專利名稱：一種視覺部件對位裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于測量物體空間位姿并使其定位的裝置，具體涉及一種視 覺部件對位裝置，用于機電產品自動生產過程裝配、封裝中部件的準確 對位。
背景技術：
在機電產品的自動化裝配過程中，通常需要采用自動控制的機械拾 取機構將部件(例如電阻、電容、集成電路、晶片等)從部件供應處 拾起，移送至安裝位，完成對位安裝。部件被吸取時，其位姿關系可能 是不確定的，因此需要獲取所抓取的安裝部件的相對位姿信息。當抓取 機構將部件按照指令參數移送至安裝位置時，由于移送機構的運動誤差， 或者是安裝位置本身的位置變化，需要進一步確定安裝位置的位置信息， 才能精確的依照安裝位置走向和元件朝向定位、安放元件，以實現部件 在安裝處的準確對位安裝。
在通常的應用中，自動設備拾取機構的操作方式(如吸附、粘附 等)以及部件本身的外形尺寸誤差容易造成部件被拾取后的相對位置關 系錯誤和偏差。因而， 一旦元件被拾起，必須做出一些位置修正，才能 保證被拾取的部件能夠精確的安裝到指定位置上。考慮到工件平面是定 義的x—y笛卡兒平面，而且拾取機構垂直于x—y平面在z軸方向運動， 可能產生三個方面的誤差Ax、 Ay和A0。誤差Ax、 Ay分別是元件 安裝位置沿x、y軸方向的偏差；誤差A e產生于部件在Z軸方向的旋轉。 目前已經有一些裝置被用來糾正吸嘴上的元件位置偏差。美國專利 4,615,093中，Tews等人設計的檢測裝置是采用投影，即發光器件將光 線投射在部件上，感光器件獲得的元件投影，協同已知的元件形狀，檢
3測器會計算出元件的準確的位置和旋轉度。隨著元件引腳的密度上升， 這個方法和裝置有局限性，如數目有限的光發射器件造成的分辨率不足、 體積過小的元件難以檢測等，特別是對倒裝焊元件，其定位往往是通過 它的凸點或底部圖案來確定，而這些特征是很難用光投影的方式獲取， 通常需要采用電子攝像機抓取特征圖像。
當前許多設備采用部件檢測裝置是以電子攝像機為傳感器，獲取部 件位置信息時將電子攝像機安放到拾取工位與安裝工位之間一個固定的
位置。工作臺支撐的吸嘴平臺可使吸嘴上元件沿平面(x、 y坐標方向) 移動，吸嘴本身可沿著與x、 y平面垂直的z軸運動。當吸嘴吸起一個元 件，從拾取工位運動到固定的攝像機處，視覺系統即通過安裝在下方的 攝像頭獲取元件的位置、方向以及與設定值的差別。根據視覺系統采集 的圖像計算出的信息使吸嘴旋轉，同時調整位置偏移，當吸嘴到達安裝 工位的上方，吸嘴伸長并且真空供應中斷，元件被放置到要求的位置上。 這種系統要求吸嘴平臺從拾起元件處到視覺系統固定位置，再到安放元 件處，而不是直接從拾起元件處到安放元件處，多余的路程降低了生產 速度。另外，上述裝置在部件檢測時，往往需要停止或者減低運動速度 以獲取穩定可靠的測量圖像，因而影響工作效率。
發明專利200410017706.5提供的"基于反射式飛行視覺方法的部件 定位器"，由運動機構、操作機構、圖像采集系統、鏡頭固定調節機構以 及反射鏡組成，其中，操作機構安裝在與運動機構支架固定的支撐板上， 運動機構可以沿X-Y方向移動，支撐板與之隨動；操作機構的執行部件 可以沿Z向上下運動，并可沿Z向做旋轉運動。電子攝像機與鏡頭通過 接口旋合在一起，通過固定調整機構將鏡頭及電子攝像機固定于支撐板 上，可與操作機構隨動；電子攝像機和支撐板固定在一起，都面向安裝 工作臺，通過反射鏡來獲取操作機構拾取頭上芯片的底部圖像信息。當 拾取頭將部件輸送至安裝位的過程中，電子攝像機可相對靜止地通過反
4射鏡獲取部件底部圖像，中間沒有多余的路程，也不需要停頓，因此該 裝置可提高設備的工作效率。其特點是1、反射鏡由兩塊呈卯度夾角 的平面反光鏡組合而成，或者是一塊兩個垂直表面上鍍上反射膜的三棱 鏡；2、反射鏡不與攝像頭隨動，而是固定于某個位置，工作時要求吸
嘴攜部件從其上面越過；3、電子攝像機與操作機構拾取頭一樣，在工作 平臺面上方垂直向下放置。該專利中不論是直接對安裝位，還是反射的 部件底面，成像都沒有透視失真。
上述裝置都僅僅是針對貼裝部件的檢測與校正，而實際應用中通常 還需要對貼裝的位置檢測和精確定位，采取的辦法是采用另一套視覺檢 測裝置專門對貼裝位置檢測，檢測完成后移開，并傳送校正后的位置關 系給部件拾取機構，拾取機構再來完成安裝任務。這種兩套視覺檢測機 構的方式無疑會增加設備的成本和復雜性，同時兩套機構串行工作，需 要有避讓措施以防止碰撞，而兩套不同運動機構的動態誤差也會降低貼 裝的精度。
如Karl & Suss公司的FC250等一些高精密的設備，采用了一套視覺 檢測系統和特殊設計的雙向光路，當拾取機構將部件移送至貼裝位附近 上方的時候，將該視覺檢測機構放置在貼裝部件與貼裝位之間，雙向光 路將部件圖像和安裝位圖像同時送至采集處理器，然后檢測裝置移開， 操作機構根據計算的兩者間偏差引導完成校正和貼裝。由于每次對位貼 裝前都需要放置和移開視覺檢測機構，操作機構則需等待檢測操作完成 后才能進行下一步操作，其工作效率受到很大限制。
發明內容
本發明提供一種視覺部件對位裝置，解決現有裝置僅能夠單向識別 或者僅能夠串行定位的不足，以實現對部件及其安裝位雙向識別和隨動 并行定位。
5本發明的一種視覺部件對位裝置，包括運動機構、操作機構、電子
攝像機、鏡頭固定調節機構和光路系統，運動機構能夠沿X-Y方向移動， 操作機構安裝在與運動機構支架固定的支撐板上，操作機構的執行部件
沿Z方向上下運動，并可沿Z方向做旋轉運動；電子攝像機與鏡頭通過 接口旋合在一起，通過固定調整機構固定于支撐板上；其特征在于
所述光路系統由斜置反射鏡組和平置反射鏡平臺兩部分組成，斜置
反射鏡組固定安裝在支撐板上，包括兩片互相平行、與水平面成45°角 的斜置反射鏡；平置反射鏡平臺與水平面平行，設置于部件供應機構和 部件安裝工作臺之間的位置。
所述的視覺部件對位裝置，其特征在于
所述斜置反射鏡組包括左斜置反射鏡、右斜置反射鏡、左微調器、 右微調器、部件光源和安裝位置光源，左斜置反射鏡和右斜置反射鏡互
相平行、與水平面成45。角，裝設于安裝框架上；左微調器、右微調器
裝設于安裝框架兩端，分別用于調節左斜置反射鏡、右斜置反射鏡的傾
斜角度；部件光源和安裝位置光源裝設于安裝框架上，其中部件光源出 射方向向上，用于對操作機構上部件的照明，安裝位置光源出射方向向 下，用于對安裝位置的照明。
所述的視覺部件對位裝置，其特征在于
所述平置反射鏡平臺由平置反射鏡、安裝板和安裝座組成，平置反 射鏡粘接在安裝板上，再通過螺釘安裝到安裝座上。
本發明采用一套電子攝像機和一組多反射鏡光路系統同時完成對部 件以及安裝位置的雙向圖象采集，光路系統的反射鏡位姿一旦調整合適， 可實現對部件和安裝位的穩定成像。與支撐板隨動的電子攝像機和光路系統協同工作，可實現對所拾取部件底部的圖象采集時，工作機構不需要 停止或者改變路徑，從而在操作過程中完成了對部件位姿信息的獲取， 節省了系統工作時間。
電子攝像機可在不影響操作機構移動、拾取、安裝、部件旋轉等運 動功能的條件下實現雙向的圖像信息采集處理，即可實現操作和檢測的 并行執行。
本發明可實現對一個部件在移送過程中進行其底面的視覺檢測；還 可在部件到達安裝位時，對部件擬定安裝的位置進行檢測，以引導部件 在安裝位置實現正確裝配，即一套裝置可完成兩個方向的視覺檢測。同 時該裝置安裝在部件的移送機構上，并與移送機構的移動和部件操作不 產生干涉。即可實現部件操作和檢測的并行操作。
本發明用一套視覺系統完成對吸取機構上安裝部件，以及工作臺上 安裝位的視覺測量，對移動部件吸嘴上的待檢測安裝部件可以在操作機 構的移動過程中進行，不需要停留在某個固定位置；并且該視覺系統到 達安裝位附近時，對安裝位的檢測、位置偏移量調整、以及安裝操作可 在視覺系統的監視下同步進行，本發明在視覺系統的雙向檢測過程中對 操作機構的拾取、移動、校正和貼裝等運動過程不產生任何干涉；無需 停頓、或者插入安裝部件和安裝位之間，從而降低了系統運動控制的復 雜性，同時本發明的信息獲取和處理的時間可與操作并行執行，從而可 提高設備的運行效率。
本發明在移動過程中保證圖像成像穩定、可靠，結構簡單、易實現。
圖1為本發明組成結構示意圖，圖中運動機構支架1、電子攝像 機2、支撐板3、操作機構4、斜置反射鏡組5、部件6、部件供應機構7、 平置反射鏡平臺8、部件安裝工作臺9、鏡頭固定調整機構IO、鏡頭ll;
7圖2為斜置反射鏡組5的俯視圖，圖中左微調器12、右微調器13、
左斜置反射鏡14、右斜置反射鏡15、安裝框架16、部件光源17、安裝位
置光源18;
圖3為平置反射鏡平臺8的俯視圖，圖中安裝座19、安裝板20、
平置反射鏡21;
圖4(a)、圖4 (b)為本發明多反射鏡光路原理示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明由X-Y運動機構、部件拾放操作機構、CCD電 子攝像機、鏡頭及其固定調節機構、以及由斜置反射鏡組和平直反射鏡 構成的一組光路組成。其中，可真空吸附或粘附部件的操作機構4安裝 在與運動機構支架1固定的支撐板3上，運動機構可以沿X-Y方向移動， 支撐板3與之隨動；操作機構4的執行部件可以沿Z向上下運動，并可 沿Z向做旋轉運動。CCD電子攝像機2與光學鏡頭11通過接口旋合在一 起，通過鏡頭固定調整機構10將鏡頭11和電子攝像機2固定于支撐板3 上，可與支撐板3隨動；由鏡頭固定調整機構10可通過螺紋調節鏡頭11 至實際實際成像物距，即使部件安裝位經反射鏡光路到鏡頭11的距離等 于鏡頭11的物距，則CCD電子攝像機2能夠獲得清晰的部件安裝位置 圖像信息。操作機構4拾取部件6后，沿Z向移動到某一成像位置，在 該成像位置可使部件6底部經成像光路到鏡頭11的距離等于鏡頭11的 物距，則CCD電子攝像機2能夠獲得清晰的部件6底部圖像信息。成像 光路系統由斜置反射鏡組5和平置反射鏡平臺8兩部分組成，斜置反射 鏡組5固定安裝到支撐板3上，與之隨動，其中安裝有左斜置反射鏡和 右斜置反射鏡。
如圖2所示，斜置反射鏡組5包括左微調器12、右微調器13、左斜 置反射鏡14、右斜置反射鏡15、部件光源17和安裝位置光源18。左斜
8置反射鏡14和右斜置反射鏡15互相平行、與水平面成45°角，裝設于 安裝框架16上；左微調器12、右微調器13裝設于安裝框架16兩端，通 過螺旋微調分別調節左斜置反射鏡14、右斜置反射鏡15的傾斜角度；由 LED組成的部件光源17和安裝位置光源18裝設于安裝框架16上，其中 部件光源17的裝設應使其出射光方向向上，對準操作機構上拾取的部件 底部，安裝位置光源18的裝設應使其出射光方向向下，用于對安裝位置 的照明。
如圖3所示。平置反射鏡平臺8由平置反射鏡21、安裝板20和安裝座 19組成，平置反射鏡21粘接在安裝板20上，再通過螺釘安裝到安裝座19 上。平置反射鏡平臺8布置于部件供應機構7與部件安裝工作臺之間，并 通過螺釘調節使之與運動機構的移動平面保持平行關系，以保證運動機 構經過平置反射鏡21平面不同位置時成像光路的行程保持不變，則圖像 穩定。
本發明多反射鏡光路原理如圖4(a)、圖4 (b)所示。支撐板3上的操作 機構4拾取部件6后，運動經過平置反射鏡平臺8上方時，通過光路反射， 部件6的底部圖像信息可被采集至電子攝像機2中，CCD電子攝像機的圖像 采集需要一段曝光時間，則要求平置反射鏡21有足夠的反射面積，使得 運動機構經過平置反射鏡21時，無需停止即可獲取穩定的部件底部圖像 信息，如圖4(a)所示。操作機構4移動到安裝工作臺9上方部件待安裝的 位置附近停止，電子攝像機2獲取安裝位置的圖像信息，經處理后的獲取 的安裝位置坐標信息可引導操作機構4完成對準安裝。如圖4(b)所示。
本發明的工作流程為
(1) 運動機構支架1拖動支撐板3及其所屬附件移動到部件供應機構 7上方，操作機構4沿Z方向向下運動，拾取部件6，再反向縮回至安全位置，
并保持靜止狀態。
(2) 運動機構支架1拖動支撐板3及其所屬附件向安裝工作臺9方向
9移動，經過平置反射鏡平臺8上方時，部件光源17和電子攝像機2開始工 作，圖像信息經過平置反射鏡21和左斜置反射鏡14、右斜置反射鏡15、 鏡頭11等，進入電子攝像機2。此時運動機構仍保持移動狀態，但圖像采 集的光路結構未發生變化，則可獲取穩定的部件底部圖像信息，經圖像 處理后可得到操作機構4上拾取的部件6的相對位置與角度姿態。
(3) 運動機構支架1拖動支撐板3及其附屬附件繼續移向部件安裝工 作臺9上方待安裝位置，在移動過程中，操作機構4可根據步驟(2)中獲 取的部件6位姿信息做繞Z向的旋轉運動，以矯正部件6的角度偏差。
(4) 運動機構支架1拖動支撐板3及其附屬附件到達部件安裝工作臺 9上方待安裝位置時，運動機構支架l停止運動。安裝位置光源18和電子 攝像機2開始工作，圖像信息經過左斜置反射鏡14、右斜置反射鏡15、鏡 頭11等，進入電子攝像機2，經圖像處理后可獲得安裝位置相對部件的位 置信息。
(5) 運動機構支架1拖動支撐板3及其附屬附件做位置調整，同時， 操作機構4沿Z方向向下運動將部件準確放置在安裝位上。
(6) 操作機構4沿Z向向上回到安全位置，運動機構支架l拖動支撐 板3及其附屬附件向部件供給機構7方向移動，重復上述過程。
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權利要求
1. 一種視覺部件對位裝置，包括運動機構、操作機構、電子攝像機、鏡頭固定調節機構和光路系統，運動機構能夠沿X-Y方向移動，操作機構安裝在與運動機構支架固定的支撐板上，操作機構的執行部件沿Z方向上下運動，并可沿Z方向做旋轉運動；電子攝像機與鏡頭通過接口旋合在一起，通過固定調整機構固定于支撐板上；其特征在于所述光路系統由斜置反射鏡組和平置反射鏡平臺兩部分組成，斜置反射鏡組固定安裝在支撐板上，包括兩片互相平行、與水平面成45°角的斜置反射鏡；平置反射鏡平臺與水平面平行，設置于部件供應機構和部件安裝工作臺之間的位置。
2. 如權利要求1所述的視覺部件對位裝置，其特征在于-所述斜置反射鏡組包括左斜置反射鏡、右斜置反射鏡、左微調器、右微調器、部件光源和安裝位置光源，左斜置反射鏡和右斜置反射鏡互 相平行、與水平面成45。角，裝設于安裝框架上；左微調器、右微調器 裝設于安裝框架兩端，分別用于調節左斜置反射鏡、右斜置反射鏡的傾 斜角度；部件光源和安裝位置光源裝設于安裝框架上，其中部件光源出 射方向向上，用于對操作機構上部件的照明，安裝位置光源出射方向向 下，用于對安裝位置的照明。
3. 如權利要求1或2所述的視覺部件對位裝置，其特征在于 所述平置反射鏡平臺由平置反射鏡、安裝板和安裝座組成，平置反射鏡粘接在安裝板上，再通過螺釘安裝到安裝座上。
全文摘要
一種視覺部件對位裝置，屬于測量物體空間位姿并使其定位的裝置，解決現有裝置僅能夠單向識別或者僅能夠串行定位的不足，以實現對部件及其安裝位雙向識別和隨動并行定位。本發明包括運動機構、操作機構、電子攝像機、鏡頭固定調節機構和光路系統，運動機構能夠沿X-Y方向移動，操作機構安裝在與運動機構支架固定的支撐板上，操作機構的執行部件沿Z方向上下運動，并可沿Z方向做旋轉運動；電子攝像機與鏡頭通過接口旋合在一起，通過固定調整機構固定于支撐板上；所述光路系統由斜置反射鏡組和平置反射鏡平臺兩部分組成，斜置反射鏡組固定安裝在支撐板上，包括兩片互相平行、與水平面成45°角的斜置反射鏡；平置反射鏡平臺與水平面平行，設置于部件供應機構和部件安裝工作臺之間的位置。可使得部件在安裝過程中的視覺對位檢測與裝配過程同時進行，提高了安裝操作的準確性和效率。
文檔編號G01B11/00GK101487693SQ200910060748
公開日2009年7月22日 申請日期2009年2月13日 優先權日2009年2月13日
發明者尹周平, 張少華, 波 熊, 熊有倫, 王瑜輝 申請人:華中科技大學