面向微装配的自动化声操纵理论与实践研究

发布时间：2018-01-19 10:45

本文关键词： 微装配自动化操纵声势阱声辐射力及力矩声输运声致旋转复合声操纵　出处：《浙江大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：由于微机电系统具有尺寸微型、结构紧凑和功能丰富等特点,在国民经济、国防建设和高新技术等相关领域得到了广泛地应用,逐渐成为了二十一世纪最重要的经济增长点之一,蕴涵着巨大的市场潜力。经历近半个多世纪的持续发展,微机电系统已经从原先注重单元微构件的生产向混合复杂系统的集成方向迈进,对微装配技术的需求日益强烈。同时,面对微机电系统结构尺度的微型化、制造技术追求高深宽比的三维化以及制造工艺和材料的多样化等所带来的诸多挑战,微装配技术更加体现出其重要性和迫切性,并表现出与宏观装配手段明显不同的技术特点。因此,探索新理论、新机理并发展这种技术,是目前微机电系统这个新兴技术领域内一个最基础的、关键的热点研究课题。基于以上背景,本学位论文结合浙江省自然科学基金重点项目“基于声操纵的三维自动微装配理论与实践研究(No.Z1110393)”及国家自然科学基金项目“基于超声辐射力场的三维生物组织直写式制造关键技术研究(No.51205351)”等,开展面向微装配的自动化声操纵理论与实践研究。在系统了解微装配和声操纵相关技术研究现状及其发展趋势的基础上,建立了基于T矩阵的任意声场下非规则微构件声辐射力及力矩计算理论,提出和优化实现了基于声波相位调整的微构件高效声输运,基于声波幅值调整的微构件姿态无级控制声操纵以及基于多声参数联合调整的复合声操纵等关键技术。同时,还利用显微视觉技术实现了微构件的识别和跟踪,并将Look and Move闭环控制策略与上述声操纵技术有机结合,创新实现了一种基于视觉反馈的自动化声操纵技术,为微装配技术的发展奠定必要的技术基础。具体研究内容和创新点体现在：第一章,系统阐述微装配技术研究的重要意义以及声操纵技术在微装配中应用的优越性,全面分析微装配和声操纵相关技术研究现状及其发展趋势,明确声操纵理论、技术和相关应用所存在的问题及急待克服的技术瓶颈,为本文的研究指明了方向,并对各章节的研究内容进行了安排。第二章,建立了基于T矩阵的任意声场下非规则微构件声辐射力及力矩计算理论。在利用T矩阵理论完成任意声场下非规则微构件散射声场计算的基础上,推导得到基于散射声场转移矩阵和二维积分矩阵的声辐射力及力矩理论表达式,能针对微装配过程中微构件位姿动态变化的特点,仅需一次矩阵参数计算就能确定整个过程中的声辐射力及力矩,大幅度提高计算效率,为后续研究奠定必要的理论基础。第三章,提出了一种基于声波相位调整的微构件高效声输运技术。通过改变入射声波相位偏移步长及其偏移速度,动态调整声势阱空间位置以约束微构件处于声势阱最优偏移范围内,确保微构件始终受到幅值恒定且方向与输运方向一致的驱动力作用,解决微构件声输运过程中因驱动力不稳定所引起输运效率低下的问题。同时,以锆球为对象进行声输运实验研究,最高可靠输运速度可达29毫米/每秒,明显提高输运效率。第四章,提出了一种基于声波幅值调整的微构件姿态无级控制声操纵技术。在建立入射声波幅值与声势阱取向之间定量关系的基础上,通过调整入射声波相对幅值参数,精确控制声势阱取向的变化,从而赋予俘获于声势阱内微构件相应的旋转力矩,驱动其发生姿态改变,达到微构件姿态无级控制的目的。同时,对长条形硅基微构件进行实验研究,证实该技术对于非球对称构件具有3600范围内的姿态无级控制能力。第五章,提出了一种基于多声参数调整的复合声操纵技术。联合调整入射声波的幅值和相位,通过构建半空间内三维驻波声场柔性合成不同性能的声势阱,实现了包括抓取、输运、姿态调整以及释放等多种功能一体化的复合声操纵。同时,以硅基微颗粒为对象进行实验研究,验证该技术的可行性和有效性。第六章,发展了一种基于显微视觉的微构件识别与跟踪技术。在利用离散余弦变换对焦评价函数和自组织特征映射神经网络准焦搜索算法完成显微视觉自动对焦的基础上,应用粒子滤波算法实现多尺度视野的微构件目标逐级定位,并结合基于最小外接四边形法的位姿识别方法,实现微构件的识别与跟踪。第七章,在利用显微视觉实现微构件识别与跟踪的基础上,将Look and Move声参数闭环控制策略与上述声操纵相关技术有机结合,创新实现了一种基于视觉反馈的自动化声操纵技术,奠定了微装配技术发展的基础。同时,还设计和开发了一套面向微装配的自动化声操纵实验系统,开展实验研究,以证实本文方法的可行性和有效性。第八章,总结论文取得的成果和创新之处,并对未来的工作进行展望。
[Abstract]:On the basis of the research of micro - assembly technology and the development trend of micro - assembly technology , micro - assembly technology has become one of the most important economic growth points in the twenty - first century , and it has become one of the most important research topics in the field of micro - assembly technology . A kind of micro - component recognition and tracking technology based on acoustic wave amplitude adjustment is proposed .

【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH-39

【参考文献】