài)對準(zhǔn)，微成像引導(dǎo)零件位置對準(zhǔn)。本文以微流控光纖芯片為對象進行了裝配實驗，此芯片將光纖與微流道連接以實現(xiàn)紫外光度檢測。微流控芯片的基片利用聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）制作，然后用玻璃蓋片封裝，所用光纖為單模光纖。

圖像處理過程為：1）對圖像高斯濾波和直方圖均衡；2）對圖像閾值分割，尋找輪廓，根據(jù)輪廓面積特征過濾零件以外的輪廓，得到興趣區(qū)域；3）在興趣區(qū)域采用Canny算子提取邊緣，然后通過聚類過濾干擾點；4）采用最小二乘法擬合直線。

微流控光纖芯片裝配過程如下：1）將微流控芯片固定在Z向單軸零件調(diào)整模塊，光纖固定在五軸零件調(diào)整模塊；2）調(diào)整進給模塊使芯片和光纖進入宏成像視野；3）調(diào)整視覺進給模塊Z軸對光纖聚焦，然后通過Z向零件進給模塊對微流控芯片上的流道聚焦；4）采集宏成像光路圖像，通過圖像計算光纖和芯片流道的相對角度，然后估計旋轉(zhuǎn)角度，調(diào)整轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)姿態(tài)對準(zhǔn)，如圖5（a）所示；5）采集微成像光路圖像，通過圖像計算光纖和芯片流道的相對位置，然后估計移動距離，調(diào)整滑臺實現(xiàn)位置對準(zhǔn)，如圖5（b）所示；6）通過Z向零件進給模塊調(diào)整微流控芯片，使得光纖和微流控芯片的Z向?qū)?zhǔn)，然后進行裝配連接，裝配的芯片效果如圖5（c）所示。

圖5 裝配實驗

3 結(jié) 論

本文基于無限遠成像原理研制了宏微視覺單元，實現(xiàn)了顯微視覺高分辨率和大視野并行成像，避免了使用變倍成像和多次拼接產(chǎn)生的誤差。在保證工作距離和視野的前提下，宏微視覺單元的測量特征尺寸的精度優(yōu)于0.5 μm；測量運動定位的精度優(yōu)于2 μm。利用研制的宏微視覺單元進行了微流控光纖芯片裝配，通過宏姿態(tài)調(diào)整和微位置對準(zhǔn)兩步操作，實現(xiàn)微光纖與微流道的精確連接，這表明研制的宏微視覺單元可以勝任同時需要高分辨率和大視野的復(fù)雜微裝配視覺引導(dǎo)任務(wù)。