一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法
【專(zhuān)利摘要】一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法包括一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng))和一種共焦共像對(duì)位微裝配校準(zhǔn)方法(簡(jiǎn)稱(chēng)方法)；系統(tǒng)主要包括激光共聚焦顯微鏡、龍門(mén)架機(jī)構(gòu)、梯形棱鏡及其夾持機(jī)構(gòu)、棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)、基體零件及其夾持器、目標(biāo)零件及其夾持器、基體及目標(biāo)載物臺(tái)；方法包括：1)調(diào)整梯形棱鏡位姿，消除角度偏差；2)完成兩塊標(biāo)定板的貼合、對(duì)準(zhǔn)及固定，再解除兩者約束；3)反向分離兩塊標(biāo)定板，再把激光共聚焦顯微鏡移入梯形棱鏡正上方；4)通過(guò)激光共聚焦顯微鏡測(cè)量?jī)蓧K標(biāo)定板以及梯形棱鏡的中心坐標(biāo)，求得兩塊標(biāo)定板在激光共聚焦顯微鏡像平面的相對(duì)位置誤差。本發(fā)明簡(jiǎn)單易行，提高了微裝配的對(duì)準(zhǔn)和裝配精度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法，屬于微裝配、顯微視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]航空領(lǐng)域的導(dǎo)引和制導(dǎo)儀表，智能彈藥中的引信部件，慣性約束核聚變系統(tǒng)中的靶部件等都是我國(guó)重大科技攻關(guān)的急需核心裝備，其裝配水平嚴(yán)重制約著新一代高端制造業(yè)的發(fā)展。為保證微小型系統(tǒng)的精度與性能，這類(lèi)儀表或部件的裝配間隙往往需要嚴(yán)格控制在微米級(jí)，而對(duì)位檢測(cè)精度需要達(dá)到亞微米級(jí)。
[0003]傳統(tǒng)的顯微視覺(jué)成像系統(tǒng)由于受到光學(xué)衍射極限的限制，其分辨率與照明波長(zhǎng)是一個(gè)數(shù)量級(jí)，零件的對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)精度難以達(dá)到亞微米級(jí)。而且由于有限焦深的限制，對(duì)于在深度方向有精確定位要求的場(chǎng)合無(wú)法滿(mǎn)足要求。
[0004]共焦顯微技術(shù)的概念自20世紀(jì)50年代末由美國(guó)人Minsky提出以來(lái)，由于其具有高分辨特別是較高的縱向分辨率，并且具有較好的數(shù)字圖像三維層析能力等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在微電子制造、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、精密測(cè)量等領(lǐng)域的檢測(cè)與分析。其橫向分辨率是相同孔焦比的普通光學(xué)顯微鏡的1.4倍。
[0005]為了進(jìn)一步提高微器件裝配對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)精度，提出采用共焦共像對(duì)位檢測(cè)原理，利用共聚焦掃描光學(xué)顯微技術(shù)在三維成像方面具有的特殊能力，解決用普通顯微光學(xué)檢測(cè)在微器件裝配過(guò)程中遇到的瓶頸問(wèn)題，使微器件的裝配對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)精度能夠達(dá)到亞微米級(jí)，所以共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)的校準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)微小型結(jié)構(gòu)件高精度裝配的前提。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提高微裝配系統(tǒng)對(duì)微器件的對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)精度，保證對(duì)位檢測(cè)精度能夠達(dá)到亞微米級(jí)，提出了一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法。
[0007]—種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法包括一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng))和一種共焦共像對(duì)位微裝配校準(zhǔn)方法(簡(jiǎn)稱(chēng)方法);
[0008]其中，系統(tǒng)主要包括大理石臺(tái)、激光共聚焦顯微鏡、龍門(mén)架機(jī)構(gòu)、梯形棱鏡、棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)、棱鏡夾持機(jī)構(gòu)、基體零件、基體零件夾持器、基體載物臺(tái)、目標(biāo)零件、目標(biāo)零件夾持器、目標(biāo)載物臺(tái)、光柵尺以及檢測(cè)臺(tái)；
[0009]其中，棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)為六自由度的棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu);其中，基體零件和目標(biāo)零件可以為軸類(lèi)零件、孔類(lèi)零件、平板類(lèi)零件以及三維微小型零件；
[0010]所述的基體零件可以是“十”字刻線(xiàn)基體標(biāo)定板；
[0011 ]所述的目標(biāo)零件可以是“十”字刻線(xiàn)目標(biāo)標(biāo)定板；
[0012]其中，“十”字刻線(xiàn)基體標(biāo)定板和“十”字刻線(xiàn)目標(biāo)標(biāo)定板，均屬于三維微小型零件，后續(xù)簡(jiǎn)稱(chēng)兩塊標(biāo)定板；
[0013]其中，基體零件夾持器和目標(biāo)零件夾持器可以為真空吸附式夾持器、靜電吸附式夾持器、液體吸附式夾持器、形狀記憶合金微型夾持器、靜電式夾持器、電磁式夾持器、壓電式夾持器和復(fù)合式夾持器;激光共聚焦顯微鏡的橫向分辨率可達(dá)到0.12μηι;龍門(mén)架機(jī)構(gòu)包括龍門(mén)架及安裝在龍門(mén)架頂端的y、z向?qū)к壓妄堥T(mén)架底端的X向?qū)к?梯形棱鏡上表面具有參考十字刻線(xiàn)和正方形圖案刻線(xiàn);光柵尺是由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成;檢測(cè)臺(tái)為激光共聚焦顯微鏡的x、y方向的電動(dòng)載物臺(tái)；
[0014]其中，基體載物臺(tái)為基體零件二維位移臺(tái)和六自由度PI并聯(lián)微動(dòng)平臺(tái)組成的平臺(tái)；目標(biāo)載物臺(tái)為目標(biāo)零件二維位移臺(tái)和目標(biāo)零件升降臺(tái)組成的平臺(tái)；
[0015]—種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)中各組成部分的功能是:大理石臺(tái)是一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)的基座;激光共聚焦顯微鏡用于采集零件的圖像;龍門(mén)架機(jī)構(gòu)用于帶動(dòng)激光共聚焦顯微鏡實(shí)現(xiàn)x、y和Z三個(gè)方向的直線(xiàn)位移;梯形棱鏡用于反射基體零件和目標(biāo)零件的像;棱鏡夾持機(jī)構(gòu)用于穩(wěn)定夾持梯形棱鏡;棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)六個(gè)方向的精確微調(diào);基體零件夾持器和目標(biāo)零件夾持器分別用于夾持基體零件和目標(biāo)零件;基體載物臺(tái)的功能是對(duì)基體零件六個(gè)方向的精確微調(diào)；目標(biāo)載物臺(tái)的功能是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)零件沿x、y和z三個(gè)方向的直線(xiàn)位移;光柵尺用于高精度檢測(cè)激光共聚焦顯微鏡的直線(xiàn)位移，檢測(cè)精度可達(dá)0.1Mi;檢測(cè)臺(tái)用于放置檢測(cè)試樣;一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)中各組成部分的連接與安裝關(guān)系如下:
[0016]激光共聚焦顯微鏡安裝在龍門(mén)架機(jī)構(gòu)上，龍門(mén)架機(jī)構(gòu)安裝在大理石臺(tái)面上;梯形棱鏡放置于激光共聚焦顯微鏡正下方，梯形棱鏡穩(wěn)定夾持在棱鏡夾持機(jī)構(gòu)上，棱鏡夾持機(jī)構(gòu)與棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)剛性連接，棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝在大理石臺(tái)面上;基體零件二維位移臺(tái)和六自由度PI并聯(lián)微動(dòng)平臺(tái)連接組成基體載物臺(tái)；目標(biāo)零件二維位移臺(tái)和目標(biāo)零件升降臺(tái)連接組成目標(biāo)載物臺(tái)；基體載物臺(tái)與目標(biāo)載物臺(tái)分別位于梯形棱鏡的兩側(cè)，且都安裝在大理石臺(tái)面上;基體零件夾持器安裝在基體載物臺(tái)上，目標(biāo)零件夾持器安裝在目標(biāo)載物臺(tái)上;基體零件裝夾在基體零件夾持器上，目標(biāo)零件裝夾在目標(biāo)零件夾持器上，且基體零件與目標(biāo)零件分別對(duì)準(zhǔn)梯形棱鏡的兩個(gè)斜面;光柵尺貼在龍門(mén)架頂端y向?qū)к壍膫?cè)面;檢測(cè)臺(tái)安裝在大理石臺(tái)面上；
[0017]—種共焦共像對(duì)位微裝配校準(zhǔn)方法，具體通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn):
[0018]步驟一、將梯形棱鏡穩(wěn)定夾持在棱鏡夾持機(jī)構(gòu)上，把棱鏡夾持機(jī)構(gòu)與棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)剛性連接，再對(duì)棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)的六個(gè)方向讀數(shù)歸零；
[0019]其中，所述的六個(gè)方向?yàn)閤、y和z三個(gè)方向及α、β和γ三個(gè)角度轉(zhuǎn)向；
[0020]步驟二、用激光共聚焦顯微鏡觀測(cè)梯形棱鏡上表面的正方形圖案刻線(xiàn)，獲取正方形圖案的圖像，測(cè)量在像平面內(nèi)正方形圖案的對(duì)角線(xiàn)與像平面坐標(biāo)系的夾角和正方形圖案的兩條對(duì)角線(xiàn)的長(zhǎng)度，再計(jì)算梯形棱鏡繞x、y和ζ三個(gè)方向的角度偏差，利用棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)梯形棱鏡位姿的精密調(diào)整，通過(guò)將梯形棱鏡繞x、y和z三個(gè)方向各調(diào)整上述測(cè)量的角度偏差負(fù)值來(lái)消除角度偏差；
[0021]其中，像平面內(nèi)正方形圖案的對(duì)角線(xiàn)與像平面坐標(biāo)系的夾角記為Q1，表示第i次測(cè)量得到的在像平面內(nèi)正方形的對(duì)角線(xiàn)與像平面坐標(biāo)系的夾角；
[0022]正方形圖案的兩條對(duì)角線(xiàn)的長(zhǎng)度分別記為ACjPBD1，表示第i次測(cè)量得到的正方形兩條對(duì)角線(xiàn)的長(zhǎng)度；
[0023]梯形棱鏡繞x、y和z三個(gè)方向的角度偏差分別記為α?、β?和γi;
[0024]其中，角度偏差CJi通過(guò)ai = arcsinACi/ACo計(jì)算；
[0025]其中，arcsin表示反正弦函數(shù)；
[0026]其中，角度偏差0i，具體為:0i = arcsinBDi/BDo計(jì)算；
[0027]其中，ACo、m)()為梯形棱鏡上表面正方形對(duì)角線(xiàn)的實(shí)際長(zhǎng)度；
[0028]其中，角度偏差γι等于Q1;
[0029]其中，所述的梯形棱鏡繞17和2三個(gè)方向各調(diào)整上述測(cè)量的角度偏差負(fù)值，即分別調(diào)整和-γ i角度；
[0030]其中，所述的i取值范圍為正整數(shù);步驟二中將i賦初值:1= I;
[0031]步驟三、判斷步驟二計(jì)算出來(lái)的角度偏差a1、i3i和γi的大小，并進(jìn)行調(diào)整梯形棱鏡位姿與否的操作:
[0032]3.1若角度偏差CtiWdPyi的值均小于0.001°，在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)，則無(wú)需再調(diào)整梯形棱鏡位姿，跳至步驟四；
[0033]3.2令i = i+Ι，跳至步驟二，計(jì)算梯形棱鏡繞X、y和Z三個(gè)方向的角度偏差值a1、0i和γ i，利用棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)消除步驟二重新計(jì)算出來(lái)的角度偏差a1、&和Yi;
[0034]步驟四、將用于共焦共像對(duì)位微裝配校準(zhǔn)的兩塊標(biāo)定板貼合，在激光共聚焦顯微鏡下完成對(duì)準(zhǔn)操作，使兩塊標(biāo)定板的“十”字刻線(xiàn)重合，再把兩塊標(biāo)定板固定在一起；
[0035]步驟五、用基體零件夾持器將步驟四中的兩塊標(biāo)定板穩(wěn)定夾持，具體為:將目標(biāo)零件夾持器向“十”字刻線(xiàn)目標(biāo)標(biāo)定板靠近，直至接觸，穩(wěn)定夾持“十”字刻線(xiàn)目標(biāo)標(biāo)定板;再解除兩塊標(biāo)定板之間的約束；
[0036]步驟六、基體零件夾持器帶動(dòng)“十”字刻線(xiàn)基體標(biāo)定板，同時(shí)，目標(biāo)零件夾持器帶動(dòng)“十”字刻線(xiàn)目標(biāo)標(biāo)定板，進(jìn)行反向分離;將梯形棱鏡緩慢移入兩塊標(biāo)定板之間，使梯形棱鏡的兩個(gè)斜面分別對(duì)著兩塊標(biāo)定板，再把激光共聚焦顯微鏡移入梯形棱鏡正上方；
[0037]步驟七、通過(guò)激光共聚焦顯微鏡測(cè)量?jī)蓧K標(biāo)定板“十”字刻線(xiàn)的中心坐標(biāo)以及梯形棱鏡中心刻線(xiàn)的坐標(biāo)，求得兩塊標(biāo)定板的“十”字刻線(xiàn)中心在激光共聚焦顯微鏡像平面的相對(duì)位置誤差，完成共焦共像對(duì)位微裝配的校準(zhǔn)；
[0038]經(jīng)過(guò)上述步驟一到步驟七，即完成了一種共焦共像對(duì)位微裝配校準(zhǔn)方法。
[0039]有益效果
[0040]—種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法，與其他微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法相比，具有如下有益效果:
[0041 ] 1.本發(fā)明一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法采用共焦共像對(duì)位檢測(cè)，進(jìn)一步提高了微器件裝配對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)精度，使微器件裝配對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)精度能夠達(dá)到亞微米級(jí)；
[0042]2.本發(fā)明一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)采用了共焦共像對(duì)位原理，合理設(shè)計(jì)對(duì)位光路，采用梯形棱鏡，保證了合適的工作距離；
[0043]3.本發(fā)明一種共焦共像對(duì)位微裝配校準(zhǔn)方法利用棱鏡上表面的參考十字刻線(xiàn)和正方形圖案完成了梯形棱鏡位姿的校準(zhǔn)，基于共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)的原理完成共焦共像對(duì)位微裝配校準(zhǔn)，極大地提高了微裝配系統(tǒng)的裝配精度，方法簡(jiǎn)單易行。
【附圖說(shuō)明】
[0044]圖1是本發(fā)明及實(shí)施例1中的一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)圖；
[0045]圖2是本發(fā)明及實(shí)施例2中的一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)裝配原理圖；
[0046]圖3是本發(fā)明及實(shí)施例3中的一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)中梯形棱鏡的上表面圖案局部放大圖；
[0047]圖4是本發(fā)明及實(shí)施例3中的一種共焦共像對(duì)位微裝配校準(zhǔn)方法的流程圖；
[0048]圖5是本發(fā)明及實(shí)施例3中的一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)中梯形棱鏡位姿校準(zhǔn)的原理圖；
[0049]圖6是本發(fā)明及實(shí)施例3中的一種共焦共像對(duì)位微裝配校準(zhǔn)方法調(diào)整梯形棱鏡位姿后激光共聚焦顯微鏡下的正方形圖案刻線(xiàn)；
[0050]圖7是本發(fā)明及實(shí)施例3中的一種共焦共像對(duì)位微裝配校準(zhǔn)方法的操作示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0051]為了更好的說(shuō)明本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明和詳細(xì)描述。
[0052]實(shí)施例1
[0053]圖1是本發(fā)明一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)圖，oxyz為系統(tǒng)的坐標(biāo)系。包括目標(biāo)零件二維位移臺(tái)1、目標(biāo)零件升降臺(tái)2、目標(biāo)零件夾持器3、基體零件夾持器4、基體零件5、目標(biāo)零件6、梯形棱鏡7、激光共聚焦顯微鏡8、光柵尺9、龍門(mén)架機(jī)構(gòu)1、棱鏡夾持機(jī)構(gòu)
11、棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)12、檢測(cè)臺(tái)13、六自由度PI并聯(lián)微動(dòng)平臺(tái)14、基體零件二維位移臺(tái)15、大理石臺(tái)16 ο目標(biāo)零件夾持器3用于夾持目標(biāo)零件6，其下方為目標(biāo)零件二維位移臺(tái)I和目標(biāo)零件升降臺(tái)2連接組成的目標(biāo)載物臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)零件6沿x、y和z三個(gè)方向的直線(xiàn)位移?；w零件夾持器4用于夾持基體零件5，其下方為六自由度PI并聯(lián)微動(dòng)平臺(tái)14和基體零件二維位移臺(tái)15連接組成的基體載物臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)基體零件5的六個(gè)方向的精確微調(diào)。
[0054]其中，本實(shí)施例中基體零件5和目標(biāo)零件6分別為“十”字刻線(xiàn)基體標(biāo)定板和“十”字刻線(xiàn)目標(biāo)標(biāo)定板;本實(shí)施例中的目標(biāo)零件夾持器3和基體零件夾持器4均為真空吸附式夾持器。梯形棱鏡7穩(wěn)定夾持在棱鏡夾持機(jī)構(gòu)11上，棱鏡夾持機(jī)構(gòu)11與棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)12剛性連接，棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)12有六個(gè)自由度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)梯形棱鏡7位姿的精確調(diào)整。激光共聚焦鏡頭8安裝在龍門(mén)架機(jī)構(gòu)10上，可實(shí)現(xiàn)X、5^Pz三個(gè)方向直線(xiàn)位移。光柵尺9貼在龍門(mén)架機(jī)構(gòu)10頂端y向?qū)к壍膫?cè)面，可準(zhǔn)確測(cè)量激光共聚焦顯微鏡8的位置。檢測(cè)臺(tái)13為激光共聚焦顯微鏡8的原配件，是臺(tái)面尺寸為100*100的電動(dòng)載物臺(tái)，用于放置試樣，進(jìn)行檢測(cè)。目標(biāo)零件二維位移臺(tái)1、龍門(mén)架機(jī)構(gòu)1、棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)12、檢測(cè)臺(tái)13和基體零件二維位移臺(tái)15均安裝在大理石臺(tái)16上。
[0055]實(shí)施例2
[0056]圖2是本發(fā)明及本實(shí)施例中的一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)裝配原理圖；從圖2中可以看到，oxyz為系統(tǒng)的坐標(biāo)系，oixiyi為系統(tǒng)的像坐標(biāo)系；
[0057]在系統(tǒng)裝配之前，需要將目標(biāo)零件A和基體零件B分別安裝在目標(biāo)零件夾持器和基體零件夾持器上，經(jīng)過(guò)調(diào)整后，A與B在X和z方向存在位置偏差;系統(tǒng)裝配步驟，具體如下:
[0058]首先，移動(dòng)激光共聚焦顯微鏡到HO位置獲得零件A的端面圖像，使端面圖像的中心線(xiàn)與共聚焦顯微鏡像坐標(biāo)系的71軸重合；
[0059]然后，將激光共聚焦顯微鏡向右移動(dòng)到參考線(xiàn)α上方，調(diào)整鏡頭獲得參考線(xiàn)的清晰圖像，使參考線(xiàn)與共聚焦顯微鏡像坐標(biāo)系的yi軸重合，記錄HO位置到參考線(xiàn)α的移動(dòng)距離a;
[0060]第三，將激光共聚焦顯微鏡向右移動(dòng)到Hl位置獲得零件B的端面圖像，使端面圖像的中心線(xiàn)與共聚焦像坐標(biāo)系的yi軸重合，記錄參考線(xiàn)α到Hl位置移動(dòng)距離b ；
[0061]需要注意的是獲取圖像時(shí)可沿z方向調(diào)整鏡頭，以獲得零件清晰的像，z方向調(diào)整鏡頭不會(huì)影響對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)結(jié)果。零件A與B在X方向的位置偏差Λχ可由H0、H1位置獲取的圖像求得，即為兩圖像中端面中心坐標(biāo)在yi方向的偏差。而零件A與B在z方向的偏差Λζ為a與b的差值，即Az= I a-b I與b的值可以從安裝顯微鏡的導(dǎo)軌上的光柵讀出，光柵的精度可達(dá)至Ij0.Ιμπι。根據(jù)計(jì)算得到的偏差Λχ、Λζ調(diào)整基體零件位姿，完成高精度裝配。
[0062]實(shí)施例3
[0063]本實(shí)施例中使用了特制梯形棱鏡，此梯形棱鏡的兩個(gè)斜面鍍高反射率鋁膜和氟化鎂保護(hù)膜，鋁膜對(duì)于波長(zhǎng)為400?700nm的激光的反射率在90 %以上;棱鏡材料為ΒΚ7;面精度為1/4λ;梯形棱鏡的上表面圖案的局部放大圖如圖3所示，可以看到在梯形棱鏡上表面有參考十字刻線(xiàn)和正方形圖案刻線(xiàn)，正方形圖案的對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度為0.5mm，參考十字刻線(xiàn)和正方形圖案的線(xiàn)寬為均為5μηι;
[0064]圖4是本發(fā)明及本實(shí)施例一種共焦共像對(duì)位微裝配校準(zhǔn)方法的流程圖。由圖4中可以看出，根據(jù)棱鏡位姿校準(zhǔn)原理和共焦共像對(duì)位微裝配校準(zhǔn)方法對(duì)共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn);一種共焦共像對(duì)位微裝配校準(zhǔn)方法的步驟如下:
[0065]步驟Α、將梯形棱鏡固定在棱鏡調(diào)整機(jī)構(gòu)上，用激光共聚焦顯微鏡觀測(cè)梯形棱鏡上表面的正方形圖案刻線(xiàn)，調(diào)整焦距使得正方形的圖像清晰，使得正方形圖案位于視場(chǎng)的中央，獲取圖像。開(kāi)始測(cè)量模式和消除三個(gè)方向的角度偏差，此處的角度偏差α、β和γ可以采用說(shuō)明書(shū)主體中的并行消除，也可以采用本實(shí)施例中的串行消除，具體為:
[0066]測(cè)量在像平面內(nèi)正方形圖案的對(duì)角線(xiàn)與像平面坐標(biāo)系的夾角，即為梯形棱鏡繞ζ向的角度偏差γ，調(diào)整棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)繞ζ向旋轉(zhuǎn)-γ，消除角度偏差γ ;如圖5所示梯形棱鏡位姿校準(zhǔn)的原理圖，量取正方形的對(duì)角線(xiàn)AC和BD的值，然后求得繞X向的角度偏差α =arcsinAC/AoCo，同理求得y向的角度偏差P = arcsinBD/BoD()，進(jìn)而調(diào)整棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)繞X向旋轉(zhuǎn)_α，繞y向旋轉(zhuǎn)_β，消除角度偏差α和β;
[0067]步驟B、反復(fù)進(jìn)行步驟A的操作，用激光共聚焦顯微鏡觀測(cè)，計(jì)算角度偏差α、β和γ，調(diào)整棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)消除偏差，直至α、β和γ角度方向的角度偏差小于0.001°，本實(shí)施例中進(jìn)行了 3次步驟A的操作，使得α、β和γ三個(gè)角度方向均與系統(tǒng)坐標(biāo)系oxyz之間的角度偏差在0.0007°以?xún)?nèi)，完成了棱鏡的位姿校準(zhǔn)；
[0068]經(jīng)過(guò)調(diào)整后得到的正方形圖案刻線(xiàn)圖像如圖6所示；
[0069]步驟C、共焦共像對(duì)位微裝配校準(zhǔn)方法的操作示意圖，如圖7所示;將用于共焦共像對(duì)位微裝配校準(zhǔn)的兩塊標(biāo)定板貼合，在激光共聚焦顯微鏡下完成對(duì)準(zhǔn)操作，使兩塊標(biāo)定板的“十”字刻線(xiàn)重合，再把兩塊標(biāo)定板固定在一起；
[0070]步驟D、用基體零件真空吸附式夾持器將步驟C中的兩塊標(biāo)定板吸附，將目標(biāo)零件真空吸附式夾持器向“十”字刻線(xiàn)目標(biāo)標(biāo)定板靠近，直至接觸，吸附“十”字刻線(xiàn)目標(biāo)標(biāo)定板，解除兩塊標(biāo)定板之間的約束；
[0071 ]步驟E、基體零件夾持器帶動(dòng)“十”字刻線(xiàn)基體標(biāo)定板，同時(shí)，目標(biāo)零件夾持器帶動(dòng)“十”字刻線(xiàn)目標(biāo)標(biāo)定板，進(jìn)行反向分離;將梯形棱鏡緩慢移入兩塊標(biāo)定板之間，防止碰撞，使梯形棱鏡的兩個(gè)斜面分別對(duì)著兩塊標(biāo)定板，再把激光共聚焦顯微鏡移到梯形棱鏡正上方進(jìn)tx檢測(cè)；
[0072]步驟F、通過(guò)激光共聚焦顯微鏡測(cè)量?jī)蓧K標(biāo)定板“十”字刻線(xiàn)的中心坐標(biāo)以及梯形棱鏡中心刻線(xiàn)的坐標(biāo)，求得兩塊標(biāo)定板的“十”字刻線(xiàn)中心在激光共聚焦顯微鏡像平面的相對(duì)位置誤差，完成共焦共像對(duì)位微裝配的校準(zhǔn)。
[0073]本實(shí)施例中測(cè)得“十”字刻線(xiàn)目標(biāo)標(biāo)定板的“十”字刻線(xiàn)中心到梯形棱鏡中心刻線(xiàn)的距離a為8.2643mm，“十”字刻線(xiàn)基體標(biāo)定板的“十”字刻線(xiàn)中心到梯形棱鏡中心刻線(xiàn)的距離b為8.2634111111，兩者的差值八2為94111，在1方向的位置偏差八1為34111，即“十”字刻線(xiàn)基體標(biāo)定板和“十”字刻線(xiàn)目標(biāo)標(biāo)定板的“十”字刻線(xiàn)中心在共聚焦顯微鏡像平面X1、yi方向的相對(duì)位置誤差分別為9μπι和3μπι。該測(cè)量結(jié)果包含激光共聚焦顯微鏡的檢測(cè)誤差，梯形棱鏡的加工和安裝誤差，基體載物臺(tái)和目標(biāo)載物臺(tái)自身的定位誤差和激光共聚焦顯微鏡小行程移動(dòng)的定位誤差。
[0074]以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例和附圖所公開(kāi)的內(nèi)容。凡是不脫離本發(fā)明所公開(kāi)的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法，其特征在于: 一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法包括一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng))和一種共焦共像對(duì)位微裝配校準(zhǔn)方法(簡(jiǎn)稱(chēng)方法); 其中，系統(tǒng)主要包括大理石臺(tái)、激光共聚焦顯微鏡、龍門(mén)架機(jī)構(gòu)、梯形棱鏡、棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)、棱鏡夾持機(jī)構(gòu)、基體零件、基體零件夾持器、基體載物臺(tái)、目標(biāo)零件、目標(biāo)零件夾持器、目標(biāo)載物臺(tái)、光柵尺以及檢測(cè)臺(tái)； 其中，棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)為六自由度的棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu);其中，基體零件和目標(biāo)零件可以為軸類(lèi)零件、孔類(lèi)零件、平板類(lèi)零件以及三維微小型零件； 其中，基體零件夾持器和目標(biāo)零件夾持器可以為真空吸附式夾持器、靜電吸附式夾持器、液體吸附式夾持器、形狀記憶合金微型夾持器、靜電式夾持器、電磁式夾持器、壓電式夾持器和復(fù)合式夾持器;激光共聚焦顯微鏡的橫向分辨率可達(dá)到0.12μπι;龍門(mén)架機(jī)構(gòu)包括龍門(mén)架及安裝在龍門(mén)架頂端的y、z向?qū)к壓妄堥T(mén)架底端的X向?qū)к?梯形棱鏡上表面具有參考十字刻線(xiàn)和正方形圖案刻線(xiàn);光柵尺是由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成;檢測(cè)臺(tái)為激光共聚焦顯微鏡的X、y方向的電動(dòng)載物臺(tái)。2.如權(quán)利要求1所述的一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法，其特征還在于: 一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)中各組成部分的功能是:大理石臺(tái)是一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)的基座;激光共聚焦顯微鏡用于采集零件的圖像;龍門(mén)架機(jī)構(gòu)用于帶動(dòng)激光共聚焦顯微鏡實(shí)現(xiàn)x、y和z三個(gè)方向的直線(xiàn)位移;梯形棱鏡用于反射基體零件和目標(biāo)零件的像;棱鏡夾持機(jī)構(gòu)用于穩(wěn)定夾持梯形棱鏡;棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)六個(gè)方向的精確微調(diào)；基體零件夾持器和目標(biāo)零件夾持器分別用于夾持基體零件和目標(biāo)零件;基體載物臺(tái)的功能是對(duì)基體零件六個(gè)方向的精確微調(diào)；目標(biāo)載物臺(tái)的功能是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)零件沿x、y和z三個(gè)方向的直線(xiàn)位移;光柵尺用于高精度檢測(cè)激光共聚焦顯微鏡的直線(xiàn)位移，檢測(cè)精度可達(dá)0.Ιμπι;檢測(cè)臺(tái)用于放置檢測(cè)試樣。3.如權(quán)利要求1所述的一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法，其特征還在于: 所述的系統(tǒng)中的基體零件可以是“十”字刻線(xiàn)基體標(biāo)定板；目標(biāo)零件可以是“十”字刻線(xiàn)目標(biāo)標(biāo)定板； 其中，“十”字刻線(xiàn)基體標(biāo)定板和“十”字刻線(xiàn)目標(biāo)標(biāo)定板，均屬于三維微小型零件，后續(xù)簡(jiǎn)稱(chēng)兩塊標(biāo)定板。4.如權(quán)利要求1所述的一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法，其特征還在于: 一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)中的基體載物臺(tái)為基體零件二維位移臺(tái)和六自由度PI并聯(lián)微動(dòng)平臺(tái)組成的平臺(tái)；目標(biāo)載物臺(tái)為目標(biāo)零件二維位移臺(tái)和目標(biāo)零件升降臺(tái)組成的平臺(tái)。5.如權(quán)利要求1所述的一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法，其特征還在于: 一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)中各組成部分的連接與安裝關(guān)系如下: 激光共聚焦顯微鏡安裝在龍門(mén)架機(jī)構(gòu)上，龍門(mén)架機(jī)構(gòu)安裝在大理石臺(tái)面上;梯形棱鏡放置于激光共聚焦顯微鏡正下方，梯形棱鏡穩(wěn)定夾持在棱鏡夾持機(jī)構(gòu)上，棱鏡夾持機(jī)構(gòu)與棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)剛性連接，棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝在大理石臺(tái)面上;基體零件二維位移臺(tái)和六自由度PI并聯(lián)微動(dòng)平臺(tái)連接組成基體載物臺(tái)；目標(biāo)零件二維位移臺(tái)和目標(biāo)零件升降臺(tái)連接組成目標(biāo)載物臺(tái)；基體載物臺(tái)與目標(biāo)載物臺(tái)分別位于梯形棱鏡的兩側(cè)，且都安裝在大理石臺(tái)面上;基體零件夾持器安裝在基體載物臺(tái)上，目標(biāo)零件夾持器安裝在目標(biāo)載物臺(tái)上;基體零件裝夾在基體零件夾持器上，目標(biāo)零件裝夾在目標(biāo)零件夾持器上，且基體零件與目標(biāo)零件分別對(duì)準(zhǔn)梯形棱鏡的兩個(gè)斜面;光柵尺貼在龍門(mén)架頂端y向?qū)к壍膫?cè)面;檢測(cè)臺(tái)安裝在大理石臺(tái)面上。6.如權(quán)利要求1所述的一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法，其特征還在于: 所述的一種共焦共像對(duì)位微裝配校準(zhǔn)方法，具體通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn): 步驟一、將梯形棱鏡穩(wěn)定夾持在棱鏡夾持機(jī)構(gòu)上，把棱鏡夾持機(jī)構(gòu)與棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)剛性連接，再對(duì)棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)的六個(gè)方向讀數(shù)歸零； 步驟二、用激光共聚焦顯微鏡觀測(cè)梯形棱鏡上表面的正方形圖案刻線(xiàn)，獲取正方形圖案的圖像，測(cè)量在像平面內(nèi)正方形圖案的對(duì)角線(xiàn)與像平面坐標(biāo)系的夾角和正方形圖案的兩條對(duì)角線(xiàn)的長(zhǎng)度，再計(jì)算梯形棱鏡繞x、y和z三個(gè)方向的角度偏差，利用棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)梯形棱鏡位姿的精密調(diào)整，通過(guò)將梯形棱鏡繞x、y和z三個(gè)方向各調(diào)整上述測(cè)量的角度偏差負(fù)值來(lái)消除角度偏差； 步驟三、判斷步驟二計(jì)算出來(lái)的角度偏差的大小，并進(jìn)行調(diào)整梯形棱鏡位姿與否的操作: 步驟四、將用于共焦共像對(duì)位微裝配校準(zhǔn)的兩塊標(biāo)定板貼合，在激光共聚焦顯微鏡下完成對(duì)準(zhǔn)操作，使兩塊標(biāo)定板的“十”字刻線(xiàn)重合，再把兩塊標(biāo)定板固定在一起； 步驟五、用基體零件夾持器將步驟四中的兩塊標(biāo)定板穩(wěn)定夾持； 步驟六、基體零件夾持器帶動(dòng)“十”字刻線(xiàn)基體標(biāo)定板，同時(shí)，目標(biāo)零件夾持器帶動(dòng)“十”字刻線(xiàn)目標(biāo)標(biāo)定板，進(jìn)行反向分離;將梯形棱鏡緩慢移入兩塊標(biāo)定板之間，使梯形棱鏡的兩個(gè)斜面分別對(duì)著兩塊標(biāo)定板，再把激光共聚焦顯微鏡移入梯形棱鏡正上方； 步驟七、通過(guò)激光共聚焦顯微鏡測(cè)量?jī)蓧K標(biāo)定板“十”字刻線(xiàn)的中心坐標(biāo)以及梯形棱鏡中心刻線(xiàn)的坐標(biāo)，求得兩塊標(biāo)定板的“十”字刻線(xiàn)中心在激光共聚焦顯微鏡像平面的相對(duì)位置誤差，完成共焦共像對(duì)位微裝配的校準(zhǔn)； 經(jīng)過(guò)上述步驟一到步驟七，即完成了 一種共焦共像對(duì)位微裝配校準(zhǔn)方法。7.如權(quán)利要求5所述的一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法，其特征還在于: 其中，步驟一中所述的六個(gè)方向?yàn)閄、y和z三個(gè)方向及α、β和γ三個(gè)角度轉(zhuǎn)向。8.如權(quán)利要求5所述的一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法，其特征還在于: 其中，步驟二中的像平面內(nèi)正方形圖案的對(duì)角線(xiàn)與像平面坐標(biāo)系的夾角記為9,，表示第i次測(cè)量得到的在像平面內(nèi)正方形的對(duì)角線(xiàn)與像平面坐標(biāo)系的夾角； 正方形圖案的兩條對(duì)角線(xiàn)的長(zhǎng)度分別記為ACjPBD1，表示第i次測(cè)量得到的正方形兩條對(duì)角線(xiàn)的長(zhǎng)度； 梯形棱鏡繞x、y和z三個(gè)方向的角度偏差分別記為Ciiji和γ?; 其中，角度偏差ai通過(guò)Cii = arcs inACi/ACo計(jì)算； 其中，arcsin表示反正弦函數(shù)； 其中，角度偏差Pi，具體為:β? = arcs inBDi/BDo計(jì)算； 其中，AGkBDo為梯形棱鏡上表面正方形對(duì)角線(xiàn)的實(shí)際長(zhǎng)度； 其中，角度偏差Y1等于θ1; 其中，所述的梯形棱鏡繞x、y和ζ三個(gè)方向各調(diào)整上述測(cè)量的角度偏差負(fù)值，即分別調(diào)整-a1、-0i和-γ i角度； 其中，所述的i取值范圍為正整數(shù);步驟二中將i賦初值:1 = I。9.如權(quán)利要求5所述的一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法，其特征還在于: 步驟三中判斷步驟二計(jì)算出來(lái)的角度偏差的大小，并進(jìn)行調(diào)整梯形棱鏡位姿與否的操作，具體為: 3.1若角度偏差<^、隊(duì)和γ ,的值均小于0.001°，在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)，則無(wú)需再調(diào)整梯形棱鏡位姿，跳至步驟四； 3.2令i = i+l，跳至步驟二，計(jì)算梯形棱鏡繞x、y和z三個(gè)方向的角度偏差值a1、0i和γ i，利用棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)消除步驟二重新計(jì)算出來(lái)的角度偏差?、仏和γ 1ο10.如權(quán)利要求5所述的一種共焦共像對(duì)位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法，其特征還在于: 步驟五中用基體零件夾持器將步驟四中的兩塊標(biāo)定板穩(wěn)定夾持，具體為:將目標(biāo)零件夾持器向“十”字刻線(xiàn)目標(biāo)標(biāo)定板靠近，直至接觸，穩(wěn)定夾持“十”字刻線(xiàn)目標(biāo)標(biāo)定板;再解除兩塊標(biāo)定板之間的約束。
【文檔編號(hào)】G01B11/00GK105841617SQ201610352169
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年5月25日
【發(fā)明人】葉鑫, 張之敬, 李揚(yáng), 蔡紹鵬, 周登宇, 劉玉紅
【申請(qǐng)人】北京理工大學(xué)