基于視覺(jué)的微夾持構(gòu)件受力與應(yīng)變測(cè)量方法.pdf

1、隨著電子與微納技術(shù)的快速發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。微機(jī)電系統(tǒng)中一項(xiàng)重要任務(wù)是對(duì)微構(gòu)件的微操作與微裝配，其核心技術(shù)是微夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與控制。在微裝配或微操作環(huán)境下，微夾持構(gòu)件以及被操作對(duì)象因?yàn)槲⑿〈嗳醵鴺O易被損壞，需要在微夾持器進(jìn)行微操作時(shí)準(zhǔn)確的定位和精確的夾持力控制，所以微夾持器應(yīng)用研究的核心是微夾持器件受力與變形的測(cè)量。在微納尺度下，為了監(jiān)測(cè)微構(gòu)件夾持的操作過(guò)程以及獲取進(jìn)行微操作閉環(huán)控制所需要反饋信息，顯微視覺(jué)成像系統(tǒng)是

2、必不可少的工具。顯微視覺(jué)成像系統(tǒng)與微夾持、操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及微力微變形精密測(cè)量系統(tǒng)的高效集成是微機(jī)械系統(tǒng)成功應(yīng)用的關(guān)鍵。與快速發(fā)展的微納制造與智能控制技術(shù)相比，對(duì)微夾持器與執(zhí)行器技術(shù)的研究發(fā)展相對(duì)緩慢。微懸臂梁是一種典型的微夾持與操作構(gòu)件，本文以簡(jiǎn)化的微懸臂梁作為研究對(duì)象，利用顯微視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的微夾持構(gòu)件進(jìn)行受力與應(yīng)變測(cè)量技術(shù)研究。
　　首先根據(jù)微納光刻掩膜電鑄工藝制作了微懸臂梁夾持構(gòu)件，并針對(duì)微懸臂梁的形狀特點(diǎn)設(shè)計(jì)了專

3、門的夾持與彎曲變形機(jī)構(gòu)。微懸臂梁的彎曲變形過(guò)程在光學(xué)顯微鏡下觀測(cè)，變形過(guò)程圖像通過(guò)CCD傳感器和圖像采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。對(duì)變形前后的微懸臂梁圖像進(jìn)行預(yù)處理操作以得到懸臂梁表面清晰的灰度紋理圖像，為基于圖像灰度紋理信息的懸臂梁的受力與應(yīng)變計(jì)算做準(zhǔn)備。
　　利用圖像中的灰度紋理信息，在變形前后的懸臂梁圖像中進(jìn)行LOG特征點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別并為特征點(diǎn)構(gòu)造局部封閉特征區(qū)域。根據(jù)局部封閉特征區(qū)域的質(zhì)心信息重新定位特征點(diǎn)，并為每個(gè)特征點(diǎn)構(gòu)造仿射不變的

4、特征描述矢量。根據(jù)特征點(diǎn)的特征描述矢量對(duì)變形前后圖像中的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，通過(guò)匹配信息以及特征點(diǎn)的質(zhì)心信息得到特征點(diǎn)的位移信息。根據(jù)微懸臂梁構(gòu)件的尺寸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)用平面應(yīng)力狀態(tài)下懸臂梁結(jié)構(gòu)的彎曲受力變形計(jì)算模型，基于特征點(diǎn)位移誤差函數(shù)法對(duì)懸臂梁的彎曲受力進(jìn)行擬合計(jì)算，得出懸臂梁受力大小以及受力位置等信息。
　　對(duì)三種全場(chǎng)位移測(cè)量的基本方法：基于 B樣條的圖像配準(zhǔn)法、光流法、數(shù)字圖像相關(guān)法的原理進(jìn)行介紹，并分別推導(dǎo)了三種方法的應(yīng)變場(chǎng)計(jì)

5、算公式，通過(guò)實(shí)際應(yīng)變場(chǎng)計(jì)算對(duì)比說(shuō)明了基于數(shù)字相關(guān)法進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量的優(yōu)越性。分析了在不同的特征點(diǎn)處進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計(jì)算的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)LOG特征點(diǎn)的灰度分布有利于基于迭代方法的數(shù)字相關(guān)法的計(jì)算收斂。討論了影響數(shù)字相關(guān)法計(jì)算的關(guān)鍵因素，通過(guò)仿真彎曲實(shí)驗(yàn)分析了變形函數(shù)階次，計(jì)算窗口大小以及根據(jù)特征點(diǎn)處的變形信息進(jìn)行迭代初始值優(yōu)化對(duì)數(shù)字相關(guān)法計(jì)算誤差的影響。提出了兩種加權(quán)平均的應(yīng)變場(chǎng)計(jì)算方法，通過(guò)與有限元FEM仿真結(jié)果比較，驗(yàn)證了權(quán)值平均應(yīng)變方法的有效性