（机械电子工程专业论文）微靶半自动装配系统中的测量与控制技术研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 本课题研究的 微靶半自动装配系统中的测量与控制技术 结合国家 8 6 3 8 0 4 主题 半自动装配微靶在线测量技术研究 项目 以对微靶标的空间位置测量 及压电陶瓷微机械手的运动控制为主要目标 进一步研究微靶装配过程中的测量 和控制技术 研究内容主要包括 1 本文设计了微靶半自动装配系统 包括其粗调机构和微调机构 粗调机 构采用正交电控平移台结构 移动范围大 可将目标迅速移动 分辨率可达 6 2 5 9 i n 微调机构采用压电陶瓷驱动的3 r p s 并联机构微操作机械手 将靶球 准确运动到指定位置 实现装配过程中的关键动作要求 装配精度可达o 1 x m 2 建立了单c c d 显微视觉测量系统并对测量系统行进行了标定 利用单个 c c d 采集靶标的图像信息 编写了基于v b 与m a t l a b 混合编程的图像处理软 件以提取靶标的特征信息 图像分辨精度可达0 7 9 1 a m 3 采用了计算机一单片机一驱动电源三级控制结构 计算机通过显微视觉 获得所需微位移量 根据压电陶瓷的电压一微位移关系计算驱动电压值 将该数 值传送给单片机 由单片机控制驱动电源输出 驱动压电陶瓷移动到目的地 在 驱动电源设计方面采用闭环p i 控制系统 利用集成运算电压放大结合p w m 驱 动功率m o s f e t 管的功率放大设计了压电陶瓷驱动电源 减小了压电陶瓷的迟 滞 蠕变 非线性以及周围环境等带来的不确定因素对装配精度的影响 提高了 装配系统的精度 稳定性和实用性 驱动电源的线性度误差小于0 3 v 输出电 压变化小于o 0 3 4 多次试验结果表明 该微靶半自动装配系统装配误差小于1 5 8 9 m 满足 微靶半自动装配系统的装配要求 关键词 靶标 微装配 微机械手 c c d 压电陶瓷 驱动电源 图像处理 山东建筑大学硕士学位论文 s t u d y o nm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l t e c h n i q u e o fm i c r o p e l l e t t a r g e ts e m i a u t o m a t i ca s s e m b l y l iq i s c h o o lo f m e c h a n i c a l e l e c t r o n i c a l l ye n g i n e e r i n g d i r e c t e db yp r o f e s s o ry uf u s h e n g a b s t r a c t c l o s e k n i tt o 8 6 3 8 0 4 s u b j e c t m i c r o p e l l e ts e m i a u t o m a t i ca s s e m b l yo n l i n em e a s u r i n g t e c h n o l o g yr e s e a r c h t h i st h e s i sf u r t h e rs t u d i e dt h em e a s u r i n ga n dc o n t r o lt e c h n i q u ei nt h e p r o c e s so fm i c r o p e l l e tt a r g e ts e m i a u t o m a t i ca s s e m b l y i n c l u d i n gs p a t i a lp o s i t i o nm e a s u r i n go f m i c r o p e l l e tt a r g e ta n dm o t i o nc o n t r o lo fp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c sa c t u a t o r t h em a i nc o n t e n ti s a sf o l l o w s 1 as e m i a u t o m a t i ca s s e m b l ys y s t e mo fm i c r o p e l l e tt a r g e ti sd e s i g n e dt h a tc o m p o s e so f c o a r s ea n df i n ea d j u s t m e n td e v i c e s u s e da no r t h o g o n a le l e c t r i cs t a g e t h ec o a r s ea d j u s t m e n t d e v i c e sc a nt a k et h et a r g e tm o v ew i d e l ya n dq u i c k l y w h i c hr e s o l v i n gc a p a c i t yc a na c h i e v e 6 2 5j t m u s e da3 r p sp a r a l l e lm e c h a n i s ma c t u a t o rd r i v e nb yp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s t h ef i n e a d j u s t m e n td e v i c e sc a nt a k et h ep e l l e tt os p e c i a lp o s i t i o nw h i c ha s s e m b l yp r e c i s i o nc a n a c h i e v e0 1l a m 2 am i c r o v i s i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mi sa p p l i e da n dt h ec a m e r ac a l i b r a t i o ni sc o m p l e t e d t h ep e l l e tt a r g e t si m a g e sa r ec a p t u r e db yt h es y s t e mt h r o u g has i n g l ec a l i b r a t e dc c dc a m g l a b yi m a g ep r o c e s s i n gs o f t w a r eb a s e do nm i x e dp r o g r a m m i n gu s i n gv ba n dm a t l a b t h e v i s u a ls e r v oc o n t r o ls y s t e me x t r a c t st h et a r g e t sf e a t u r ei n f o r m a t i o nw i t ht h ep r e c i s i o nr e a c h i n g 0 7 9 1 m a 3 as e m i a u t o m a t i c a s s e m b l y c o n t r o l s y s t e m i s b u i l tw i t ht h es t r u c t u r eo f c o m p u t e r m c u d r i v ep o w e ra d o p t e df o rt h i ss y s t e m t h ed i s p l a c e m e n to fm i c r o p e l l e ti s o b t a i n e dt h o u g ht h em i c r o v i s i o nm e a s u r e m e n ts y s t e ma n dt r a n s f e r e di n t op i e z o e l e c t r i c c e r a m i cd r i v ev o l t a g eb yt h ed i s p l a c e m e n t v o l t a g er e l a t i o n s h i p t h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i c d r i v ev o l t a g ec o n v e yt h ev o l t a g et om c ut h a tc o n t r o ld r i v ep o w e r o u t p u ts o m ev o l t a g e w h i c h d r i v e st h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i c sa c t u a t o rm o v et os p e c i a lp o s i t i o n u s e dt h ec l o s e dl o o pp ic o n t r o ls y s t e m t h e p i e z o e l e c t r i cc e r a m i cd r i v ep o w e ri s i l 山东建筑大学硕士学位论文 d e s i g n e d t h ep o w e ri sa p p l i e db yc o m b i n a t i o no fi n t e g r a t e dv o l t a g ea m p l i f i e ra n dp w m d r i v i n gp o w e ra m p l i f i e r o fm o s f e t w h i c hw e a k e nt h ei n f u l e n c e so fh y s t e r e s i s c r e e p n o n l i n e a ra n do t h e ru n c e r t a i n t yf a c t o r s a n dm e a n w h i l ei m p r o v et h ea c c u r a c y s t a b i l i t ya n d p r a t i c a l b i l i t yo f t h ea s s e m b l y t h el i n e a re r r o ro fd r i v ep o w e r i sl e s st h a n0 3 v a n dt h ec h a n g e o fv o l t a g eo u t p u ti sl e s st h a n0 0 3 4 i nt h i st h e s i st h em i c r o o p e r a t i o na s s e m b l yi st e s t e d t h er e s u l t so fe x p e r i m e n ti n d i c a t e t h a tt h ea c c l 珊c yi sl e s st h a n 1 5 8 1 x r n m e e t i n ga s s e m b l er e q u i r e m e n t sr e l e v a n t t ot h e m i c r o p e l l e ts e m i a u t o m a t i ca s s e m b l ys y s t e m k e yw o r d s m i c r o p e l l e tt a r g e t m i c r oa s s e m b l y m i c r o o p e r a t i o na c t u a t o r c c d p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c d r i v ep o w e r i m a g ep r o c e s s i n g i i i 原创性声明 本人郑重声明 所提交的学位论文是本人在导师的指导下 独立进行研究取 得的成果 除文中已经注明引用的内容外 论文中不合其他人已经发表或撰写过 的研究成果 也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而使用过 的材料 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人承担本声明的法律责任 学位论文作者签名 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留 使用学位论文的规定 即 山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其它手段保存 汇编学位论 文 保密论文在解密后遵守此声明 学位论文作者签名 塾丝日期巡 二型 导 师签 名 j 錾二婢日期 劢 噼 山东建筑大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着现代科学技术和社会生产力的不断发展 人类对能源的需求也越来越大 目前 以煤 石油 天然气等能源将在数十年内枯竭 其造成的环境污染 温室效应正威胁 着人类的生存 而基于核裂变的能源也由于安全性和核废料的处理等问题而不尽人意 人类期待着新的清洁能源的开发与利用 核聚变能正是一种人类梦寐以求的清洁能源 它将是人类未来能源的主导 1 1 引言 实验室里研究核聚变反应的方法主要有两种 磁约束核聚变和惯性约束核聚变 惯 性约束核聚变 i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n i c f 就是利用高功率激光束 或粒子束1 均匀辐 照氘氚等热核燃料组成的微型靶丸 在极短的时间里靶丸表面发生电离和消融而形成包 围靶芯的高温等离子体 等离子体膨胀向外爆炸的反作用力会产生极大的向心聚爆压力 在这个压力下 氘 氚等离子体被压缩成极高的密度和极高的温度 引起核聚变反应 微型靶丸是激光核聚变技术的一个关键元件 它处于整个核聚变系统的初级 其激 励能量 转换效率对整个系统的工作有重要的影响 为了提高初级激励能量和转换效率 要求近二百路激光能同时精确瞄准靶丸 瞄准精确程度对提高激励能量和转换效率有至 关重要的影响 靶丸的直径只有几百微米 对其瞄准精度的要求不大于3 t u n 这就对微 靶标半自动装配系统的装配精度提出了要求 目前经常使用球形靶丸来填充氘氚气体 用于i c f 实验的靶丸材料主要有空心玻璃 微球 h g m 与空心塑料微球 h p m i 两类 2 1 空一t l 玻璃微球在i c f 打靶过程中存在较为 严重的瑞利一泰勒不稳定性 并产生超热电子而引起燃料d t 的辐射预热 从而限制了 爆聚的能量增益 因而近年来空心塑料微球已成为惯性约束核聚变靶丸的材料1 2 靶丸 的直径在2 0 0 4 0 0 v m 之间 壁厚i 2 1 u n 内部充有d t 燃料气 靶壳脆弱 对靶丸 的定位和装夹都有一定的困难 而核技术中对靶丸的安装精度要求较高 并且国外对核 科技的研究保密 因此对靶丸的精密测量和装配技术在国内仍需进一步研究嘲 核科技水平是一个国家地位 综合国力的重要标志 也是解决人类社会能源危机的 重要途径 核技术的研究任务紧急 微靶的用量也与日俱增 因此开展提高微靶装配精 度以及半自动装配过程中的微操作机器人的运动控制及测量精度的任务却十分迫切 是 国内外极其关注的项目之一 山东建筑大学硕士学位论文 1 2微装配与微操作技术 随着现代科学技术的发展和科技水平的不断提高 人们对微观领域的研究逐渐深入 微机电系统 m i c r o e l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s m e m s 的兴起 使研究进入亚纳米 原子级时代 4 1 自1 9 7 0 年斯坦福大学开始研究m e m s 系统以来 m e m s 的发展十分迅 猛 现已形成了微电子学 微机构学 微摩擦学 微定位技术 微细加工技术 微装配 技术等许多新的领域 由微定位技术与机器人技术相结合 尤其是多自由度微定位技术 与机器人结合而产生的微操作机器人技术是机器人技术发展新的研究方向 微操作机器人 m i c r om a n i p u l a t i n gr o b o t 是指机器人的运动位移在几微米至几百 微米的范围内 其分辨率 定位精度和重复定位精度在亚微米至纳米级的范围内的机器 人系统m6 j 1 2 1微装配与微操作系统的发展与现状 微操作的研究开始于2 0 世纪3 0 年代 当时为了研究细胞 出现了一些气动 液压 机械式的微操作器 这些微操作器通过将操作手柄上的人手运动按比例缩小 在末端工 具上实现直接的精微运动 7 1 从2 0 世纪8 0 年代末期开始 国内外研究人员对微操作机器人的相关理论和相关 技术进行了大量的研究 国外的微操作机器人的研究主要集中在日本 美国 德国 芬 兰 瑞士等几个发达国家中 1 9 8 9 年日本日立公司h a r a 对柔性铰链并联机构的综合方 法进行了研究 提出以常数j a c o b i a n 矩阵描述机构的运动模型 8 1 9 9 1 年日本n a g o y a 大学f u k u d a 等建立的微操作机器人采用6 自由度串联柔性铰链 压电陶瓷驱动 末端采 用非接触传感器检测位姿 用贴有应变片的悬臂梁检测微力 实现微力控制 9 美国佐 治亚理工学院l e e 等对压电陶瓷驱动的3 自由度3 r p s 并联机构进行了深入研究 建立 了机构样机 导出了闭式的正向运动模型 并进行实验验证 对末端转角的测量采用安 装激光反射镜进行位移放大的方法 1 0 1 1 9 9 2 年日本s u m i t o m o 重工业公司t o m i t a 等为实 现半导体加工中晶片的快速精确操作 研制了6 自由度压电陶瓷驱动的柔性铰链并联微 操作机器人 定位精度小于0 0 1 i n n 共振频率高于1 7 0 1 8 0 h z 并建立了动力学模型 提出为实现指定静态和动态特性的机构设计方法 1 1 1 1 9 9 3 年日本机械工程研究所t a r a i 等建立了6 自由度柔性铰链并联机器人 由压电 陶瓷驱动 分辨率为o 1 l a m t l 2 由于只有平动是重要的 因此采用的模型具有冗余特性 在运动控制的逆运动求解中采用矩阵的广义逆求解求得最小二乘解 并证明这样可得到 山东建筑大学硕士学位论文 最大工作空间 并在碳粉上进行了画图试验 图形的宽度和直径分别为1 5 1 x m 在该系 统的基础上 仿造筷子的运动 将两个并联机构串联构成两指微操作手 利用两个力矩 传感器构成主操纵装置 实现两指微操作手的灵巧遥操作 并进行了2 微米玻璃球的操 作实验 定位精度为0 1 u m 1 3 如图1 1 所示 蔫 器 图1 it a r a i 教授研制的微机器人图1 2t e m p e r e 科技大学液压驱动微操作机器人 1 9 9 6 年日本g i f i l 大学s a s a k i 等以b i o m o r p h 型聚合压电驱动器构成微操作手 建立 了压电驱动动态模型 对驱动器采用了人工神经元网络控制方法 1 4 为克服压电驱动器运动范围小的缺点 一些基于压电陶瓷的新型驱动器及机构形式 被提出来 1 9 9 2 年日本东京大学的h i g u c h i 等利用惯性和摩擦原理 采用压电陶瓷驱动 构成新型微操作机器人驱动器 可实现大位移和高分辨率 结构紧凑 分辨率为0 1 i j t m l l 4 1 1 9 9 6 年芬兰t e m d e r e 理工大学k a l l i o 等采用液压放大的方法 研制了压电液压驱动 器 使行程达到5 0 0 1 x m 并于1 9 9 9 年对该驱动器的动力学模型进行了研究 采用神经 元网络描述驱动器的动态蠕变和静态迟滞等非线性特性 l5 1 如图1 2 所示 2 0 世纪9 0 年代中期 视觉伺服控制对微操作系统的重要性逐渐受到人们的重视 1 9 9 5 年日本东京大学高级科技研究中心s a t o 讨论了视觉系统和视觉伺服控制对于微操 作的必要性 建立了具有视觉功能的纳米微操作机器人系统 由两个3 自由度微操作手 组成 压电陶瓷驱动 视觉系统由扫描电子显微镜和图像处理计算机组成 控制系统各 模块之间通过以太网通讯 通过操纵杆遥控实现了5 岬铁球的排列 在开环控制下用钨 针在铝表面写出1 5 岬的汉字 1 6 t1 7 j 1 9 9 6 年瑞士p a p p a s 等建立的微操作机器人系统有两只4 自由度操作手 右手由压 电陶瓷驱动的3 自由度平面机构和直流电机驱动的z 向运动平台 平面运动分辨率为 l n m z 向重复精度l l a m 左手平动由直流电机驱动 重复精度1 l t m 绕y 轴转动由压 电陶瓷驱动 分辨率为0 1 t r a d 视觉系统采用光学显微镜 图像处理采用模块匹配方法 山东建筑大学硕士学位论文 位置测量精度可达1 5 0 像素 并进行了3 自由度平面运动的视觉控制的研究 1 7 1 1 9 9 9 年日本东京工业大学k a s a y a 等与东京大学高级科技研究中心合作以微电子电 路封装中的微焊接排列为应用目标 建立了自动微操作系统 主操作手具有两个旋转自 由度 分辨率为0 1 工作台具有3 个自由度 分辨率为7 0 n m 均由超声电机驱动 另 具有用于精定位的压电陶瓷驱动平动机构 l 引 并装有微力传感器 由贴有应变片的悬 臂梁构成 具有视觉功能 平面运动采用扫描电子显微镜观察 纵向采用光学显微镜 采用h o u g h 变换算法进行图像处理 用于确定工具和目标的位置 速度为l 帧 s 精度 为1 5 1 1 1 1 开发基于视觉的运动规划算法 以实现自动灵活的微粒抓放功能i l 6 1 1 9 9 7 年美国明尼苏达大学的n e l s o n 等为实现m e m s 部件的微装配 对基于光学显 微镜的微操作机器人视觉系统进行研究 设计了最优视觉伺服控制器 采用焦点变换方 法 d e p t h f r o m d e f o c u s 获得显微视觉深度信息 在所建立的无刷电机驱动的微操作 机器人系统上所做的实验表明 闭环重复精度为1 7 3 p m 纵向测量精度只有8 p m 1 9 1 9 9 8 年又为系统增加了微力检测功能 微力传感器和视觉系统相融合用于力和位置的同时控 制 以提高操作精度和可靠性1 2 0 1 9 9 8 年美国s a n d i a 国家实验室f e d d e m a 等研究了利 用视觉伺服控制进行l i g a 部件的微装配 建立的微装配装置有4 自由度机器人和4 自 由度精密平台组成 夹持器为l i g a 技术制造的微镊 4 自由度机器人重复精度为 x y 向为0 4 1 m a z 向为8 9 m 绕z 轴转动为2 3 5 6 毫秒 精密平台平动重复精度为l l x m 转动重复精度为1 8 毫秒 视觉系统采用光学显微镜 并建立了显微光学系统模型 根 据光斑尺寸检测z 向位移 可以完成采用l i f g a 技术加工的微型齿轮的抓取和释放操作 齿轮外径1 0 0 1 x m 中心孔直径5 0 p m 1 2 1 德国卡尔斯鲁厄大学 k a r l s r u h e 的f a t i k o w 等为实现微系统自动装配 对微操作机器 人系统的各个方面进行了广泛而深入的研究 2 2 1 为了能够达到高精度的同时 又能实现 大范围的运动 研制了利用各种压电驱动的行走微操作机构 其中m i n i m a n i 型机器人 采用s l i p s t i c k 的行走方式 三条腿由可弯曲的压电陶瓷驱动 分辨率为1 0 n m 最大行 走速度达3 0 m m s 该机器人可以实现精密移动 再配以管状操作手后可以精确完成微操 作任务 勿 s e r g e jf a t i k o n 教授等人在此基础上增加了视觉传感器和力觉传感器 研制了 m i n i m a n i i 型机器人 在视觉系统引导下 机器人可在光电显微镜或扫描电子显微镜下 完成1 0 n m 以下的高精度微操作 安装微夹持器后可以对微小物体进行高精度夹持 搬 运 操作和定位 第三代机器人s p i d e r i i 行走方式改为步行式 由六条腿组成 压电 陶瓷驱动 驱动电压大大降低 该研究小组为微操作机器人系统设计了计算机显微系统 山东建筑大学硕士学位论文 分为全局和局部视觉系统 全局视觉系统由c c d 摄像头和安装与机器人上的三个l e d 构成 用于确定机器人整体位姿和检测工作空间 精度为0 5 m m 局部视觉系统由显微 镜和安装在上面的c c d 摄像头组成 用于确定微操作手和目标的精确位置 测量精度 在微米级 并在微视觉系统下的目标识别和深度信息获取方法等方面进行了探讨 该系 统配上吸管后实现了对m 2 0 n m 的细胞进行拾取 移动和定位等操作 瑞士洛桑大学采用激光扫描显微镜作为监视装置 利用激光直接测量高度信息 根 据图像获得平面信息 同时 在视觉信息基础上开展了微小型机器人微操作的虚拟现实 技术的研究 2 2 1 我国是在2 0 世纪9 0 年代开始研制高精度微动机器人的 1 9 9 2 年我国将 微操作机 器人 列为国家 8 6 3 计划科技攻关项目 从而拉开了我国研究微动机器人高潮的帷幕 图1 3 哈工大研制的微操作机器人图1 4 哈工大6 s p s 微动并联机器人 1 9 9 3 年广东工学院杨宜民教授等首先研制出了仿生直线驱动器 用于微进给机械加 工 精度为0 5 9 m 1 2 3 1 哈尔滨工业大学机器人研究所在国家自然科学基金的资助下于1 9 9 5 年成功研制出仿生型多维超精密驱动微机器人 并在国内首次研制出运动精度在纳米级 的六维并联结构6 p s s 微动并联机器人 2 4 1 它是一个六分支p s s 副变异s t e w a r t 平台 p 副由压电陶瓷水平驱动 铰链连接处全部采用柔性铰链 该机器人实现了集机构 驱动 和检测于一体化的结构 x y 方向直线运动范围 1 0 1 l m 分辨率1 0 n m z 方向直线 运动范围8 9 m 分辨率1 0 n m 绕x 和y 方向旋转范围0 0 1 2 分辨率0 0 2 绕z 方 向旋转范围0 0 2 4 分辨率0 0 2 可用于生物细胞操作 光学调整等领域如图1 3 所 示 在此基础上 于2 0 0 1 年研制出6 s p s 微动并联机器人 如图1 4 所示 性能指标 与6 p s s 型基本相似 但体积减小为巾9 0 6 0 m m 已用于光纤耦合和微装配操作中 2 5 2 7 北京航空航天大学机器人研究所研制的6 自由度微操作机器人实验系统 采用柔性 铰链串并联机构 能够实现平面运动和其他运动自由度的解耦 压电陶瓷驱动 采用应 变片作为位移传感器 由p c 机实现驱动器的闭环控制和轨迹规划 采用光学显微镜和 山东建筑大学硕士学位论文 p c 机构成计算机视觉观察系统 实验中由机器人在光盘表面划出了直径和边长分别为 1 4pm 的圆和正方形1 2 8 9 1 天津南开大学卢桂章教授等研制的 面向生物工程的微操作机器人系统 采用直角 坐标式机构 由高精密步进电机驱动 操作精度为微米级 系统具有计算机显微视觉功 能 并对显微镜自动调焦进行了研究 该微操作机器人实现了对直径为1 2 1 3 i n n 厚 度小于5 1 t m 的动物细胞的转基因注射 3 0 中国科技大学的 全光学生物微操作系统 利用光镊 光刀技术对细小生物细胞和 活体进行捕获 移动 切割和细胞选择性融合等作业 3 l 中国科学院长春光学精密机工 研究所和大连理工大学的 m e m s 微操作系统 实现了显微立体成像下的细胞转基因 操纵 提高了操作效率与成功掣3 2 1 上海交通大学也研制了一个全方位的微加工机器人 3 3 1 天津大学的裘祖容 么春娟 华中科技大学黄心汉 刘敏也在8 6 3 基金的支持下对 用于微靶装配的微操作机器人进行研究 3 6 1 清华大学李庆祥 李玉和等人在微夹持技 术及显微视觉方面作了深入研究 4 j 1 2 2微操作的特点 微装配是属于微观领域的超精密操作 介于传统的宏观装配 零件尺寸大于l m m 和新兴的纳米装配 分子级 零件尺寸小于l p m 之间 微装配与微操作技术的主要特 点是操作对象微小 必须借助显微镜来实现对操作对象的观察和对操作过程的监视 同 时要求微操作设备具有较高的定位精度 较多的操作功能和自由度 由于操作对象的微 小化 许多宏观条件下人们所认知的规律 定理在微观条件下都变得不可预知 微操作 的特点可以体现在微操作几何对象特性和微操作环境物理特性两方面 1 在微操作几何特性方面随着操作对象三维尺寸的减小 操作对象变得更轻 更 富有弹性 也更容易损坏 结构刚度也相应地降低 所以过大的作用力很容易使操作对 象的弹性变形过大 甚至发生塑性变形而造成操作对象的损坏 另外 由于相对于操作 对象的微d 夕l 形尺寸而言 加工精度变得相对粗糙 在显微镜观察下 物体的表面变得 不规则 形状与理想的外形相差很大 必须采用视觉反馈的方法指导微操作的进行 蚓 2 微观环境的物理特性由于操作对象的微小化 在宏观条件下起主导作用的重力 惯性力等不再起决定作用 而操作对象的附着力 表面张力 静电力 范德华力 甚至 于光辐射等起到了主导作用 研究表明 当微器件的尺寸小于1 0 0 1 t m 时 重力对操作的 影响可忽略 而附着力 表面张力 静电力 范德华力的作用则变得非常显著 4 而操 山东建筑大学硕士学位论文 作过程中的空气阻力相对于其重量而言也可能很大 因此 在进行操作时 不仅要考虑 抓取 还要应该考虑释放 1 3 课题来源与本文的主要工作 本课题研究的微靶半自动装配系统中的测量与控制技术研究紧密结合国家 8 6 3 8 0 4 主题 半自动装配微靶在线测量技术研究 项目 以对微操作目标的检测及对微操 作手的运动控制为主要目标 进一步研究微靶装配过程中的一些关键测量和控制技术 研制高精度 一体化 具有实用价值的半自动微靶装配系统 本课题将以微靶半自动装配系统为研究对象 用压电陶瓷微操作系统作执行器 采 用单c c d 显微摄像系统跟踪测量运动目标的空间位置 实旌闭环p i 控制方案 解决装配 系统中c c d 测量的数字聚焦 深度信息提取等问题 克服压电陶瓷的迟滞 蠕变 非线 性等对装配精度的影响 提高装配系统的精度 稳定性 和实用性 本课题的主要工作 如下 1 分析了对微靶半自动装配系统的测量和控制技术进行深入研究的重要意义 指出 微靶的装配精度对提高核聚变的初级激励能量和转换效率有着至关重要的影响 通过追 溯 微装配与微操作技术 的研究历史和国内外发展现状 总结出微操作机器人的特点 提出了用压电陶瓷驱动 利用单c c d 显微视觉导引的闭环控制方案 2 建立了单c c d 显微视觉测量系统方案 论述了其硬件构成及选用原则 阐明了 视觉测量系统的性能指标 在实际测量中 为简化测量程序 提高测量精度 使用小畸 变的消色差平场物镜 消除了镜头畸变和色场变化引起的测量误差 同时利用显微尺作 为参照物进行相对标定法标定 使标定过程快速 准确 3 图像采集与处理是视觉伺服的关键技术 采用s d k 3 0 0 0 图像采集卡完成图像采集 任务 在图像处理方面 利用m a t l a b 图像处理工具箱完成了图像滤波 图象增强以 及微靶的质心特征提取 重点论述了装配系统图像采集与处理软件的设计以及v b 和 m a t l a b 混合编程的方法 4 基于v b 6 0 编制了控制系统用户界面 推导出图像坐标与世界坐标之间的坐标 变换矩阵以及微操作手的空间位置逆解 提出了微靶半自动装配系统的控制方案 绘制 了控制系统流程图并编写了计算机与单片机的接口程序 串口通信程序及单片机的控制 程序 5 研究了基于误差放大原理的压电陶瓷驱动电源 提出采用高压运算放大器进行电 山东建筑大学硕士学位论文 压放大 结合p w m 波驱动功率m o s f e t 管构成的功率放大以提高驱动电源的输出电压 范围的方法 采用闭环p i 控制系统 减小了压电陶瓷的迟滞 蠕变 非线性以及周围环 境等带来的不确定因素对装配精度的影响 提高装配系统的精度 稳定性和实用性 最 后对驱动电源的响应特性 线性度 驱动性能及稳定性进行了测试 测试结果表明 该 驱动电源满足微靶半自动装配系统的装配要求 1 4 本章小结 本章介绍了受控核聚变的基本知识及研究受控核聚变的意义 指出微靶的装配精度 对提高核聚变的初级激励能量和转换效率有着至关重要的影响 因此 对用于微靶装配 的微操作机器人的深入研究具有重要意义 通过追溯 微装配与微操作技术 的研究历 史和国内外发展现状 总结出微操作机器人的特点 提出了用压电陶瓷驱动微操作手 利用单c c d 显微视觉导引的闭环控制方案 克服压电陶瓷驱动的迟滞 蠕变 非线性等 对装配精度的影响 提高了装配系统的精度 稳定性和实用性 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章微靶半自动装配系统的建立 2 1 引言 实现微操作过程的半自动化或自动化是微操作机器人的发展的必然趋势 本章在分 析微操作特点的基础上 对本课题所研制的微靶半自动装配系统的组成和特点进行详细 分析 介绍了该半自动装配系统的本体设计方案 并对显微视觉系统进行了深入分析 最后对整个系统的工作原理及功能进行了描述 2 2微靶半自动装配系统的组成 2 2 1 系统的功能与需求分析 微靶半自动装配系统的主要任务是将一个充满氘 氚等燃料的玻璃小球和两个薄壁 半圆柱装配在一起的微装配机器人 要求两个半圆柱紧密结合在一起 装配后小球的中 心在粘合后圆柱的几何中心上 且装配后燃料球与半圆柱靶标以及两个半圆柱靶标的同 轴度误差均小于3 9 m 其中小球的直径是m 0 2 o 4m m 粘合后圆柱的直径为0 0 8 m m 长为1 6 m m 如图2 1 所示 图2 1 靶标与两个半圆柱装配图 微靶半自动装配系统的主要目的是对直径在 o 2 o 4m m 的燃料小球进行操作以 达到必要装配精度的微操作机器人 一个典型的微装配系统包括以下几个部分 1 具有能克服或利用粘附力的稳定微夹持器 2 视觉 力混合引导装配控制策略 3 微自动送料系统 4 微装配规划 山东建筑大学硕士学位论文 对于半自动微装配系统主要是前面两个部分 并且随着装配精度要求的提高 视觉 力混合引导装配控制策略已发展为更高精度的测量引导装配控制策略 结合本课题的具 体情况 该装配系统应具有以下特点 1 系统的精度应在微米或亚微米之间 微型靶丸是激光核聚变技术的一个关键元件 它处于整个核聚变系统的初级 其激 励能量 转换效率对整个系统的工作有重要的影响 由于靶丸的直径在 o 2 一o 4m i l l 之 间 一般认为 对这一尺寸的器件进行精确操作 精密定位 操作仪器的精度至少高一 个数量级 即该装配系统的操作精度至少要达到1 0 i t m 级 又由于该微装配机器人为核 试验服务这一特殊原因 其操作精度应在岬级 为进一步提高初级激励能量和转换效 率 使近二百路激光能同时精确瞄准靶丸 要求靶丸中心与装配后的圆柱中心的位置误 差以及两个圆柱的装配误差均不超过3 1 t m 2 系统应具有反馈部分 由于力n r 精度 温度 湿度等环境条件以及摩擦 磨损等因素的影响 采用开环控 制方式难以达到微装配系统所要求的微米或亚微米的精度 必须采用闭环反馈控制 反 馈环节是必不可少的 3 良好的人机界面 交互性能差 使用不方便的人机界面往往会使操作者感到厌倦或疲劳 降低工作效 率 操作失误率也会增加 容易损坏设备 而良好的人机界面能使操作者感到舒适 方 便 轻松 并且易于学习 对微操作的作用是显而易见的 4 良好的微夹持器 在微尺度下 重力不再起主导作用 与物体表面积相关的力如范德华力 表面张力 静电力 重力等将联合起作用 其中 范德华力是由量子机械效应所引起的分子或原子 瞬时极化产生的 其作用力的大小与物体之间的距离平方成反比 只在物体小于l o o n m 时显现出来 表面张力是由作用两个表面液体层之间的相互作用引起的 在干燥或真空 环境下可以有效地消除表面张力 静电力来源于物体接触时电荷产生或电荷转移 作用 距离比较长 与范德华力相比较 物体表面粗糙度对静电力的影响较小 因此 在抓取 或操作l o l m a 至l n m 物体时 静电力将是最主要的作用力 在正常温度 湿度等条件下 对于亚毫米级的微粒物体 上述几种力的大小关系如图2 2 所示 3 5 3 6 1 因此 选择一种 能自如拿 放和灵活操作的微夹持器是必不可少的 山东建筑大学硕士学位论文 力 牛顿 图2 2 微尺寸下力对物体的影响 馓米 2 2 2 系统结构组成 微靶半自动装配系统可分为用户层 规划层 反馈层 控制层四部分 如图2 3 所 示 每层包括若干完成类似功能的模块 用户层由p c 机及显示器组成 包括微装配过程 监控 人机交互界面 操作类型选择 参数设定 信息综合 处理以及操纵控制等模块 主要实现人机交互功能 使操作者能监控和操纵微操作 困2 3 系统层次结构图 山东建筑大学硕士学位论文 规划层包括路径生成和路径检查两部分 规划层根据反馈层所获得的靶标及操作对 象的位置信息 自动生成操作路径 生成驱动层的执行代码 并传送给用户层 同时在 操作过程中随时获取操作对象的位置信息 再与操作路径相比较 进行路径检查 若操 作后的操作对象的位置信息与设定的操作路径不符 则重新生成操作路径及操作代码 如此往复 直到达到目标 反馈层由c c d 摄像机 图像采集卡以及图像处理软件组成 主要完成对操作对象 场景图像的实时捕获 并进而加以图像处理及特征提取 再将提取的操作对象 靶标的 特征信息传送给用户层 控制层主要由单片机组成 单片机根据用户层的输出命令 获得操作状态 根据操 作状态控制微执行器精确执行操作命令 2 3 微靶半自动装配系统 根据2 2 1 节的系统功能描述与系统的要求分析以及2 2 2 节系统的结构组成 本 文建立如图2 4 所示的微靶半自动装配系统 该装配系统由控制计算机 显微视觉系统 三维微定位平台 末端操作器 驱动电源等模块组成 上位计算机 i 口b j j i 赢董葚囊萎丽 图2 4 微靶半自动装配系统组成结构图 操作手 山东建筑大学硕士学位论文 控制计算机由计算机及显示器组成 主要功能有 1 完成对显微视觉系统调焦类型 自动 手动调焦 的选择 若为手动调焦 则利 用调焦评价函数对调焦结果进行评价并给出调整建议 若为自动调焦 则自动生成搜索 路径 驱动步进电机带动显微视觉系统上下移动 对每一节点采集目标点图像 利用调 焦评价函数对该点的调焦效果进行评价 找到目标图像由模糊变清晰的点以及由清晰变 模糊的点 从而搜索到图像的焦平面 这部分内容本文不作详述 2 焦平面选定以后 锁定显微视觉系统步进电机 控制计算机采集靶标球的位置信 息 对靶标球以及目标点的信息进行综合 处理 并生成驱动三维微定位平台及末端操 作器的驱动代码 通过串口通信与驱动模块的单片机进行通信 3 对装配过程进行监控 并将装配状态实时显示在显示器上供操作者观测 显微视觉系统包括光学显微镜 c c d 摄像机 图像采集卡 三维微定位平台由三个微动平台正交装配组成 每个微动平台的行程为1 l o m m 采 用步进电机驱动 滚珠丝杠传动 双侧直线轴承导向结构 步进电机采用两相混合式步进电机 细分以后步距角为o 9 采用上位控制计算 机分别计算x y z 三个方向的步进电机的驱动脉冲数及正 反转标志 然后将该数值传 送给单片机 单片机再将该数值分别传送给各自的驱动器驱动步进电机 精密滚珠丝杠 导程为2 5 m m 经细分以后步进电机的4 个脉冲步进电机旋转0 9 精密滚珠丝杠前进 6 2 5 p r o 末端操作器由三组柱状压电陶瓷 柔性铰链 底板 连接板 微型吸管组成 柱状 压电陶瓷两端与柔性铰链粘结 柔性铰链分别与底板 连接板粘结 微型吸管粘结在连 接板上 微型吸管采用中科院上海光机所研制的吸附针尖 4 1 针尖的长度为6 0 m m 针 管的外径为1 4 m m 内径为1 2 r a m 针尖的外径为9 0 9 m 内径为6 0 1 t m 针尖处有一与 针管中心线成3 0 角的端面 作为吸附的接触面 使用玻璃材料的优点是不会挡光 可 为操作带来方便 该末端操作器可以吸附5 0 5 0 0 t t m 的微小物体 通过改变三组压电陶 瓷的驱动电压可以实现微小物体在1 0 i o xl o g m 范围内的三维运动 驱动电源是将单片机发出的o 5 v 的电压信号放大成o 6 0 0 v 的压电陶瓷的驱动电 压信号 驱动电源的失真情况以及纹波现象决定了驱动电源的品质优劣 2 4装配系统的控制策略 根据2 3 节对微靶半自动装配系统的结构组成以及各部分的功能分析 本文采用理 山东建筑大学硕士学位论文 论推导 设计仿真与制作和必要的应用测试相结合的研究方法和技术路线 建立了如下 所示的控制策略 c c d 摄像机经标定后 获取靶标的图像信息 经图像采集卡传送到计算机 计算机 基于v b 界面利用m a t l a b 对获取的图像进行处理并获得靶标的位置信息 上位计算机根据显微视觉系统测量得到的微靶的位置信息 与理想位置坐标对照 得出装配系统需要移动的三维信息 将三个方向上的位移分别除以电控平移台的分辨率 并将整数部分分别驱动三个方向的电控平移台移到指定位置 将余数部分根据空间转换 矩阵转变成三个压电陶瓷的伸长量 进而求得压电陶瓷的驱动电压 并将该控制信息经 串口传给单片机 再经压电陶瓷驱动电源驱动压电陶瓷 从而将目标送到理想位置 单片机将接收到的压电陶瓷的微位移数字量传送给d a 转换芯片m a x 5 3 5 2 转换 为位移信息的电压模拟量 经电压跟随器 p i 控制器后送入p w m 发生芯片s g 3 5 2 5 a j 产生一定占空比的方波信号 驱动m o s f e t 管按一定的时间比例开启 关断 m o s f e t 管的漏极接6 0 0 v 的直流电源 源极输出以后驱动压电陶瓷产生一定的伸缩 本课题在微靶的拾取和释放上是根据不同液滴对靶标的粘附力不同而采用的拾 放 控制策略 即首先利用操作手将粘附力较大的液滴放在指定的位置上 清洗末端执行器 以后 再用末端执行器粘取粘附力较小的液体 拾取靶标 送到指定位置上 靶标就会 粘附到粘附力大的液体上 2 5微靶半自动装配系统的主要技术参数 设计的微靶半自动装配系统主要性能参数如下 1 装配系统的装配空间为1 1 0m m 1 1 0m m 1 1 0m i l l 2 装配后靶球的中心与装配后两个半圆柱的中心的位置误差不超过3 1 t m 3 两个半圆柱的装配误差不超过3 l m a 2 6 本章小结