基于视觉的三自由度微动平台输入耦合研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

微电子技术、宇航和生物工程等学科的发展，对精密制造与精密测量技术提出了越来越高的要求。

随着显微镜等视觉传感器的精度和分辨率的不断提高，显微视觉逐渐被应用到微纳米检测与测量中[i-2]。该方法所用设备相对简单、测量过程自动化、结果直观。在电子、光学和机械制造等领域中需要高精度、高分辨率和高可靠性 的微动精密定位平台E3-5]。该平台通常采用压电元件作为驱动装置 引，柔顺铰链机构作为传动装置。在多输入系统中，当其中-个输入端有位移输入时，其他各输入端产生-定量的位移变化，这些输入之间的耦合影响使工作台的控制难度和精度都受到-定程度 的干扰 ，因此设计时要求他们之间的相互干涉旧能校目前，对柔顺铰链式多输入工作台进行输入耦合分析时，大多通过建立定位平台的数学分析模型、运用理论方法推导系统的输入耦合方程求解耦合位移。本实验室设计开发了-种以压电陶瓷驱动的柔顺铰链式 平面三自由度精密定位平台，该平台能够实现水平z方向、垂直 方向的平移以及绕 轴(垂直于xy平面)做平面转动。笔者以该xyO 平面三自由度精密定位平 台为研究对象 ，建立相机与精密定位平台之间的数学模型，对显微视觉系统进行标定 ，并基 于 LabVIEW 软件编程实现图像 获取 与预处理，通过模板匹配技术测量出精密定位平台的输入耦合系数。这种非接触式的测量方法在用于微位移测量时具有过程简单、测量精度高和结果直观等优点，并为平台分析、平台输入与输出的传递函数矩阵修正提供了可靠依据。

1 实验系统本研究的实验平台如图1所示，平台由压电陶瓷驱动的柔顺铰链 式 平面三 自由度精 密定位平台与显微视觉测量系统组成。

图 l 显微视觉测量 系统 硬件平 台三自由度精密定位平台采用平面整体式结构，平台主体是在-块金属板上由慢走丝切割加工而成的，它具有结构紧凑、低摩擦、无间隙以及各部分热· 国家 自然科学基金重大研究计划资助项 目(91223201)；国家杰出青年科学基金资助项 目(50825504)；NSFC-广东联合基金资助项目(U0934o04)收稿日期：2012-02-27；修改稿收到 日期 ：2012-05-122 振 动、测 试 与 诊 断 第33卷膨胀系数相同等优点。其中的3个压电陶瓷驱动器以及对应的传输机构沿输出平台中心旋转 120。均匀分布，驱动器的输出位移经过具有-级放大功能的柔顺机构放大后，驱动输出平台实现运动和定位。

显微视觉测量系统以计算机、显微镜系统、照明系统以及图像采集和存储系统等为硬件平台。为了减少振动的影响，显微视觉测量系统安装在-个隔振平台上。整个测量系统的测量精度主要撒于显微镜的物镜放大倍数、CCD的析像力、采集卡的性能和图像处理算法的科学性。显微视觉测量系统选用 Navitar公司型号为 12X UItraZoom 的显微镜系统♂合 日本Mitutoyo的50X镜头，其数值孔径为0.55。成像设备选用 JAI公司型CV-A2的CCD相机。照明系统选用和12X UItraZoom显微镜系统集成的基于发光二极管的BrightLight LED同轴照明光源。图像采集部分选用Foresight公司的型号为 I-75的图像采集卡。本实验的平台驱动器采用PI公司的控制精度为1 nm的压电陶瓷驱动。

2 系统标定㈤ 表 1 50倍物镜的显微视觉测量 系统 的标定结 果2.2 角度标定角度标定是对 CCD图像坐标系和三 自由度平台坐标系进行标定。如图2所示，建立图像二维坐标系为xOy，原点 O位于图像 的左上角 ，并以像素为单位。平台坐标系为z Oy ，其原点0 设在平台的中心点上。A，B，c分别表示平台的3个压电陶瓷输入端。这里令平台坐标系的横轴与平台的A端平行。本实验中精密定位平台是安装在-个z-Y二维宏动平台上。由于安装误差的存在，使得平台与显微系统拍摄图像的横轴与纵轴之间存在夹角，假设这个角度为 。

图2 平台与图像坐标系之间的关系为了得到精确的测量结果，需检测计算出图像坐标系和平台坐标 系存在的角度偏差，通过对 图像进行旋转、平移等处理，实现图像坐标系和平台坐标系对应坐标轴两两平行∏度标定的步骤如下。

1)平台的A端装上压电陶瓷，用CCD相机拍下并记录此时在图像坐标系下平台A端的坐标。

2)驱动A端的压电陶瓷以5 m的步长在 O～40 m范围内移动。每走-步，记下平台输入端A端的坐标位置，共记录9个标定点的坐标位置。

3)重复步骤2，多次记录下平台A端的坐标，在每-个标定点分别取平均值。

4)根据每个标定点的坐标平均值，分别取得在图像坐标系下 ，Y方向上的像素差值 ，ZXy ( ，1，2，，9)，根据公式 -arctan ，得到平台每个-u f输入端位移所对应的角度调整量 。

4 振 动、测 试 与 诊 断 第 33卷测试结果如图6所示∩以看出，平台输入端输出位移的理论结果和实验结果存在-定的偏差，引起这种偏差的原因可归结为以下 2个方面 ：a.压电陶瓷的安装精度以及压电陶瓷本身特有性质的影响，压电陶瓷的安装要综合考虑预紧力大孝受力状态、驱动端和柔顺机构的接触状态等，这些因素都会对平台的位移输出产生影响；b.在该实验过程中精密定位平台是安装固定在-个二维宏动平台上，因此精密定位平台与宏动平台之间的安装间隙以及宏动平台本身零部件之间的安装间隙也是造成偏差的主要因素。从图6可看出，两组值的线性度很好，可以通过实验补偿的方法提高平台的位移精度。

0 5 lO 15 20 25 30 35 40压电陶瓷输出位移，gm图6 平台输入端的输出位移的理论值和实测值4.2 微动平台输入耦合位移实验测试基于显微视觉的标定过程，对精密定位平台标定以及对平台输出位移进行误差补偿之后，则可以测量精密定位平台的输入耦合位移。实验中首先给平台A输入端装上压电陶瓷，其余两个输入端B，c不安装驱动器；然后CCD相机聚焦点分别对准平台B，C输入端，通过驱动压电陶瓷并对所制作的模板图像进行连续采集和计算，得到精密定位平台的输入耦合位移测量结果。

表2、表3为在平台A端输入10 m时，平台B，C输入端的位移变化情况。

表2 平台B端的输入耦合位移表 3 平 台C端的输入耦合位移从实验结果得到，在驱动平台A端输入10 m的情况下，另外两个输入端的耦合位移为0.042 m和 0.034 m。耦合系数的平均值 和 。分别为0.004 5和0.003 7。表4为通过Ansys仿真和通过本次实验得出的对该微动平台进行耦合分析的结果。

可以看出，Ansys仿真值和本次实验结果存在-定的差异。引起这种偏差的原因如下：a.平台自身的加工精度会引起-定的误差，加工中存在-定的尺寸偏差和变形误差；b.受压电陶瓷安装精度的影响，压电陶瓷的安装要综合考虑预紧力大孝受力状态、驱动端和柔顺机构的接触状态等，这些因素都会对平台的位移输出产生影响；C.测量精度也有-定的影响，虽然在该显微视觉下，-个像素只占据了几十个纳米，测量精度达到了亚微米的测量精度，但是测量环境的稳定性却对测量精度有很大的影响。外界的噪声、振动以及电流磁场的干扰等都会影响到测量精度。从结果来看，微位移精密定位平台输入耦合只有几十个纳米，说明本实验室设计的微位移平台输入耦合已经得到了有效抑制，满足了设计要求。

表 4 输 入耦合分析结果5 结 论1)在实验过程中只需要对平台坐标系与图像坐标系进行角度标定就可以达到高精度测量，避免了复杂坐标系之间的相互位置关系转换。

2)利用模板匹配技术跟踪平台的输入位移，解决了对平台输入端制作规则标记点带来的麻烦。这种方法可以对任何-种物件本身进行位移实时检测跟踪 。

3)在进行微位移测量时，图像测量作为非接触∞ 如 加 m 0口 丑簿墨蒋< 姐第 1期 张宪民，等：基于视觉的三 自由度微动平台输入耦合研究 5式测量避免了测量工具与被测物件之间的接触摩擦以及位置对准关系，提高了测量精度。 [7]