Robustness and precision evaluation of the form error of micro-structured surfaces using real coded genetic algorithm

To obtain the form error of micro-structured surfaces robustly and accurately, a form error evaluation method was developed based on the real coded genetic algorithm (RCGA). The method employed the average squared distance as the matching criterion. The point to surface distance was achieved by use of iterative method and the modeling of RCGA for the surface matching was also presented in detail. Parameter selection for RCGA including the crossover rate and population size was discussed. Evaluation results of series simulated surfaces without form error show that this method can achieve the accuracy of root mean square deviation (Sq)less than 1 nm and surface profile error (St)less than 4 nm. Evaluation of the surfaces with different simulated errors illustrates that the proposed method can also robustly obtain the form error with nano-meter precision. The evaluation of actual measured surfaces further indicates that the proposed method is capable of precisely evaluating micro-structured surfaces.     

一种自由曲线廓形误差的高效可靠评价方法

为实现对自由曲线廓形误差的高效可靠评价,提出了一种结合多项式方程求根与 实数编码遗传算法(RCGA)的评价方法。首先,根据最小二乘准则建立了廓形误差评价的优化模 型;进而,通过构造多项式方程,并采用 Halley 迭代对方程求根,实现了点到自由曲线距离的 高效计算;然后,采用 RCGA 完成了优化模型的求解,并与分割逼近法得到的结果进行了对比。 结果表明,该方法高效可靠,相同条件下计算时间约为分割逼近法的 5%,能够满足自由曲线 廓形误差的评价。     

双柔性支撑板快速伺服刀架优化设计及测试

设计了一种基于双柔性支承板的快速伺服刀架用于金刚石车削加工非回转对称微结构表面,并对其性能进行了测试。根据约束条件推导了刀架柔性支承板的刚度解析表达式,同时给出了柔性板上最大Von Mises应力的计算公式。根据快速伺服刀架设计指标,优化了柔性支承板的结构参数,并根据上述结构参数,加工得到了快速伺服刀架。最后,搭建了快速伺服刀架控制系统,测试了它的静态及动态特性。测试结果表明,设计的快速伺服刀架的刚度为53 N/μm,最小运动分辨率为3 nm,工作行程可达20 μm。另外, 它的稳态跟踪误差小于4 nm,开环带宽为2 kHz,一阶固有频率可达3 kHz。测试结果不仅验证了所述设计方法的正确性,也表明采用双柔性支承板结构是设计高刚度、高精度微位移机构的一种有效方法。     

三维调制靶模板的快速刀具伺服加工技术

采用快速刀具伺服技术(FTS)实现了非回转对称三维调制靶模板的精密车削加工.阐明了调制靶模板车削加工的基本原理,并提出一种基于坐标变换的金刚石刀具几何参数选择方法,推导了车削加工此类表面时金刚石刀具刀尖圆弧半径、前角和后角所需满足的条件.基于此提出了一种基于三次Hermite插值的刀尖圆弧半径补偿算法,并详细讨论了插值节点的计算方法.由刀尖圆弧半径补偿仿真结果可以看出,此补偿算法精度优于2 nm.在自行研制的精密金刚石车床上实现了X、Y方向上波长均为100μm、幅值均为0.7μm的正弦网格调制结构的加工.采用白光干涉仪对所加工的调制结构进行测量,并提取二维轮廓进行分析,其轮廓误差为0.31μm,表面粗糙度为13.3 nm.测量结果表明采用基于快速刀具伺服的非回转对称车削是实现三维调制靶模板制作的有效手段.     

椭圆形光斑黏连图像过分割消除方法

为了实现成捆圆钢中各圆钢端面图像边界的自动识别,提出了椭圆形光斑黏连图像过分割消除方法,并对该方法的原理、步骤和验证实验进行了研究。通过对圆钢端面椭圆形光斑黏连图像过分割产生原因的分析,给出了过分割图像的两种类型,即严重过分割图像和少量过分割图像。提出了等角六叉旋转算子,在图像分割前识别出圆钢端面椭圆形光斑黑白图像上的黑疤,并对这些黑疤区域进行填充,避免严重过分割图像的产生;通过对椭圆形光斑图像过分割区域边界进行"缝合",实现了少量过分割图像的还原;实现了各圆钢端面黏连图像边界的分离。应用以上方法进行了成捆圆钢端面图像中心坐标的提取实验,实验结果表明:成捆圆钢端面图像中心水平和竖直坐标的提取误差范围分别为-0.322 2～0.444 5 mm和-0.294 0～0.399 0 mm,完全满足企业在成捆圆钢自动贴标时对圆钢端面中心坐标定位误差允许值1 mm的要求。     

微圆弧金刚石刀具刀尖圆弧的测量及评价

为实现对微圆弧金刚石刀具刀尖圆弧的评价,提出了一种基于高分辨率扫描电镜图像的评价方法,并对刀尖圆弧轮廓提取、轮廓曲线拟合、圆弧度评价等算法进行了研究.首先,运用Canny边缘检测算子提取刀尖圆弧图像的二维轮廓数据,并用移动最小二乘法对该数据进行拟合,使所提取轮廓光滑化;接着,建立了基于最小二乘准则的刀尖圆弧评价模型,并采用二次序列规划法对模型进行求解;最后,分析了轮廓拟合误差、测量不垂直度误差对刀尖圆弧评价结果的影响,并计算了刀尖圆弧半径及圆弧度不确定度值.实验结果表明所评价微圆弧金刚石刀具的刀尖圆弧半径为30.213μm,圆弧半径不确定度为351 nm,圆弧度为0.114μm,圆弧度不确定度为24 nm.由评价结果可以看出,本文所提出的方法可以实现微圆弧金刚石刀具刀尖圆弧纳米级精度的测量及评价.     

机器视觉在喷胶轨迹自动生成中的应用研究

为避免繁琐的手工编程过程,设计了一套基于机器视觉的全自动喷胶设备,给出了相应的运动轨迹自动生成方法.建立了系统各部分间的坐标变换模型,通过设计一个可绕喷胶头旋转运动的靶标得到了喷胶头中心的准确世界坐标;进而,通过最小二乘得到了世界坐标和设备坐标间的线性变换系数,实现了系统的标定;然后,根据标定参数将工件边缘像素坐标转化为运动坐标系坐标,并采用三次均匀B样条拟合得到了运动轨迹;最后,对系统标定方法进行了验证,结果表明设备按给定边缘轮廓运动时误差均值可达0.239mm,能够满足喷胶要求.     

基于STM32的液压缸位移测量系统设计

针对在复杂环境下液压缸的位移测量问题，设计了一种基于STM32的位移测量系统，并分别对系统的机械结构设计、硬件设计和软件设计进行阐述。系统以磁性旋转编码器为核心传感器，能够适应恶劣的工业环境，具有良好的防震型和防尘性，以STM32单片机为控制核心，在满足测量精度的同时可以兼顾位移、速度、加速度的测量，简化了结构，节约了成本。搭建了实验平台进行实验，实验证明，在不同速度下所测得的液压缸工作位移相对误差保持在2%以内，最后对实验结果进行了分析。