一种部件轴向对心检测装置的成像系统.pdf

一种部件轴向对心检测装置的成像系统，属于机器视觉成像系统，解决现有成像系统结构复杂、操作繁琐、精度不佳、影响对心操作问题。本发明中，支撑臂位于底座上并能够相对于底座上下调节，旋合连接的电子摄像机和光学镜头固定于支撑臂一端，固定于支座的平面镜和光源，连接于支撑臂另一端；光学镜头、平面镜和光源几何中心处于同一平面，平面镜与电子摄像机的成像平面呈45°角；光源出射光线与电子摄像机的成像平面平行。本发明操作简单、无需过多调节、变换，可同时呈现物体两垂直方向的图像，不影响对心物体的空间结构及其操作过程，提高图像质量和偏差测量精度，方便后期的图像处理，从而提高机电产品自动生产、装配、调试中对心精度。

1.  一种部件轴向对心检测装置的成像系统，包括底座、支撑臂、图像采集单元、平面镜和光源；其特征在于：
支撑臂位于底座上并能够在竖直方向相对于底座上下调节；
图像采集单元包括电子摄像机和光学镜头，二者通过接口旋合在一起，再通过固定支架固定连接于支撑臂一端；平面镜和光源通过各自的安装板与连接于支撑臂另一端的同一支座固定；光学镜头、平面镜和光源三者的几何中心处于同一平面；平面镜与电子摄像机的成像平面呈45°角；光源出射光线与电子摄像机的成像平面平行。

2.  如权利要求1所述的成像系统，其特征在于：
所述光源为矩形平板背光光源，工作时待对心的两个针状物体位于背光光源和平面镜之间，背光光源出射光线方向垂直于光学镜头的轴线，其中一部分光线经过与镜头轴线呈45度角的平面镜反射，沿镜头轴线射出。

一种部件轴向对心检测装置的成像系统
技术领域
本发明属于机器视觉的成像系统，具体涉及一种部件轴向对心检测装置的成像系统，可用于机电产品自动生产、装配、调试中对两个针状部件轴向准确对心的检测。
背景技术
在机电产品的机械调整中，经常需要将空间两个针状物体的轴线调整至重合，即对心。例如在电子封装设备芯片拾取操作中，顶针将芯片从硅盘上顶起，吸嘴沿顶针轴向从顶针的顶部将顶起的芯片吸起。这个过程中，如果顶针的中心和吸嘴的中心不重合，将导致芯片侧翻或者掉落。为此，在安装调整中，应尽量保证顶针与吸嘴有较高的对心准精度。由于吸嘴和顶针的尺寸通常在1毫米或更小，单凭人的肉眼观察，很难满足对心精度的要求。
在许多情况下，通过机械配合实现对心，如销和孔、键和键槽的配合，例如，中国专利ZL200820009011.6，陈连宗发明的加工机第二主轴或轴尾座对心调校装置，包含一个移位单元和两个侧推单元，移位单元安装在基座与轴体的相对表面间，包含导块和滑槽等结构，两个侧推单元分别安装在异于导块枢接端的轴体两侧，操作者可以先利用侧推单元调节轴体的偏位角度后，再利用移位单元调整轴体的位置，使第二主轴的轴线对应第一主轴的轴线。该发明将对心偏差分解为角度偏差和位移偏差，解除了耦合关系，这种利用机械配合实现对心的方式，操作方便，但其缺陷是：(1)需要将调整装置与设备作为一体；(2)需要人眼或借助其它的观察工具观察偏差。因为电子封装设备中待对心的结构是高速高精运动部件，结构复杂，如果再在其中添加对心装置，会导致设备结构更加复杂，可靠性降低，因此这种依靠机械配合的对心方式不适用于结构复杂的电子封装设备。
Karl & Suss公司的FC250等一些高精密的设备中，对心操作常常采用特殊设计的双向光路视觉检测系统，双光路系统由一系列平面镜组和分光镜组成，三个与水平方向成45°的平面镜将上下两待对心针状物体轴向图像转移至水平方向，与水平方向成45°放置的分光镜将以上两个图像同时成像。这种视觉检测系统是独立于设备本身的。在对心操作时，检测装置和双光路系统必须放置在两个待对心的物体之间，检测装置沿着待对心针状物体轴向观察；电子摄像机通过双向光路系统同时采集两个物体的位置信息，并显示在一幅图像上。根据图像中两物体中心的偏差可调整位置，提高对心精度。然而，这对于两个针状物体轴向对心存在以下问题：首先，这套检测装置和双光路系统必须放置在待对心的两个物体之间，那么两物体之间要有足够的距离和空间，空间狭小的情况下，该装置无法使用；其次，对心检测装置置于两物体中间，对两物体的对心操作产生干涉，当装置获取对心偏移图像后，需要移开才能完成对心操作，这种远距离的对心过程受机械精度影响，在两物体对心距离移近后会降低精度；第三，这种面向对心点的成像方式，在目标是针状物体的针尖截面时，相对于复杂的背景图像，对心目标太小，图像处理困难，难以保证对心精度。
利用双目视觉原理可检测两个针状物体空间轴向对心，即可在垂直于轴线平面内，从两个不相互平行的方向上观察，获取两针状物体空间的位置关系，调节物体位置关系，可使两物体轴线重合，即可完成空间的对心。这种方法可能存在的问题是：从任意两个不相互平行的方向观察，在一个成像方向上，使两物体的轴线图像重合后，当继续调节，使另一个成像方向的轴线图像重合时，前一成像方向重合的像可能又不重合，即两个方向的像之间存在耦合关系，调节过程繁琐。
发明内容
本发明提供一种部件轴向对心检测装置的成像系统，解决现有装置的成像系统所存在的结构复杂、操作繁琐、精度不佳、影响两物体的对心操作问题，可用于两个针状物体在三维空间的轴向精确对心。
本发明的一种部件轴向对心检测装置的成像系统，包括底座、支撑臂、图像采集单元、平面镜和光源；其特征在于：
支撑臂位于底座上，并能够在竖直方向相对于底座上下调节；
图像采集单元包括电子摄像机和光学镜头，二者通过接口旋合在一起，再通过固定支架固定连接于支撑臂一端；平面镜和光源通过各自的安装板与连接于支撑臂另一端的同一支座固定；光学镜头、平面镜和光源三者的几何中心处于同一平面；平面镜与电子摄像机的成像平面呈45°角；光源出射光线与电子摄像机的成像平面平行。
所述的成像系统，其进一步特征在于：
所述光源为矩形平板背光光源，工作时待对心的两个针状物体位于背光光源和平面镜之间，背光光源出射光线方向垂直于光学镜头的轴线，其中一部分光线经过与镜头轴线呈45度角的平面镜反射，沿镜头轴线射出。
当需要检测两个针状物体在空间的对心情况时，将本发明支撑臂设置于和两针状物体轴向(Z向)垂直的平面(X-Y)上，将两针状物体置于光源和平面镜之间，调节支撑臂的高度，使两针状物体的对心点都进入电子摄像机的成像视野中。调整支撑臂上平面镜和两物体对心点间的位置关系，使对心点在平面镜上的像也能进入电子摄像机成像视野中；这样，采集的图像中包括了空间两物体针状对心点的投影，以及经平面镜反射过来的空间两物体针状对心点的侧面投影，两投影分别代表X-Y两个相互垂直方向的像；每个投影反映了X-Z和Y-Z平面上的偏差X、Y，同时可以计算两对心点竖直方向偏差Z。因此，可通过图像处理系统，计算出X-Y-Z三维对心的偏差。
图像处理系统由计算机和图像处理软件组成，通过数据线联接至图像采集单元的电子摄像机，可对电子摄像机采集的图像分析处理。
上述获得的偏差为笛卡尔正交坐标系下的偏差，待对准物体调节坐标系为笛卡尔正交坐标系。如两坐标系平行，则调整时两投影方向间耦合关系解耦。为了便于根据获得的两物体间垂直方向偏差数据实现自动化或半自动化调节，使测得X、Y、Z三个方向的偏差即为实际物体调节坐标系的偏差，放置视觉对心装置时，使电子摄像机轴线方向与物体的一个调节方向平行。
电子摄像机的光学镜头可以选择适当光学放大倍数，通过对对心位置的局部影像放大提高偏差测量的精度。
本发明基于正交双光路系统，从垂直两物体轴线平面进行对心视觉观察和检测，直接从一个方向取到两针状物体的像，同时，通过平面镜的反射获取另一方向上两针状物体的像，能在一个固定位置对待对心两针状物体的空间三维的偏差，包括轴线Z方向、以及在与轴线垂直平面内X-Y向的偏差成像；其测量的三维偏差相互正交。它独立于待对心的两针状物体，不影响两对心针状物体的空间结构及其操作过程。光路部分无需过多调节、变换，电子摄像机可同时呈现物体两垂直方向的图像，操作简单。
本发明采用背光照明方式，可清晰获得两针状物体外围轮廓信息，提高获取图像的质量，方便后期的图像处理，提高两物体偏差测量精度，从而提高对心精度。
本发明的后续处理可使用图像处理软件对图像进行处理，自动获取两针状物体三个方向(X-Y-Z)实际偏差，根据偏差，既可以手动实现对心，也可以自动实现对心，使设备调试智能化、简单化。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的俯视图；
图3为对心方案原理图及其光源光线示意图；
图4为本发明获取的图像示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，待对心的第一针状物体1，待对心的第二针状物体2，一般情况下，它们的体积非常细小，为了表示方便，图中相对放大；图1中竖直箭头表示装置高度调节方向，空间直角坐标箭头表示待对心针状物体可调节方向。
本发明包括底座11、支撑臂5、图像采集单元、平面镜单元和光源单元；支撑臂5位于底座11上并能够在竖直方向相对于底座上下调节；
图像采集单元包括电子摄像机4和光学镜头3，二者通过接口旋合在一起，再通过固定支架6固定连接于支撑臂5一端；平面镜8和光源12分别通过平面镜安装板9和光源安装板7与连接于支撑臂5另一端的同一支座10固定；光学镜头3、平面镜8和光源12三者的几何中心处于同一平面；平面镜8与电子摄像机4的成像平面呈45°角；光源12出射光线与电子摄像机4的成像平面平行。
为突出物体外心轮廓特征，获得待对心物体准确的位置信息，光源12为一矩形平板背光光源，其内部装有高密度LED光源阵列。
如图3所示，工作时待对心的第一针状物体1、第二针状物体2位于背光光源12和平面镜8之间，背光光源12出射光线方向垂直于光学镜头的轴线，其中一部分光线经过与镜头轴线呈45度角的平面镜8反射，沿镜头轴线射出。图中，待对心两物体之间的距离L，距离L的水平方向偏差X，距离L竖直方向偏差Y；图中右上角为平面镜8所成的虚像，其中，第一针状物体的像1′，第二针状物体的像2′。
一般情况下，两针状物体中至少有一物体可在空间沿三个相互垂直方向调节，图1所示的空间直角坐标箭头表示待对心的第一针状物体1的可调节方向。为了便于根据获得的两物体间X-Y垂直方向，以及Z竖直方向的偏差数据，使测得X、Y、Z三个方向的偏差即为实际物体调节坐标系的偏差，实现自动化或半自动化调节，放置视觉对心装置时，使电子相机轴线方向与待对心物体的一个调节方向平行。
鉴于待对心物体形状限制，电子摄像机无法获得足够的正面照射光源的反射光，背光照明方式则可以突出物体外心轮廓特征，获得待对心物体准确的位置信息。
为了保证两待对心针状物体和它们在平面镜的成像共四个像同时呈现在图像中，对电子摄像机视场具有一定的要求。当电子摄像机采用CCD像机时，视场的大小取决于CCD传感器尺寸和光学镜头的放大倍数，CCD传感器尺寸选择1/2inch，根据需要选择镜头放大倍数，通过控制镜头的放大倍数来控制视场大小。
镜头3可选用后焦距可调的远心镜头，该种镜头与定倍镜头的不同之处在于镜筒上设计有调整后焦距的机械装置，调整后焦距，放大倍率和工作距离会发生变化，景深也会发生变化，光圈亦可调，调节光圈可改变景深大小，保证实物和其通过平面镜所成的像能够同时清晰地呈现在采得图像中。
如图4所示，采用背光方式照明，图像采集单元清晰获得第一针状物体1、第二针状物体2及在平面镜中第一针状物体的像1′、第二针状物体的像2′的外轮廓；从而获得的两物体间X-Y垂直方向，以及Z竖直方向的偏差X、Y、Z。
使用本发明对待对心物体轴向对心，包含以下步骤：
步骤1：调节支撑臂5，使图像采集单元与平面镜8和两待对心针状物体高度一致；
步骤2：移动整个装置，使两待对心针状物体贴近平面镜8，并使CCD相机的光轴与其中可调节的一个针状物体的一个调节方向平行；
步骤3：调节光学镜头3，使两待对心针状物体能够清晰成像，并且两待对心针状物体在平面镜3中也能清晰成像；
步骤4：使用图像处理算法，获得两针状物体两个相互垂直方向X-Y，以及竖直方向Z的像素偏差，从而计算得到实际偏差X、Y、Z；
步骤5：根据获得的实际偏差X、Y、Z，实现手动或自动调节，完成两针状物体轴向对心。