面向微裝配的自動(dòng)化聲操縱理論與實(shí)踐研究.pdf

1、由于微機(jī)電系統(tǒng)具有尺寸微型、結(jié)構(gòu)緊湊和功能豐富等特點(diǎn)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)和高新技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用，逐漸成為了二十一世紀(jì)最重要的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)之一，蘊(yùn)涵著巨大的市場(chǎng)潛力。經(jīng)歷近半個(gè)多世紀(jì)的持續(xù)發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)已經(jīng)從原先注重單元微構(gòu)件的生產(chǎn)向混合復(fù)雜系統(tǒng)的集成方向邁進(jìn)，對(duì)微裝配技術(shù)的需求日益強(qiáng)烈。同時(shí)，面對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺度的微型化、制造技術(shù)追求高深寬比的三維化以及制造工藝和材料的多樣化等所帶來的諸多挑戰(zhàn)，微裝配技術(shù)更加體現(xiàn)出其重

2、要性和迫切性，并表現(xiàn)出與宏觀裝配手段明顯不同的技術(shù)特點(diǎn)。因此，探索新理論、新機(jī)理并發(fā)展這種技術(shù)，是目前微機(jī)電系統(tǒng)這個(gè)新興技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)最基礎(chǔ)的、關(guān)鍵的熱點(diǎn)研究課題?；谝陨媳尘?，本學(xué)位論文結(jié)合浙江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“基于聲操縱的三維自動(dòng)微裝配理論與實(shí)踐研究(No.Z1110393)”及國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于超聲輻射力場(chǎng)的三維生物組織直寫式制造關(guān)鍵技術(shù)研究(No.51205351)”等，開展面向微裝配的自動(dòng)化聲操縱理論與實(shí)踐研究。

3、在系統(tǒng)了解微裝配和聲操縱相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，建立了基于T矩陣的任意聲場(chǎng)下非規(guī)則微構(gòu)件聲輻射力及力矩計(jì)算理論，提出和優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了基于聲波相位調(diào)整的微構(gòu)件高效聲輸運(yùn)，基于聲波幅值調(diào)整的微構(gòu)件姿態(tài)無級(jí)控制聲操縱以及基于多聲參數(shù)聯(lián)合調(diào)整的復(fù)合聲操縱等關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，還利用顯微視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)了微構(gòu)件的識(shí)別和跟蹤，并將Look and Move閉環(huán)控制策略與上述聲操縱技術(shù)有機(jī)結(jié)合，創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了一種基于視覺反饋的自動(dòng)化聲操縱技術(shù)，為微裝配

4、技術(shù)的發(fā)展奠定必要的技術(shù)基礎(chǔ)。具體研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在:
　　第一章，系統(tǒng)闡述微裝配技術(shù)研究的重要意義以及聲操縱技術(shù)在微裝配中應(yīng)用的優(yōu)越性，全面分析微裝配和聲操縱相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)，明確聲操縱理論、技術(shù)和相關(guān)應(yīng)用所存在的問題及急待克服的技術(shù)瓶頸，為本文的研究指明了方向，并對(duì)各章節(jié)的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了安排。
　　第二章，建立了基于T矩陣的任意聲場(chǎng)下非規(guī)則微構(gòu)件聲輻射力及力矩計(jì)算理論。在利用T矩陣?yán)碚撏瓿扇我饴晥?chǎng)下非規(guī)則

5、微構(gòu)件散射聲場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)得到基于散射聲場(chǎng)轉(zhuǎn)移矩陣和二維積分矩陣的聲輻射力及力矩理論表達(dá)式，能針對(duì)微裝配過程中微構(gòu)件位姿動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，僅需一次矩陣參數(shù)計(jì)算就能確定整個(gè)過程中的聲輻射力及力矩，大幅度提高計(jì)算效率，為后續(xù)研究奠定必要的理論基礎(chǔ)。
　　第三章，提出了一種基于聲波相位調(diào)整的微構(gòu)件高效聲輸運(yùn)技術(shù)。通過改變?nèi)肷渎暡ㄏ辔黄撇介L(zhǎng)及其偏移速度，動(dòng)態(tài)調(diào)整聲勢(shì)阱空間位置以約束微構(gòu)件處于聲勢(shì)阱最優(yōu)偏移范圍內(nèi)，確保微構(gòu)件始終受到幅

6、值恒定且方向與輸運(yùn)方向一致的驅(qū)動(dòng)力作用，解決微構(gòu)件聲輸運(yùn)過程中因驅(qū)動(dòng)力不穩(wěn)定所引起輸運(yùn)效率低下的問題。同時(shí)，以鋯球?yàn)閷?duì)象進(jìn)行聲輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)研究，最高可靠輸運(yùn)速度可達(dá)29毫米/每秒，明顯提高輸運(yùn)效率。
　　第四章，提出了一種基于聲波幅值調(diào)整的微構(gòu)件姿態(tài)無級(jí)控制聲操縱技術(shù)。在建立入射聲波幅值與聲勢(shì)阱取向之間定量關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整入射聲波相對(duì)幅值參數(shù)，精確控制聲勢(shì)阱取向的變化，從而賦予俘獲于聲勢(shì)阱內(nèi)微構(gòu)件相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)力矩，驅(qū)動(dòng)其發(fā)生姿態(tài)改

7、變，達(dá)到微構(gòu)件姿態(tài)無級(jí)控制的目的。同時(shí)，對(duì)長(zhǎng)條形硅基微構(gòu)件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)該技術(shù)對(duì)于非球?qū)ΨQ構(gòu)件具有360°范圍內(nèi)的姿態(tài)無級(jí)控制能力。
　　第五章，提出了一種基于多聲參數(shù)調(diào)整的復(fù)合聲操縱技術(shù)。聯(lián)合調(diào)整入射聲波的幅值和相位，通過構(gòu)建半空間內(nèi)三維駐波聲場(chǎng)柔性合成不同性能的聲勢(shì)阱，實(shí)現(xiàn)了包括抓取、輸運(yùn)、姿態(tài)調(diào)整以及釋放等多種功能一體化的復(fù)合聲操縱。同時(shí)，以硅基微顆粒為對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證該技術(shù)的可行性和有效性。
　　第六章，發(fā)

8、展了一種基于顯微視覺的微構(gòu)件識(shí)別與跟蹤技術(shù)。在利用離散余弦變換對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)和自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)焦搜索算法完成顯微視覺自動(dòng)對(duì)焦的基礎(chǔ)上，應(yīng)用粒子濾波算法實(shí)現(xiàn)多尺度視野的微構(gòu)件目標(biāo)逐級(jí)定位，并結(jié)合基于最小外接四邊形法的位姿識(shí)別方法，實(shí)現(xiàn)微構(gòu)件的識(shí)別與跟蹤。
　　第七章，在利用顯微視覺實(shí)現(xiàn)微構(gòu)件識(shí)別與跟蹤的基礎(chǔ)上，將Look and Move聲參數(shù)閉環(huán)控制策略與上述聲操縱相關(guān)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了一種基于視覺反饋的自動(dòng)化聲操縱技