一種微半球陀螺曲面電極的裝配系統及裝配方法與流程
1.本發明屬于微機電系統微組裝技術領域，具體涉及一種微半球陀螺曲面電極的裝配系統及裝配方法。
背景技術：
2.半球陀螺儀是一種高精度、高可靠性和長壽命的新型固態陀螺儀，它是利用半球殼唇沿振動駐波的進動效應來感測基座旋轉的哥式振動陀螺，具有測量精度高、穩定性強、可靠性好和使用壽命長等優點，廣泛應用于航空、航天、船舶等領域。但傳統半球陀螺諧振子由石英玻璃機械加工獲得，其加工周期長、成本高。隨著現有mems技術的發展，部分研究機構開始了微半球陀螺的研究，基于多晶硅、多晶金剛石、硼硅酸玻璃、熔融石英玻璃等材料，制備了不同種類的微半球陀螺，具備體積小、成本低、性能優異的特點。
3.微半球陀螺的主要部件為諧振子和電極，諧振子和電極之間有一層均勻的間隙，該間隙構成了電容用以施加靜電激勵，即電容的電場隨著交變電壓變化從而激勵諧振子振動。同時還具備電容檢測的作用，可以根據電容變化得到振動幅值和相位變化，根據上述數值推算得到外界的運動信息，包括旋轉角度或角速度。
4.目前的微半球陀螺主要采用平面電極或徑向電極結構，采用平面電極的陀螺易于獲得小而均勻的電容間隙，但該結構的電容面積小，導致電路的激勵效率和檢測效率低。徑向電極包括曲面電極，球面電極、柱面電極等，徑向電極的電容面積大于平面電極，具有激勵、檢測效率較高等優點。
5.中國專利cn202111340195.0公開了一種曲面電極的微半球陀螺結構及其制備方法，并具體公開了其微半球陀螺結構，如圖1所示，包括微半球諧振子1、微半球曲面電極3，所述微半球諧振子1中心設置有諧振子錨點2，所述微半球曲面電極3中心設置有曲面電極錨點4；所述微半球諧振子1球邊緣設置有微半球諧振子外沿基準面5；所述微半球曲面電極3球邊緣設置有曲面電極外沿基準面6；將含有光學透鏡結構的光刻板與曲面電極的內表面對準，在所述微半球曲面電極3上形成激勵檢測電極、屏蔽電極和錨點電極；所述微半球諧振子1與所述微半球曲面電極3同軸對準，所述諧振子錨點2與所述曲面電極錨點4之間固化導通。在裝配微半球諧振子和微半球曲面電極時，怎樣保證微半球諧振子與曲面電極裝配的同軸度以及電極間隙的均勻性是本領域技術人員期望解決的技術問題。
技術實現要素：
6.針對現有技術存在的上述不足，本發明的目的就在于提供一種微半球陀螺曲面電極的裝配系統及裝配方法，該裝配系統能有效保證微半球諧振子與微半球曲面電極裝配的同軸度以及電極間隙的均勻性。
7.本發明的技術方案是這樣實現的：
8.一種微半球陀螺曲面電極的裝配系統，包括裝配臺、六自由度真空吸附位移裝置、成像相機和控制單元。
9.所述裝配臺水平設置且采用透明材料制成。
10.所述六自由度真空吸附位移裝置用于在裝配臺上方吸附微半球諧振子和微半球曲面電極，并調節微半球諧振子和微半球曲面電極的水平姿態和水平位置。
11.所述成像相機設于裝配臺下方，用于采集微半球諧振子和微半球曲面電極的圖像。
12.所述六自由度真空吸附位移裝置和成像相機分別與所述控制單元連接，控制單元通過獲取微半球諧振子和微半球曲面電極的圖像判斷微半球諧振子和微半球曲面電極的水平姿態和水平位置，以控制六自由度真空吸附位移裝置調節微半球諧振子和微半球曲面電極的水平姿態和水平位置，以完成微半球諧振子和微半球曲面電極的裝配。
13.進一步地，還包括加熱臺，所述加熱臺呈圓環結構且水平設置在裝配臺下方，用于對裝配臺進行加熱，以實現微半球諧振子和裝配臺、微半球諧振子錨點和曲面電極錨點的固化。
14.進一步地，所述加熱臺與控制單元連接，便于通過控制單元控制加熱臺對裝配臺進行加熱。
15.進一步地，所述裝配臺采用石英玻璃制成，所述加熱臺采用熱膨脹系數和石英玻璃對應的材料制成。
16.進一步地，所述六自由度真空吸附位移裝置由吸附單元和微移動單元構成，所述吸附單元設于裝配臺上方，用于吸附微半球諧振子和微半球曲面電極，所述微移動單元與吸附單元連接，用于調節微半球諧振子和微半球曲面電極的水平姿態和水平位置，所述微移動單元與控制單元連接。
17.本發明還提供了一種微半球陀螺曲面電極的裝配方法，采用前面所述的一種微半球陀螺曲面電極的裝配系統進行裝配，具體包括以下步驟：
18.s1：采用六自由度真空吸附位移裝置吸附微半球諧振子，使用成像相機實時采集微半球諧振子圖像，擬合其外輪廓曲線，分別根據其外輪廓曲線的圓度和圓心判斷微半球諧振子的水平姿態和水平位置，然后調節微半球諧振子的水平姿態直至成像相機采集到的微半球諧振子外輪廓圓度在第一設定圓度閾值范圍內；
19.s2：調節微半球諧振子的水平位置，使其位于裝配臺中部，記錄此時微半球諧振子外輪廓圓心對應的坐標，并將微半球諧振子垂直下移并臨時鍵合在裝配臺上；
20.s3：采用六自由度真空吸附位移裝置吸附微半球曲面電極，使用成像相機實時采集微半球曲面電極圖像，擬合其外輪廓曲線，分別根據其外輪廓曲線的圓度和圓心判斷微半球曲面電極的水平姿態和水平位置，然后調節曲面電極的水平姿態直至成像相機采集到的微半球曲面電極外輪廓圓度在第二設定圓度閾值范圍內；
21.s4：調節微半球曲面電極的水平位置，使其外輪廓圓心對應坐標與所述微半球諧振子的外輪廓圓心對應坐標重合，然后將微半球曲面電極垂直下移放置在裝配臺上，再將曲面電極錨點和微半球諧振子錨點進行固化導通；
22.s5：去除微半球諧振子與裝配臺之間的臨時鍵合，從而完成微半球諧振子和微半球曲面電極的裝配。
23.進一步地，調節微半球諧振子和微半球曲面電極的水平姿態前，預先使用圓度儀分別對微半球諧振子和微半球曲面電極的圓度進行測量，從而得到第一設定圓度閾值和第
二設定圓度閾值。
24.進一步地，步驟s1和步驟s3中判斷水平姿態和水平位置的具體步驟如下：
25.(1)基于opencv視覺庫讀取圖像，并采用濾波算法對圖像進行去噪，從而得到去噪后的圖像；
26.(2)將去噪后的圖像轉換為灰度圖；
27.(3)將灰度圖轉化為二值圖；
28.(4)基于hough transform算法擬合并繪制步驟(3)中二值圖的外輪廓曲線，計算得到圓心坐標和圓度roundness，并根據圓心坐標判斷水平位置，根據圓度判斷水平姿態，其中：
[0029][0030]
式中：a為擬合區域面積；
[0031]
p為擬合區域周長。
[0032]
進一步地，步驟s2中，臨時鍵合的方式包括但不限于膠粘或預制焊料焊接。
[0033]
進一步地，步驟s4中，固化導通的方式包括但不限于膠粘或預制焊料焊接。
[0034]
與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：
[0035]
1、本發明采用成像相機進行圖像識別微半球諧振子和微半球曲面電極的水平姿態和水平位置，并通過六自由度真空吸附位移裝置進行調節，能有效保證微半球諧振子與微半球曲面電極裝配的同軸度以及電極間隙的均勻性。
[0036]
2、本發明所述裝配方法操作簡單、自動化程度高，高效且穩定性和重復性好。
附圖說明
[0037]
圖1-曲面電極的微半球陀螺的結構示意圖。
[0038]
圖2-本發明所述裝配系統的結構示意圖。
[0039]
圖3-本發明所述裝配系統的工作原理圖。
[0040]
其中：1-微半球諧振子；2-諧振子錨點；3-微半球曲面電極；4-曲面電極錨點；5-微半球諧振子外沿基準面；6-曲面電極外沿基準面；7-吸附單元；8-微位移單元；9-裝配臺；10-加熱臺；11-控制單元；12-成像相機。
具體實施方式
[0041]
下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細說明。
[0042]
參見圖1、圖2和圖3，一種微半球陀螺曲面電極的裝配系統，包括裝配臺9、六自由度真空吸附位移裝置、成像相機12和控制單元11。
[0043]
所述裝配臺9水平設置且采用透明材料制成。
[0044]
所述六自由度真空吸附位移裝置用于在裝配臺9上方吸附微半球諧振子1和微半球曲面電極3，并調節微半球諧振子1和微半球曲面電極3的水平姿態和水平位置。
[0045]
所述成像相機12設于裝配臺9下方，用于采集微半球諧振子1和微半球曲面電極3的圖像。
[0046]
所述六自由度真空吸附位移裝置和成像相機12分別與所述控制單元11連接，控制
單元11通過獲取微半球諧振子1和微半球曲面電極3的圖像判斷微半球諧振子1和微半球曲面電極3的水平姿態和水平位置，以控制六自由度真空吸附位移裝置調節微半球諧振子1和微半球曲面電極的水平姿態和水平位置，以完成微半球諧振子1和微半球曲面電極3的裝配。
[0047]
這樣，在裝配過程中，先通過六自由度真空吸附位移裝置將微半球諧振子吸附起來，再采用成像相機采集裝配臺上方的微半球諧振子圖像，實現通過圖像識別技術對微半球諧振子外輪廓進行圖像識別，再通過控制單元進行判斷，確定微半球諧振子的水平姿態和水平位置，然后通過六自由度真空吸附位移裝置調節微半球諧振子的水平姿態和水平位置，調整到位后，再通過六自由度真空吸附位移裝置將微半球曲面電極吸附起來之后，再采用成像相機采集裝配臺上方的微半球曲面電極圖像，實現通過圖像識別技術對微半球曲面電極外輪廓進行圖像識別，再通過控制單元進行判斷，確定微半球曲面電極的水平姿態和水平位置，然后通過六自由度真空吸附位移裝置調節微半球曲面電極的水平姿態和水平位置，使得微半球曲面電極的外輪廓圓心和微半球諧振子的外輪廓圓心對應坐標重合，從而保證了微半球諧振子與微半球曲面電極裝配的同軸度以及電極間隙的均勻性。
[0048]
具體實施時，還包括加熱臺10，所述加熱臺10呈圓環結構且水平設置在裝配臺9下方，用于對裝配臺9進行加熱，以實現微半球諧振子錨點2和曲面電極錨點4的固化導通。
[0049]
在裝配過程中，微半球諧振子和裝配臺之間進行臨時鍵合，微半球諧振子錨點和曲面電極錨點之間要設置固定材料，這類固定材料在受熱條件下實現固化導通，這樣，加熱臺對裝配臺加熱后，進而對固定材料實現加熱，最后去除微半球諧振子和裝配臺之間的臨時鍵合。
[0050]
具體實施時，所述加熱臺10與控制單元11連接，便于通過控制單元11控制加熱臺10對裝配臺9進行加熱。
[0051]
具體實施時，所述裝配臺9采用石英玻璃制成，所述加熱臺10采用熱膨脹系數和石英玻璃對應的材料制成。
[0052]
這里的“對應”應該理解為相近，即加熱臺和裝配臺的熱膨脹系數應該相近。
[0053]
具體實施時，所述六自由度真空吸附位移裝置由吸附單元7和微移動單元8構成，所述吸附單元7設于裝配臺9上方，用于吸附微半球諧振子1和微半球曲面電極3，所述微移動單元8與吸附單元7連接，用于調節微半球諧振子1和微半球曲面電極3的水平姿態和水平位置，所述微移動單元8與控制單元11連接。
[0054]
一種微半球陀螺曲面電極的裝配方法，采用前面所述的一種微半球陀螺曲面電極的裝配系統進行裝配，具體包括以下步驟：
[0055]
s1：采用六自由度真空吸附位移裝置吸附微半球諧振子，使用成像相機實時采集微半球諧振子圖像，擬合其外輪廓曲線，分別根據其外輪廓曲線的圓度和圓心判斷微半球諧振子的水平姿態和水平位置，然后調節微半球諧振子的水平姿態直至成像相機采集到的微半球諧振子外輪廓圓度在第一設定圓度閾值范圍內；
[0056]
s2：調節微半球諧振子的水平位置，使其位于裝配臺中部，記錄此時微半球諧振子外輪廓圓心對應的坐標，并將微半球諧振子垂直下移并臨時鍵合在裝配臺上；
[0057]
這里將微半球諧振子臨時鍵合在裝配臺中部，不僅限于裝配臺中心，只要保證成像相機能采集到微半球諧振子的圖像為宜。
[0058]
s3：采用六自由度真空吸附位移裝置吸附微半球曲面電極，使用成像相機實時采集微半球曲面電極圖像，擬合其外輪廓曲線，分別根據其外輪廓曲線的圓度和圓心判斷微半球曲面電極的水平姿態和水平位置，然后調節曲面電極的水平姿態直至成像相機采集到的微半球曲面電極外輪廓圓度在第二設定圓度閾值范圍內；
[0059]
這里的第一設定圓度閾值和第二設定圓度閾值只是為了區別第一設定圓度閾值對應微半球諧振子，第二設定圓度閾值對應微半球曲面電極，第一設定圓度閾值和第二圓度閾值的取值可能相同也可能不同。
[0060]
同時這里為了保證成像相機能夠采集到位于裝配臺上方微半球曲面電極的圖像，在采用六自由度真空吸附位移裝置對微半球曲面電極進行吸附時應避免加熱臺和微半球諧振子的遮擋。
[0061]
s4：調節微半球曲面電極的水平位置，使其外輪廓圓心對應坐標與所述微半球諧振子的外輪廓圓心對應坐標重合，然后將微半球曲面電極垂直下移放置在裝配臺上，再將曲面電極錨點4和微半球諧振子錨點2進行固化導通；
[0062]
s5：去除微半球諧振子與裝配臺之間的臨時鍵合，從而完成微半球諧振子和微半球曲面電極的裝配。
[0063]
具體實施時，調節微半球諧振子和微半球曲面電極的水平姿態前，預先使用圓度儀分別對微半球諧振子和微半球曲面電極的圓度進行測量，從而得到第一設定圓度閾值和第二設定圓度閾值。
[0064]
比如，圓度儀測量得到微半球諧振子外輪廓的圓度為10μm，則第一設定圓度下限閾值為10μm，第一設定圓度上限閾值可根據實際需求自行設定，若設定為12μm，在調節微半球諧振子的水平姿態時，通過圖像實時計算得到諧振子外輪廓圓度，當計算得到的圓度在第一設定圓度閾值范圍10-12μm內時，可認為諧振子處于水平狀態。
[0065]
具體實施時，步驟s1和步驟s3中判斷水平姿態和水平位置的具體步驟如下：
[0066]
(1)基于opencv視覺庫讀取圖像，并采用濾波算法對圖像進行去噪，從而得到去噪后的圖像；
[0067]
(2)將去噪后的圖像轉換為灰度圖；
[0068]
(3)將灰度圖轉化為二值圖；
[0069]
(4)基于hough transform算法擬合并繪制步驟(3)中二值圖的外輪廓曲線，計算得到圓心坐標和圓度roundness，并根據圓心坐標判斷水平位置，根據圓度判斷水平姿態，其中：
[0070][0071]
式中：a為擬合區域面積；
[0072]
p為擬合區域周長。具體實施時，步驟s2中，臨時鍵合的方式包括但不限于膠粘或預制焊料焊接。
[0073]
具體實施時，步驟s4中，固化導通的方式包括但不限于膠粘或預制焊料焊接。
[0074]
最后需要說明的是，本發明的上述實施例僅是為說明本發明所作的舉例，而并非是對本發明實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其他不同形式的變化和變動。這里無法對所有的實施方式予以窮舉。凡是屬于本
發明的技術方案所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明的保護范圍之列。
技術特征：
1.一種微半球陀螺曲面電極的裝配系統，其特征在于，包括裝配臺、六自由度真空吸附位移裝置、成像相機和控制單元；所述裝配臺水平設置且采用透明材料制成；所述六自由度真空吸附位移裝置用于在裝配臺上方吸附微半球諧振子和微半球曲面電極，并調節微半球諧振子和微半球曲面電極的水平姿態和水平位置；所述成像相機設于裝配臺下方，用于采集微半球諧振子和微半球曲面電極的圖像；所述六自由度真空吸附位移裝置和成像相機分別與所述控制單元連接，控制單元通過獲取微半球諧振子和微半球曲面電極的圖像判斷微半球諧振子和微半球曲面電極的水平姿態和水平位置，以控制六自由度真空吸附位移裝置調節微半球諧振子和微半球曲面電極的水平姿態和水平位置，以完成微半球諧振子和微半球曲面電極的裝配。2.根據權利要求1所述的一種微半球陀螺曲面電極的裝配系統，其特征在于，還包括加熱臺，所述加熱臺呈圓環結構且水平設置在裝配臺下方，用于對裝配臺進行加熱，以實現微半球諧振子和裝配臺、微半球諧振子錨點和曲面電極錨點的固化。3.根據權利要求2所述的一種微半球陀螺曲面電極的裝配系統，其特征在于，所述加熱臺與控制單元連接，便于通過控制單元控制加熱臺對裝配臺進行加熱。4.根據權利要求2所述的一種微半球陀螺曲面電極的裝配系統，其特征在于，所述裝配臺采用石英玻璃制成，所述加熱臺采用熱膨脹系數和石英玻璃對應的材料制成。5.根據權利要求1所述的一種微半球陀螺曲面電極的裝配系統，其特征在于，所述六自由度真空吸附位移裝置由吸附單元和微移動單元構成，所述吸附單元設于裝配臺上方，用于吸附微半球諧振子和微半球曲面電極，所述微移動單元與吸附單元連接，用于調節微半球諧振子和微半球曲面電極的水平姿態和水平位置，所述微移動單元與控制單元連接。6.一種微半球陀螺曲面電極的裝配方法，其特征在于，采用權利要求1～5任一所述的一種微半球陀螺曲面電極的裝配系統進行裝配，具體包括以下步驟：s1：采用六自由度真空吸附位移裝置吸附微半球諧振子，使用成像相機實時采集微半球諧振子圖像，擬合其外輪廓曲線，分別根據其外輪廓曲線的圓度和圓心判斷微半球諧振子的水平姿態和水平位置，然后調節微半球諧振子的水平姿態直至成像相機采集到的微半球諧振子外輪廓圓度在第一設定圓度閾值范圍內；s2：調節微半球諧振子的水平位置，使其位于裝配臺中部，記錄此時微半球諧振子外輪廓圓心對應的坐標，并將微半球諧振子垂直下移并臨時鍵合在裝配臺上；s3：采用六自由度真空吸附位移裝置吸附微半球曲面電極，使用成像相機實時采集微半球曲面電極圖像，擬合其外輪廓曲線，分別根據其外輪廓曲線的圓度和圓心判斷微半球曲面電極的水平姿態和水平位置，然后調節曲面電極的水平姿態直至成像相機采集到的微半球曲面電極外輪廓圓度在第二設定圓度閾值范圍內；s4：調節微半球曲面電極的水平位置，使其外輪廓圓心對應坐標與所述微半球諧振子的外輪廓圓心對應坐標重合，然后將微半球曲面電極垂直下移放置在裝配臺上，再將曲面電極錨點和微半球諧振子錨點進行固化導通；s5：去除微半球諧振子與裝配臺之間的臨時鍵合，從而完成微半球諧振子和微半球曲面電極的裝配。7.根據權利要求6所述的一種微半球陀螺曲面電極的裝配方法，其特征在于，調節微半
球諧振子和微半球曲面電極的水平姿態前，預先使用圓度儀分別對微半球諧振子和微半球曲面電極的圓度進行測量，從而得到第一設定圓度閾值和第二設定圓度閾值。8.根據權利要求6所述的一種微半球陀螺曲面電極的裝配方法，其特征在于，步驟s1和步驟s3中判斷水平姿態和水平位置的具體步驟如下：(1)基于opencv視覺庫讀取圖像，并采用濾波算法對圖像進行去噪，從而得到去噪后的圖像；(2)將去噪后的圖像轉換為灰度圖；(3)將灰度圖轉化為二值圖；(4)基于hough transform算法擬合并繪制步驟(3)中二值圖的外輪廓曲線，計算得到圓心坐標和圓度roundness，并根據圓心坐標判斷水平位置，根據圓度判斷水平姿態，其中：式中：a為擬合區域面積；p為擬合區域周長。9.根據權利要求6所述的一種微半球陀螺曲面電極的裝配方法，其特征在于，步驟s2中，臨時鍵合的方式包括但不限于膠粘或預制焊料焊接。10.根據權利要求6所述的一種微半球陀螺曲面電極的裝配方法，其特征在于，步驟s4中，固化導通的方式包括但不限于膠粘或預制焊料焊接。
技術總結
本發明公開了一種微半球陀螺曲面電極的裝配系統及裝配方法，所述裝配系統包括裝配臺、六自由度真空吸附位移裝置、成像相機和控制單元；裝配臺水平設置且采用透明材料制成；成像相機設于裝配臺下方，用于采集微半球諧振子和微半球曲面電極的圖像；六自由度真空吸附位移裝置和成像相機分別與所述控制單元連接，控制單元通過獲取微半球諧振子和微半球曲面電極的圖像判斷微半球諧振子和微半球曲面電極的水平姿態和水平位置，以控制六自由度真空吸附位移裝置調節微半球諧振子和微半球曲面電極的水平姿態和水平位置，以完成微半球諧振子和微半球曲面電極的裝配。該裝配系統能有效保證微半球諧振子與微半球曲面電極裝配的同軸度以及電極間隙的均勻性。軸度以及電極間隙的均勻性。軸度以及電極間隙的均勻性。
