一種部件軸向對心檢測裝置的成像系統的制作方法

專利名稱：一種部件軸向對心檢測裝置的成像系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于機器視覺的成像系統，具體涉及一種部件軸向對心檢測 裝置的成像系統，可用于機電產品自動生產、裝配、調試中對兩個針狀 部件軸向準確對心的檢測。
背景技術：
在機電產品的機械調整中，經常需要將空間兩個針狀物體的軸線調 整至重合，即對心。例如在電子封裝設備芯片拾取操作中，頂針將芯片 從硅盤上頂起，吸嘴沿頂針軸向從頂針的頂部將頂起的芯片吸起。這個 過程中，如果頂針的中心和吸嘴的中心不重合，將導致芯片側翻或者掉 落。為此，在安裝調整中，應盡量保證頂針與吸嘴有較高的對心準精度。 由于吸嘴和頂針的尺寸通常在1毫米或更小，單憑人的肉眼觀察，很難 滿足對心精度的要求。
在許多情況下，通過機械配合實現對心，如銷和孔、鍵和鍵槽的配
合，例如，中國專利ZL200820009011.6，陳連宗發明的加工機第二主軸 或軸尾座對心調校裝置，包含一個移位單元和兩個側推單元，移位單元 安裝在基座與軸體的相對表面間，包含導塊和滑槽等結構，兩個側推單 元分別安裝在異于導塊樞接端的軸體兩側，操作者可以先利用側推單元 調節軸體的偏位角度后，再利用移位單元調整軸體的位置，使第二主軸 的軸線對應第一主軸的軸線。該發明將對心偏差分解為角度偏差和位移 偏差，解除了耦合關系，這種利用機械配合實現對心的方式，操作方便， 但其缺陷是(1)需要將調整裝置與設備作為一體；(2)需要人眼或 借助其它的觀察工具觀察偏差。因為電子封裝設備中待對心的結構是高速高精運動部件，結構復雜，如果再在其中添加對心裝置，會導致設備 結構更加復雜，可靠性降低，因此這種依靠機械配合的對心方式不適用 于結構復雜的電子封裝設備。
Karl & Suss公司的FC250等一些高精密的設備中，對心操作常常采 用特殊設計的雙向光路視覺檢測系統，雙光路系統由一系列平面鏡組和 分光鏡組成，三個與水平方向成45。的平面鏡將上下兩待對心針狀物體 軸向圖像轉移至水平方向，與水平方向成45。放置的分光鏡將以上兩個 圖像同時成像。這種視覺檢測系統是獨立于設備本身的。在對心操作時， 檢測裝置和雙光路系統必須放置在兩個待對心的物體之間，檢測裝置沿 著待對心針狀物體軸向觀察；電子攝像機通過雙向光路系統同時采集兩 個物體的位置信息，并顯示在一幅圖像上。根據圖像中兩物體中心的偏 差可調整位置，提高對心精度。然而，這對于兩個針狀物體軸向對心存 在以下問題首先，這套檢測裝置和雙光路系統必須放置在待對心的兩 個物體之間，那么兩物體之間要有足夠的距離和空間，空間狹小的情況 下，該裝置無法使用；其次，對心檢測裝置置于兩物體中間，對兩物體 的對心操作產生干涉，當裝置獲取對心偏移圖像后，需要移開才能完成 對心操作，這種遠距離的對心過程受機械精度影響，在兩物體對心距離 移近后會降低精度；第三，這種面向對心點的成像方式，在目標是針狀
物體的針尖截面時，相對于復雜的背景圖像，對心目標太小，圖像處理 困難，難以保證對心精度。
利用雙目視覺原理可檢測兩個針狀物體空間軸向對心，即可在垂直 于軸線平面內，從兩個不相互平行的方向上觀察，獲取兩針狀物體空間 的位置關系，調節物體位置關系，可使兩物體軸線重合，即可完成空間
的對心。這種方法可能存在的問題是從任意兩個不相互平行的方向觀 察，在一個成像方向上，使兩物體的軸線圖像重合后，當繼續調節，使另一個成像方向的軸線圖像重合時，前一成像方向重合的像可能又不重 合，即兩個方向的像之向存在耦合關系，調節過程繁瑣。

發明內容
本發明提供一種部件軸向對心檢測裝置的成像系統，解決現有裝置 的成像系統所存在的結構復雜、操作繁瑣、精度不佳、影響兩物體的對 心操作問題，可用于兩個針狀物體在三維空間的軸向精確對心。
本發明的一種部件軸向對心檢測裝置的成像系統，包括底座、支撐 臂、圖像采集單元、平面鏡和光源；其特征在于
支撐臂位于底座上，并能夠在豎直方向相對于底座上下調節； 圖像采集單元包括電子攝像機和光學鏡頭，二者通過接口旋合在一
起，再通過固定支架固定連接于支撐臂一端；平面鏡和光源通過各自的 安裝板與連接于支撐臂另一端的同一支座固定；光學鏡頭、平面鏡和光 源三者的幾何中心處于同一平面；平面鏡與電子攝像機的成像平面呈45 °角；光源出射光線與電子攝像機的成像平面平行。
所述的成像系統，其進一步特征在于
所述光源為矩形平板背光光源，工作時待對心的兩個針狀物體位于 背光光源和平面鏡之間，背光光源出射光線方向垂直于光學鏡頭的軸線， 其中一部分光線經過與鏡頭軸線呈45度角的平面鏡反射，沿鏡頭軸線射 出。
當需要檢測兩個針狀物體在空間的對心情況時，將本發明支撐臂設 置于和兩針狀物體軸向(Z向)垂直的平面(X-丫)上，將兩針狀物體置 于光源和平面鏡之間，調節支撐臂的高度，使兩針狀物體的對心點都進入電子攝像機的成像視野中。調整支撐臂上平面鏡和兩物體對心點間的 位置關系，使對心點在平面鏡上的像也能進入電子攝像機成像視野中； 這樣，采集的圖像中包括了空間兩物體針狀對心點的投影，以及經平面 鏡反射過來的空間兩物體針狀對心點的側面投影，兩投影分別代表X-丫 兩個相互垂直方向的像；每個投影反映了 X-Z和丫-Z平面上的偏差X、 Y， 同時可以計算兩對心點豎直方向偏差Z。因此，可通過圖像處理系統，計 算出X-丫-Z三維對心的偏差。
圖像處理系統由計算機和圖像處理軟件組成，通過數據線聯接至圖 像采集單元的電子攝像機，可對電子攝像機采集的圖像分析處理。
上述獲得的偏差為笛卡爾正交坐標系下的偏差，待對準物體調節坐 標系為笛卡爾正交坐標系。如兩坐標系平行，則調整時兩投影方向間耦 合關系解耦。為了便于根據獲得的兩物體間垂直方向偏差數據實現自動 化或半自動化調節，使測得X、 Y、 Z三個方向的偏差即為實際物體調節 坐標系的偏差，放置視覺對心裝置時，使電子攝像機軸線方向與物體的 一個調節方向平行。
電子攝像機的光學鏡頭可以選擇適當光學放大倍數，通過對對心位 置的局部影像放大提高偏差測量的精度。
本發明基于正交雙光路系統，從垂直兩物體軸線平面進行對心視覺 觀察和檢測，直接從一個方向取到兩針狀物體的像，同時，通過平面鏡 的反射獲取另一方向上兩針狀物體的像，能在一個固定位置對待對心兩 針狀物體的空間三維的偏差，包括軸線Z方向、以及在與軸線垂直平面 內X-丫向的偏差成像；其測量的三維偏差相互正交。它獨立于待對心的 兩針狀物體，不影響兩對心針狀物體的空間結構及其操作過程。光路部 分無需過多調節、變換，電子攝像機可同時呈現物體兩垂直方向的圖像， 操作簡單。
6本發明采用背光照明方式，可清晰獲得兩針狀物體外圍輪廓信息， 提高獲取圖像的質量，方便后期的圖像處理，提高兩物體偏差測量精度， 從而提高對心精度。
本發明的后續處理可使用圖像處理軟件對圖像進行處理，自動獲取
兩針狀物體三個方向(X-Y-Z)實際偏差，根據偏差，既可以手動實現對 心，也可以自動實現對心，使設備調試智能化、簡單化。


圖l為本發明的結構示意圖； 圖2為本發明的俯視圖3為對心方案原理圖及其光源光線示意圖； 圖4為本發明獲取的圖像示意圖。
具體實施例方式
如圖l、圖2所示，待對心的第一針狀物體l，待對心的第二針狀物 體2， 一般情況下，它們的體積非常細小，為了表示方便，圖中相對放大； 圖1中豎直箭頭表示裝置高度調節方向，空間直角坐標箭頭表示待對心 針狀物體可調節方向。
本發明包括底座ll、支撐臂5、圖像采集單元、平面鏡單元和光源 單元；支撐臂5位于底座11上并能夠在豎直方向相對于底座上下調節；
圖像采集單元包括電子攝像機4和光學鏡頭3， 二者通過接口旋合在 一起，再通過固定支架6固定連接于支撐臂5—端；平面鏡8和光源12 分別通過平面鏡安裝板9和光源安裝板7與連接于支撐臂5另一端的同 一支座10固定；光學鏡頭3、平面鏡8和光源12三者的幾何中心處于 同一平面；平面鏡8與電子攝像機4的成像平面呈45。角；光源2出 射光線與電子攝像機4的成像平面平行。為突出物體外心輪廓特征，獲得待對心物體準確的位置信息，光源
12為一矩形平板背光光源，其內部裝有高密度LED光源陣列。
如圖3所示，工作時待對心的第一針狀物體1、第二針狀物體2位于 背光光源12和平面鏡8之間，背光光源12出射光線方向垂直于光學鏡 頭的軸線，其中一部分光線經過與鏡頭軸線呈45度角的平面鏡8反射， 沿鏡頭軸線射出。圖中，待對心兩物體之間的距離L，距離L的水平方向 偏差X，距離L豎直方向偏差Y;圖中右上角為平面鏡8所成的虛像，其 中，第一針狀物體的像l'，第二針狀物體的像2'。
一般情況下，兩針狀物體中至少有一物體可在空間沿三個相互垂直 方向調節，圖1所示的空間直角坐標箭頭表示待對心的第一針狀物體1 的可調節方向。為了便于根據獲得的兩物體間X-Y垂直方向，以及Z豎 直方向的偏差數據，使測得X、 Y、 Z三個方向的偏差即為實際物體調節 坐標系的偏差，實現自動化或半自動化調節，放置視覺對心裝置時，使 電子相機軸線方向與待對心物體的一個調節方向平行。
鑒于待對心物體形狀限制，電子攝像機無法獲得足夠的正面照射光 源的反射光，背光照明方式則可以突出物體外心輪廓特征，獲得待對心 物體準確的位置信息。
為了保證兩待對心針狀物體和它們在平面鏡的成像共四個像同時呈 現在圖像中，對電子攝像機視場具有一定的要求。當電子攝像機采用CCD 像機時，視場的大小取決于CCD傳感器尺寸和光學鏡頭的放大倍數，CCD 傳感器尺寸選擇1/2inch，根據需要選擇鏡頭放大倍數，通過控制鏡頭的 放大倍數來控制視場大小。
鏡頭3可選用后焦距可調的遠心鏡頭，該種鏡頭與定倍鏡頭的不同 之處在于鏡筒上設計有調整后焦距的機械裝置，調整后焦距，放大倍率 和工作距離會發生變化，景深也會發生變化，光圈亦可調，調節光圈可
8改變景深大小，保證實物和其通過平面鏡所成的像能夠同時清晰地呈現 在采得圖像中。
如圖4所示，采用背光方式照明，圖像采集單元清晰獲得第一針狀 物體l、第二針狀物體2及在平面鏡中第一針狀物體的像1'、第二針狀 物體的像2'的外輪廓；從而獲得的兩物體間X-Y垂直方向，以及Z豎直 方向的偏差X、 Y、 Z。
使用本發明對待對心物體軸向對心，包含以下步驟
步驟h調節支撐臂5，使圖像采集單元與平面鏡8和兩待對心針狀
物體高度一致；
步驟2:移動整個裝置，使兩待對心針狀物體貼近平面鏡8，并使CCD
相機的光軸與其中可調節的一個針狀物體的一個調節方向平行；
步驟3:調節光學鏡頭3，使兩待對心針狀物體能夠清晰成像，并且
兩待對心針狀物體在平面鏡3中也能清晰成像；
步驟4:使用圖像處理算法，獲得兩針狀物體兩個相互垂直方向X-Y， 以及豎直方向Z的像素偏差，從而計算得到實際偏差X、 Y、 Z;
步驟5:根據獲得的實際偏差X、 Y、 Z，實現手動或自動調節，完成
兩針狀物體軸向對心。
權利要求
1. 一種部件軸向對心檢測裝置的成像系統，包括底座、支撐臂、圖像采集單元、平面鏡和光源；其特征在于支撐臂位于底座上并能夠在豎直方向相對于底座上下調節；圖像采集單元包括電子攝像機和光學鏡頭，二者通過接口旋合在一起，再通過固定支架固定連接于支撐臂一端；平面鏡和光源通過各自的安裝板與連接于支撐臂另一端的同一支座固定；光學鏡頭、平面鏡和光源三者的幾何中心處于同一平面；平面鏡與電子攝像機的成像平面呈45°角；光源出射光線與電子攝像機的成像平面平行。
2. 如權利要求1所述的成像系統，其特征在于 所述光源為矩形平板背光光源，工作時待對心的兩個針狀物體位于背光光源和平面鏡之間，背光光源出射光線方向垂直于光學鏡頭的軸線， 其中一部分光線經過與鏡頭軸線呈45度角的平面鏡反射，沿鏡頭軸線射 出。
全文摘要
一種部件軸向對心檢測裝置的成像系統，屬于機器視覺成像系統，解決現有成像系統結構復雜、操作繁瑣、精度不佳、影響對心操作問題。本發明中，支撐臂位于底座上并能夠相對于底座上下調節，旋合連接的電子攝像機和光學鏡頭固定于支撐臂一端，固定于支座的平面鏡和光源，連接于支撐臂另一端；光學鏡頭、平面鏡和光源幾何中心處于同一平面，平面鏡與電子攝像機的成像平面呈45°角；光源出射光線與電子攝像機的成像平面平行。本發明操作簡單、無需過多調節、變換，可同時呈現物體兩垂直方向的圖像，不影響對心物體的空間結構及其操作過程，提高圖像質量和偏差測量精度，方便后期的圖像處理，從而提高機電產品自動生產、裝配、調試中對心精度。
文檔編號G01B11/27GK101504280SQ20091006096
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月2日 優先權日2009年3月2日
發明者尹周平, 張少華, 敏 李, 熊有倫, 王瑜輝 申請人:華中科技大學