微装配检测棱镜机构方位调整及误差分析

随着微机械技术和微机电系统（ＭＥＭＳ）的发展和兴起，微小型器件及系统以其尺寸小、质量轻、价格低、功耗低，可靠性强等优点，在单兵武器装备、卫星、笔记本电脑、医疗器械等军用和民用产品中得到应用，涉及多个领域［１－２］．但是这些微小型器件都是通过更小的结构件进行组装而成．因此，自动化、半自动化的微结构件装配系统开发研究成为了一个重要的研究领域．目前多数微装配系统都具有视觉，通过对视觉图像的监视，利用机械手间相对运动实现装配［３－６］．但装配体在相互接近的过程中对视觉遮挡问题难以解决，多数只能根据前期图像控制机械手进行试探性装配．该种装配耗时较多，效率较低，且精度也难以保证．为解决该问题，首先实现待装配结构件与其配合结构在较小空间上的精确对位，然后控制机械手单方向运动实现高精度的装配．使用等腰直角侧面镀膜棱镜或平面镜的组合［７］均是装配检测的主要手段．

直角棱镜作为光学检测的关键部件，其加工和安装精度将会严重影响对位装配精度．可以选择加工和镀膜质量较高的技术保证加工精度，而安装固定的精度必须通过棱镜夹具及后续的调整来保证．考虑到棱镜倾斜和偏转会对零件成像光路产生较大影响，提出了一种利用高精度、高速度数字测微计和显微视觉成像设备的简单的棱脊倾斜和偏转两步检测调整方法，并对调整后误差进行了分析．

１　棱镜棱脊倾斜与偏转

１．１　棱脊倾斜和偏转坐标系的变化

本系统采用对位结构中的棱镜，采用旋拧顶针方式对两主截面夹紧，由于夹具两侧旋钮同轴度微小差别，会使得棱镜最有可能产生如图１所示的棱脊偏转和棱脊倾斜两种情形．

图１中Ｏｘｙｚ为直角棱镜处于理想方位时建立的固定坐标系；Ｏｘ０ｙ０ｚ０为直角棱镜棱脊倾斜和偏转后建立的动坐标系．α为动坐标系绕ｚ轴的转角，β为动坐标系绕ｙ０轴的转角，即棱基的倾角．当α，β都等于０时，Ｏｘｙｚ与Ｏｘ０ｙ０ｚ０完全重合，即棱镜处于理想方位［８］．

１．２　棱镜棱脊倾斜和偏转对反射光线的影响

为了便于计算和分析，一般光线采用矢量表示．如图２所示，三角形表示等腰直角棱镜的主截面，ａ０和ａ１分别为沿棱镜处于理想位姿下的理想入射光线和反射光线的单位矢量；ｎ为反射面的单位法向矢量（规 定 其 方 向 指 向 反 射 面）．

在 直 角 坐 标 系Ｏｘｙｚ中，根据文献［９］，将入射光线ａ０，出射光线ａ１和法线ｎ分别用其在３个坐标轴上的投影分量（方向余弦）表示，即