專利名稱：一種部件軸向?qū)π臋z測(cè)裝置的成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)器視覺的成像系統(tǒng)，具體涉及一種部件軸向?qū)π臋z測(cè) 裝置的成像系統(tǒng)，可用于機(jī)電產(chǎn)品自動(dòng)生產(chǎn)、裝配、調(diào)試中對(duì)兩個(gè)針狀 部件軸向準(zhǔn)確對(duì)心的檢測(cè)。
背景技術(shù)：
在機(jī)電產(chǎn)品的機(jī)械調(diào)整中，經(jīng)常需要將空間兩個(gè)針狀物體的軸線調(diào) 整至重合，即對(duì)心。例如在電子封裝設(shè)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(gè) 過(guò)程中，如果頂針的中心和吸嘴的中心不重合，將導(dǎo)致芯片側(cè)翻或者掉 落。為此，在安裝調(diào)整中，應(yīng)盡量保證頂針與吸嘴有較高的對(duì)心準(zhǔn)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(duì)心精度的要求。
在許多情況下，通過(guò)機(jī)械配合實(shí)現(xiàn)對(duì)心，如銷和孔、鍵和鍵槽的配
合，例如，中國(guó)專利ZL200820009011.6，陳連宗發(fā)明的加工機(jī)第二主軸 或軸尾座對(duì)心調(diào)校裝置，包含一個(gè)移位單元和兩個(gè)側(cè)推單元，移位單元 安裝在基座與軸體的相對(duì)表面間，包含導(dǎo)塊和滑槽等結(jié)構(gòu)，兩個(gè)側(cè)推單 元分別安裝在異于導(dǎo)塊樞接端的軸體兩側(cè)，操作者可以先利用側(cè)推單元 調(diào)節(jié)軸體的偏位角度后，再利用移位單元調(diào)整軸體的位置，使第二主軸 的軸線對(duì)應(yīng)第一主軸的軸線。該發(fā)明將對(duì)心偏差分解為角度偏差和位移 偏差，解除了耦合關(guān)系，這種利用機(jī)械配合實(shí)現(xiàn)對(duì)心的方式，操作方便， 但其缺陷是(1)需要將調(diào)整裝置與設(shè)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?yàn)殡娮臃庋b設(shè)備中待對(duì)心的結(jié)構(gòu)是高速高精運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果再在其中添加對(duì)心裝置，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備 結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，可靠性降低，因此這種依靠機(jī)械配合的對(duì)心方式不適用 于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電子封裝設(shè)備。
Karl & Suss公司的FC250等一些高精密的設(shè)備中，對(duì)心操作常常采 用特殊設(shè)計(jì)的雙向光路視覺檢測(cè)系統(tǒng)，雙光路系統(tǒng)由一系列平面鏡組和 分光鏡組成，三個(gè)與水平方向成45。的平面鏡將上下兩待對(duì)心針狀物體 軸向圖像轉(zhuǎn)移至水平方向，與水平方向成45。放置的分光鏡將以上兩個(gè) 圖像同時(shí)成像。這種視覺檢測(cè)系統(tǒng)是獨(dú)立于設(shè)備本身的。在對(duì)心操作時(shí)， 檢測(cè)裝置和雙光路系統(tǒng)必須放置在兩個(gè)待對(duì)心的物體之間，檢測(cè)裝置沿 著待對(duì)心針狀物體軸向觀察；電子攝像機(jī)通過(guò)雙向光路系統(tǒng)同時(shí)采集兩 個(gè)物體的位置信息，并顯示在一幅圖像上。根據(jù)圖像中兩物體中心的偏 差可調(diào)整位置，提高對(duì)心精度。然而，這對(duì)于兩個(gè)針狀物體軸向?qū)π拇?在以下問(wèn)題首先，這套檢測(cè)裝置和雙光路系統(tǒng)必須放置在待對(duì)心的兩 個(gè)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(wú)法使用；其次，對(duì)心檢測(cè)裝置置于兩物體中間，對(duì)兩物體 的對(duì)心操作產(chǎn)生干涉，當(dāng)裝置獲取對(duì)心偏移圖像后，需要移開才能完成 對(duì)心操作，這種遠(yuǎn)距離的對(duì)心過(guò)程受機(jī)械精度影響，在兩物體對(duì)心距離 移近后會(huì)降低精度；第三，這種面向?qū)π狞c(diǎn)的成像方式，在目標(biāo)是針狀
物體的針尖截面時(shí)，相對(duì)于復(fù)雜的背景圖像，對(duì)心目標(biāo)太小，圖像處理 困難，難以保證對(duì)心精度。
利用雙目視覺原理可檢測(cè)兩個(gè)針狀物體空間軸向?qū)π?，即可在垂?于軸線平面內(nèi)，從兩個(gè)不相互平行的方向上觀察，獲取兩針狀物體空間 的位置關(guān)系，調(diào)節(jié)物體位置關(guān)系，可使兩物體軸線重合，即可完成空間
的對(duì)心。這種方法可能存在的問(wèn)題是從任意兩個(gè)不相互平行的方向觀 察，在一個(gè)成像方向上，使兩物體的軸線圖像重合后，當(dāng)繼續(xù)調(diào)節(jié)，使另一個(gè)成像方向的軸線圖像重合時(shí)，前一成像方向重合的像可能又不重 合，即兩個(gè)方向的像之向存在耦合關(guān)系，調(diào)節(jié)過(guò)程繁瑣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種部件軸向?qū)π臋z測(cè)裝置的成像系統(tǒng)，解決現(xiàn)有裝置 的成像系統(tǒng)所存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣、精度不佳、影響兩物體的對(duì) 心操作問(wèn)題，可用于兩個(gè)針狀物體在三維空間的軸向精確對(duì)心。
本發(fā)明的一種部件軸向?qū)π臋z測(cè)裝置的成像系統(tǒng)，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(duì)于底座上下調(diào)節(jié)； 圖像采集單元包括電子攝像機(jī)和光學(xué)鏡頭，二者通過(guò)接口旋合在一
起，再通過(guò)固定支架固定連接于支撐臂一端；平面鏡和光源通過(guò)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(xué)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(jī)的成像平面呈45 °角；光源出射光線與電子攝像機(jī)的成像平面平行。
所述的成像系統(tǒng)，其進(jìn)一步特征在于
所述光源為矩形平板背光光源，工作時(shí)待對(duì)心的兩個(gè)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(xué)鏡頭的軸線， 其中一部分光線經(jīng)過(guò)與鏡頭軸線呈45度角的平面鏡反射，沿鏡頭軸線射 出。
當(dāng)需要檢測(cè)兩個(gè)針狀物體在空間的對(duì)心情況時(shí)，將本發(fā)明支撐臂設(shè) 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(diào)節(jié)支撐臂的高度，使兩針狀物體的對(duì)心點(diǎn)都進(jìn)入電子攝像機(jī)的成像視野中。調(diào)整支撐臂上平面鏡和兩物體對(duì)心點(diǎn)間的 位置關(guān)系，使對(duì)心點(diǎn)在平面鏡上的像也能進(jìn)入電子攝像機(jī)成像視野中； 這樣，采集的圖像中包括了空間兩物體針狀對(duì)心點(diǎn)的投影，以及經(jīng)平面 鏡反射過(guò)來(lái)的空間兩物體針狀對(duì)心點(diǎn)的側(cè)面投影，兩投影分別代表X-丫 兩個(gè)相互垂直方向的像；每個(gè)投影反映了 X-Z和丫-Z平面上的偏差X、 Y， 同時(shí)可以計(jì)算兩對(duì)心點(diǎn)豎直方向偏差Z。因此，可通過(guò)圖像處理系統(tǒng)，計(jì) 算出X-丫-Z三維對(duì)心的偏差。
圖像處理系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)和圖像處理軟件組成，通過(guò)數(shù)據(jù)線聯(lián)接至圖 像采集單元的電子攝像機(jī)，可對(duì)電子攝像機(jī)采集的圖像分析處理。
上述獲得的偏差為笛卡爾正交坐標(biāo)系下的偏差，待對(duì)準(zhǔn)物體調(diào)節(jié)坐 標(biāo)系為笛卡爾正交坐標(biāo)系。如兩坐標(biāo)系平行，則調(diào)整時(shí)兩投影方向間耦 合關(guān)系解耦。為了便于根據(jù)獲得的兩物體間垂直方向偏差數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 化或半自動(dòng)化調(diào)節(jié)，使測(cè)得X、 Y、 Z三個(gè)方向的偏差即為實(shí)際物體調(diào)節(jié) 坐標(biāo)系的偏差，放置視覺對(duì)心裝置時(shí)，使電子攝像機(jī)軸線方向與物體的 一個(gè)調(diào)節(jié)方向平行。
電子攝像機(jī)的光學(xué)鏡頭可以選擇適當(dāng)光學(xué)放大倍數(shù)，通過(guò)對(duì)對(duì)心位 置的局部影像放大提高偏差測(cè)量的精度。
本發(fā)明基于正交雙光路系統(tǒng)，從垂直兩物體軸線平面進(jìn)行對(duì)心視覺 觀察和檢測(cè)，直接從一個(gè)方向取到兩針狀物體的像，同時(shí)，通過(guò)平面鏡 的反射獲取另一方向上兩針狀物體的像，能在一個(gè)固定位置對(duì)待對(duì)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(nèi)X-丫向的偏差成像；其測(cè)量的三維偏差相互正交。它獨(dú)立于待對(duì)心的 兩針狀物體，不影響兩對(duì)心針狀物體的空間結(jié)構(gòu)及其操作過(guò)程。光路部 分無(wú)需過(guò)多調(diào)節(jié)、變換，電子攝像機(jī)可同時(shí)呈現(xiàn)物體兩垂直方向的圖像， 操作簡(jiǎn)單。
6本發(fā)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(zhì)量，方便后期的圖像處理，提高兩物體偏差測(cè)量精度， 從而提高對(duì)心精度。
本發(fā)明的后續(xù)處理可使用圖像處理軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理，自動(dòng)獲取
兩針狀物體三個(gè)方向(X-Y-Z)實(shí)際偏差，根據(jù)偏差，既可以手動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì) 心，也可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)心，使設(shè)備調(diào)試智能化、簡(jiǎn)單化。


圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明的俯視圖3為對(duì)心方案原理圖及其光源光線示意圖； 圖4為本發(fā)明獲取的圖像示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖l、圖2所示，待對(duì)心的第一針狀物體l，待對(duì)心的第二針狀物 體2， 一般情況下，它們的體積非常細(xì)小，為了表示方便，圖中相對(duì)放大； 圖1中豎直箭頭表示裝置高度調(diào)節(jié)方向，空間直角坐標(biāo)箭頭表示待對(duì)心 針狀物體可調(diào)節(jié)方向。
本發(fā)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(duì)于底座上下調(diào)節(jié)；
圖像采集單元包括電子攝像機(jī)4和光學(xué)鏡頭3， 二者通過(guò)接口旋合在 一起，再通過(guò)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(guò)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(xué)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(jī)4的成像平面呈45。角；光源2出 射光線與電子攝像機(jī)4的成像平面平行。為突出物體外心輪廓特征，獲得待對(duì)心物體準(zhǔn)確的位置信息，光源
12為一矩形平板背光光源，其內(nèi)部裝有高密度LED光源陣列。
如圖3所示，工作時(shí)待對(duì)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(xué)鏡 頭的軸線，其中一部分光線經(jīng)過(guò)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(duì)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(gè)相互垂直 方向調(diào)節(jié)，圖1所示的空間直角坐標(biāo)箭頭表示待對(duì)心的第一針狀物體1 的可調(diào)節(jié)方向。為了便于根據(jù)獲得的兩物體間X-Y垂直方向，以及Z豎 直方向的偏差數(shù)據(jù)，使測(cè)得X、 Y、 Z三個(gè)方向的偏差即為實(shí)際物體調(diào)節(jié) 坐標(biāo)系的偏差，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或半自動(dòng)化調(diào)節(jié)，放置視覺對(duì)心裝置時(shí)，使 電子相機(jī)軸線方向與待對(duì)心物體的一個(gè)調(diào)節(jié)方向平行。
鑒于待對(duì)心物體形狀限制，電子攝像機(jī)無(wú)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(duì)心 物體準(zhǔn)確的位置信息。
為了保證兩待對(duì)心針狀物體和它們?cè)谄矫骁R的成像共四個(gè)像同時(shí)呈 現(xiàn)在圖像中，對(duì)電子攝像機(jī)視場(chǎng)具有一定的要求。當(dāng)電子攝像機(jī)采用CCD 像機(jī)時(shí)，視場(chǎng)的大小取決于CCD傳感器尺寸和光學(xué)鏡頭的放大倍數(shù)，CCD 傳感器尺寸選擇1/2inch，根據(jù)需要選擇鏡頭放大倍數(shù)，通過(guò)控制鏡頭的 放大倍數(shù)來(lái)控制視場(chǎng)大小。
鏡頭3可選用后焦距可調(diào)的遠(yuǎn)心鏡頭，該種鏡頭與定倍鏡頭的不同 之處在于鏡筒上設(shè)計(jì)有調(diào)整后焦距的機(jī)械裝置，調(diào)整后焦距，放大倍率 和工作距離會(huì)發(fā)生變化，景深也會(huì)發(fā)生變化，光圈亦可調(diào)，調(diào)節(jié)光圈可
8改變景深大小，保證實(shí)物和其通過(guò)平面鏡所成的像能夠同時(shí)清晰地呈現(xiàn) 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(fā)明對(duì)待對(duì)心物體軸向?qū)π?，包含以下步驟
步驟h調(diào)節(jié)支撐臂5，使圖像采集單元與平面鏡8和兩待對(duì)心針狀
物體高度一致；
步驟2:移動(dòng)整個(gè)裝置，使兩待對(duì)心針狀物體貼近平面鏡8，并使CCD
相機(jī)的光軸與其中可調(diào)節(jié)的一個(gè)針狀物體的一個(gè)調(diào)節(jié)方向平行；
步驟3:調(diào)節(jié)光學(xué)鏡頭3，使兩待對(duì)心針狀物體能夠清晰成像，并且
兩待對(duì)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(gè)相互垂直方向X-Y， 以及豎直方向Z的像素偏差，從而計(jì)算得到實(shí)際偏差X、 Y、 Z;
步驟5:根據(jù)獲得的實(shí)際偏差X、 Y、 Z，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)，完成
兩針狀物體軸向?qū)π摹?br> 權(quán)利要求
1. 一種部件軸向?qū)π臋z測(cè)裝置的成像系統(tǒng)，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(duì)于底座上下調(diào)節(jié)；圖像采集單元包括電子攝像機(jī)和光學(xué)鏡頭，二者通過(guò)接口旋合在一起，再通過(guò)固定支架固定連接于支撐臂一端；平面鏡和光源通過(guò)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(xué)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(jī)的成像平面呈45°角；光源出射光線與電子攝像機(jī)的成像平面平行。
2. 如權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，其特征在于 所述光源為矩形平板背光光源，工作時(shí)待對(duì)心的兩個(gè)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(xué)鏡頭的軸線， 其中一部分光線經(jīng)過(guò)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?qū)π臋z測(cè)裝置的成像系統(tǒng)，屬于機(jī)器視覺成像系統(tǒng)，解決現(xiàn)有成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣、精度不佳、影響對(duì)心操作問(wèn)題。本發(fā)明中，支撐臂位于底座上并能夠相對(duì)于底座上下調(diào)節(jié)，旋合連接的電子攝像機(jī)和光學(xué)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(xué)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(jī)的成像平面呈45°角；光源出射光線與電子攝像機(jī)的成像平面平行。本發(fā)明操作簡(jiǎn)單、無(wú)需過(guò)多調(diào)節(jié)、變換，可同時(shí)呈現(xiàn)物體兩垂直方向的圖像，不影響對(duì)心物體的空間結(jié)構(gòu)及其操作過(guò)程，提高圖像質(zhì)量和偏差測(cè)量精度，方便后期的圖像處理，從而提高機(jī)電產(chǎn)品自動(dòng)生產(chǎn)、裝配、調(diào)試中對(duì)心精度。
文檔編號(hào)G01B11/27GK101504280SQ20091006096
公開日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2009年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月2日
發(fā)明者尹周平, 張少華, 敏 李, 熊有倫, 王瑜輝 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)