面向微小型系统装配的高精度对位检测仪的研制

精密微小型机电系统装配是目前国内外微制造领域的研究热点，而高精度对位检测又是微装配过程亟待解决的共性关键难题。本项目从我国重大科技攻关和微小型机电系统研发与生产的需求出发，依据近年来在微小型机械系统装配方面所取得的研究成果，提出面向微小型系统装配的高精度对位检测仪器。围绕当前在精密微装配领域高精度对位检测方面的几个重大关键问题，即高精度显微光学对位、高精度对位特征识别、基于高灵敏度微力反馈的自适应位置误差检测等问题，研制同轴光学对位、特征识别和基于微力反馈的亚微米级精度的对位检测硬软件模块集成的面向微装配的高精度同轴对位检测仪器，并在此基础上研究仪器自校准和标定方法。该仪器的研制成功将为我国的微靶等三维复杂微小型系统高精度装配、非硅MEMS与MEMS产品的自动化装配、封装与集成提供关键设备和技术支撑；同时对我国精密微小型系统的长远发展，具有十分重要的理论意义与应用价值。

本项目研制了一台面向中间尺度微器件组成的精密、微小型系统的高精度对位检测仪，能够达到亚微米级装配对位精度。.主要研究内容有：.（1）基于CCD相机的同轴对位检测原理：利用立方体分光棱镜，使得摄像机可同时获取基体与目标零件的图像信息，获取不同位姿下基体和目标零件在同一像平面上的位置对应关系。实验结果表明，基于CCD相机的同轴对位检测精度能够达到2微米。.（2）基于激光共聚焦的对位测量原理：目标零件和基体零件经过道威棱镜的45度斜边反射后，在激光共聚焦测量显微镜的像平面可获得清晰的像。通过测量激光共聚焦显微镜头向左或右侧移动的距离以及两端零件在像平面中的位置，计算即可得到两端零件的位置偏差。成像误差对对准精度的影响分析与实验结果表明，基于激光共聚焦的对位测量分辨率能达到0.5微米。.（3）基于UMAC卡的多轴综合集成控制系统：针对本仪器组成部件众多，所需控制轴数多、自由度数多（28个），且控制功能要求各异，反馈信息种类不同，采集手段和处理方法也不同的特点，采用了“工控机+独立控制器+多运动轴控制卡”的开放式控制系统构架。.突破了以下关键技术：.（1）基于微力/位姿映射的高精度装配方法：综合分析了在传感器和待装配零件之间存在的各种影响因素，提出了基于BP神经网络和GA遗传算法的装配力和零件位姿之间映射的研究方法，实验和计算结果表明基于微力-微变形的对位检测分辨率能达到100nm。.（2）基于工艺匹配的对称边缘特征几何位置精确识别算法：研究了基于工艺匹配的微小型结构件显微光学位置识别基本原理，建立不同工艺的微小型结构件显微图像边缘的多项式拟合模型。.（3）高精度对位检测仪的自校准与误差补偿：研究了基于CCD相机同轴对位的位姿校准技术、基于激光共聚焦同轴光学对准的位姿校准技术和同轴光学对位检测系统的精度补偿，通过校准和精度补偿，系统的光学分辨率和装配对准分辨率均能达到0.5微米。.通过本项目的研究，共发表论文30篇，其中SCI检索10篇，EI检索17篇；获得国家发明专利授权11项，申请国家发明专利9项，且本项目主要成果已成功应用于航天惯性仪表高精度装配、非硅MEMS弹用器件自动化装配、卫星复杂结构装配中；获得2次国际学术会议最佳论文奖；赴国外考察1次；1人获批新世纪优秀人才计划；培养博士生15名，已毕业8名、在读7名，硕士生20名，已毕业12名、在读8名。