一种基于CCD相机对位装配系统的综合误差建模方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于CCD相机对位装配系统的综合误差建模方法，包括如下步骤：根据CCD相机对位装配系统建立系统拓扑链；在没有运动误差的理想状况下，预先计算得到基体零件组和目标零件组中各坐标系之间的变换矩阵，计算得到基体零件和目标零件在参考坐标系下的位置向量P31、P61、方向向量U31、U61；在存在运动误差的状况下，考虑线性轴间的垂直度误差，并将CCD相机镜头的误差转换到目标零件和基体零件坐标系下，计算得到基体零件和目标零件在参考坐标系下的位置向量为P3和P6；基体零件和目标零件在参考坐标系下的方向向量为U3和U6；获得基体零件以及目标零件在参考坐标系下的位置误差向量分别为ΔP3＝P3‑P31、ΔP6＝P6‑P61和方向误差向量分别为ΔU3＝U3‑U31、ΔU6＝U6‑U61。

A synthetic error modeling method based on CCD camera alignment assembly system

The invention discloses a comprehensive error modeling method based on the CCD camera alignment assembly system, which includes the following steps: establishing the system topology chain according to the CCD camera alignment assembly system; calculating the transformation matrix between the coordinate systems of the base part group and the target part group in advance under the ideal condition without motion error, and calculating the reference seat of the base part and the target part group. Position vectors P31, P61, direction vectors U31, U61 in the target coordinate system; in the case of motion errors, considering the vertical error between linear axes, and converting the errors of CCD camera lens into the coordinate system of target parts and base parts, the position vectors of base parts and target parts in the reference coordinate system are calculated as P3 and P6; base parts and target parts in the reference coordinate system. The orientation vectors are U3 and U6, and the position error vectors of the base part and the target part in the reference coordinate system are obtained as P3=P31, P6=P6_P61 and U3=U31, U6=U6_U61, respectively.

【技术实现步骤摘要】
一种基于CCD相机对位装配系统的综合误差建模方法
本专利技术属于装配执行运动
，具体涉及一种基于CCD相机对位装配系统的综合误差建模方法。
技术介绍
对于面向中间尺度微器件组成的精密、微小型系统，如弹药引信装配过程中的非硅MEMS系统、惯性约束核聚变系统等，北京理工大学精密微小型制造实验室在同轴对位的基础上，研制了能够达到亚微米级装配对位精度的高精度对位检测仪，可完成ICF组件的挂件部件TMP组件的精密装配，虽然高精度对位检测仪通过高精度的显微视觉系统可达到亚微米级的检测精度，但零件的装配精度还取决于视觉系统检测后的机械运动精度，且视觉系统中的运动轴的误差也会影响检测精度，从而影响装配精度。但是目前对于综合视觉检测及各运动轴的误差建模尚未有比较精确的方法，这导致后期无法进行有效的补偿，进而影响到装配精度。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种基于CCD相机对位装配系统的综合误差建模方法，该方法综合考虑各线性轴的线性位移误差、直线度误差、俯仰、滚转、偏摆误差，以及线性轴间的坐标原点偏移量、垂直度误差，最终得到了精度较高的位置误差向量和方向误差向量。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：一种基于CCD相机对位装配系统的综合误差建模方法，CCD相机对位装配系统包括隔振台以及安装在隔振台上的基体零件组、目标零件组以及CCD相机组，在隔振台上建立一个参考坐标系O-xyz，其中基体零件组由自上而下的基体零件以及控制其位置的Z1方向运动平台、Y1方向运动平台和X1方向运动平台组成，目标零件组由自上而下的目标零件以及控制其位置的六自由度微动平台即PI台、Z2方向运动平台、Y2方向运动平台和X2方向运动平台组成，CCD相机组由CCD相机以及控制其位置的Z3方向运动平台、Y3方向运动平台和X3方向运动平台组成，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一、根据CCD相机对位装配系统建立系统拓扑链：从隔振台到基体零件为基体链，从隔振台到目标零件为目标链，从隔振台到CCD相机为相机链；并对隔振台、X1方向运动平台、Y1方向运动平台、基体零件、X2方向运动平台、Y2方向运动平台、目标零件、X3方向运动平台、Y3方向运动平台以及CCD相机均建立坐标系，并按照上述顺序对所建立的坐标系进行0～9的坐标序号编号；其中坐标系0即为参考坐标系；在系统拓扑链中具备6个线性轴，分别为：X1方向运动平台、Y1方向运动平台、X2方向运动平台、Y2方向运动平台、X3方向运动平台和Y3方向运动平台；并依据其坐标序号将各线性轴编号为轴1、轴2、轴4、轴5、轴7、轴8；步骤二、在没有运动误差的理想状况下，预先计算得到基体零件组和目标零件组中各坐标系之间的变换矩阵，将组成基体零件组的由下至上各组件对应的坐标系间转换矩阵相乘得到基体零件相对参考坐标系的变换矩阵将组成目标零件组的由下至上各组件对应的坐标系间转换矩阵相乘，得到目标零件相对参考坐标系的变换矩阵从中提取得到基体零件和目标零件在参考坐标系下的位置向量P31、P61、方向向量U31、U61；步骤三、在存在运动误差的状况下，预先获取各线性轴的线性位移误差、直线度误差、俯仰误差、滚转误差、偏摆误差，并预先计算获得轴1和轴2之间的垂直度误差、轴4和轴5之间的垂直度误差、轴7和轴8之间的垂直度误差，并获取各坐标系之间的坐标原点偏移量；利用上述各误差建立存在运动误差的状况下，基体零件和目标零件相对参考坐标系的变换矩阵考虑CCD相机的偏摆误差和俯仰误差，建立CCD相机的相对参考坐标系的变换矩阵其中θx、θy、θz分别为CCD相机在x方向的滚转误差、y方向的俯仰误差和z方向的偏摆误差；δx、δy、δz分别为CCD相机在x、y、z方向上的线性位移误差和直线度误差之和；考虑CCD组件的运动误差时，需将镜头的误差变换矩阵等效为目标零件和基体零件的误差变换矩阵。镜头的直线位移误差和滚转误差只引起零件图像在像平面的位置，并不影响零件成像偏差，考虑镜头的俯仰和偏转，则镜头的偏转等效于零件的偏转且方向相反，镜头的俯仰等效于零件的俯仰；的等效变换矩阵为利用分别与相乘获得基体零件和目标零件相对参考坐标系的综合变换矩阵，分别为和从中提取得到基体零件和目标零件在参考坐标系下的位置向量为和基体零件和目标零件在参考坐标系下的方向向量为和步骤四、获得基体零件在参考坐标系下的位置误差向量和方向误差向量分别为ΔP3＝P3-P31、ΔU3＝U3-U31；目标零件在参考坐标系下的位置误差向量和方向误差向量分别为ΔP6＝P6-P6、1ΔU6＝U6-U61。进一步地，在没有运动误差的理想状况下，坐标系之间的坐标变换矩阵分别为：为坐标系i到坐标系j的坐标变换矩阵，i、j＝0～9；基体零件和目标零件相对参考坐标系的变换矩阵分别为和则基体零件和目标零件在参考坐标系下的位置向量分别为基体零件和目标零件在参考坐标系下的方向向量分别为在存在运动误差时：坐标系之间的坐标变换矩阵分别为：为坐标系对于基体链：式中，O0-1为坐标系1和坐标系0的原点在z方向上的偏移量；δ1x、δ1y、δ1z分别为X1方向运动平台在x、y、z方向上的线性位移误差和直线度误差之和；θ1x、θ1y、θ1z分别为X1方向运动平台在x方向的滚转、y方向的俯仰和z方向的偏摆误差；x1为X1方向运动平台的位移；式中，O1-2为坐标系2和坐标系1的原点在z方向上的偏移量；δ2x、δ2y、δ2z分别为Y1方向运动平台在x、y、z方向上的线性位移误差和直线度误差之和；θ2x、θ2y、θ2z分别为Y1方向运动平台在x方向的滚转、y方向的俯仰和z方向的偏摆误差；y2为Y1方向运动平台的位移；为Y1方向运动平台和X1方向运动平台之间的垂直度误差；O2-3为坐标系3和坐标系2的原点在z方向上的偏移量；对于目标链：式中，O0-4为坐标系4和坐标系0的原点在z方向上的偏移量；δ4x、δ4y、δ4z分别为X2方向运动平台在x、y、z方向上的线性位移误差和直线度误差之和；θ4x、θ4y、θ4z分别为X2方向运动平台在x方向的滚转、y方向的俯仰和z方向的偏摆误差；x4为X2运方向动平台的位移；式中，O4-5为坐标系5和坐标系4的原点在z方向上的偏移量；δ5x、δ5y、δ5z分别为Y2方向运动平台在x、y、z方向上的线性位移误差和直线度误差之和；θ5x、θ5y、θ5z分别为Y2方向运动平台在x方向的滚转、y方向的俯仰和z方向的偏摆误差；y5为Y2方向运动平台的位移；为Y2方向运动平台和X2方向运动平台之间的垂直度误差；O5-6为坐标系6和坐标系5的原点在z方向上的偏移量；对于相机链：式中，O0-7为坐标系7和坐标系0的原点在z方向上的偏移量；δ7x、δ7y、δ7z分别为X3方向运动平台在x、y、z方向上的线性位移误差和直线度误差之和；θ7x、θ7y、θ7z分别为X3方向运动平台在x方向的滚转、y方向的俯仰和z方向的偏摆误差；x7为X3方向运动平台的位移；式中，O7-8为坐标系8和坐标系7的原点在z方向上的偏移量；δ8x、δ8y、δ8z分别为Y3方向运动平台在x、y、z方向上的线性位移误差和直线度误差之和；θ8x、θ8y、θ8z分别为Y3方向运动平台在x方向的滚转、y方向的俯仰和z方向的偏摆误差；y8为Y3方向运动平台的位本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于CCD相机对位装配系统的综合误差建模方法，所述CCD相机对位装配系统包括隔振台以及安装在隔振台上的基体零件组、目标零件组以及CCD相机组，在所述隔振台上建立一个参考坐标系O‑xyz，其中基体零件组由自上而下的基体零件以及控制其位置的Z1方向运动平台、Y1方向运动平台和X1方向运动平台组成，目标零件组由自上而下的目标零件以及控制其位置的六自由度微动平台即PI台、Z2方向运动平台、Y2方向运动平台和X2方向运动平台组成，CCD相机组由CCD相机以及控制其位置的Z3方向运动平台、Y3方向运动平台和X3方向运动平台组成，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一、根据CCD相机对位装配系统建立系统拓扑链：从隔振台到基体零件为基体链，从隔振台到目标零件为目标链，从隔振台到CCD相机为相机链；并对隔振台、X1方向运动平台、Y1方向运动平台、基体零件、X2方向运动平台、Y2方向运动平台、目标零件、X3方向运动平台、Y3方向运动平台以及CCD相机均建立坐标系，并按照上述顺序对所建立的坐标系进行0～9的坐标序号编号；其中坐标系0即为参考坐标系；在系统拓扑链中具备6个线性轴，分别为：X1方向运动平台、Y1方向运动平台、X2方向运动平台、Y2方向运动平台、X3方向运动平台和Y3方向运动平台；并依据其坐标序号将各线性轴编号为轴1、轴2、轴4、轴5、轴7、轴8；步骤二、在没有运动误差的理想状况下，预先计算得到基体零件组和目标零件组中各坐标系之间的变换矩阵，将组成基体零件组的由下至上各组件对应的坐标系间转换矩阵相乘得到基体零件相对参考坐标系的变换矩阵...

【技术特征摘要】
1.一种基于CCD相机对位装配系统的综合误差建模方法，所述CCD相机对位装配系统包括隔振台以及安装在隔振台上的基体零件组、目标零件组以及CCD相机组，在所述隔振台上建立一个参考坐标系O-xyz，其中基体零件组由自上而下的基体零件以及控制其位置的Z1方向运动平台、Y1方向运动平台和X1方向运动平台组成，目标零件组由自上而下的目标零件以及控制其位置的六自由度微动平台即PI台、Z2方向运动平台、Y2方向运动平台和X2方向运动平台组成，CCD相机组由CCD相机以及控制其位置的Z3方向运动平台、Y3方向运动平台和X3方向运动平台组成，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一、根据CCD相机对位装配系统建立系统拓扑链：从隔振台到基体零件为基体链，从隔振台到目标零件为目标链，从隔振台到CCD相机为相机链；并对隔振台、X1方向运动平台、Y1方向运动平台、基体零件、X2方向运动平台、Y2方向运动平台、目标零件、X3方向运动平台、Y3方向运动平台以及CCD相机均建立坐标系，并按照上述顺序对所建立的坐标系进行0～9的坐标序号编号；其中坐标系0即为参考坐标系；在系统拓扑链中具备6个线性轴，分别为：X1方向运动平台、Y1方向运动平台、X2方向运动平台、Y2方向运动平台、X3方向运动平台和Y3方向运动平台；并依据其坐标序号将各线性轴编号为轴1、轴2、轴4、轴5、轴7、轴8；步骤二、在没有运动误差的理想状况下，预先计算得到基体零件组和目标零件组中各坐标系之间的变换矩阵，将组成基体零件组的由下至上各组件对应的坐标系间转换矩阵相乘得到基体零件相对参考坐标系的变换矩阵将组成目标零件组的由下至上各组件对应的坐标系间转换矩阵相乘，得到目标零件相对参考坐标系的变换矩阵从中提取得到基体零件和目标零件在参考坐标系下的位置向量P31、P61、方向向量U31、U61；步骤三、在存在运动误差的状况下，预先获取各线性轴的线性位移误差、直线度误差、俯仰误差、滚转误差、偏摆误差，并预先计算获得轴1和轴2之间的垂直度误差、轴4和轴5之间的垂直度误差、轴7和轴8之间的垂直度误差，并获取各坐标系之间的坐标原点偏移量；利用上述各误差建立存在运动误差的状况下，基体零件和目标零件相对参考坐标系的变换矩阵考虑CCD相机的偏摆误差和俯仰误差，建立CCD相机的相对参考坐标系的变换矩阵其中θx、θy、θz分别为CCD相机在x方向的滚转误差、y方向的俯仰误差和z方向的偏摆误差；δx、δy、δz分别为CCD相机在x、y、z方向上的线性位移误差和直线度误差之和；的等效变换矩阵为利用分别与相乘获得基体零件和目标零件相对参考坐标系的综合变换矩阵，分别为和从中提取得到基体零件和目标零件在参考坐标系下的位置向量为和基体零件和目标零件在参考坐标系下的方向向量为和步骤四、获得基体零件在参考坐标系下的位置误差向量和方向误差向量分别为ΔP3＝P3-P31、ΔU3＝U3-U31；目标零件在参考坐标系下的位置误差向量和方向误差向量分别为ΔP6＝P6-P61、ΔU6＝U6-U61。2.如权利要求1所述的一种基于CCD相机对位装配系统的综合误差建模方法，其特征在于，在没有运动误差的理想状况下，坐标系之间的坐标变换矩阵分别为：为坐标系i到坐标系j的坐标变换矩阵，i、j＝0...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶鑫，张之敬，刘玉红，刘盼，吴飞飞，何理，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11