基于超声近场悬浮的非接触夹持技术研究

摘要

非接触技术在生物学、化学、空间材料学、气体减摩润滑、MEMS等领域有着重要的应用价值。在超精密制造领域，如晶圆、硅片的制造与运输，需要在非接触、超净化条件下进行。接触式夹持与运输已经无法满足当今超精密零件制造的发展需求。非接触式夹持与运输技术应运而生。 本文以超声悬浮夹持技术为研究对象，设计了超声悬浮非接触夹具结构，建立了夹具结构参数设计模型，提高了非接触夹持的稳定性。主要研究内容如下： 1.为提高非接触式夹具的夹持稳定性，提出一种有侧向约束力的新型超声悬浮夹具方案，利用辐射端侧板结构的横向超声振动来激发声辐射压力，可以建立对工件侧向的约束力。 2.基于三种常用代理模型技术（KRG，PRS，SVR），运用最优拉丁超立方取样方法，产生了训练样本点和测试样本点，建立了新型超声悬浮夹具的设计模型，并用测试样本点测试了其模型精度，运用遗传算法优化了新型超声悬浮夹具的结构参数。 3.为验证新型超声悬浮夹具非接触夹持效果，运用工业视觉测量技术，搭建了试验平台；分析了相机成像模型与畸变误差，研究了图像处理中图像平滑技术，边缘检测算法，结合本文实际，运用中值滤波进行平滑降噪和Canny边缘检测算法，基于Hough变换原理对标记点进行检测。 4.夹持对比试验结果表明：工件在本文设计的有侧向约束的超声悬浮夹具中运动位移范围缩小约95%，运动速度也降低约90%，约束力为4.40±0.17mN。工件被较为稳定的约束在超声悬浮夹具中，验证了有侧向约束的超声悬浮夹具设计的合理性与有效性。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 超声近场悬浮原理

1.3 国内外研究现状

1.3.1 超声近场悬浮研究现状

1.3.2 非接触夹持与运输研究现状

1.3.3 代理模型应用现状

1.4 本文的研究内容和安排

2 新型超声悬浮夹具结构设计

2.1 超声悬浮及工件悬浮状态

2.2 新型超声悬浮夹具结构设计

2.3 耦合板振动与代理模型

2.4 本章小结

3 基于代理模型建立超声悬浮夹具参数设计模型

3.1 代理模型建模原理

3.1.1 KRG代理模型建模原理

3.1.2 PRS代理模型建模原理

3.1.3 SVR代理模型建模原理

3.2 代理模型建模精度评价准则

3.3 训练样本点与测试样本点选取

3.3.1 初选设计空间

3.3.2 初选训练样本点与测试样本点

3.3.3 初次建模结果

3.3.4 设计空间调整

3.3.5 第二次训练样本点与测试样本点

3.4 建模结果与模型修正

3.4.1 纵振频率建模结果

3.4.2 侧板横向位移建模结果

3.5 遗传算法优化结构参数

3.5.1 优化目标及约束条件

3.5.2 优化结果

3.6 本章小结

4 夹持试验平台与视觉测量系统

4.1 夹持试验平台

4.2 视觉测量系统

4.2.1 相机模型

4.2.2 相机标定

4.2.3 标定结果与图像畸变

4.3 图像识别与检测标记点

4.3.1 图像预处理

4.3.2 Hough变换检测圆形原理

4.3.3 标记点边缘检测

4.3.4 图像识别标记点

4.4 视觉测量系统精度

4.5 本章小结

5 夹持对比试验

5.1 试验条件

5.2 约束范围试验

5.3 对比试验

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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