周志華,韓 宇,于津洋,馬 誠,婁志峰

(大連理工大學機械工程學院,遼寧大連 116024)

0 引言

精密微小型過盈聯(lián)接組件具有尺寸小、承載能力強、連接性能可靠等優(yōu)點,被廣泛應用在儀器、儀表和精密機械等領域。該類組件大多采用機械壓入法和溫差法進行裝配[1-2],其裝配精度和連接質(zhì)量會直接影響產(chǎn)品的可靠程度、工作性能及使用壽命。

目前,小型精密過盈聯(lián)接件主要采用手工裝配完成,易導致組件裝配精度低、效率低、一致性差[3-5]等問題。采用自動化裝配技術實現(xiàn)小型過盈聯(lián)接件的裝配,因精度高、效率高和產(chǎn)品一致性好等優(yōu)點已成為提高精密過盈件裝配質(zhì)量的研究熱點。H.M.Chen等[6]研制了一套電液伺服控制壓裝機,并基于力傳感器的反饋信號設計了伺服控制系統(tǒng),通過流量伺服閥和減壓閥的相互配合實現(xiàn)了對壓裝力的精確控制。婁志峰等[7]研制了一套精密自動壓裝系統(tǒng),并對壓裝中的零件對準、位移測量、質(zhì)量評估等關鍵技術進行了分析,該系統(tǒng)可以實現(xiàn)某種精密過盈件的對準與壓裝,并對裝配后的組件進行質(zhì)量評估。

此外,精密小型過盈聯(lián)接件因其自身結構的復雜性、獨特性及對連接強度的高要求性,會對裝配工藝提出更高的要求,如裝配前零件的精確對準、位置和姿態(tài)的精確調(diào)整[5]。因此針對不同類型及功能的精密過盈聯(lián)接組件,應根據(jù)自身的結構特點和裝配要求,設計合理的裝配策略和壓裝設備。

對于小型精密零件的過盈裝配,零件裝配前需要進行嚴格的對準,否則易引起連接件配合面的損傷、連接強度的不足。采用機器視覺完成零件的位置測量和精確對準,可以克服傳統(tǒng)工裝定位靈活性差、定位精度低的缺點[8-11]。視覺對準裝置一般由CCD相機、光學鏡組、光源和精密位移平臺組成[12]。針對不同類型視覺檢測系統(tǒng)的對準誤差分析工作,國內(nèi)外學者進行了很多研究。例如,Y.L.Tang等[13]研究了同軸光學對準系統(tǒng)中棱鏡安裝誤差引起的對準誤差,給出了誤差的影響方程。D.J.Lee等[14]為了在芯片封裝中實現(xiàn)較高的對準精度,提出了一種雙成像系統(tǒng),并設計了一種視覺伺服算法來確定平移和旋轉的方向和速度,提高了定位精度和跟蹤速度。

視覺對準裝置的對準精度直接影響到組件的裝配質(zhì)量。目前,提高視覺對準精度的方法主要是基于標定法、圖像處理算法和視覺對準算法[15],但尚未對裝置內(nèi)導軌的安裝誤差進行分析。對于雙目視覺對準裝置,即使2個相機的對準精度很高,但最終的對準精度仍然很大程度上受到導軌安裝精度的影響。因此,根據(jù)相機導軌的安裝誤差進行補償,對保證最終對準精度具有重要意義。

本文基于研制的精密壓裝設備中的雙目視覺和位姿調(diào)整裝置,為小型過盈組件的裝配提出了一種自動對準方法;分析了由2臺相機的相對位置偏差和在不同高度拍攝零件時由Z軸導軌的安裝傾角所引起的對準誤差,并提出相應的標定與補償方法,顯著提高了壓裝設備的對準精度,解決了由相機安裝偏差、導軌安裝誤差及組件特征空間位置變化導致組件裝配精度低和一致性差的問題。

1 精密微小組件壓裝設備

1.1 小型過盈聯(lián)接組件結構及裝配要求

本文以伺服閥銜鐵組件中的銜鐵和彈簧管為裝配對象,二者的配合方式屬于過盈配合,其結構特征和裝配順序如圖1所示。

圖1 小型過盈聯(lián)接組件模型圖

銜鐵內(nèi)孔與彈簧管外軸的配合尺寸為5 mm,過盈量范圍為12～14 μm。根據(jù)裝配工藝要求,需要將銜鐵的內(nèi)孔壓入彈簧管的外軸。壓入過程中,要求兩零件的同軸對準偏差不超過±5 μm。

1.2 精密自動壓裝設備

如圖2所示,壓裝設備的主體結構是由4根導向軸作為支撐和導向的框架;上、下夾具保證銜鐵和彈簧管在裝配過程中的定位與夾緊;雙目視覺測量裝置完成兩零件裝配前相對位置和姿態(tài)偏差的測量;精密回轉臺和XY精密位移平臺實現(xiàn)兩零件的角度調(diào)整和同軸對準工作;對準完成后,由固定在上橫梁上的直線推桿提供驅動力帶動移動橫梁沿著導向軸向下運動來完成零件的壓合工作;由安裝在框架側面的光柵尺和下橫梁底部的力傳感器測量零件裝配過程中的位移和壓力,并由工控機輸出壓力-位移曲線以評估壓合件的質(zhì)量。

圖2 精密自動壓裝設備實物圖

在配合階段,零件的可靠定位與夾持是保證裝配精度的關鍵。如圖2所示,上夾具安裝在移動橫梁的下端面上,來保證銜鐵的定位與夾緊;下夾具安裝在XY精密位移平臺上,可以實現(xiàn)彈簧管的可靠夾持與定位。

壓裝前,調(diào)整零件的相對位置和對準偏差是避免配合表面磨損、提高裝配精度的關鍵。該設備采用雙目視覺測量裝置和XY精密位移平臺,實現(xiàn)兩零件的自動調(diào)整與對準。如圖3所示,雙目視覺測量裝置主要由2個高分辨率CCD相機、高精度遠心鏡頭、45°反射棱鏡、光源和XYZ精密位移滑臺組成。裝配前,通過上、下相機分別采集銜鐵和彈簧管的圖像并經(jīng)過圖像處理可以得到兩零件的相對位置偏差;如圖4所示,XY精密位移平臺根據(jù)此位置偏差帶動下夾具移動,實現(xiàn)兩零件的對準。

圖3 雙目視覺測量裝置

圖4 XY精密位移平臺

1.3 零件自動對準與調(diào)整策略

壓裝設備中的雙目視覺測量系統(tǒng)由2套機器視覺系統(tǒng)構成,實現(xiàn)上下視野的測量,2個CCD相機的相對位置和坐標系如圖5所示。

圖5 上、下CCD相機坐標系

本文基于雙目視覺測量裝置和XY精密位移平臺,提出了銜鐵和彈簧管的自動對準與調(diào)整策略,如圖6所示。首先,上相機采集銜鐵的內(nèi)孔圖像,經(jīng)過圖像處理,擬合出其內(nèi)孔輪廓并得到圓心坐標(u1,v1);接著,把該圓心坐標轉換到下相機坐標系U2O2V2中作為基準,下相機采集彈簧管外軸的圖像,經(jīng)過圖像處理,擬合出其外圓輪廓并得到圓心坐標(u2,v2);然后,在下相機坐標系U2O2V2中將提取的兩圓心坐標作差,求得對準誤差(Δx,Δy);最后,控制精密位移平臺分別在X、Y方向上移動-Δx、-Δy。待調(diào)整完畢后,下相機會再次獲取彈簧管外軸的圓心坐標并計算對準誤差,若Δx和Δy不能同時小于設定的對準偏差Δ時(|Δx|≤Δ∩|Δy|≤Δ)會重復上述過程,直到調(diào)整量滿足要求為止。

圖6 軸孔對準策略與調(diào)整方法

2 雙目視覺測量裝置的誤差分析

雙目視覺測量裝置是實現(xiàn)零件位置信息測量與對準偏差計算的關鍵。為了提高對準精度,分析了2個CCD相機的相對位置偏差和Z軸導軌存在安裝傾角時對測量精度的影響。

2.1 上、下相機相對位置安裝偏差分析

銜鐵內(nèi)孔與彈簧管外軸在進行自動對準時是通過將上相機獲得的圓心坐標轉換到下相機坐標系中,然后根據(jù)二者圓心坐標的位置偏差進行調(diào)整。但由于上、下相機存在安裝偏差,必然會導致兩相機的坐標系不完全重合(存在角度和位置偏差),這會直接影響零件的對準精度。因此需要在對準前標定上、下相機之間的夾角及其原點相對位置偏差,得到上、下相機的坐標轉換矩陣。

上、下相機的坐標系如圖5所示,相機的參數(shù)如表1所示。將上相機坐標系U1O1V1中的任意一點的坐標轉換到下相機坐標系U2O2V2中,轉換方程可用式(1)表示:

表1 上、下CCD相機參數(shù)

(1)

式中:sui、svi(i=1,2)為上、下CCD在相機坐標系U和V方向上單個像素的物理尺寸;γ為兩相機的安裝夾角;ui、vi為兩相機坐標系中任意點的坐標;(Dx,Dy)為上相機坐標原點轉換到下相機坐標系中的坐標。

2.2 視覺測量裝置Z軸導軌安裝傾斜誤差分析

該設備用于完成多種零件的精密壓裝工作。在對準過程中,由于相機的焦距是固定的,上、下相機的圖像采集位置會隨著零件高度方向尺寸的不同而變化,如圖7(a)所示。當雙目視覺測量裝置的Z軸導軌與壓裝方向(W負方向)之間存在安裝傾角時,如圖7(b)中的夾角θ,會導致上、下相機的轉換方程系數(shù)不同,這樣當相機在不同高度采集圖像時,會導致在相機坐標系U和V方向產(chǎn)生測量誤差,從而影響零件的對準。

(a)上、下相機不同采集位置

現(xiàn)定義壓裝方向為W軸負方向,設備坐標系為O-UVW,上、下相機的坐標系分別為U1O1V1和U2O2V2。

由于導軌Z相對于W軸存在安裝傾斜,現(xiàn)假設導軌Z在UOW和VOW平面中的投影與W軸的夾角分別為θu和θv,則當上、下相機沿Z軸滑臺的位移為ΔLzi(i=1,2)時,如圖7(b)所示,因導軌Z的安裝傾斜引起的測量誤差在相機坐標系U和V方向的偏差分量可表示為式(2):

(2)

由于上、下相機之間存在夾角,因此當上相機圖像采集位置發(fā)生變化時因Z軸導軌傾斜引起的對準誤差轉換到下相機坐標系后會隨之變化,該變化可表示為式(3):

(3)

因此,雙目視覺測量裝置在對不同高度尺寸的零件進行位置測量與偏差計算時,因Z軸導軌安裝傾斜導致在相機坐標系U和V方向上產(chǎn)生的對準誤差可表示為式(4):

(4)

綜合考慮雙目視覺測量裝置中因上下相機安裝誤差和Z軸導軌相對于壓裝方向的安裝傾斜導致的對準誤差,得出最終的轉換方程如式(5)所示:

(5)

式(5)中:ΔUz、ΔVz表示因Z軸導軌安裝傾斜導致在相機坐標系U、V方向上產(chǎn)生的對準誤差。

3 標定實驗及驗證

3.1 上、下相機轉換方程參數(shù)標定

3.1.1 相機像素物理尺寸標定

使用標定板對上、下CCD相機進行標定,得到相機每個像素的物理尺寸,標定結果如表2所示。

表2 上、下相機像素標定結果 μm·pixel-1

3.1.2 上、下相機安裝夾角標定

在標定上、下相機的安裝夾角時,以雙目視覺測量裝置的X軸導軌(重復定位精度為±0.5 μm)為基準;然后分別測量X軸導軌與上相機坐標系U1軸、下相機坐標系U2軸的夾角;最后,兩者的夾角作差即可得到上、下相機之間的安裝夾角,標定原理如圖8所示。

圖8 相機安裝夾角標定原理

圖9 上相機與X軸導軌夾角標定

(6)

下相機坐標系U2軸與X軸導軌之間的夾角γ2也可用同樣的方法求出。最終上、下相機坐標系的偏轉角度可用式(7)表示:

γ=γ1-γ2

(7)

通過實驗得出:γ1=-0.276 1°;γ2=0.601 5°;γ=-0.877 6°。

3.1.3 上、下相機原點相對位置標定

式(1)中的參數(shù)(Dx,Dy)可以通過壓印法[7]計算得到。過程如下:將壓印圓臺和研磨好的鋁板分別安裝在上、下夾具上,驅動移動橫梁沿導向軸向下移動,使壓印圓臺壓在鋁板上并壓出清晰印痕;將移動橫梁回到初始位置,控制視覺測量裝置中的上、下相機分別獲取壓印圓臺和鋁板上的“印痕”圖像,如圖10所示;對圖像進行處理,得到兩圖像的中心坐標,并將這兩個坐標代入式(1),計算出系數(shù)Dx和Dy。

(a)壓印圓臺

經(jīng)過圖像處理得出壓印圓臺和印記的圓心坐標分別為(1 997.7,1 471.5)、(1 995.8,1 525.2),將其帶入式(1)即可求得(Dx,Dy)=(23.5,10.9)。則上相機坐標系中某點的坐標(u1,v1)轉換到下相機坐標系中的坐標(u2,v2)滿足以下關系:

(8)

3.2 視覺測量裝置Z軸導軌安裝傾角標定

雙目視覺測量裝置中相機沿著Z軸導軌運動時的直線度決定了Z軸導軌相較于壓裝方向(W軸負方向)的安裝傾角。用到的工具包括:大理石方箱(平面度誤差1 μm、垂直度誤差1 μm)、電感測微儀和磁性表座。測量過程如圖11所示,將大理石方箱固定在下夾具平面上;磁性表座一端夾緊電感測微儀,另一端固定在用于安裝相機的連接板上;調(diào)節(jié)測頭使其接觸方箱表面并記錄電感測微儀初始示數(shù);控制Z軸導軌帶動相機向下運動,并每隔5 mm記錄一次電感測微儀的讀數(shù)。

圖11 Z軸導軌安裝傾角標定

分別測量在40 mm運動范圍內(nèi)相機沿導軌Z軸運動時分別在U、V方向上的直線度偏差,并擬合出偏差關系曲線,如圖12所示,得到了相機Z軸導軌運動過程中相較于壓裝方向在U、V方向上的夾角分別為:θu=0.029°;θv=0.037°。

圖12 Z軸導軌運動時在U和V方向的偏差關系曲線

通過對上、下相機轉換方程參數(shù)和Z軸滑臺安裝傾角的標定,實現(xiàn)了由相機安裝誤差和Z軸導軌安裝傾斜引起的對準誤差的補償。

3.3 視覺對準對比實驗

為了驗證對雙目視覺測量裝置對準誤差分析的可行性,再次采用壓印法進行了驗證實驗。首先,控制上、下相機采集壓印圓臺和印記的圖像;然后,將上相機和壓印圓臺同時沿著導向軸向下移動,并每間隔5 mm采集一次壓印圓臺的圖像,如圖13所示;接著,通過圖像處理獲得不同高度位置的壓印圓臺的圓心坐標,并將其帶入轉換方程(1)和方程(5)中,可以得到壓印圓臺在下相機坐標系中的圓心坐標,如表3所示;最后,通過計算下相機坐標系中壓印圓臺與印記圓心坐標的差值可以得到雙目視覺測量裝置補償前后的對準誤差(ΔU,ΔV),結果如表4所示。

表3 印記和壓印圓臺補償前后的圓心坐標

表4 雙目視覺測量裝置補償前后的對準誤差

圖13 不同高度壓印圓臺及印記圖像

如表4所示,雙目視覺測量裝置的Z軸導軌安裝傾斜會引起較大的對準誤差,這將直接導致零件壓裝傾斜或失敗。但進行誤差補償后,對準精度明顯提升,可達±5 μm。因此,當對不同高度尺寸的零件進行測量與對準時,采用本文提出標定與補償方法仍能使精密壓裝設備具有較好的對準精度。

3.4 壓裝實驗

對于小型過盈連接組件,目前一般采用壓力-位移曲線來對壓裝過程中的壓裝力進行分析。由博等[16]通過仿真分析預測了銜鐵組件過盈量在12～14 μm時壓力-位移曲線的合理范圍,可根據(jù)該曲線對壓裝過程中的壓裝力進行分析及對裝配質(zhì)量進行評估。

對5組過盈量在12～14 μm范圍的銜鐵與彈簧管進行壓裝,壓裝過程中的壓力-位移曲線如圖14所示。圖中可以看出,序號1～序號5的壓裝力均在合理范圍之內(nèi),說明銜鐵-彈簧管在壓裝后的裝配質(zhì)量較好,由此也驗證了二者裝配前的對準精度較高。

圖14 不同過盈量的壓裝力-位移曲線

4 結束語

本文基于研制的精密自動壓裝設備中的雙目視覺測量系統(tǒng)和位姿調(diào)整裝置提出了一種適用于小型過盈組件的自動對準與裝配方法。對設備中影響對準精度的視覺測量裝置進行了分析,提出了相應的標定及誤差補償方法。經(jīng)過實驗驗證,該方法顯著提高了壓裝設備的對準精度,可達±5 μm。又隨機抽取5套零件進行壓裝實驗,其壓力-位移曲線均在合理預測范圍內(nèi),表明組件的裝配質(zhì)量良好。