一種共焦共像對位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法
【專利摘要】一種共焦共像對位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法包括一種共焦共像對位微裝配系統(tǒng)(簡稱系統(tǒng))和一種共焦共像對位微裝配校準(zhǔn)方法(簡稱方法)；系統(tǒng)主要包括激光共聚焦顯微鏡、龍門架機(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；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)通過激光共聚焦顯微鏡測量兩塊標(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位置誤差。本發(fā)明簡單易行，提高了微裝配的對準(zhǔn)和裝配精度。
【專利說明】
一種共焦共像對位微裝配系統(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位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法，屬于微裝配、顯微視覺檢測技術(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，這類儀表或部件的裝配間隙往往需要嚴(yán)格控制在微米級，而對位檢測精度需要達(dá)到亞微米級。
[0003]傳統(tǒng)的顯微視覺成像系統(tǒng)由于受到光學(xué)衍射極限的限制，其分辨率與照明波長是一個數(shù)量級，零件的對準(zhǔn)檢測精度難以達(dá)到亞微米級。而且由于有限焦深的限制，對于在深度方向有精確定位要求的場合無法滿足要求。
[0004]共焦顯微技術(shù)的概念自20世紀(jì)50年代末由美國人Minsky提出以來，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，被廣泛應(yīng)用在微電子制造、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、精密測量等領(lǐng)域的檢測與分析。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準(zhǔn)檢測精度，提出采用共焦共像對位檢測原理，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)檢測在微器件裝配過程中遇到的瓶頸問題，使微器件的裝配對準(zhǔn)檢測精度能夠達(dá)到亞微米級，所以共焦共像對位微裝配系統(tǒng)的校準(zhǔn)是實現(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)對微器件的對準(zhǔn)檢測精度，保證對位檢測精度能夠達(dá)到亞微米級，提出了一種共焦共像對位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法。
[0007]—種共焦共像對位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法包括一種共焦共像對位微裝配系統(tǒng)(簡稱系統(tǒng))和一種共焦共像對位微裝配校準(zhǔn)方法(簡稱方法);
[0008]其中，系統(tǒng)主要包括大理石臺、激光共聚焦顯微鏡、龍門架機(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、目標(biāo)零件、目標(biāo)零件夾持器、目標(biāo)載物臺、光柵尺以及檢測臺；
[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)零件可以為軸類零件、孔類零件、平板類零件以及三維微小型零件；
[0010]所述的基體零件可以是“十”字刻線基體標(biāo)定板；
[0011 ]所述的目標(biāo)零件可以是“十”字刻線目標(biāo)標(biāo)定板；
[0012]其中，“十”字刻線基體標(biāo)定板和“十”字刻線目標(biāo)標(biāo)定板，均屬于三維微小型零件，后續(xù)簡稱兩塊標(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;龍門架機(jī)構(gòu)包括龍門架及安裝在龍門架頂端的y、z向?qū)к壓妄堥T架底端的X向?qū)к?梯形棱鏡上表面具有參考十字刻線和正方形圖案刻線;光柵尺是由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成;檢測臺為激光共聚焦顯微鏡的x、y方向的電動載物臺；
[0014]其中，基體載物臺為基體零件二維位移臺和六自由度PI并聯(lián)微動平臺組成的平臺；目標(biāo)載物臺為目標(biāo)零件二維位移臺和目標(biāo)零件升降臺組成的平臺；
[0015]—種共焦共像對位微裝配系統(tǒng)中各組成部分的功能是:大理石臺是一種共焦共像對位微裝配系統(tǒng)的基座;激光共聚焦顯微鏡用于采集零件的圖像;龍門架機(jī)構(gòu)用于帶動激光共聚焦顯微鏡實現(xiàn)x、y和Z三個方向的直線位移;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)可實現(xiàn)六個方向的精確微調(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;基體載物臺的功能是對基體零件六個方向的精確微調(diào)；目標(biāo)載物臺的功能是實現(xiàn)目標(biāo)零件沿x、y和z三個方向的直線位移;光柵尺用于高精度檢測激光共聚焦顯微鏡的直線位移，檢測精度可達(dá)0.1Mi;檢測臺用于放置檢測試樣;一種共焦共像對位微裝配系統(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架機(jī)構(gòu)上，龍門架機(jī)構(gòu)安裝在大理石臺面上;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)安裝在大理石臺面上;基體零件二維位移臺和六自由度PI并聯(lián)微動平臺連接組成基體載物臺；目標(biāo)零件二維位移臺和目標(biāo)零件升降臺連接組成目標(biāo)載物臺；基體載物臺與目標(biāo)載物臺分別位于梯形棱鏡的兩側(cè)，且都安裝在大理石臺面上;基體零件夾持器安裝在基體載物臺上，目標(biāo)零件夾持器安裝在目標(biāo)載物臺上;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)零件分別對準(zhǔn)梯形棱鏡的兩個斜面;光柵尺貼在龍門架頂端y向?qū)к壍膫?cè)面;檢測臺安裝在大理石臺面上；
[0017]—種共焦共像對位微裝配校準(zhǔn)方法，具體通過以下步驟實現(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，再對棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)的六個方向讀數(shù)歸零；
[0019]其中，所述的六個方向為x、y和z三個方向及α、β和γ三個角度轉(zhuǎn)向；
[0020]步驟二、用激光共聚焦顯微鏡觀測梯形棱鏡上表面的正方形圖案刻線，獲取正方形圖案的圖像，測量在像平面內(nèi)正方形圖案的對角線與像平面坐標(biāo)系的夾角和正方形圖案的兩條對角線的長度，再計算梯形棱鏡繞x、y和ζ三個方向的角度偏差，利用棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)實現(xiàn)對梯形棱鏡位姿的精密調(diào)整，通過將梯形棱鏡繞x、y和z三個方向各調(diào)整上述測量的角度偏差負(fù)值來消除角度偏差；
[0021]其中，像平面內(nèi)正方形圖案的對角線與像平面坐標(biāo)系的夾角記為Q1，表示第i次測量得到的在像平面內(nèi)正方形的對角線與像平面坐標(biāo)系的夾角；
[0022]正方形圖案的兩條對角線的長度分別記為ACjPBD1，表示第i次測量得到的正方形兩條對角線的長度；
[0023]梯形棱鏡繞x、y和z三個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ai = arcsinACi/ACo計算；
[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計算；
[0027]其中，ACo、m)()為梯形棱鏡上表面正方形對角線的實際長度；
[0028]其中，角度偏差γι等于Q1;
[0029]其中，所述的梯形棱鏡繞17和2三個方向各調(diào)整上述測量的角度偏差負(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、判斷步驟二計算出來的角度偏差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，計算梯形棱鏡繞X、y和Z三個方向的角度偏差值a1、0i和γ i，利用棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)消除步驟二重新計算出來的角度偏差a1、&和Yi;
[0034]步驟四、將用于共焦共像對位微裝配校準(zhǔn)的兩塊標(biāo)定板貼合，在激光共聚焦顯微鏡下完成對準(zhǔn)操作，使兩塊標(biāo)定板的“十”字刻線重合，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”字刻線目標(biāo)標(biāo)定板靠近，直至接觸，穩(wěn)定夾持“十”字刻線目標(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“十”字刻線基體標(biāo)定板，同時，目標(biāo)零件夾持器帶動“十”字刻線目標(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，使梯形棱鏡的兩個斜面分別對著兩塊標(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、通過激光共聚焦顯微鏡測量兩塊標(biāo)定板“十”字刻線的中心坐標(biāo)以及梯形棱鏡中心刻線的坐標(biāo)，求得兩塊標(biāo)定板的“十”字刻線中心在激光共聚焦顯微鏡像平面的相對位置誤差，完成共焦共像對位微裝配的校準(zhǔn)；
[0038]經(jīng)過上述步驟一到步驟七，即完成了一種共焦共像對位微裝配校準(zhǔn)方法。
[0039]有益效果
[0040]—種共焦共像對位微裝配系統(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)明一種共焦共像對位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法采用共焦共像對位檢測，進(jìn)一步提高了微器件裝配對準(zhǔn)檢測精度，使微器件裝配對準(zhǔn)檢測精度能夠達(dá)到亞微米級；
[0042]2.本發(fā)明一種共焦共像對位微裝配系統(tǒng)采用了共焦共像對位原理，合理設(shè)計對位光路，采用梯形棱鏡，保證了合適的工作距離；
[0043]3.本發(fā)明一種共焦共像對位微裝配校準(zhǔn)方法利用棱鏡上表面的參考十字刻線和正方形圖案完成了梯形棱鏡位姿的校準(zhǔn)，基于共焦共像對位微裝配系統(tǒng)的原理完成共焦共像對位微裝配校準(zhǔn)，極大地提高了微裝配系統(tǒng)的裝配精度，方法簡單易行。
【附圖說明】
[0044]圖1是本發(fā)明及實施例1中的一種共焦共像對位微裝配系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)圖；
[0045]圖2是本發(fā)明及實施例2中的一種共焦共像對位微裝配系統(tǒng)裝配原理圖；
[0046]圖3是本發(fā)明及實施例3中的一種共焦共像對位微裝配系統(tǒng)中梯形棱鏡的上表面圖案局部放大圖；
[0047]圖4是本發(fā)明及實施例3中的一種共焦共像對位微裝配校準(zhǔn)方法的流程圖；
[0048]圖5是本發(fā)明及實施例3中的一種共焦共像對位微裝配系統(tǒng)中梯形棱鏡位姿校準(zhǔn)的原理圖；
[0049]圖6是本發(fā)明及實施例3中的一種共焦共像對位微裝配校準(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；
[0050]圖7是本發(fā)明及實施例3中的一種共焦共像對位微裝配校準(zhǔn)方法的操作示意圖。
【具體實施方式】
[0051]為了更好的說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點，下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明和詳細(xì)描述。
[0052]實施例1
[0053]圖1是本發(fā)明一種共焦共像對位微裝配系統(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1、目標(biāo)零件升降臺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、檢測臺13、六自由度PI并聯(lián)微動平臺14、基體零件二維位移臺15、大理石臺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I和目標(biāo)零件升降臺2連接組成的目標(biāo)載物臺，可實現(xiàn)目標(biāo)零件6沿x、y和z三個方向的直線位移。基體零件夾持器4用于夾持基體零件5，其下方為六自由度PI并聯(lián)微動平臺14和基體零件二維位移臺15連接組成的基體載物臺，可實現(xiàn)對基體零件5的六個方向的精確微調(diào)。
[0054]其中，本實施例中基體零件5和目標(biāo)零件6分別為“十”字刻線基體標(biāo)定板和“十”字刻線目標(biāo)標(biāo)定板;本實施例中的目標(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有六個自由度，可實現(xiàn)對梯形棱鏡7位姿的精確調(diào)整。激光共聚焦鏡頭8安裝在龍門架機(jī)構(gòu)10上，可實現(xiàn)X、5^Pz三個方向直線位移。光柵尺9貼在龍門架機(jī)構(gòu)10頂端y向?qū)к壍膫?cè)面，可準(zhǔn)確測量激光共聚焦顯微鏡8的位置。檢測臺13為激光共聚焦顯微鏡8的原配件，是臺面尺寸為100*100的電動載物臺，用于放置試樣，進(jìn)行檢測。目標(biāo)零件二維位移臺1、龍門架機(jī)構(gòu)1、棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)12、檢測臺13和基體零件二維位移臺15均安裝在大理石臺16上。
[0055]實施例2
[0056]圖2是本發(fā)明及本實施例中的一種共焦共像對位微裝配系統(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到參考線α上方，調(diào)整鏡頭獲得參考線的清晰圖像，使參考線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α的移動距離a;
[0060]第三，將激光共聚焦顯微鏡向右移動到Hl位置獲得零件B的端面圖像，使端面圖像的中心線與共聚焦像坐標(biāo)系的yi軸重合，記錄參考線α到Hl位置移動距離b ；
[0061]需要注意的是獲取圖像時可沿z方向調(diào)整鏡頭，以獲得零件清晰的像，z方向調(diào)整鏡頭不會影響對準(zhǔn)檢測結(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]實施例3
[0063]本實施例中使用了特制梯形棱鏡，此梯形棱鏡的兩個斜面鍍高反射率鋁膜和氟化鎂保護(hù)膜，鋁膜對于波長為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和正方形圖案刻線，正方形圖案的對角線長度為0.5mm，參考十字刻線和正方形圖案的線寬為均為5μηι;
[0064]圖4是本發(fā)明及本實施例一種共焦共像對位微裝配校準(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)原理和共焦共像對位微裝配校準(zhǔn)方法對共焦共像對位微裝配系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn);一種共焦共像對位微裝配校準(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梯形棱鏡上表面的正方形圖案刻線，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的中央，獲取圖像。開始測量模式和消除三個方向的角度偏差，此處的角度偏差α、β和γ可以采用說明書主體中的并行消除，也可以采用本實施例中的串行消除，具體為:
[0066]測量在像平面內(nèi)正方形圖案的對角線與像平面坐標(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，量取正方形的對角線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，計算角度偏差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°，本實施例中進(jìn)行了 3次步驟A的操作，使得α、β和γ三個角度方向均與系統(tǒng)坐標(biāo)系oxyz之間的角度偏差在0.0007°以內(nèi)，完成了棱鏡的位姿校準(zhǔn)；
[0068]經(jīng)過調(diào)整后得到的正方形圖案刻線圖像如圖6所示；
[0069]步驟C、共焦共像對位微裝配校準(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準(zhǔn)操作，使兩塊標(biāo)定板的“十”字刻線重合，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”字刻線目標(biāo)標(biāo)定板靠近，直至接觸，吸附“十”字刻線目標(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“十”字刻線基體標(biāo)定板，同時，目標(biāo)零件夾持器帶動“十”字刻線目標(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，使梯形棱鏡的兩個斜面分別對著兩塊標(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；
[0072]步驟F、通過激光共聚焦顯微鏡測量兩塊標(biāo)定板“十”字刻線的中心坐標(biāo)以及梯形棱鏡中心刻線的坐標(biāo)，求得兩塊標(biāo)定板的“十”字刻線中心在激光共聚焦顯微鏡像平面的相對位置誤差，完成共焦共像對位微裝配的校準(zhǔn)。
[0073]本實施例中測得“十”字刻線目標(biāo)標(biāo)定板的“十”字刻線中心到梯形棱鏡中心刻線的距離a為8.2643mm，“十”字刻線基體標(biāo)定板的“十”字刻線中心到梯形棱鏡中心刻線的距離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”字刻線基體標(biāo)定板和“十”字刻線目標(biāo)標(biāo)定板的“十”字刻線中心在共聚焦顯微鏡像平面X1、yi方向的相對位置誤差分別為9μπι和3μπι。該測量結(jié)果包含激光共聚焦顯微鏡的檢測誤差，梯形棱鏡的加工和安裝誤差，基體載物臺和目標(biāo)載物臺自身的定位誤差和激光共聚焦顯微鏡小行程移動的定位誤差。
[0074]以上所述為本發(fā)明的較佳實施例而已，本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實施例和附圖所公開的內(nèi)容。凡是不脫離本發(fā)明所公開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】
1.一種共焦共像對位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法，其特征在于: 一種共焦共像對位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法包括一種共焦共像對位微裝配系統(tǒng)(簡稱系統(tǒng))和一種共焦共像對位微裝配校準(zhǔn)方法(簡稱方法); 其中，系統(tǒng)主要包括大理石臺、激光共聚焦顯微鏡、龍門架機(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、目標(biāo)零件、目標(biāo)零件夾持器、目標(biāo)載物臺、光柵尺以及檢測臺； 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)零件可以為軸類零件、孔類零件、平板類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;龍門架機(jī)構(gòu)包括龍門架及安裝在龍門架頂端的y、z向?qū)к壓妄堥T架底端的X向?qū)к?梯形棱鏡上表面具有參考十字刻線和正方形圖案刻線;光柵尺是由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成;檢測臺為激光共聚焦顯微鏡的X、y方向的電動載物臺。2.如權(quán)利要求1所述的一種共焦共像對位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法，其特征還在于: 一種共焦共像對位微裝配系統(tǒng)中各組成部分的功能是:大理石臺是一種共焦共像對位微裝配系統(tǒng)的基座;激光共聚焦顯微鏡用于采集零件的圖像;龍門架機(jī)構(gòu)用于帶動激光共聚焦顯微鏡實現(xiàn)x、y和z三個方向的直線位移;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)可實現(xiàn)六個方向的精確微調(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;基體載物臺的功能是對基體零件六個方向的精確微調(diào)；目標(biāo)載物臺的功能是實現(xiàn)目標(biāo)零件沿x、y和z三個方向的直線位移;光柵尺用于高精度檢測激光共聚焦顯微鏡的直線位移，檢測精度可達(dá)0.Ιμπι;檢測臺用于放置檢測試樣。3.如權(quán)利要求1所述的一種共焦共像對位微裝配系統(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”字刻線基體標(biāo)定板；目標(biāo)零件可以是“十”字刻線目標(biāo)標(biāo)定板； 其中，“十”字刻線基體標(biāo)定板和“十”字刻線目標(biāo)標(biāo)定板，均屬于三維微小型零件，后續(xù)簡稱兩塊標(biāo)定板。4.如權(quán)利要求1所述的一種共焦共像對位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法，其特征還在于: 一種共焦共像對位微裝配系統(tǒng)中的基體載物臺為基體零件二維位移臺和六自由度PI并聯(lián)微動平臺組成的平臺；目標(biāo)載物臺為目標(biāo)零件二維位移臺和目標(biāo)零件升降臺組成的平臺。5.如權(quán)利要求1所述的一種共焦共像對位微裝配系統(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架機(jī)構(gòu)上，龍門架機(jī)構(gòu)安裝在大理石臺面上;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)安裝在大理石臺面上;基體零件二維位移臺和六自由度PI并聯(lián)微動平臺連接組成基體載物臺；目標(biāo)零件二維位移臺和目標(biāo)零件升降臺連接組成目標(biāo)載物臺；基體載物臺與目標(biāo)載物臺分別位于梯形棱鏡的兩側(cè)，且都安裝在大理石臺面上;基體零件夾持器安裝在基體載物臺上，目標(biāo)零件夾持器安裝在目標(biāo)載物臺上;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)零件分別對準(zhǔn)梯形棱鏡的兩個斜面;光柵尺貼在龍門架頂端y向?qū)к壍膫?cè)面;檢測臺安裝在大理石臺面上。6.如權(quán)利要求1所述的一種共焦共像對位微裝配系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法，其特征還在于: 所述的一種共焦共像對位微裝配校準(zhǔn)方法，具體通過以下步驟實現(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，再對棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)的六個方向讀數(shù)歸零； 步驟二、用激光共聚焦顯微鏡觀測梯形棱鏡上表面的正方形圖案刻線，獲取正方形圖案的圖像，測量在像平面內(nèi)正方形圖案的對角線與像平面坐標(biāo)系的夾角和正方形圖案的兩條對角線的長度，再計算梯形棱鏡繞x、y和z三個方向的角度偏差，利用棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)實現(xiàn)對梯形棱鏡位姿的精密調(diào)整，通過將梯形棱鏡繞x、y和z三個方向各調(diào)整上述測量的角度偏差負(fù)值來消除角度偏差； 步驟三、判斷步驟二計算出來的角度偏差的大小，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準(zhǔn)操作，使兩塊標(biāo)定板的“十”字刻線重合，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“十”字刻線基體標(biāo)定板，同時，目標(biāo)零件夾持器帶動“十”字刻線目標(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，使梯形棱鏡的兩個斜面分別對著兩塊標(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、通過激光共聚焦顯微鏡測量兩塊標(biāo)定板“十”字刻線的中心坐標(biāo)以及梯形棱鏡中心刻線的坐標(biāo)，求得兩塊標(biāo)定板的“十”字刻線中心在激光共聚焦顯微鏡像平面的相對位置誤差，完成共焦共像對位微裝配的校準(zhǔn)； 經(jīng)過上述步驟一到步驟七，即完成了 一種共焦共像對位微裝配校準(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方向為X、y和z三個方向及α、β和γ三個角度轉(zhuǎn)向。8.如權(quán)利要求5所述的一種共焦共像對位微裝配系統(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)正方形圖案的對角線與像平面坐標(biāo)系的夾角記為9,，表示第i次測量得到的在像平面內(nèi)正方形的對角線與像平面坐標(biāo)系的夾角； 正方形圖案的兩條對角線的長度分別記為ACjPBD1，表示第i次測量得到的正方形兩條對角線的長度； 梯形棱鏡繞x、y和z三個方向的角度偏差分別記為Ciiji和γ?; 其中，角度偏差ai通過Cii = arcs inACi/ACo計算； 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計算； 其中，AGkBDo為梯形棱鏡上表面正方形對角線的實際長度； 其中，角度偏差Y1等于θ1; 其中，所述的梯形棱鏡繞x、y和ζ三個方向各調(diào)整上述測量的角度偏差負(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算出來的角度偏差的大小，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<^、隊和γ ,的值均小于0.001°，在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)，則無需再調(diào)整梯形棱鏡位姿，跳至步驟四； 3.2令i = i+l，跳至步驟二，計算梯形棱鏡繞x、y和z三個方向的角度偏差值a1、0i和γ i，利用棱鏡位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)消除步驟二重新計算出來的角度偏差?、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”字刻線目標(biāo)標(biāo)定板靠近，直至接觸，穩(wěn)定夾持“十”字刻線目標(biāo)標(biāo)定板;再解除兩塊標(biāo)定板之間的約束。
【文檔編號】G01B11/00GK105841617SQ201610352169
【公開日】2016年8月10日
【申請日】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
【申請人】北京理工大學(xué)