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外文翻譯
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 生 姓 名 李潤銘
班 級 B機(jī)制054班
學(xué) 號 0510110401
指 導(dǎo) 教 師 許曉琴
外文資料名稱： Visual Feedback Control of
a Micro Lathe
(用外文寫)
外文資料出處： SpringerLink China OAC
National Consortium
附 件： 1.外文資料翻譯譯文
2.外文原文
指導(dǎo)教師評語：
簽名：
年 月 日
譯文：
顯微車床的影像反饋控制
廣尾島，克齋藤，周荔波，六月清水，Hiroshi EDA，茨城大學(xué)
李潤銘譯
關(guān)鍵字：顯微車床，影像反饋，位置控制
摘要：近年來顯微機(jī)械加工技術(shù)迅速發(fā)展。在這次研究中，顯微車床安裝了已經(jīng)發(fā)明并得到發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)電子組件真空室。首先，通過標(biāo)注電子圖形裝置中的CCD(電荷耦合裝置)成像，影像導(dǎo)引顯微車床系統(tǒng)得到發(fā)展。傳統(tǒng)的進(jìn)給控制只控制xy方向，這種方式直接控制刀具的位置、路徑和速度。通過接受各種建議，切削試驗(yàn)成功進(jìn)行，并證實(shí)了顯微車床系統(tǒng)的切削效率非常高。
1． 介紹
近年來，生產(chǎn)顯微零件的系統(tǒng)要求小型化，顯微加工技術(shù)發(fā)展迅速。探索性研究的水平已經(jīng)達(dá)到分子和原子水平。作為動(dòng)力源，MENS（顯微電子機(jī)械系統(tǒng)）在制造顯微部分和裝置中扮演了主要角色。然而，MENS的基礎(chǔ)是影音石板技術(shù)，因而可以應(yīng)用像硅晶體這類有限的材料。為了滿足電子和光學(xué)應(yīng)用的顯微化要求，選擇顯微加工技術(shù)的從三維方向控制加工多種材料是必須得。
顯微機(jī)械制造系統(tǒng)（M4）較容易滿足多種材料的各項(xiàng)要求，而且應(yīng)用最小精度方法達(dá)到高的重復(fù)性和精度。然而M4實(shí)際執(zhí)行中遇到很多科學(xué)技術(shù)障礙，其中之一是平面化學(xué)影響。當(dāng)加工部分達(dá)到顯微尺寸，發(fā)現(xiàn)表面變化率倍數(shù)增加，生產(chǎn)的部分與傳統(tǒng)加工的零件差不多。另外一個(gè)問題是引導(dǎo)動(dòng)作和位置控制，傳感器立即測量刀具和工件的相對位移的能力還沒有實(shí)現(xiàn)。
在這項(xiàng)研究中，顯微車床安裝運(yùn)行了已經(jīng)發(fā)明并得到發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)電子組件真空室。圖1表明顯微車床的發(fā)展過程。在這種有氧情況下，切削實(shí)驗(yàn)證實(shí)表面化學(xué)反應(yīng)對顯微零件的影響。然而，因?yàn)轱@微車床的尺寸很小，它的剛度也低。傳統(tǒng)的只控制xy軸的方法不能精確控制車刀位置，因而，影像反饋控制方法被提出。
通過SEM（顯微電子掃描器）形成的圖像通過CCD數(shù)字化為8進(jìn)制灰度圖像。因?yàn)槊總€(gè)像素包含2維信息，因而這個(gè)影像系統(tǒng)提供了一個(gè)直角坐標(biāo)來描述物體。像素坐標(biāo)不受機(jī)械誤差影響，并且直接測量刀具和工件的相對位置。這個(gè)方法隨著顯微放大倍數(shù)和電子耦合像素的數(shù)目應(yīng)用越來越多。在這項(xiàng)研究中，影像控制配置被提出并且應(yīng)用到刀具運(yùn)動(dòng)進(jìn)給控制。不同于只控制xy方向的傳統(tǒng)刀具進(jìn)給控制，這個(gè)配置直接控制刀尖的位置、路徑和速度。首先，影像引導(dǎo)顯微車床系統(tǒng)的CCD取代SEM圖像。
2.系統(tǒng)的看法
圖2是顯微車床系統(tǒng)發(fā)展過程的方塊圖，它包含三個(gè)主要模塊：驅(qū)動(dòng)顯微車床動(dòng)力模塊，產(chǎn)生圖像的感應(yīng)模塊和執(zhí)行進(jìn)給的執(zhí)行模塊。每個(gè)模塊有不同的功能，驅(qū)動(dòng)模塊是核心部分，執(zhí)行切削操作。感應(yīng)模塊從CCD導(dǎo)出圖像，獲得刀具和工件的位置。另一個(gè)任務(wù)是處理圖像和控制進(jìn)給，這是由執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行的。圖1的上部顯示執(zhí)行模塊的全部外觀。表1顯示系統(tǒng)的規(guī)格。
驅(qū)動(dòng)模塊還結(jié)合一個(gè)xz方向上的金剛石車刀，感應(yīng)模塊包含一個(gè)高強(qiáng)度的電荷耦合圖像裝置。通過感應(yīng)模塊，工作部分的外觀不僅在監(jiān)控器上顯示提供信息給操作員，還轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號給下一工序。
在圖2的流程圖顯示，金剛石車刀由影像反饋進(jìn)給控制。感應(yīng)模塊首先通過比較捕獲的影像信息和輸入信息確定刀具和工件的位置。符合的刀具和工件的相對位置，刀具路徑和速度就計(jì)算出來并轉(zhuǎn)換適當(dāng)?shù)拿}沖。
3.驅(qū)動(dòng)模塊
右邊的圖3顯示了顯微車床的發(fā)展。這個(gè)車床包含連接直流電控制的套爪卡盤的主軸，中心的調(diào)整裝置，應(yīng)用壓電激勵(lì)器和xz平面裝置，控制x方向上的深度和z軸進(jìn)給。XZ平面裝置通過慣性變化驅(qū)動(dòng)，它由壓電激勵(lì)器和直線引導(dǎo)器組成。
圖3的左部是XZ平面裝置。XZ平面裝置精確驅(qū)動(dòng)刀具位置，驅(qū)動(dòng)XZ平面裝置的重要點(diǎn)是控制主動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)方向，距離和速度。圖4顯示鋸齒波形的慣性變化的機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)方向由圖4顯示的鋸齒波形刀刃的上升/延伸決定的。例如，向右（+）的機(jī)構(gòu)解釋如下，電壓逐漸升高，壓電激勵(lì)器在（1）處延伸最大。激勵(lì)器因?yàn)殡妷貉杆傧陆刀冢?）處收縮。壓電激勵(lì)器受摩擦的那面是小變化，這是電壓在（3）處逐漸升高。激勵(lì)器在（4）處又延伸了，并接近右側(cè)。如果給相反的脈沖，激勵(lì)器同樣像左延伸。
其次，描述機(jī)構(gòu)的速度控制。圖5顯示，速率與脈沖的頻率和電壓成比例。
最后，脈沖的數(shù)目決定運(yùn)動(dòng)距離，因?yàn)?0V或40V范圍內(nèi)每個(gè)脈沖代表500μm。
4.感應(yīng)模塊
金剛石刀具安裝在XZ平面裝置，它用壓電激勵(lì)器驅(qū)動(dòng)刀具。有些機(jī)構(gòu)誤差主要由熱膨脹，激勵(lì)器的磁滯現(xiàn)象和主軸直角為校正引起，可能直接對系統(tǒng)執(zhí)行有消極影響。為了解決這個(gè)問題，發(fā)展了一個(gè)影像控制配置，如圖6所示。圖6左部是顯微車床和在Y軸的CCD。在圖6的右側(cè)圖片，引入的視覺信息是由感應(yīng)模塊的電子耦合器件用8位像素表示。因?yàn)槊總€(gè)像素有二維信息，影像系統(tǒng)提供直角坐標(biāo)系表示物體。像素坐標(biāo)不受機(jī)械誤差影響，并且它隨CCD放大倍率增大而增大。
在最新研究中應(yīng)用了480×640像素，例如，當(dāng)CCD的視野雙重放大，像素坐標(biāo)單位大約6μm。當(dāng)CCD沿著Y軸排列，刀尖和工件的位置投影到二維像素坐標(biāo)。通過像素坐標(biāo)控制，刀具能精確定位和運(yùn)動(dòng)而不受機(jī)械誤差影響。相反，如果刀具的剛度低，刀尖的位置不會(huì)受XZ平面裝置精確控制。因而，更重要的是，操作影響低剛度顯微車床的位置精度。
5.執(zhí)行模塊
對于這個(gè)系統(tǒng)，在先前第3和第4部分介紹了驅(qū)動(dòng)模塊和感應(yīng)模塊，影像反饋控制方法在這部分介紹。影像反饋控制方式通過刀尖位置和CCD傳來的圖像驅(qū)動(dòng)刀尖進(jìn)給。
首先，我們檢查了刀尖的直線路徑和圓周運(yùn)動(dòng)。這些路徑控制，驅(qū)動(dòng)頻率是300Hz（162μm/s）。第一，用直線路徑描述刀尖路徑。如圖8所示 ，目標(biāo)位置定義為(320， 240)，它是CCD的中心而且4種路徑控制同時(shí)檢查。直線控制中，目標(biāo)位置決定角度，現(xiàn)在位置決定刀尖進(jìn)給。
圖9（a）顯示無反饋控制的刀尖結(jié)果路徑，（b）顯示反饋控制。無反饋控制下，四路的最終誤差在5pixels (30μm)和15pixels (90μm)之間。另一方面，有反饋控制的路徑沿著目標(biāo)路徑，最終誤差在2pixels (12 m)之內(nèi)。
其次，圓周路徑控制，多軸向插值法的圓路，圖10顯示的是圓周路徑控制的條件。目標(biāo)圓形路徑的中心定義為（320，240），它是CCD圖像的中心，半徑是100pixels (600μm)，此外，刀尖從點(diǎn)（220，240）開始沿著逆時(shí)針方向重復(fù)3次。在圓周路徑控制下，我們考慮反饋不僅角度形成了目標(biāo)圓道路和出席工具位置的中心，而且是錯(cuò)誤在目標(biāo)圓道路半徑和從目標(biāo)道路的中心的距離之間到當(dāng)前工具位置半徑的偏差。無反饋驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的情況下，刀具通過提前計(jì)算角度控制路徑。
圖11 (a)顯示無反饋控制的刀具運(yùn)動(dòng)的結(jié)果路徑，并且(b)顯示僅角度的反饋控制的路徑，并且(c)顯示以角度和半徑的反饋控制的路徑。 圖11 (a)展示結(jié)果路徑偏離目標(biāo)路徑和圓弧路徑的中心偏離目標(biāo)路徑。圖11 (b)顯示結(jié)果路徑與目標(biāo)路徑匹配，但結(jié)果路徑的半徑隨路徑延伸而變大。 圖11(c)顯示結(jié)果路徑緊密接近目標(biāo)路徑，并且誤差是±5pixels (30μm)。 從以上來看，證實(shí)提出的反饋控制方法對刀尖位置控制很有效率。
最后，運(yùn)用提出的控制方法，做切斷一根黃銅棒試驗(yàn)。 如圖12所示，刀尖運(yùn)動(dòng)是圓周和直線。 目標(biāo)路徑向右運(yùn)動(dòng)1pixel (6μm)每1刀，然后刀尖切削。 在這個(gè)實(shí)驗(yàn)，切削的總深度是150μm。 圖13顯示切口實(shí)驗(yàn)外觀，并且黃銅棒的切口從(1) 推進(jìn)到(4)。 圖14顯示SEM拍的切削黃銅棒相片。 從這張圖片，開發(fā)的微車床系統(tǒng)可以很好執(zhí)行切削。
7.結(jié)論
本文描述了發(fā)展基礎(chǔ)研究視覺引導(dǎo)的顯微車床。系統(tǒng)包括了驅(qū)動(dòng)模塊，并且加入感應(yīng)模塊，提出影像反饋控制方法。
研究了驅(qū)動(dòng)顯微車床的XZ平面裝置的原理，并且提出XZ平面的控制方法。 使用CCD圖象設(shè)備和圖象處理，實(shí)現(xiàn)了在顯微車床刀具和工件的準(zhǔn)確定位。系統(tǒng)的影像反饋控制方法由驅(qū)動(dòng)模塊和感應(yīng)模塊組成。運(yùn)用提出的控制方法，在實(shí)驗(yàn)中，線性路徑控制和圓周路徑控制的誤差在±5 pixel (30μm)。 此外，切削黃銅棒的試驗(yàn)成功了，它證實(shí)開發(fā)的顯微車床系統(tǒng)可有效實(shí)行切削運(yùn)動(dòng)。
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