一种微半球陀螺曲面电极的装配系统及装配方法与流程
1.本发明属于微机电系统微组装技术领域，具体涉及一种微半球陀螺曲面电极的装配系统及装配方法。
背景技术：
2.半球陀螺仪是一种高精度、高可靠性和长寿命的新型固态陀螺仪，它是利用半球壳唇沿振动驻波的进动效应来感测基座旋转的哥式振动陀螺，具有测量精度高、稳定性强、可靠性好和使用寿命长等优点，广泛应用于航空、航天、船舶等领域。但传统半球陀螺谐振子由石英玻璃机械加工获得，其加工周期长、成本高。随着现有mems技术的发展，部分研究机构开始了微半球陀螺的研究，基于多晶硅、多晶金刚石、硼硅酸玻璃、熔融石英玻璃等材料，制备了不同种类的微半球陀螺，具备体积小、成本低、性能优异的特点。
3.微半球陀螺的主要部件为谐振子和电极，谐振子和电极之间有一层均匀的间隙，该间隙构成了电容用以施加静电激励，即电容的电场随着交变电压变化从而激励谐振子振动。同时还具备电容检测的作用，可以根据电容变化得到振动幅值和相位变化，根据上述数值推算得到外界的运动信息，包括旋转角度或角速度。
4.目前的微半球陀螺主要采用平面电极或径向电极结构，采用平面电极的陀螺易于获得小而均匀的电容间隙，但该结构的电容面积小，导致电路的激励效率和检测效率低。径向电极包括曲面电极，球面电极、柱面电极等，径向电极的电容面积大于平面电极，具有激励、检测效率较高等优点。
5.中国专利cn202111340195.0公开了一种曲面电极的微半球陀螺结构及其制备方法，并具体公开了其微半球陀螺结构，如图1所示，包括微半球谐振子1、微半球曲面电极3，所述微半球谐振子1中心设置有谐振子锚点2，所述微半球曲面电极3中心设置有曲面电极锚点4；所述微半球谐振子1球边缘设置有微半球谐振子外沿基准面5；所述微半球曲面电极3球边缘设置有曲面电极外沿基准面6；将含有光学透镜结构的光刻板与曲面电极的内表面对准，在所述微半球曲面电极3上形成激励检测电极、屏蔽电极和锚点电极；所述微半球谐振子1与所述微半球曲面电极3同轴对准，所述谐振子锚点2与所述曲面电极锚点4之间固化导通。在装配微半球谐振子和微半球曲面电极时，怎样保证微半球谐振子与曲面电极装配的同轴度以及电极间隙的均匀性是本领域技术人员期望解决的技术问题。
技术实现要素：
6.针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的就在于提供一种微半球陀螺曲面电极的装配系统及装配方法，该装配系统能有效保证微半球谐振子与微半球曲面电极装配的同轴度以及电极间隙的均匀性。
7.本发明的技术方案是这样实现的：
8.一种微半球陀螺曲面电极的装配系统，包括装配台、六自由度真空吸附位移装置、成像相机和控制单元。
9.所述装配台水平设置且采用透明材料制成。
10.所述六自由度真空吸附位移装置用于在装配台上方吸附微半球谐振子和微半球曲面电极，并调节微半球谐振子和微半球曲面电极的水平姿态和水平位置。
11.所述成像相机设于装配台下方，用于采集微半球谐振子和微半球曲面电极的图像。
12.所述六自由度真空吸附位移装置和成像相机分别与所述控制单元连接，控制单元通过获取微半球谐振子和微半球曲面电极的图像判断微半球谐振子和微半球曲面电极的水平姿态和水平位置，以控制六自由度真空吸附位移装置调节微半球谐振子和微半球曲面电极的水平姿态和水平位置，以完成微半球谐振子和微半球曲面电极的装配。
13.进一步地，还包括加热台，所述加热台呈圆环结构且水平设置在装配台下方，用于对装配台进行加热，以实现微半球谐振子和装配台、微半球谐振子锚点和曲面电极锚点的固化。
14.进一步地，所述加热台与控制单元连接，便于通过控制单元控制加热台对装配台进行加热。
15.进一步地，所述装配台采用石英玻璃制成，所述加热台采用热膨胀系数和石英玻璃对应的材料制成。
16.进一步地，所述六自由度真空吸附位移装置由吸附单元和微移动单元构成，所述吸附单元设于装配台上方，用于吸附微半球谐振子和微半球曲面电极，所述微移动单元与吸附单元连接，用于调节微半球谐振子和微半球曲面电极的水平姿态和水平位置，所述微移动单元与控制单元连接。
17.本发明还提供了一种微半球陀螺曲面电极的装配方法，采用前面所述的一种微半球陀螺曲面电极的装配系统进行装配，具体包括以下步骤：
18.s1：采用六自由度真空吸附位移装置吸附微半球谐振子，使用成像相机实时采集微半球谐振子图像，拟合其外轮廓曲线，分别根据其外轮廓曲线的圆度和圆心判断微半球谐振子的水平姿态和水平位置，然后调节微半球谐振子的水平姿态直至成像相机采集到的微半球谐振子外轮廓圆度在第一设定圆度阈值范围内；
19.s2：调节微半球谐振子的水平位置，使其位于装配台中部，记录此时微半球谐振子外轮廓圆心对应的坐标，并将微半球谐振子垂直下移并临时键合在装配台上；
20.s3：采用六自由度真空吸附位移装置吸附微半球曲面电极，使用成像相机实时采集微半球曲面电极图像，拟合其外轮廓曲线，分别根据其外轮廓曲线的圆度和圆心判断微半球曲面电极的水平姿态和水平位置，然后调节曲面电极的水平姿态直至成像相机采集到的微半球曲面电极外轮廓圆度在第二设定圆度阈值范围内；
21.s4：调节微半球曲面电极的水平位置，使其外轮廓圆心对应坐标与所述微半球谐振子的外轮廓圆心对应坐标重合，然后将微半球曲面电极垂直下移放置在装配台上，再将曲面电极锚点和微半球谐振子锚点进行固化导通；
22.s5：去除微半球谐振子与装配台之间的临时键合，从而完成微半球谐振子和微半球曲面电极的装配。
23.进一步地，调节微半球谐振子和微半球曲面电极的水平姿态前，预先使用圆度仪分别对微半球谐振子和微半球曲面电极的圆度进行测量，从而得到第一设定圆度阈值和第
二设定圆度阈值。
24.进一步地，步骤s1和步骤s3中判断水平姿态和水平位置的具体步骤如下：
25.(1)基于opencv视觉库读取图像，并采用滤波算法对图像进行去噪，从而得到去噪后的图像；
26.(2)将去噪后的图像转换为灰度图；
27.(3)将灰度图转化为二值图；
28.(4)基于hough transform算法拟合并绘制步骤(3)中二值图的外轮廓曲线，计算得到圆心坐标和圆度roundness，并根据圆心坐标判断水平位置，根据圆度判断水平姿态，其中：
[0029][0030]
式中：a为拟合区域面积；
[0031]
p为拟合区域周长。
[0032]
进一步地，步骤s2中，临时键合的方式包括但不限于胶粘或预制焊料焊接。
[0033]
进一步地，步骤s4中，固化导通的方式包括但不限于胶粘或预制焊料焊接。
[0034]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0035]
1、本发明采用成像相机进行图像识别微半球谐振子和微半球曲面电极的水平姿态和水平位置，并通过六自由度真空吸附位移装置进行调节，能有效保证微半球谐振子与微半球曲面电极装配的同轴度以及电极间隙的均匀性。
[0036]
2、本发明所述装配方法操作简单、自动化程度高，高效且稳定性和重复性好。
附图说明
[0037]
图1-曲面电极的微半球陀螺的结构示意图。
[0038]
图2-本发明所述装配系统的结构示意图。
[0039]
图3-本发明所述装配系统的工作原理图。
[0040]
其中：1-微半球谐振子；2-谐振子锚点；3-微半球曲面电极；4-曲面电极锚点；5-微半球谐振子外沿基准面；6-曲面电极外沿基准面；7-吸附单元；8-微位移单元；9-装配台；10-加热台；11-控制单元；12-成像相机。
具体实施方式
[0041]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
[0042]
参见图1、图2和图3，一种微半球陀螺曲面电极的装配系统，包括装配台9、六自由度真空吸附位移装置、成像相机12和控制单元11。
[0043]
所述装配台9水平设置且采用透明材料制成。
[0044]
所述六自由度真空吸附位移装置用于在装配台9上方吸附微半球谐振子1和微半球曲面电极3，并调节微半球谐振子1和微半球曲面电极3的水平姿态和水平位置。
[0045]
所述成像相机12设于装配台9下方，用于采集微半球谐振子1和微半球曲面电极3的图像。
[0046]
所述六自由度真空吸附位移装置和成像相机12分别与所述控制单元11连接，控制
单元11通过获取微半球谐振子1和微半球曲面电极3的图像判断微半球谐振子1和微半球曲面电极3的水平姿态和水平位置，以控制六自由度真空吸附位移装置调节微半球谐振子1和微半球曲面电极的水平姿态和水平位置，以完成微半球谐振子1和微半球曲面电极3的装配。
[0047]
这样，在装配过程中，先通过六自由度真空吸附位移装置将微半球谐振子吸附起来，再采用成像相机采集装配台上方的微半球谐振子图像，实现通过图像识别技术对微半球谐振子外轮廓进行图像识别，再通过控制单元进行判断，确定微半球谐振子的水平姿态和水平位置，然后通过六自由度真空吸附位移装置调节微半球谐振子的水平姿态和水平位置，调整到位后，再通过六自由度真空吸附位移装置将微半球曲面电极吸附起来之后，再采用成像相机采集装配台上方的微半球曲面电极图像，实现通过图像识别技术对微半球曲面电极外轮廓进行图像识别，再通过控制单元进行判断，确定微半球曲面电极的水平姿态和水平位置，然后通过六自由度真空吸附位移装置调节微半球曲面电极的水平姿态和水平位置，使得微半球曲面电极的外轮廓圆心和微半球谐振子的外轮廓圆心对应坐标重合，从而保证了微半球谐振子与微半球曲面电极装配的同轴度以及电极间隙的均匀性。
[0048]
具体实施时，还包括加热台10，所述加热台10呈圆环结构且水平设置在装配台9下方，用于对装配台9进行加热，以实现微半球谐振子锚点2和曲面电极锚点4的固化导通。
[0049]
在装配过程中，微半球谐振子和装配台之间进行临时键合，微半球谐振子锚点和曲面电极锚点之间要设置固定材料，这类固定材料在受热条件下实现固化导通，这样，加热台对装配台加热后，进而对固定材料实现加热，最后去除微半球谐振子和装配台之间的临时键合。
[0050]
具体实施时，所述加热台10与控制单元11连接，便于通过控制单元11控制加热台10对装配台9进行加热。
[0051]
具体实施时，所述装配台9采用石英玻璃制成，所述加热台10采用热膨胀系数和石英玻璃对应的材料制成。
[0052]
这里的“对应”应该理解为相近，即加热台和装配台的热膨胀系数应该相近。
[0053]
具体实施时，所述六自由度真空吸附位移装置由吸附单元7和微移动单元8构成，所述吸附单元7设于装配台9上方，用于吸附微半球谐振子1和微半球曲面电极3，所述微移动单元8与吸附单元7连接，用于调节微半球谐振子1和微半球曲面电极3的水平姿态和水平位置，所述微移动单元8与控制单元11连接。
[0054]
一种微半球陀螺曲面电极的装配方法，采用前面所述的一种微半球陀螺曲面电极的装配系统进行装配，具体包括以下步骤：
[0055]
s1：采用六自由度真空吸附位移装置吸附微半球谐振子，使用成像相机实时采集微半球谐振子图像，拟合其外轮廓曲线，分别根据其外轮廓曲线的圆度和圆心判断微半球谐振子的水平姿态和水平位置，然后调节微半球谐振子的水平姿态直至成像相机采集到的微半球谐振子外轮廓圆度在第一设定圆度阈值范围内；
[0056]
s2：调节微半球谐振子的水平位置，使其位于装配台中部，记录此时微半球谐振子外轮廓圆心对应的坐标，并将微半球谐振子垂直下移并临时键合在装配台上；
[0057]
这里将微半球谐振子临时键合在装配台中部，不仅限于装配台中心，只要保证成像相机能采集到微半球谐振子的图像为宜。
[0058]
s3：采用六自由度真空吸附位移装置吸附微半球曲面电极，使用成像相机实时采集微半球曲面电极图像，拟合其外轮廓曲线，分别根据其外轮廓曲线的圆度和圆心判断微半球曲面电极的水平姿态和水平位置，然后调节曲面电极的水平姿态直至成像相机采集到的微半球曲面电极外轮廓圆度在第二设定圆度阈值范围内；
[0059]
这里的第一设定圆度阈值和第二设定圆度阈值只是为了区别第一设定圆度阈值对应微半球谐振子，第二设定圆度阈值对应微半球曲面电极，第一设定圆度阈值和第二圆度阈值的取值可能相同也可能不同。
[0060]
同时这里为了保证成像相机能够采集到位于装配台上方微半球曲面电极的图像，在采用六自由度真空吸附位移装置对微半球曲面电极进行吸附时应避免加热台和微半球谐振子的遮挡。
[0061]
s4：调节微半球曲面电极的水平位置，使其外轮廓圆心对应坐标与所述微半球谐振子的外轮廓圆心对应坐标重合，然后将微半球曲面电极垂直下移放置在装配台上，再将曲面电极锚点4和微半球谐振子锚点2进行固化导通；
[0062]
s5：去除微半球谐振子与装配台之间的临时键合，从而完成微半球谐振子和微半球曲面电极的装配。
[0063]
具体实施时，调节微半球谐振子和微半球曲面电极的水平姿态前，预先使用圆度仪分别对微半球谐振子和微半球曲面电极的圆度进行测量，从而得到第一设定圆度阈值和第二设定圆度阈值。
[0064]
比如，圆度仪测量得到微半球谐振子外轮廓的圆度为10μm，则第一设定圆度下限阈值为10μm，第一设定圆度上限阈值可根据实际需求自行设定，若设定为12μm，在调节微半球谐振子的水平姿态时，通过图像实时计算得到谐振子外轮廓圆度，当计算得到的圆度在第一设定圆度阈值范围10-12μm内时，可认为谐振子处于水平状态。
[0065]
具体实施时，步骤s1和步骤s3中判断水平姿态和水平位置的具体步骤如下：
[0066]
(1)基于opencv视觉库读取图像，并采用滤波算法对图像进行去噪，从而得到去噪后的图像；
[0067]
(2)将去噪后的图像转换为灰度图；
[0068]
(3)将灰度图转化为二值图；
[0069]
(4)基于hough transform算法拟合并绘制步骤(3)中二值图的外轮廓曲线，计算得到圆心坐标和圆度roundness，并根据圆心坐标判断水平位置，根据圆度判断水平姿态，其中：
[0070][0071]
式中：a为拟合区域面积；
[0072]
p为拟合区域周长。具体实施时，步骤s2中，临时键合的方式包括但不限于胶粘或预制焊料焊接。
[0073]
具体实施时，步骤s4中，固化导通的方式包括但不限于胶粘或预制焊料焊接。
[0074]
最后需要说明的是，本发明的上述实施例仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本
发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
技术特征：
1.一种微半球陀螺曲面电极的装配系统，其特征在于，包括装配台、六自由度真空吸附位移装置、成像相机和控制单元；所述装配台水平设置且采用透明材料制成；所述六自由度真空吸附位移装置用于在装配台上方吸附微半球谐振子和微半球曲面电极，并调节微半球谐振子和微半球曲面电极的水平姿态和水平位置；所述成像相机设于装配台下方，用于采集微半球谐振子和微半球曲面电极的图像；所述六自由度真空吸附位移装置和成像相机分别与所述控制单元连接，控制单元通过获取微半球谐振子和微半球曲面电极的图像判断微半球谐振子和微半球曲面电极的水平姿态和水平位置，以控制六自由度真空吸附位移装置调节微半球谐振子和微半球曲面电极的水平姿态和水平位置，以完成微半球谐振子和微半球曲面电极的装配。2.根据权利要求1所述的一种微半球陀螺曲面电极的装配系统，其特征在于，还包括加热台，所述加热台呈圆环结构且水平设置在装配台下方，用于对装配台进行加热，以实现微半球谐振子和装配台、微半球谐振子锚点和曲面电极锚点的固化。3.根据权利要求2所述的一种微半球陀螺曲面电极的装配系统，其特征在于，所述加热台与控制单元连接，便于通过控制单元控制加热台对装配台进行加热。4.根据权利要求2所述的一种微半球陀螺曲面电极的装配系统，其特征在于，所述装配台采用石英玻璃制成，所述加热台采用热膨胀系数和石英玻璃对应的材料制成。5.根据权利要求1所述的一种微半球陀螺曲面电极的装配系统，其特征在于，所述六自由度真空吸附位移装置由吸附单元和微移动单元构成，所述吸附单元设于装配台上方，用于吸附微半球谐振子和微半球曲面电极，所述微移动单元与吸附单元连接，用于调节微半球谐振子和微半球曲面电极的水平姿态和水平位置，所述微移动单元与控制单元连接。6.一种微半球陀螺曲面电极的装配方法，其特征在于，采用权利要求1～5任一所述的一种微半球陀螺曲面电极的装配系统进行装配，具体包括以下步骤：s1：采用六自由度真空吸附位移装置吸附微半球谐振子，使用成像相机实时采集微半球谐振子图像，拟合其外轮廓曲线，分别根据其外轮廓曲线的圆度和圆心判断微半球谐振子的水平姿态和水平位置，然后调节微半球谐振子的水平姿态直至成像相机采集到的微半球谐振子外轮廓圆度在第一设定圆度阈值范围内；s2：调节微半球谐振子的水平位置，使其位于装配台中部，记录此时微半球谐振子外轮廓圆心对应的坐标，并将微半球谐振子垂直下移并临时键合在装配台上；s3：采用六自由度真空吸附位移装置吸附微半球曲面电极，使用成像相机实时采集微半球曲面电极图像，拟合其外轮廓曲线，分别根据其外轮廓曲线的圆度和圆心判断微半球曲面电极的水平姿态和水平位置，然后调节曲面电极的水平姿态直至成像相机采集到的微半球曲面电极外轮廓圆度在第二设定圆度阈值范围内；s4：调节微半球曲面电极的水平位置，使其外轮廓圆心对应坐标与所述微半球谐振子的外轮廓圆心对应坐标重合，然后将微半球曲面电极垂直下移放置在装配台上，再将曲面电极锚点和微半球谐振子锚点进行固化导通；s5：去除微半球谐振子与装配台之间的临时键合，从而完成微半球谐振子和微半球曲面电极的装配。7.根据权利要求6所述的一种微半球陀螺曲面电极的装配方法，其特征在于，调节微半
球谐振子和微半球曲面电极的水平姿态前，预先使用圆度仪分别对微半球谐振子和微半球曲面电极的圆度进行测量，从而得到第一设定圆度阈值和第二设定圆度阈值。8.根据权利要求6所述的一种微半球陀螺曲面电极的装配方法，其特征在于，步骤s1和步骤s3中判断水平姿态和水平位置的具体步骤如下：(1)基于opencv视觉库读取图像，并采用滤波算法对图像进行去噪，从而得到去噪后的图像；(2)将去噪后的图像转换为灰度图；(3)将灰度图转化为二值图；(4)基于hough transform算法拟合并绘制步骤(3)中二值图的外轮廓曲线，计算得到圆心坐标和圆度roundness，并根据圆心坐标判断水平位置，根据圆度判断水平姿态，其中：式中：a为拟合区域面积；p为拟合区域周长。9.根据权利要求6所述的一种微半球陀螺曲面电极的装配方法，其特征在于，步骤s2中，临时键合的方式包括但不限于胶粘或预制焊料焊接。10.根据权利要求6所述的一种微半球陀螺曲面电极的装配方法，其特征在于，步骤s4中，固化导通的方式包括但不限于胶粘或预制焊料焊接。
技术总结
本发明公开了一种微半球陀螺曲面电极的装配系统及装配方法，所述装配系统包括装配台、六自由度真空吸附位移装置、成像相机和控制单元；装配台水平设置且采用透明材料制成；成像相机设于装配台下方，用于采集微半球谐振子和微半球曲面电极的图像；六自由度真空吸附位移装置和成像相机分别与所述控制单元连接，控制单元通过获取微半球谐振子和微半球曲面电极的图像判断微半球谐振子和微半球曲面电极的水平姿态和水平位置，以控制六自由度真空吸附位移装置调节微半球谐振子和微半球曲面电极的水平姿态和水平位置，以完成微半球谐振子和微半球曲面电极的装配。该装配系统能有效保证微半球谐振子与微半球曲面电极装配的同轴度以及电极间隙的均匀性。轴度以及电极间隙的均匀性。轴度以及电极间隙的均匀性。
