[发明专利]一种基于CCD相机对位装配系统的综合误差建模方法

权利要求书

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θ_x、θ_y、θ_z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；δ_x、δ_y、δ_z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＝0～9；

基体零件和目标零件相对参考坐标系的变换矩阵分别为₁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i到坐标系j的坐标变换矩阵，i、j＝0～9；

对于基体链：

式中，O_0-1为坐标系1和坐标系0的原点在z方向上的偏移量；δ_1x、δ_1y、δ_1z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；θ_1x、θ_1y、θ_1z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，O_1-2为坐标系2和坐标系1的原点在z方向上的偏移量；δ_2x、δ_2y、δ_2z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；θ_2x、θ_2y、θ_2z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；

O_2-3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，O_0-4为坐标系4和坐标系0的原点在z方向上的偏移量；δ_4x、δ_4y、δ_4z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；θ_4x、θ_4y、θ_4z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，O_4-5为坐标系5和坐标系4的原点在z方向上的偏移量；δ_5x、δ_5y、δ_5z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；θ_5x、θ_5y、θ_5z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；

O_5-6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，O_0-7为坐标系7和坐标系0的原点在z方向上的偏移量；δ_7x、δ_7y、δ_7z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；θ_7x、θ_7y、θ_7z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，O_7-8为坐标系8和坐标系7的原点在z方向上的偏移量；δ_8x、δ_8y、δ_8z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；θ_8x、θ_8y、θ_8z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方向运动平台的位移；为Y₃方向运动平台和X₃方向运动平台之间的垂直度误差；

O_8-9为坐标系9和坐标系8的原点在z方向上的偏移量。

CCD相机相对于参考坐标系的变换矩阵为

其中θ_x、θ_y、θ_z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；δ_x、δ_y、δ_z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θ_y、θ_z分别为CCD相机在y方向的俯仰和z方向的偏摆误差；

则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

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