《微裝配與MEMS仿真導(dǎo)論》課件第5章

第五章微控制理論與裝配系統(tǒng)模型51微控制的目的

52微裝配的關(guān)鍵系統(tǒng)——微控制系統(tǒng)53微控制器設(shè)計(jì)

54裝配模型55宏動、微動機(jī)構(gòu)模型的建立

56信息模型建模

57微測試概述

微控制的目的之一是要達(dá)到精密定位。精密定位技術(shù)是一項(xiàng)與許多生產(chǎn)實(shí)踐密切相關(guān)的高新技術(shù)，它在精密加工、半導(dǎo)體器件制造、電子產(chǎn)品組裝線、高清晰顯示器件制作以及納米技術(shù)研究開發(fā)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。具體到MEMS自動裝配系統(tǒng)，在微米級尺度上精密定位特別重要。利用激光莫爾信號來檢測位置誤差，國外已取得

±4nm的直線定位結(jié)果。我國在研究激光莫爾信號的基礎(chǔ)上，利用激光莫爾信號設(shè)計(jì)了一套精密定位裝置，作為算法應(yīng)用到了MEMS自動裝配系統(tǒng)中。5.1微控制的目的5.1.1精密定位原理

傳感器組成如圖5.1所示。

圖5.1光柵的配置圖中，兩片衍射光柵平行設(shè)置，激光光束垂直入射光柵，由光柵的衍射形成透射的0次莫爾信號Ψt(Δx，G)0。透射的0次莫爾信號強(qiáng)度隨兩片光柵間的相對位移呈周期性變化，其理論關(guān)系如下：

(5-1)

(5-2)

(5-3)

上述各式中：k——波數(shù)，k＝2π/λ，λ為波長；

P——光柵的光柵常數(shù)；

G——兩光柵間距；

M——激光光束所覆蓋的光柵條數(shù)；

W1——第一片光柵的光柵縫隙寬度；

W2——第二片衍射光柵的縫隙寬度；

Δx——兩片光柵之間的相對位移。

根據(jù)上述關(guān)系，通過檢測0次莫爾光信號強(qiáng)度，確定兩片光柵間的相對位移偏差Δx，再由計(jì)算機(jī)控制，驅(qū)動微動臺實(shí)現(xiàn)精密定位。5.1.2精密定位的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

精密定位的控制過程十分復(fù)雜，具有顯著的非線性，很難建立用于控制的精確數(shù)學(xué)模型，使得經(jīng)典控制理論在精密定位系統(tǒng)難以較好地發(fā)揮作用。而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很好的并行處理和自學(xué)習(xí)能力，能通過對樣本的學(xué)習(xí)，有效構(gòu)造出樣本輸入/輸出空間，因此，建立了基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精密定位控制系統(tǒng)，如圖5.2所示。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器(NNC)的輸入信息是莫爾光強(qiáng)偏差和光強(qiáng)偏差變化率，輸出量為步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)，脈沖數(shù)決定定位臺的位移量。光柵檢測實(shí)際上是檢測莫爾信號的實(shí)際光強(qiáng)Ψ，并用來計(jì)算與給定希望值Ψ0的偏差及偏差的變化率。

圖5.2精密定位的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用徑向基函數(shù)(RBF)網(wǎng)絡(luò)，同傳統(tǒng)的BP網(wǎng)絡(luò)相比，RBF網(wǎng)絡(luò)具有許多優(yōu)點(diǎn)：收斂速度快、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小、計(jì)算量較小、魯棒性和無局部極小等。鑒于這些特點(diǎn)，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器可以很快逼近被控對象的模型，并實(shí)時(shí)跟蹤模型的變化，及時(shí)更新控制參數(shù)，保證定位的高精度。圖5.2為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模型，共三層。

第一層為輸入層，具有2個(gè)節(jié)點(diǎn)，對應(yīng)莫爾光強(qiáng)偏差和光強(qiáng)偏差變化率的輸入；

第二層為隱層，有7個(gè)節(jié)點(diǎn)；

第三層為輸出層，僅1個(gè)節(jié)點(diǎn)，對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動脈沖數(shù)。圖5.2中輸入相量不需通過權(quán)連接，直接映射到隱層，即輸入層只是傳遞輸入信號到隱層。隱層單元通過徑向基函數(shù)實(shí)現(xiàn)變換后將信號送到輸出層，徑向基函數(shù)采用高斯基函數(shù)，按下式計(jì)算：

(5-4)

式中：uj——第j個(gè)隱層單元的輸出；

X——輸入樣本，X＝［x1，x2，…，xn］T，X∈Rn；

Cj——RBF網(wǎng)絡(luò)高斯函數(shù)中心值；

σj——標(biāo)準(zhǔn)偏差；

Nh——隱層單元數(shù)。

RBF網(wǎng)絡(luò)的輸出為隱層節(jié)點(diǎn)輸出的線性組合，即

i＝1，2，…，m(5-5)

式中：θ——目標(biāo)單元的閾值。

Wi＝［wi1

wi2

…wiNh

－θ］T

U＝［u1

u2…uh

1］T

RBF網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)，要學(xué)習(xí)的參數(shù)有3個(gè)，即隱層各神經(jīng)元的中心、方差以及輸出層的連接權(quán)，對前兩個(gè)參數(shù)的選擇采用K-均值聚類方法對樣本進(jìn)行分類，類中心就作為RBF的中心。RBF函數(shù)的中心和方差選定后，輸出層的權(quán)值采用最小二乘法直接計(jì)算。

為滿足復(fù)雜任務(wù)和高精度操作的要求，微裝配的控制系統(tǒng)往往是由多控制器組成的多結(jié)構(gòu)、多層次以及多功能的復(fù)雜系統(tǒng)，它在微裝配作業(yè)中實(shí)現(xiàn)的功能有：制定微裝配任務(wù)的執(zhí)行序列、微目標(biāo)的識別與定位、微裝配路徑與軌跡規(guī)劃、非線性補(bǔ)償、反饋控制以及故障診斷等?？刂平Y(jié)構(gòu)是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)問題，是為有效完成預(yù)定控制功能而把多個(gè)控制任務(wù)子系統(tǒng)聯(lián)系到一起的有機(jī)體系。5.2微裝配的關(guān)鍵系統(tǒng)——微控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)決定了系統(tǒng)成員之間的相互關(guān)系、系統(tǒng)具有的功能以及系統(tǒng)中的信息流向?？刂平Y(jié)構(gòu)主要研究的問題是設(shè)計(jì)正確而合理的局部控制方案，以使微裝配系統(tǒng)高效率地完成給定的任務(wù)。5.2.1微控制方式

從控制結(jié)構(gòu)上，目前，微裝配的控制以遙控式為主，一般采用閉環(huán)控制。其中，人作為一個(gè)環(huán)節(jié)，與微裝配的開環(huán)形成閉環(huán)回路。微裝配大多采取多級控制系統(tǒng)：第一級是非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)，采用閉環(huán)反饋；第二級是位置反饋控制，包括一個(gè)前饋控制器和一個(gè)PI控制器；第三級是監(jiān)控層；第四級是自動控制層，產(chǎn)生軌跡規(guī)劃。以人參與控制的程度，以及人在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中所處的位置，可以將微裝配的控制系統(tǒng)分為手動式、自主式以及遙控式三種。

1.手動式控制系統(tǒng)

手動式微裝配不具備自主能力，沒有自動控制設(shè)備，除必要的檢測器件，微裝配系統(tǒng)為純機(jī)械系統(tǒng)。手動式微裝配系統(tǒng)的基本工作方式是：人通過檢測器件(顯微鏡)觀察和感知微目標(biāo)及機(jī)械手的位姿以及微操作中的力等信息，通過手柄機(jī)構(gòu)控制機(jī)械手，將人手的動作按照一定的縮放比例傳遞到機(jī)械手的末端執(zhí)行器，使之完成操作。分析其操作過程可知，微裝配系統(tǒng)采用的控制結(jié)構(gòu)是由人的大腦、人手、遙控手柄(通過力感知反饋到人手的過程)、機(jī)械手、顯微鏡及人眼等構(gòu)成一個(gè)大的閉環(huán)控制。圖5.3為手動式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖5.3手動式控制系統(tǒng)從控制系統(tǒng)組成部分所承擔(dān)的任務(wù)來看，人腦是控制系統(tǒng)的控制器，控制器包括兩個(gè)部分，一部分是視覺伺服控制器，它負(fù)責(zé)對顯微圖像進(jìn)行分析，獲取圖像特征，做出視覺伺服決策；另一部分是位移控制器，它負(fù)責(zé)處理由人手感知的力信息，做出位移控制決策，它是處于圖像環(huán)之內(nèi)的閉環(huán)。人類對其自身的認(rèn)識還很不完備，以人腦為控制器的行為特征、規(guī)律模型還有待研究。人手和比例位移機(jī)構(gòu)為驅(qū)動器，負(fù)責(zé)驅(qū)動機(jī)器人。顯微鏡、人眼及人手為傳感器，負(fù)責(zé)檢測微操作環(huán)境的圖像信息和位移機(jī)構(gòu)的力信息。手動式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，除了位移機(jī)構(gòu)和信息處理單元外，系統(tǒng)所有的控制功能由人承擔(dān)。人作為系統(tǒng)唯一的控制器，將自身豐富靈活的判斷能力應(yīng)用到微操作中，增加了操作的柔性；不足之處是，人的參與降低了微操作的速度和精度(據(jù)測算，一般人手的可控抖動量在50m左右，力感知能力約為50mN)。手動式控制系統(tǒng)的操作精度及成功率幾乎完全取決于人的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和精神狀態(tài)，可重復(fù)性差。

2.自主式控制系統(tǒng)

具有自主式控制系統(tǒng)的微裝配系統(tǒng)可在無人干預(yù)的條件下，自主地完成信息感知、信息傳遞與縮放、信息的再造與評價(jià)、控制與決策，實(shí)現(xiàn)微裝配的自動化作業(yè)。

根據(jù)微裝配任務(wù)、精度指標(biāo)、檢測方法及控制策略的不同，微裝配系統(tǒng)自主式控制系統(tǒng)有多種實(shí)現(xiàn)形式，但它們都具有相同或相似的結(jié)構(gòu)特征。

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，控制系統(tǒng)包括一個(gè)具備信息分類與歸納、任務(wù)規(guī)劃與分配、控制與決策功能的主控制器及多個(gè)面向機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動的底層控制器，這些控制器與對應(yīng)的信息反饋設(shè)備構(gòu)成多閉環(huán)回路結(jié)構(gòu)。另外，控制系統(tǒng)還包括用于檢測及設(shè)備調(diào)節(jié)的附屬控制器，這些控制器不在面向微裝配作業(yè)的控制閉環(huán)之內(nèi)。圖5.4為含有顯微視覺閉環(huán)的自主式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5.4自主式控制系統(tǒng)以控制系統(tǒng)閉環(huán)回路的結(jié)構(gòu)分層，可將處于自主式控制系統(tǒng)最外層的閉環(huán)(大閉環(huán))定義為任務(wù)層，控制系統(tǒng)的智能特征由任務(wù)層體現(xiàn)和實(shí)現(xiàn)。任務(wù)層的輸入為微操作的參考任務(wù)特征和傳感器提供的實(shí)際任務(wù)特征，輸出是微裝配任務(wù)?？梢钥闯觯蝿?wù)層的閉環(huán)調(diào)節(jié)是基于微操作任務(wù)的，而非機(jī)器人運(yùn)動的簡單調(diào)節(jié)。一般而言，微裝配作業(yè)有固定的工藝流程，因此主控制器通常是以專家知識庫的形式出現(xiàn)的，并具有自學(xué)習(xí)能力。被大閉環(huán)包圍的多個(gè)小閉環(huán)所處層次為執(zhí)行層，包括圖像環(huán)、位置環(huán)、速度環(huán)等。執(zhí)行層用于執(zhí)行機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動過程的反饋調(diào)節(jié)任務(wù)。控制器可以是通用控制器，也可以是自行開發(fā)的專用控制器。自主式控制系統(tǒng)在功能和結(jié)構(gòu)上不應(yīng)該是封閉的。功能與結(jié)構(gòu)開放性更適合于微操作的特性，它使人可以適時(shí)參與機(jī)器人任務(wù)分配、修改和更新。在結(jié)構(gòu)上，開放性系統(tǒng)向上具備人機(jī)交互的接口，人機(jī)接口可以是機(jī)器人示教盒、任務(wù)編輯器以及基于顯微圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)等。

自主式控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是速度快、精度高、效率高、重復(fù)性好。由于微位移、微力傳感器技術(shù)還不成熟，目前完全自主實(shí)現(xiàn)微裝配控制系統(tǒng)還不太現(xiàn)實(shí)。但開發(fā)具有開放性功能和結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，使微裝配具有智能和自主能力，將是微裝配研究的重要方向。

3.遙控式控制系統(tǒng)

遙控式是手控式和自主式之間的一種折中方案，它突出了微裝配中人的經(jīng)驗(yàn)作用?？刂葡到y(tǒng)通過遙控操作技術(shù)將人的智能、判斷力和應(yīng)變能力與自動控制技術(shù)相結(jié)合，用于微裝配的控制中。遙控式控制系統(tǒng)是人與自動控制系統(tǒng)一體化的合成系統(tǒng)，具備如下的特點(diǎn)：機(jī)器人采用開環(huán)控制，但僅具有某些局部信息獲取、處理及反饋控制的能力，即機(jī)器人具有一定自主控制能力(主要是執(zhí)行層的控制能力)，人作為遙控操作環(huán)節(jié)加入控制系統(tǒng)，與機(jī)器人形成了一個(gè)面向作業(yè)任務(wù)的控制閉環(huán)結(jié)構(gòu)，人在系統(tǒng)中是主智能控制器，起著任務(wù)規(guī)劃和監(jiān)控的作用。圖5.5為遙控式控制系統(tǒng)的多級控制結(jié)構(gòu)。

圖5.5遙控式控制系統(tǒng)第一級是非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)，處在控制系統(tǒng)的最低層。第二級是機(jī)器人關(guān)節(jié)的位置反饋控制。第一級和第二級屬于機(jī)器人，負(fù)責(zé)機(jī)器人關(guān)節(jié)的位姿局部反饋調(diào)節(jié)。第三級是監(jiān)控層，監(jiān)控層的主體是人，人參與系統(tǒng)的視場監(jiān)測、力感知、運(yùn)動規(guī)劃、控制等，是系統(tǒng)的決策者和操縱者。

需要指出的是，人在遙控式控制系統(tǒng)與開放性的自主式控制系統(tǒng)中所起的作用是不同的。前者，人處于控制閉環(huán)之中，是控制系統(tǒng)的主控制器；而后者，人作為命令者處于控制閉環(huán)之外，屬于激勵(lì)。遙控式控制系統(tǒng)可充分發(fā)揮人的經(jīng)驗(yàn)和判斷，柔性大，具有臨場感。通過遙控式控制系統(tǒng)，人可以實(shí)現(xiàn)對微操作的遠(yuǎn)程控制，這對于可能對人體產(chǎn)生危害的作業(yè)任務(wù)尤其重要。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方面，遙控方式降低了檢測系統(tǒng)與控制器設(shè)計(jì)的難度，簡化了控制系統(tǒng)，也回避了微操作控制系統(tǒng)許多目前尚未完全解決的計(jì)算機(jī)視覺、數(shù)字圖像處理、控制理論等領(lǐng)域的技術(shù)難題。5.2.2微裝配中的微控制

微裝配機(jī)器人用于MEMS系統(tǒng)的裝配。長期以來，微零件裝配主要依賴于操作人員手工完成，極大地增加了操作者的勞動強(qiáng)度和工作負(fù)擔(dān)，且裝配精度得不到保證，無法滿足系統(tǒng)精度的要求。針對微裝配工藝和工程應(yīng)用要求，研制開發(fā)適用于微裝配的智能機(jī)器人系統(tǒng)，輔助乃至逐步取代操作人員完成整個(gè)MEMS裝配工藝流程將是微裝配的一個(gè)發(fā)展趨勢，這也會提高裝配的自動化和智能化水平，提高裝配精度，有效地降低操作人員的工作強(qiáng)度。由于MEMS系統(tǒng)裝配工藝較為復(fù)雜，微零件的類型較多，目前由機(jī)器人系統(tǒng)完全代替人工操作完成整個(gè)系統(tǒng)裝配過程比較困難。從現(xiàn)實(shí)可行的角度出發(fā)，為微裝配機(jī)器人開發(fā)了基于遙控式的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)以人作為最高控制器，與兩級計(jì)算機(jī)控制構(gòu)成大閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中，兩級計(jì)算機(jī)包括具有人機(jī)交互接口的控制主機(jī)和面向機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動控制和末端執(zhí)行器動作控制的底層控制器。

人通過顯微視覺系統(tǒng)呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)監(jiān)視器屏幕上的微工作空間放大圖像獲取微裝配的直觀信息。顯微視覺系統(tǒng)是遙控式控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的重要依據(jù)。限于篇幅，在此不再具體給出顯微視覺系統(tǒng)的組成及顯微圖像處理、特征提取以及顯示等內(nèi)容?？刂浦鳈C(jī)與底層控制器進(jìn)行通信，能夠接受并實(shí)時(shí)處理底層傳感器(包括顯微視覺傳感器)和控制器傳送回的數(shù)據(jù)，并能夠提供任務(wù)監(jiān)視器、鍵盤、鼠標(biāo)及操縱桿等多種人機(jī)交互接口。

依裝配任務(wù)進(jìn)程，操作人員可以根據(jù)監(jiān)視器上的直觀圖像信息、控制主機(jī)提供的圖像處理信息和光電檢測信息通過人機(jī)交互設(shè)備實(shí)現(xiàn)對任務(wù)的調(diào)度；控制主機(jī)自主地對操作人員發(fā)出的指令進(jìn)行分解、規(guī)劃與決策，最終將指令轉(zhuǎn)換為對應(yīng)底層控制器的控制任務(wù)，并將控制任務(wù)發(fā)送給相應(yīng)的底層控制器。底層控制器根據(jù)控制任務(wù)實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反饋控制與非線性補(bǔ)償(對于關(guān)節(jié)控制器，還能實(shí)現(xiàn)在線的實(shí)現(xiàn)軌跡規(guī)劃)，并能將任務(wù)進(jìn)程狀態(tài)反饋回控制主機(jī)。

1.機(jī)器人系統(tǒng)的控制方式

根據(jù)微零件裝配任務(wù)的實(shí)際需要，機(jī)器人系統(tǒng)具有程序控制、示教再現(xiàn)以及鍵盤或搖桿操作三種機(jī)械手運(yùn)動的控制方式。

(1)程序控制方式：根據(jù)裝配工藝要求，編制相應(yīng)的控制程序，并通過設(shè)置有關(guān)的控制參數(shù)(如坐標(biāo)零點(diǎn)、起始位置、目標(biāo)位置、運(yùn)動速度和加速度、運(yùn)動軌跡、操作等)，系統(tǒng)運(yùn)行控制程序，自動完成指定的裝配作業(yè)。

(2)示教再現(xiàn)方式：在顯微視覺的引導(dǎo)(監(jiān)視)下，首先通過人操作鍵盤等設(shè)備驅(qū)動機(jī)器人完成裝配的全過程，由計(jì)算機(jī)記錄操作過程，并將相關(guān)信息存入內(nèi)存空間。以后，計(jì)算機(jī)調(diào)出并運(yùn)行記錄，從而機(jī)器人可再現(xiàn)示教全過程，完成裝配作業(yè)。

(3)鍵盤或搖桿操作方式：在顯微視覺的引導(dǎo)(監(jiān)視)下，操作人員通過操作事先定義好的若干鍵盤功能鍵完成裝配作業(yè)。為增加操作人員的臨場感，系統(tǒng)增加了搖桿操作方式，采用了具有力反饋的三維搖桿，搖桿操作功能通過功能鍵映射的方式定義。

2.機(jī)器人系統(tǒng)的模塊

按功能劃分，機(jī)器人系統(tǒng)可分成：機(jī)械手協(xié)調(diào)控制模塊、立體顯微視覺信息處理模塊、微夾鉗集中控制模塊及幫助與參數(shù)顯示模塊等。

(1)機(jī)械手協(xié)調(diào)控制模塊：基于多軸運(yùn)動控制卡的軟件開發(fā)包，實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手位置、速度及加速度等運(yùn)動參數(shù)的設(shè)置，以及機(jī)械手運(yùn)動軌跡的規(guī)劃和底層控制器控制方式的設(shè)定等。

(2)立體顯微視覺信息處理模塊：包括顯微視覺設(shè)置、信息采集、圖像動態(tài)顯示和圖像實(shí)時(shí)處理等子模塊。該模塊實(shí)現(xiàn)雙路視頻信息控制、視頻參數(shù)設(shè)置、視覺信息在線采集與顯示、裝配過程單幀截取或全程記錄、在線標(biāo)尺和距離測量、顯微圖像實(shí)時(shí)處理與分析(包括目標(biāo)的檢測與識別、圖像特征的提取等)等。

(3)微夾鉗集中控制模塊：通過計(jì)算機(jī)串口與微夾鉗集中控制單元通信，接收來自底層的現(xiàn)場信息，發(fā)出對微夾鉗的控制指令。

(4)幫助與參數(shù)顯示模塊：即時(shí)顯示裝配過程的各種狀態(tài)，包括視覺信息、機(jī)械手運(yùn)動參數(shù)、微夾鉗控制數(shù)據(jù)等，并能提供良好的操作幫助。

微控制器設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使系統(tǒng)開環(huán)頻率響應(yīng)具有以下特征：

(1)在低頻段具有高增益，以使系統(tǒng)跟蹤誤差小且抑制干擾性能強(qiáng)；

(2)在期望頻寬附近區(qū)域具有－20dB的斜率，以保證足夠的相位裕量和系統(tǒng)穩(wěn)定性；

(3)有限的靈敏度幅值峰值；

(4)有限的控制能量。5.3微控制器設(shè)計(jì)5.3.1串聯(lián)PID控制器綜合

由于希望微裝配系統(tǒng)控制器的積分和微分僅在特定區(qū)域起控制作用，因此通常附加額外的零極點(diǎn)以阻止不需要的積分和微分控制作用。為限制控制器的帶寬，可增設(shè)一高頻極點(diǎn)以衰減控制器在高頻區(qū)域的增益。因此，所設(shè)計(jì)的串聯(lián)PID控制器可描述為

(5-6)

式中： kp——比例增益；

ki——積分時(shí)間常數(shù)；

kd——微分時(shí)間常數(shù)；

α——前導(dǎo)系數(shù)，α>1；

τh——高頻衰減時(shí)間常數(shù)。

為設(shè)計(jì)方便，開環(huán)傳遞函數(shù)簡寫為G(s)＝Gc(s)Gp(s)，Gp(s)＝1/ms2，則PID控制器的參數(shù)可由等效運(yùn)動質(zhì)量m和所期望的閉環(huán)系統(tǒng)頻寬ωb綜合得到。首先確定kd和α。由式(5-6)可知，kd和α的組合構(gòu)成了一個(gè)相位超前補(bǔ)償器。靈敏度函數(shù)的峰值反比于開環(huán)系統(tǒng)在復(fù)平面上到－1點(diǎn)的距離，若希望最大相位超前量產(chǎn)生在靈敏度幅值到達(dá)峰值點(diǎn)ωp處，則當(dāng)α和ωp確定后，kd可表示為kd＝α/ωp。然后可確定kp以獲得期望的頻寬。當(dāng)ωb由靈敏度傳遞函數(shù)來定義時(shí)，kp可由下式解出：

(5-7)

因?yàn)橐话阌? 成立，所以在ωb處，控制器可近似為

則由式(5-7)可解出：

當(dāng)ωb由開環(huán)傳遞函數(shù)的剪切頻率來近似定義時(shí)，kp可同理解得。

接著確定積分時(shí)間常數(shù)ki，以獲得低頻區(qū)域的高增益。由式(5-6)知，在低頻處，控制器可近似為Gc(s)≈kp/kis。

在低頻處一般有 成立，故在低頻處S(jω)可近似為

當(dāng)期望在低于頻率ω1的區(qū)域滿足：

，|S(jω)|≤s1時(shí)，易推出積分時(shí)間常數(shù)

。最后選取高頻衰減時(shí)間常數(shù)使之符合 ，并盡可能大，以限制控制器的帶寬。

通過以上各式可將前述期望的環(huán)路性能特征轉(zhuǎn)化為PID控制器參數(shù)值的求解或選取，從而避免了傳統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)時(shí)對參數(shù)的盲目選取。5.3.2魯棒控制器綜合

魯棒控制器的設(shè)計(jì)問題即求解如下混合靈敏度問題：

‖［W1S0，W2T］T‖∞<1

式中：S0——輸出靈敏度函數(shù)；

T——補(bǔ)充靈敏度函數(shù)；

W1——性能加權(quán)函數(shù)，用于抑制干擾和反映低頻區(qū)域的性能要求以獲得在特定頻率點(diǎn)上的期望靈敏度；

W2——穩(wěn)定性加權(quán)函數(shù)，源于表述系統(tǒng)的不確定性，同時(shí)也可用于描述對系統(tǒng)高頻區(qū)域的性能要求。為獲得所期望的開環(huán)傳遞函數(shù)的環(huán)路形狀特征，對下式：

(5-8)

式中S0Gp和GcS0分別進(jìn)行加權(quán)，這樣通過低頻區(qū)域Gp的積分作用和S0的微分作用，可使得開環(huán)傳遞函數(shù)G在低頻區(qū)域具有較高的增益，從而獲得較好的跟蹤性能和較強(qiáng)的干擾抑制性能。為提高式(5-7)的解算效率，可先把開環(huán)傳遞函數(shù)G的幅值用一增益km調(diào)整，使其在期望頻寬處與0dB線相交。

容易證明開環(huán)互聯(lián)系統(tǒng)：

符合式(5-8)所描述的設(shè)計(jì)問題。為保證盡可能低的復(fù)雜性，使用下式所描述的1階加權(quán)傳遞函數(shù)W1和W2：

(i＝1，2)式中：ki、ωi1和ωi2——待設(shè)計(jì)的參數(shù)。為獲得環(huán)路整形特征，使用如下3個(gè)性能要求來決定W1的3個(gè)待設(shè)計(jì)參數(shù)：

(5-9)

式中：ωb——期望的系統(tǒng)頻寬；

sp——閉環(huán)傳遞函數(shù)最大峰值；

ω1——低頻點(diǎn)；

s1——期望1/(S0Gp)在ω1點(diǎn)的增益。W1的參數(shù)k1由式(5-9)直接解得。H∞控制器可借助于魯棒控制工具箱等來求解和降階。5.3.3視覺伺服控制系統(tǒng)

1.視覺伺服的基本概念以及控制策略

視覺伺服是利用CCD視覺傳感器反饋微動平臺和目標(biāo)地點(diǎn)位置信息，進(jìn)行閉環(huán)控制。視覺伺服是以實(shí)現(xiàn)對微裝配系統(tǒng)控制為目的而進(jìn)行圖像的自動獲取與分析，因此它是利用機(jī)器視覺的原理，從直接得到的圖像反饋信息中快速進(jìn)行圖像處理，在盡量短的時(shí)間內(nèi)給出反饋信息，參與控制決策的產(chǎn)生，構(gòu)成微裝配系統(tǒng)位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。

由于微裝配系統(tǒng)工作環(huán)境的不同，微操作微動平臺在運(yùn)動后到達(dá)的實(shí)際空間位置將不可控。為解決該問題，顯微視覺伺服控制將是一個(gè)較佳的解決方案。為了提高系統(tǒng)的效率，增強(qiáng)實(shí)際的應(yīng)用性，對微操作工具末端的控制擬采用分兩步走的控制方法，即定點(diǎn)閉環(huán)、點(diǎn)間開環(huán)的方法，也就是在非關(guān)鍵點(diǎn)，且不需要精確定位處采用開環(huán)的方式控制；到達(dá)了關(guān)鍵點(diǎn)或關(guān)鍵階段時(shí)可采用全閉環(huán)的方式控制。根據(jù)上述的視覺控制策略，可以設(shè)計(jì)控制過程，對于關(guān)鍵點(diǎn)和非關(guān)鍵點(diǎn)的選擇可以由操作人員通過人機(jī)交互界面來確定。在構(gòu)建該顯微視覺伺服系統(tǒng)時(shí)，首先要對顯微圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括：色彩空間的變換、圖像的直方圖均衡、圖像的二值化、微操作工具邊緣的檢測、微操作工具邊緣的細(xì)化等。

2.基于圖像的視覺伺服控制

根據(jù)微動平臺的不同用途以及末端執(zhí)行工具的不同，末端執(zhí)行工具的形狀制作含有位置信息以及定位點(diǎn)的模板。

此視覺伺服控制系統(tǒng)第一次運(yùn)行時(shí)，利用末端執(zhí)行工具制作的模板進(jìn)行整個(gè)視頻采集窗口的模板匹配，利用一次匹配獲得的執(zhí)行工具的位置作為整個(gè)系統(tǒng)的初始化定位點(diǎn)。為了加速視覺伺服控制系統(tǒng)的運(yùn)算速度以及實(shí)時(shí)性，引入了運(yùn)動規(guī)劃的動態(tài)識別技術(shù)。利用第一次獲得的初始化位置點(diǎn)以及電動機(jī)和壓電驅(qū)動器的移動速度，以后的每次匹配識別不再進(jìn)行整個(gè)視頻采集窗口的匹配識別，而是根據(jù)上一次識別的執(zhí)行工具的位置和目標(biāo)位置的距離，估算出電動機(jī)移動的方向。在上次識別的位置點(diǎn)向電動機(jī)移動的X、Y方向上分別給出一個(gè)大于此次電動機(jī)在識別時(shí)間內(nèi)移動的距離，從而形成一個(gè)更大的矩形，然后就在這個(gè)矩形內(nèi)進(jìn)行執(zhí)行工具的位置識別。這種方法大大加速了動態(tài)識別的速度，減少了微動平臺的移動定位時(shí)間。圖5.6為基于圖像的直接視覺伺服控制系統(tǒng)示意圖。

圖5.6基于圖像的直接視覺伺服控制系統(tǒng)示意圖如圖5.7所示，R所在區(qū)域?yàn)閷?shí)際系統(tǒng)所用的模板匹配區(qū)域，S所在矩形區(qū)域?yàn)閿z像頭所采集的圖像區(qū)域，F(xiàn)x(k)、Fy(k)是模板相對于整個(gè)圖像的左下角X、Y方向的距離，Sx(k)、

Sy(k)是R區(qū)域相對于圖像的左上角的距離，x(k)、y(k)是要求的執(zhí)行工具相對于圖像左上角的距離。Cx(k)、Cy(k)為模板匹配后模板左下角相對于R區(qū)域左下角X、Y方向的距離。另外，參量dx(k)、dy(k)為執(zhí)行工具與目標(biāo)點(diǎn)在X、Y方向上的距離，d(k)為執(zhí)行工具與目標(biāo)點(diǎn)間的直線距離，以上各量均為計(jì)算中的變量。

圖5.7運(yùn)動估算匹配示意圖圖中還有一些常量，其意義介紹如下：Nx、Ny為模板中執(zhí)行工具相對于模板左、上兩邊的距離；Rx、Ry為R區(qū)域的寬和高；Δx、Δy為模板匹配后，所確認(rèn)的下一次匹配起始點(diǎn)Sx(k＋1)、Sy(k＋1)與模板左下角的距離；width、height為攝像頭所采集的圖像的寬和高；x0，y0為目標(biāo)點(diǎn)與整幅圖像左上角點(diǎn)的X、Y方向上的距離。

系統(tǒng)啟動后第1幀圖像中，在整個(gè)圖像范圍內(nèi)利用模板匹配搜索執(zhí)行工具位置，即此時(shí)沒有R區(qū)域參與到匹配中，模板匹配時(shí)，Sx(1)＝0，Sy(1)＝0。匹配完畢后，得到2個(gè)數(shù)值Fx(1)、Fy(1)，其中Fx(1)為模板相對于S區(qū)域左下角的X向距離；Fy(1)為模板相對于S區(qū)域左下角的Y向距離。由于模板匹配中進(jìn)行了大量的數(shù)值運(yùn)算，如果每次都在整幅圖像中通過模板匹配搜索執(zhí)行工具的位置，匹配的速度會非常慢，因此在第1幀圖像中找到執(zhí)行工具的位置Fx(1)和Fy(1)后，根據(jù)工作臺的實(shí)際運(yùn)行情況可知，在兩次模板匹配之間，工作臺在某個(gè)方向上的最大位移xd(k)或yd(k)不會超過σ，即xd(k)<σ，yd(k)<σ。這樣，可以根據(jù)當(dāng)前執(zhí)行工具所在的位置參數(shù)、模板的寬和高及σ值來確定下一次模板被匹配區(qū)域的大小和位置，即圖中的R區(qū)域，此時(shí)R區(qū)域的大小比整幅圖像要小得多，從而可以縮短模板匹配的運(yùn)算時(shí)間。根據(jù)上述介紹可知，第2次模板匹配的開始點(diǎn)坐標(biāo)：Sx(2)＝Fx(1)－Δx，Sy(2)＝height－Fy(1)－Δy。第2次匹配后，可以得到：

Fx(2)＝Cx(2)＋Sx(2)

Fy(2)＝height－［Sy(2)＋Ry－Cy(2)］

x(2)＝Fx(2)＋Nx

y(2)＝height－Fy(2)－Ny

dx(2)＝x(2)－x0

dy(2)＝y(tǒng)(2)－y0

綜合以上各式可以得到：

根據(jù)dx(2)、dy(2)的正負(fù)，可判斷出執(zhí)行工具與(x0，y0)點(diǎn)的方位關(guān)系，根據(jù)dx(2)、dy(2)的大小可以判斷該走哪個(gè)方向的驅(qū)動器，并且根據(jù)d(2)的大小還可以找到宏動和微動切換的關(guān)鍵點(diǎn)。

5.4.1裝配模型概述

裝配模型是一個(gè)能完整、正確地傳遞不同裝配體設(shè)計(jì)參數(shù)、裝配層次和裝配信息的產(chǎn)品信息模型。建立裝配模型的目的就在于建立完整的產(chǎn)品裝配信息表達(dá)，這些信息有：管理信息，包括產(chǎn)品各構(gòu)成元件的名稱、材料、技術(shù)規(guī)范、技術(shù)要求以及設(shè)計(jì)者和設(shè)計(jì)版本等；5.4裝配模型幾何信息，即有關(guān)裝配體幾何形狀、尺寸大小以及最終位置和姿態(tài)等信息；拓?fù)湫畔?，包括產(chǎn)品裝配的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系和產(chǎn)品裝配體之間的幾何配合約束關(guān)系；工程語義信息，即與產(chǎn)品工程應(yīng)用相關(guān)的信息；裝配工藝信息，指與產(chǎn)品裝拆工藝過程及其具體操作相關(guān)的信息；裝配資源信息，指與產(chǎn)品裝配工藝過程具體實(shí)施相關(guān)的裝配資源的總和，主要指裝配系統(tǒng)設(shè)備的組成和控制參數(shù)等。裝配模型不僅要處理設(shè)計(jì)系統(tǒng)的輸入信息，而且要處理設(shè)計(jì)過程的中間信息和結(jié)果信息，因此裝配模型信息應(yīng)隨著設(shè)計(jì)過程的推進(jìn)而不斷豐富和完善。裝配模型應(yīng)具備以下特征：能完整地表達(dá)產(chǎn)品裝配信息，不僅描述了零部件本身的信息，而且還描述了零部件之間的裝配關(guān)系及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；支持并行設(shè)計(jì)，不但完整地表達(dá)了產(chǎn)品的信息，而且還描述了產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)的繼承關(guān)系及其變化約束機(jī)制，保證設(shè)計(jì)參數(shù)的一致性，從而能支持產(chǎn)品的并行設(shè)計(jì)；滿足快速多變的市場需求，即當(dāng)產(chǎn)品需求發(fā)生變化時(shí)，通過裝配模型可以方便地修改產(chǎn)品的設(shè)計(jì)以適應(yīng)新的產(chǎn)品需求；具有一定的獨(dú)立性。裝配模型的核心問題是如何在計(jì)算機(jī)中表達(dá)和存儲裝配體組成部件之間的相互關(guān)系。目前，表示裝配體信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)歸納起來可分為兩類：直接存儲各裝配部件之間的相互位置信息；存儲各裝配部件之間的配合、連接等裝配信息。確定裝配部件相互位置的齊次變換矩陣是根據(jù)這些信息計(jì)算出來的。

Liberman和Wesley等人開發(fā)的AUTOPASS中，零件和裝配體被表達(dá)成為圖結(jié)構(gòu)中的結(jié)點(diǎn)，圖中的分支代表部件間的裝配關(guān)系，同時(shí)在每個(gè)分支上存有一個(gè)空間變換矩陣，用來確定部件間的相對位置，以及其他非幾何信息。DeFazio和Whitney等人提出了一種稱為優(yōu)先聯(lián)系圖的方法，該方法定義一組優(yōu)先規(guī)則，通過將圖排序得到裝配序列。HomemdeMello和Sanderson等人則提出與或圖來描述裝配體，圖中每個(gè)葉子結(jié)點(diǎn)表示裝配體最底層部件，根結(jié)點(diǎn)表示最終的產(chǎn)品，有些類似于CSG結(jié)構(gòu)。Lee和Gossard等人在與或圖的基礎(chǔ)上提出了真正意義上的層次建模方法，它將裝配體層層分解成由部件組成的樹狀結(jié)構(gòu)，部件既可以是零件也可以是子裝配，樹的頂端是成品的裝配體，末端是不可拆分的零件，其余的部分是由概念設(shè)計(jì)確定的子裝配體。Lee引入了虛聯(lián)接的概念，整個(gè)裝配樹是由虛聯(lián)接連接起來的，每個(gè)虛聯(lián)接是一系列相關(guān)信息的集合，這樣裝配體的信息就能夠?qū)哟位鎯Α?/p>

上述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或存儲模型各有優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)具體開發(fā)要求加以選擇，由圖表達(dá)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)向樹表達(dá)的層次結(jié)構(gòu)發(fā)展是該問題的主要發(fā)展趨勢。

裝配關(guān)系模型由裝配體構(gòu)成。裝配體是多個(gè)零件和子裝配體的有機(jī)組合，要得到一個(gè)正確的裝配體，必須建立其零部件間正確和完整的關(guān)系。裝配結(jié)構(gòu)樹顯示了零部件間的隸屬關(guān)系，反映了零部件的層次關(guān)系。當(dāng)兩個(gè)零部件具有一種或多種聯(lián)系時(shí)，我們稱兩者具有約束關(guān)系，而裝配關(guān)系是建立約束關(guān)系的基礎(chǔ)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)是裝配的基礎(chǔ)。

面向裝配的設(shè)計(jì)DFA是并行工程中的重要組成部分之一，目前常用的兩種設(shè)計(jì)過程為自底向上(Down-Up)的設(shè)計(jì)和自頂向下(Top-Down)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)出各種形狀的零件，輸入零件之間的幾何約束關(guān)系，再將設(shè)計(jì)好的零件裝配成產(chǎn)品，這是自底向上的設(shè)計(jì)過程；在零件設(shè)計(jì)的初期就考慮零件與零件之間的約束和定位關(guān)系，在完成產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)之后，再實(shí)現(xiàn)單個(gè)零件的詳細(xì)設(shè)計(jì)是自頂向下的設(shè)計(jì)過程。兩種設(shè)計(jì)各有特點(diǎn)，自頂向下設(shè)計(jì)能反映真實(shí)的設(shè)計(jì)過程，節(jié)省不必要的重復(fù)設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率；而自底向上設(shè)計(jì)的思路簡單，操作快捷方便，被大多數(shù)設(shè)計(jì)人員所理解和接受。5.4.2裝配模型建模

國外學(xué)者對產(chǎn)品裝配模型進(jìn)行了深入的研究，提出了對裝配體靜態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述的圖結(jié)構(gòu)模型、樹表達(dá)的層次結(jié)構(gòu)模型和基于虛鏈結(jié)構(gòu)的混合模型。圖結(jié)構(gòu)模型是以圖的形式描述裝配體中各個(gè)不同實(shí)體間的相互關(guān)系，以Bourjault的連接圖模型、DYCho等人提出的聯(lián)絡(luò)圖模型、HomenDeMello等人提出的相互關(guān)系模型為代表。圖結(jié)構(gòu)模型的特點(diǎn)是關(guān)系表達(dá)比較直觀，但與產(chǎn)品的實(shí)際結(jié)構(gòu)不一致，不能表達(dá)零件間的層次關(guān)系，這種模型現(xiàn)在已經(jīng)很少使用。層次模型是根據(jù)零部件的層次關(guān)系以樹的形式表達(dá)裝配并組織產(chǎn)品，能體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，但對各零件之間的裝配關(guān)系描述不夠直觀。近年來，許多研究者提出了一些新的裝配模型，這些裝配模型大都可以歸為層次模型。

裝配設(shè)計(jì)是在一組預(yù)定義的零部件單元之間建立特定的連接方式，從而組裝成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)活動。實(shí)現(xiàn)自動裝配，關(guān)鍵是解決系統(tǒng)自動生成裝配知識的問題，包括裝配關(guān)系、裝配順序及位姿變換。

零件的裝配信息表達(dá)包含零件信息的層次模型。零件是裝配的唯一對象，所有有關(guān)裝配知識的信息應(yīng)該由零件來承載，而建立什么樣的零件模型，如何將零件的裝配信息融入在零件模型之中，是一個(gè)必須研究的問題。零件模型多采用層次結(jié)構(gòu)來描述，對于零件所載信息的層次如何合理劃分，信息分解轉(zhuǎn)換法(五層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))及層次信息模型(四層次描述結(jié)構(gòu))為零件信息的層次劃分提供了很好的參考方法，且都是針對虛擬裝配系統(tǒng)而展開的。再則，當(dāng)今的CAD系統(tǒng)所構(gòu)建的零件模型都是實(shí)體化的特征造型，特征設(shè)計(jì)的結(jié)果是零件的B-rep/CSG幾何表示，沒有裝配特征的位姿信息，而且裝配特征的面信息描述不夠，但這些都是實(shí)現(xiàn)自動裝配必不可少的數(shù)據(jù)信息。因此，將零件模型的信息層次劃分為五層，即零件層、特征層、裝配元素層、接口層和編碼層，見圖5.8。

圖5.8零件模型層次結(jié)構(gòu)

1.特征層

在特征技術(shù)的支持下，任何零件模型都可以由若干個(gè)特征來描述，在CAD系統(tǒng)中體現(xiàn)為零件實(shí)體的造型方法，如切割和拉伸(掃描、旋轉(zhuǎn)、螺旋)特征、孔特征、殼特征、倒圓和陣列特征等，這些特征的集合構(gòu)成了零件的特征層。

2.裝配元素層

某個(gè)零件的裝配總是以零件上的某些平面(或柱面)、直線(或軸線)及點(diǎn)(如球面副的球心)為裝配約束對象。對兩個(gè)零件進(jìn)行裝配，就是對零件間進(jìn)行面匹配、面對齊、面相切、軸對齊、點(diǎn)重合、點(diǎn)在線(面)上等裝配約束，因此，零件上需要進(jìn)行裝配的約束對象(面、線、點(diǎn))構(gòu)成了該零件的裝配元素。

3.接口層

裝配元素是零件參與裝配的最基本特征，裝配元素的不同組合限制了裝配件的某些自由度，從而構(gòu)成了不同的接口類型。譬如，一個(gè)面貼合和一個(gè)軸線重合的裝配約束，保留了裝配件的一個(gè)自由度，構(gòu)成了一個(gè)銷釘類型的接口。裝配件提供的裝配元素之間，必然構(gòu)成某種形式的接口，接口層即是對一個(gè)或多個(gè)接口的描述。需要指明的是，接口類型和它具有的自由度間并非一一對應(yīng)，如兩對面貼合保留了一個(gè)自由度，但它可以是一個(gè)移動副形式的接口。

4.編碼層

編碼層實(shí)質(zhì)上是由一系列的數(shù)據(jù)所構(gòu)成的，這些數(shù)據(jù)不但需要記錄零件裝配元素的幾何信息，而且應(yīng)該標(biāo)識零件所具有的裝配接口類型以及有利于提取出該零件在裝配體中的順序等裝配知識信息，即編碼層是零件裝配知識信息的數(shù)據(jù)描述。

零件裝配信息的基本特征編碼層實(shí)質(zhì)上是具有一定邏輯結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)描述，為實(shí)現(xiàn)裝配任務(wù)提供數(shù)據(jù)信息，其應(yīng)當(dāng)具有以下特征：

(1)能夠描述裝配零件上所具有的一個(gè)或多個(gè)與其他零件匹配的裝配元素；

(2)能夠準(zhǔn)確地反映由裝配元素組合而成的接口類型，即能描述與該接口連接的接口對象；

(3)有利于識別裝配關(guān)系和生成裝配順序。

零件裝配信息編碼首先要明確編碼的目的。編碼的目的是為了用數(shù)據(jù)形式描述零件的裝配信息，其應(yīng)當(dāng)有適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)語言和合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。編碼的實(shí)現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)自動裝配的核心問題。張旭堂等人在非線性裝配順序規(guī)劃的研究中提出了裝配體的關(guān)系碼矩陣模型，用關(guān)系碼矩陣的形式描述了裝配體中任意兩個(gè)零件的裝配關(guān)系；付宜利等人研究了裝配關(guān)系的有向圖表達(dá)方法，所提出的裝配有向圖為裝配序列規(guī)劃提供了充分的信息，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了基于UG系統(tǒng)的有向裝配連接算法。

直觀地講，前者的研究解決了裝配關(guān)系的問題，后者的研究解決了裝配序列的問題，這些研究成果為解決編碼問題提供了指導(dǎo)方法。在他們的研究基礎(chǔ)上，還提出了“有向裝配碼矩陣”的方法來實(shí)現(xiàn)裝配知識的數(shù)據(jù)描述，即將零件的裝配信息、零件間的關(guān)系碼及裝配順序的有向連接同時(shí)寫入到有向裝配碼矩陣之中，其基本形式為

T＝(M，R，CG)

其中：M記錄了零件有關(guān)裝配的幾何信息，它的數(shù)據(jù)表達(dá)方法下文還將提到；R表示裝配關(guān)系信息；CG表示裝配順序信息。5.4.3裝配模型與裝配順序

裝配模型是表達(dá)組成裝配體的零件及零件間關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，既體現(xiàn)了零部件間的裝配關(guān)系，也體現(xiàn)了零部件的裝配順序。對裝配模型的表達(dá)，主要有系統(tǒng)模型、層次模型和面向?qū)ο竽Ｐ腿N。針對CAD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動裝配的問題，采用樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的層次模型。層次模型引入了子裝配的概念，能很好地表達(dá)產(chǎn)品的實(shí)際結(jié)構(gòu)，降低裝配順序的求解難度。這種模型在目前的CAD系統(tǒng)中得到了廣泛使用，如Pro/E等系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)在裝配順序上采用“單件順序裝配”的方法，即每次只裝配一個(gè)零件，將已經(jīng)裝配的子裝配體當(dāng)作一個(gè)零件進(jìn)行裝配，這種裝配方法的缺點(diǎn)是每裝一個(gè)零件都必須完全約束，后裝的零件無法約束先裝的零件，同時(shí)，指定的多種約束之間容易發(fā)生沖突。為解決上述問題，引入裝配母體及權(quán)重值的概念。裝配母體是指讓其他零件附著(裝配)的裝配件，如軸系零件與軸的關(guān)系，軸為裝配母體，軸上零件為母體的附著零件。權(quán)重值是指零件在裝配過程(順序)中優(yōu)先裝配的衡量標(biāo)識，并規(guī)定：

(1)裝配層次模型中同一層的零件和子裝配體具有等同的權(quán)重值；

(2)裝配層次模型中底層零件和子裝配體的權(quán)重值優(yōu)于上一層；

(3)每一個(gè)裝配組(一個(gè)裝配體或子裝配體)中都有一個(gè)裝配母體；

(4)權(quán)重值和裝配母體的標(biāo)識寫入到零件的有向裝配編碼矩陣當(dāng)中。

在裝配模型中引入權(quán)重值與裝配母體之后，在自動裝配環(huán)境中的裝配順序可以描述為首先將底層權(quán)重值高的零件裝配到同層母體上構(gòu)成上一層的子裝配體，再將子裝配體當(dāng)作一個(gè)零件與同層的零件裝配，以此逐層向上遞進(jìn)，最終完成整個(gè)裝配體的裝配。

需要指明的是，上述逐層裝配的裝配順序與實(shí)際生產(chǎn)中的裝配順序不能完全等同，實(shí)際中注重裝配的可行過程，這是虛擬裝配研究的問題；而逐層裝配是針對CAD系統(tǒng)自動裝配的研究，更注重裝配的結(jié)果，是根據(jù)裝配關(guān)系的需要而建立的裝配順序，但無疑為實(shí)際的裝配序列規(guī)劃提供了一定的參考方法。

三維CAD系統(tǒng)中零件實(shí)體模型的空間位姿和姿態(tài)是通過4×4的位姿矩陣［P］來描述的，位姿的變換通過變換矩陣［T］來實(shí)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上存在著基于幾何匹配的約束方程求解和基于特征匹配的解析求解這兩種位姿求解方法。針對CAD系統(tǒng)的特征造型特點(diǎn)，零件的所有特征信息能在系統(tǒng)中獲取，適宜使用基于特征匹配的解析求解方法，即用零件的匹配特征自動導(dǎo)出零件在裝配體中的位姿，但存在一個(gè)零件上只能有一個(gè)特征參與裝配，多個(gè)特征匹配時(shí)會產(chǎn)生約束沖突的缺點(diǎn)。因此，要對此方法作一定的改進(jìn)，改進(jìn)后的方法稱之為“位姿約束向量記錄法”，即用一個(gè)向量來記錄零件裝配接口和零件空間位姿信息，并能夠由此向量得到位姿變換矩陣，也即所提到的“記錄零件有關(guān)裝配的幾何信息”的編碼部分M。零件在裝配環(huán)境中的位姿以及其變換的始末位置都在零件的裝配編碼向量M中記錄。位姿約束向量記錄中的方法可以推廣到多層次結(jié)構(gòu)的裝配模型中去，描述如下：

(1)所有裝配單元(零件或子裝配件)的位姿單元模型中標(biāo)識某種接口類型的向量描述；

(2)每一層的裝配母體坐標(biāo)系成為同層中零件和子裝配體位姿記錄和變換的參考坐標(biāo)系；

(3)同層裝配中所有裝配件(或子裝配體)的初始坐標(biāo)系重合，初始位置繼承零件模型中的位姿向量；

(4)同層裝配完成后向上層逐層遞進(jìn)，直至裝配完成。

5.5.1宏動機(jī)構(gòu)模型的建立

宏動機(jī)構(gòu)伺服系統(tǒng)由電機(jī)驅(qū)動部分、機(jī)械傳動部分和光柵尺位置反饋三部分組成。該伺服系統(tǒng)的動態(tài)模型如圖5.9所示。5.5宏動、微動機(jī)構(gòu)模型的建立

圖5.9宏動機(jī)構(gòu)伺服系統(tǒng)的動態(tài)模型對于交流伺服驅(qū)動單元，采用了速度環(huán)外環(huán)與電流環(huán)內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)速結(jié)構(gòu)，速度環(huán)和電流環(huán)采用了P型調(diào)節(jié)器，由于電流環(huán)時(shí)間常數(shù)足夠小，因此將其簡化成比例環(huán)節(jié)，KT代表力矩常數(shù)。圖5.9中，D(z)為位置控制器；Td為系統(tǒng)的干擾力矩，它主要由摩擦轉(zhuǎn)矩和電機(jī)本身的轉(zhuǎn)矩波動所引起；Gj(s)代表機(jī)械傳動環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；力矩常數(shù)KT為16N·m/V；速度調(diào)節(jié)器比例系數(shù)KDA為32s－1

；Kd代表精密光柵尺的比例系數(shù)；測速機(jī)比例系數(shù)Cs為0.796V/rad/s；R為輸入信號；x代表工作臺位置輸出；ud為電機(jī)速度環(huán)輸入電壓信號；θ為電機(jī)轉(zhuǎn)角位置輸出。從圖5.9可以推導(dǎo)出電機(jī)驅(qū)動部分的簡化開環(huán)傳遞函數(shù)為

(5-10)

為分析機(jī)械傳動環(huán)節(jié)Gj(s)的數(shù)學(xué)模型，必須考慮絲杠螺母副及螺母座部分的軸向剛度、絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度、絲杠的轉(zhuǎn)動慣量、彈簧片的剛度等環(huán)節(jié)。為消除絲杠的反向間隙，采用雙螺母預(yù)緊法，該方法可以消除反向間隙并獲得較高的運(yùn)動精度。將伺服電機(jī)與絲杠間的聯(lián)軸節(jié)簡化為剛性聯(lián)接，則可得到：

(5-11)

式中：

上述各式中：

K0——等效扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)，單位為N·m/rad；

K1——絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)，單位為N·m/rad；

K2——絲杠螺母副及螺母座部分的軸向剛度系數(shù)，單位為N/m；

J0——等效轉(zhuǎn)動慣量，單位為kg/m2；

J1——絲杠及聯(lián)軸節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量，單位為kg/m2；

B0——等效粘滯阻尼系數(shù)，單位為kg/m2；

B——直線運(yùn)動工作臺粘滯阻尼系數(shù)，單位為kg/m2；

Ph——絲杠螺距，單位為m；

m——工作臺質(zhì)量，單位為kg。

由此可得宏動部分的開環(huán)傳遞函數(shù)為

(5-12)

5.5.2微動機(jī)構(gòu)模型的建立

壓電陶瓷存在著遲滯、蠕變、非線性三個(gè)固有的特性，難以通過傳統(tǒng)的理論分析法為其建立精確的數(shù)學(xué)模型。壓電陶瓷在電學(xué)上可等效為一個(gè)電容C，如圖5.10所示。驅(qū)動電源對輸入的控制電壓uk成正比放大為u，放大倍數(shù)為10，其線性非常好，因此可以認(rèn)為是一個(gè)比例環(huán)節(jié)，比例系數(shù)設(shè)為K1。

圖5.10壓電陶瓷簡化模型圖5.10中，u為壓電陶瓷驅(qū)動電源的等效電壓，Rc為壓電陶瓷電源電壓放大電路的等效充放電電阻，uc為加在壓電陶瓷兩端的電壓，x為壓電陶瓷產(chǎn)生的位移。根據(jù)歐姆定律，可得

(5-13)

進(jìn)行拉普拉斯變換得到傳遞函數(shù)為

(5-14)

壓電陶瓷輸出位移x與電壓uc之間的傳遞函數(shù)可用下式表示：

(5-15)

式中：

Kc——壓電陶瓷電壓位移轉(zhuǎn)換系數(shù)，常用壓電陶瓷Kc＝3×10－7

m/V；

ψ——慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)。從而可以得到壓電陶瓷輸出位移與驅(qū)動電源控制電壓之間的傳遞函數(shù)為

(5-16)

圖5.11微動工作臺動力學(xué)模型微動工作臺可簡化為如圖5.11所示的質(zhì)量—彈簧—阻尼二階系統(tǒng)。圖中，Kp為壓電陶瓷驅(qū)動器剛度(27N/μm)，Ks為微動工作臺的剛度，m為工作臺的質(zhì)量，μ為工作臺阻尼系數(shù)。當(dāng)輸入位移為x時(shí)，輸出位移為y，有力平衡方程：

(5-17)

則微動工作臺的傳遞函數(shù)為

(5-18)

式中：Kx——系統(tǒng)等效剛度， ，單位為N/m；

ωn——系統(tǒng)無阻尼自然頻率， ，單位為rad/s。

當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后， ，微動工作臺的輸出位移為

(5-19)

由式(5-19)可以看出，Kp和Ks都是系統(tǒng)的固有參數(shù)，所以輸出位移隨輸入位移的變化是唯一確定的。這表明微動工作臺系統(tǒng)可以獲得穩(wěn)定的高分辨率和運(yùn)動精度。這樣，微動部分的開環(huán)傳遞函數(shù)為

(5-20)

5.6.1信息模型建模概述

一般來講，產(chǎn)品的功能很少只由單個(gè)零件就能實(shí)現(xiàn)，它常常是通過零件的一些重要功能面之間的相互作用才表現(xiàn)出來的，因此應(yīng)該面向裝配而不是面向零件來描述產(chǎn)品。此外，人們對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是一個(gè)漸近過程，設(shè)計(jì)過程中的各階段，信息的抽象程度不同，它們各描述了產(chǎn)品某一方面的特性。5.6信息模型建模把這些不同抽象程度的信息一下全塞進(jìn)一個(gè)最終的產(chǎn)品模型，信息的組織與過渡會變得很困難，也就是說，產(chǎn)品信息的描述還應(yīng)該分層進(jìn)行。鑒于此，提出以下基于裝配的產(chǎn)品信息模型，該模型分為虛結(jié)構(gòu)與實(shí)結(jié)構(gòu)兩個(gè)描述層次，在每一層次上應(yīng)用圖論、集合論等數(shù)學(xué)方法進(jìn)行分析，可以得到面向應(yīng)用的許多實(shí)用算法。以上述信息模型為基礎(chǔ)，則產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程就可看做是單一層次上模型變換及不同層次間模型變換的過程。

1.虛零件與虛結(jié)構(gòu)

在Top

Down的設(shè)計(jì)環(huán)境中，基于計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)過程一般分為概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與詳細(xì)設(shè)計(jì)，如圖5.12所示。概念設(shè)計(jì)階段以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期，往往缺少具體零件信息，在這樣的條件下如何實(shí)施Top-Down思想，是CAD中的一個(gè)新問題。

圖5.12Top-Down式的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程為此，我們提出“虛零件”的概念。虛零件是實(shí)際零件在產(chǎn)品設(shè)計(jì)早期的形態(tài)，它側(cè)重于描述零件在概念形成期間的功能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期的裝配語義及其兩者間的變換。之所以稱它是“虛”的，是因?yàn)榇藭r(shí)無法知道零件最后的細(xì)節(jié)，如具體尺寸、具體結(jié)構(gòu)形式等?！疤摗笔轻槍α慵膸缀渭?xì)節(jié)而言的。

從總體上看，產(chǎn)品在概念設(shè)計(jì)階段是一個(gè)功能體，功能體中的各個(gè)子功能通過相互間的配合滿足產(chǎn)品的功能需求。零件的功能往往是面向具體應(yīng)用的，很難建立其不依賴于應(yīng)用的中性表示，因此有必要針對各專業(yè)領(lǐng)域建立零件的功能參考模型。這樣一來，某零件在某領(lǐng)域中的功能范圍就可以完全定義清楚了。如銷釘在模具行業(yè)中的功能，一般為定位或擋料。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，零件間通過各種裝配關(guān)系的連接形成產(chǎn)品，各種裝配語義構(gòu)成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期產(chǎn)品的一種中性表示，它們可看做是對概念設(shè)計(jì)中產(chǎn)品功能體的初步實(shí)現(xiàn)。從中性的裝配表示到產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計(jì)，如具體結(jié)構(gòu)、尺寸、精度值的確定，則是產(chǎn)品功能體的最終實(shí)現(xiàn)過程。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期，最基本的裝配語義有：Against表示兩零件功能面之間的共面反向關(guān)系；Fit表示圓柱和圓孔同軸線。除此之外，我們在應(yīng)用中還定義了其他一些裝配語義，如“沉頭”表示一柱形件沉入一板形件；“穿過”表示一柱形件穿過一板形件；“旋入”表示一柱形件旋入一板形件。

下面是虛零件模型：

虛零件{虛零件代號、名稱；∥總體信息

虛零件類型號；

功能瀏覽指針；

(Ox，Oy，Oz)；∥局部坐標(biāo)系

(RotateX，RotateY，RotateZ)；

虛零件功能鏈指針及其對應(yīng)的貫串表達(dá)式；∥外特性

父親；

孩子1，孩子2，孩子3，孩子4；∥內(nèi)特性

(X，Y，Z)，(Alf，Bta，Gma)；∥虛零件的矢量表示

同種虛零件的數(shù)量；

虛零件的分布情況描述；

虛零件的圖形表示數(shù)據(jù)指針；}虛零件模型包含了三個(gè)方面的信息：總體信息、外特性信息和內(nèi)特性信息?？傮w信息是對虛零件所建立的高層索引。外特性信息則指出虛零件對外有哪些功能，對于每一功能，都對應(yīng)一貫串表達(dá)式，貫串表達(dá)式是某一功能的裝配級實(shí)現(xiàn)，它表示柱形件要“貫串”哪幾個(gè)零件、與每個(gè)零件的貫串形式如何等信息。設(shè)現(xiàn)有一柱形件，它有“緊固”功能，則該功能對應(yīng)的貫串表達(dá)式可能為“沉頭P1穿過P1旋入P2”，其中P1、P2為2個(gè)板形件。內(nèi)特性信息則表示虛零件本身的一些構(gòu)形特點(diǎn)。虛零件的位置及方位用一矢量來代表，多個(gè)功能相同的虛零件形成虛零件組，它們只需一套描述數(shù)據(jù)，但分別占有各自的空間位置，所以對于虛零件組，要描述其分布情況。

利用虛零件，我們就可以交互式地把自己所需要的結(jié)構(gòu)先“堆”出來。虛零件與虛零件之間通過裝配關(guān)系連接而成的結(jié)構(gòu)稱為虛結(jié)構(gòu)。由于虛結(jié)構(gòu)中既包含了概念設(shè)計(jì)階段的功能信息，又包含了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的裝配語義信息，所以可支持很多應(yīng)用，如裝配工藝分析、裝配成本估算等。

2.實(shí)零件與實(shí)結(jié)構(gòu)

實(shí)零件是指根據(jù)虛結(jié)構(gòu)中的信息進(jìn)行零件詳細(xì)設(shè)計(jì)之后所得的結(jié)果。實(shí)零件間通過各種具體的幾何約束連接在一起則得到實(shí)結(jié)構(gòu)。實(shí)零件除了上階段繼承得來的功能信息、裝配語義信息外，還應(yīng)包含如下信息以便支持并行設(shè)計(jì)。

(1)加工計(jì)劃信息：包括坯料、加工方法、裝夾方法、加工工步、機(jī)床、刀具、夾具等方面，由加工特征來描述。

(2)分析信息：包括有限元模型，由分析特征來描述。

(3)檢驗(yàn)計(jì)劃信息：包括檢驗(yàn)方法、檢驗(yàn)工步、檢驗(yàn)工具等方面，由檢驗(yàn)特征來描述。下面是實(shí)零件模型：

實(shí)零件{實(shí)零件代號、名稱；∥總體信息

(Ox，Oy，Oz)；∥局部坐標(biāo)系

(RotateX，RotateY，RotateZ)；

Fit鏈指針；∥外特性：各種裝配語義指針，分別指向相應(yīng)的幾何元素

Agaist鏈指針；

沉頭鏈指針；

…∥內(nèi)特性

形狀特征鏈指針；

精度特征鏈指針；材料特征鏈指針；

分析特征鏈指針；

加工特征鏈指針；

檢驗(yàn)特征鏈指針；}

類似地，實(shí)零件模型中也包含三個(gè)方面的信息：總體信息、外特性信息和內(nèi)特性信息?？傮w信息是對實(shí)零件所建立的高層索引。外特性信息則指明實(shí)零件對外包含了哪些裝配語義，并且用指針指向語義所關(guān)聯(lián)的幾何元素。這里，幾何元素可以是一個(gè)孔的軸線，或者是一個(gè)平面的法矢量(法矢量的基點(diǎn)取在平面上)。內(nèi)特性信息則是對實(shí)零件本身形狀、精度、材料、分析、加工、檢驗(yàn)等方面的詳細(xì)描述，由相應(yīng)的指針指向更為細(xì)致的模型。5.6.2面向裝配序列規(guī)劃的信息建模

國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)不同的應(yīng)用需要對裝配信息模型進(jìn)行了深入的研究。當(dāng)前已有的裝配模型結(jié)構(gòu)主要有兩類：關(guān)系網(wǎng)絡(luò)型結(jié)構(gòu)和層次樹狀型結(jié)構(gòu)。關(guān)系網(wǎng)絡(luò)型裝配模型能夠描述構(gòu)成產(chǎn)品零部件之間的相互聯(lián)系，比較直觀，但信息描述不符合實(shí)際產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)和人們的思維習(xí)慣，當(dāng)產(chǎn)品零部件數(shù)量太大時(shí)，將引起裝配序列規(guī)劃計(jì)算量的“幾何爆炸”；層次樹狀型裝配模型符合人類的思考方式，能較好地體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，并且能降低裝配規(guī)劃、分析的復(fù)雜性，但各零部件之間的裝配關(guān)系描述不夠直觀，不能涵蓋零部件裝配操作有關(guān)的信息，子裝配體的劃分也沒有明確的規(guī)則。這兩種模型都存在自身的缺陷，均不能完整地描述裝配信息，因而都不能滿足裝配序列規(guī)劃對裝配模型的需要。傳統(tǒng)的裝配序列規(guī)劃是根據(jù)人們的嘗試以及以往的經(jīng)驗(yàn)以模糊的形式進(jìn)行的，經(jīng)驗(yàn)知識和幾何知識并存，裝配序列的數(shù)量隨著零部件數(shù)量的增加而劇增，復(fù)雜的裝配關(guān)系增加了裝配序列規(guī)劃推理的難度，使許多算法存在片面性，不能完全正確地生成幾何可行的裝配序列。隨著市場對產(chǎn)品要求的提高，虛擬現(xiàn)實(shí)VR(VirtualReality)技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展以及在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，使現(xiàn)代的產(chǎn)品裝配序列規(guī)劃對裝配信息模型提出了更高的要求。

(1)產(chǎn)品裝配模型應(yīng)能完整地描述產(chǎn)品的裝配信息并支持并行設(shè)計(jì)。不僅要能描述產(chǎn)品中零部件的組成信息、零部件的自身特征信息，還要能描述零部件之間的裝配關(guān)系信息，從而能為后續(xù)的裝配序列規(guī)劃提供完整的產(chǎn)品裝配信息。

(2)產(chǎn)品的裝配模型應(yīng)充分利用現(xiàn)有三維CAD軟件強(qiáng)大的造型功能，但又獨(dú)立于三維CAD系統(tǒng)，加入裝配序列規(guī)劃所需的裝配工程語義信息，實(shí)現(xiàn)三維CAD軟件功能的拓展。

(3)產(chǎn)品的裝配模型應(yīng)能夠保證裝配各環(huán)節(jié)信息的一致性。

(4)產(chǎn)品裝配模型用面向?qū)ο蠓椒▽Ξa(chǎn)品零部件之間的裝配關(guān)系進(jìn)行描述，通過繼承類中的聯(lián)系使裝配關(guān)系層層細(xì)化。

基于以上要求，采用將層次樹狀模型的清晰性和關(guān)系網(wǎng)狀模型的完整性相結(jié)合的方法，來建立一個(gè)面向產(chǎn)品全生命周期的、開放的、并行的、支持裝配序列規(guī)劃的產(chǎn)品裝配信息模型，以體現(xiàn)并行性和集成性。

1.裝配特征的描述

裝配特征是以一定的具有幾何拓?fù)潢P(guān)系、并用于裝配的形狀結(jié)構(gòu)為載體，包含自身制造以及裝配有關(guān)的所有屬性的集合。裝配特征就是零件中在裝配過程中所涉及的幾何信息、非幾何信息以及裝配操作過程信息的集合。它含有豐富的語義信息，包括幾何、拓?fù)?、尺寸、公差等與裝配有關(guān)的各類信息，利用特征技術(shù)能夠全面、完整地描述產(chǎn)品的各方面信息，使各子系統(tǒng)能夠直接從該零件模型中獲取所需要的信息，從而保證系統(tǒng)信息的完整性和統(tǒng)一性。另外，基于裝配特征的裝配模型不僅能提供符合后續(xù)工作要求的零部件信息，而且能提供適用于后續(xù)環(huán)節(jié)的工程語義信息等高層信息，能夠反映設(shè)計(jì)意圖。裝配特征是由裝配特征語義、幾何元素、裝配特征坐標(biāo)系、配合特征、裝配關(guān)系、裝配公差等組成的。

(1)裝配特征語義：表示在裝配過程中關(guān)于裝配特征的解釋、描述、分析；

(2)幾何元素：描述了裝配特征面集的形態(tài)，包含平面與平面、孔面與柱面等；

(3)裝配特征坐標(biāo)系：是分別定義在參與裝配的兩個(gè)裝配特征面集上的局部坐標(biāo)系，約束裝配特征的配合關(guān)系包含零部件的相對位置、裝配方向；

(4)配合特征：記錄裝配特征間的空間約束關(guān)系，例如Fit、Against、Parallel；

(5)裝配關(guān)系：包括位置關(guān)系、連接關(guān)系、配合關(guān)系、約束關(guān)系四類；

(6)裝配公差：尺寸公差和形位公差。

裝配特征可表達(dá)為

裝配特征＝形狀特征＋工程語義信息

形狀特征是用來構(gòu)造零件的幾何結(jié)構(gòu)形狀的特征；工程語義信息包括零部件位置屬性、特征關(guān)系、特征功能等信息。

2.裝配模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

虛擬裝配信息模型需要：

(1)裝配體中的零部件組成信息；

(2)零件自身的特征信息，如形狀、尺寸、公差等；

(3)零件之間的裝配連接關(guān)系特征信息。

這些信息如何存儲、如何組織對信息系統(tǒng)具有很大影響。首先，對每個(gè)零件建立一個(gè)裝配特征信息描述表，以特征為單位，根據(jù)零件在裝配體中的裝配要求進(jìn)行分解，將裝配特征信息存放在同一個(gè)表中。然后，建立一張裝配關(guān)系信息表，可表示為P＝{pi，fj，ak}。其中pi(i＝1，2，…，n，n表示裝配體中所包含的零件數(shù)目)表示對應(yīng)的配合零件，p-part；fj(j＝1，2，…，m，m表示對應(yīng)配合零件的特征數(shù)目)表示對應(yīng)配合零件的特征f-feature；ak(k＝1，2，…，g，g表示裝配體中所包含的裝配關(guān)系的數(shù)目)表示裝配體中所包含的裝配關(guān)系，a-assemble。還需要為整個(gè)產(chǎn)品建立一張裝配體的零件組成表，可表示為A＝{ID，Pa}。A-assemble表示裝配體，ID表示零件序號，Pa-part表示零件。部件是由零件組成的，將組成部件的各個(gè)零件的裝配關(guān)系疊加在一起，去除重復(fù)的裝配關(guān)系(組成部件的零件之間的裝配關(guān)系)，從而構(gòu)成了部件的裝配關(guān)系表，由此類推，直到裝配關(guān)系全部消除完，就是產(chǎn)品了，如圖5.13所示。圖5.13所示模型構(gòu)成一個(gè)層次樹狀關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)狀關(guān)系型和層次樹狀型的結(jié)合。圖5.13裝配體層次結(jié)構(gòu)圖5.6.3敏捷化開發(fā)環(huán)境下產(chǎn)品裝配模型的信息組成

敏捷化開發(fā)環(huán)境下產(chǎn)品裝配模型主要由屬性模型、層次模型、裝配骨架模型、約束關(guān)系模型、參數(shù)化設(shè)計(jì)模型組成。屬性模型用于描述裝配體中所包含的各零件的一些基本屬性，如形狀信息、管理信息、精度信息、材料信息、技術(shù)信息等；層次模型主要用于表達(dá)各裝配體與其所包含的子裝配體、零件之間的組成關(guān)系；裝配骨架模型主要用于描述零部件之間高層次的抽象裝配信息關(guān)系，該骨架模型實(shí)際上就是利用面向?qū)ο蟮姆椒ò压こ讨谐Ｓ玫牡湫脱b配結(jié)構(gòu)和裝配約束進(jìn)行封裝，以便在設(shè)計(jì)過程中重用和再用，通過它可以把設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖和裝配約束按產(chǎn)品層次關(guān)系傳遞到各級裝配體，直至傳遞到基層零件，實(shí)現(xiàn)自頂向下面向過程的設(shè)計(jì)方法；約束關(guān)系模型主要描述裝配體內(nèi)零件之間的低層次的幾何屬性約束關(guān)系，它是基于詳細(xì)幾何信息的，在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)初期是無法直接建立的，主要用來在零件詳細(xì)設(shè)計(jì)完成后裝配模型的重建過程，是對前一階段設(shè)計(jì)的改進(jìn)和驗(yàn)證過程，它體現(xiàn)的是自底向上的面向結(jié)果的設(shè)計(jì)方法；參數(shù)化設(shè)計(jì)模型主要描述的是體現(xiàn)設(shè)計(jì)者意圖和有利于滿足設(shè)計(jì)功能的零部件相關(guān)尺寸之間的驅(qū)動關(guān)系，它用來完成裝配體的變型設(shè)計(jì)，以提高設(shè)計(jì)的速度和質(zhì)量。

1.裝配骨架模型

為了使設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖能有效地傳遞給下游的環(huán)節(jié)，許多研究人員已經(jīng)對裝配語義元和裝配語義進(jìn)行了廣泛的研究。實(shí)際上，裝配語義不僅能體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖、傳遞裝配約束，它本身還蘊(yùn)涵著一些形狀特征，這些形狀特征才是傳遞設(shè)計(jì)意圖和裝配約束的最終載體。裝配體或零件正是在這些形狀特征和裝配約束之上，才逐漸豐滿直至最終形成的。產(chǎn)品或裝配體中的設(shè)計(jì)意圖和設(shè)計(jì)約束實(shí)際上就組成了裝配體的抽象骨架模型，而裝配語義既可以體現(xiàn)具體的設(shè)計(jì)意圖和相關(guān)的設(shè)計(jì)約束，又可以蘊(yùn)涵相關(guān)的形狀特征，并可以用面向?qū)ο蟮姆椒▽ζ溥M(jìn)行封裝，因此將產(chǎn)品的裝配骨架模型定義為所有零部件之間裝配語義的集合。通過對裝配語義中所蘊(yùn)涵的形狀特征進(jìn)行實(shí)例化、組合推理和補(bǔ)充細(xì)化，就可以設(shè)計(jì)出裝配體或零件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)或可能演化的結(jié)構(gòu)，同時(shí)又能記錄設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖，方便以后使用。

2.約束關(guān)系模型

一般來說，裝配模型的重建過程與傳統(tǒng)的自底向上設(shè)計(jì)過程幾乎相同，即人機(jī)交互完成產(chǎn)品裝配模型。但在敏捷化開發(fā)環(huán)境下，裝配設(shè)計(jì)過程不僅要支持自頂向下和自底向上的雙向設(shè)計(jì)方法，還必須要考慮裝配模型的可裝配性，即必須支持裝配序列規(guī)劃和可裝配性分析。這要求約束關(guān)系模型必須包含兩個(gè)方面的內(nèi)容：

(1)零件之間的裝配位置關(guān)系信息，它是低層次的幾何約束關(guān)系；

(2)零件裝配的過程信息，主要包括零件之間的接觸連接狀態(tài)、干涉情況及裝配工具等信息。另外，由于子裝配體在裝配模型重建時(shí)或隨著設(shè)計(jì)過程的深入可能會發(fā)生變動，因此在約束關(guān)系模型中只描述零件之間的裝配約束關(guān)系，并不體現(xiàn)零件之間的層次關(guān)系。產(chǎn)品約束關(guān)系模型不僅記錄了裝配模型重建時(shí)零件之間的詳細(xì)幾何約束關(guān)系，而且為隨后的裝配規(guī)劃提供了所需的相關(guān)信息。

3.參數(shù)化設(shè)計(jì)模型

裝配語義能表達(dá)設(shè)計(jì)意圖、傳遞裝配約束，因此設(shè)計(jì)者可以在裝配骨架模型中選擇恰當(dāng)?shù)难b配語義作為參數(shù)化設(shè)計(jì)的源頭，然后在該裝配語義的裝配約束中選取驅(qū)動尺寸，再通過人機(jī)交互的方法實(shí)例化補(bǔ)充表示一部分不精確的工程約束，并逐漸過渡到其他的裝配語義或零件上，最后形成一張主從動尺寸關(guān)聯(lián)網(wǎng)。該主從動尺寸關(guān)聯(lián)網(wǎng)就是最終的參數(shù)化設(shè)計(jì)模型，它包含了用戶的設(shè)計(jì)意圖，同時(shí)也為產(chǎn)品的系列化設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的支撐。

上述各子模型的關(guān)系在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案確定以后，設(shè)計(jì)流程就轉(zhuǎn)入了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此時(shí)，面向產(chǎn)品族的裝配模型開始發(fā)揮它的功能，首先起作用的是裝配骨架模型，設(shè)計(jì)人員通過搜索相關(guān)裝配語義封裝資源庫(可以把裝配語義對應(yīng)的具體結(jié)構(gòu)封裝成參數(shù)化模型)，確定關(guān)鍵的主要裝配語義，通過裝配語義將裝配特征傳遞給零件屬性模型，并對零件屬性模型中的部分裝配特征、管理信息、材料信息等進(jìn)行實(shí)例化定義；同時(shí)，設(shè)計(jì)人員還可以根據(jù)實(shí)際情況對零件進(jìn)行分層，分層信息將被記入層次信息模型中；在選定相關(guān)裝配語義過程中，設(shè)計(jì)人員還可以根據(jù)裝配語義構(gòu)造參數(shù)化模型，進(jìn)行各種實(shí)例化結(jié)果的比較，以獲得直觀形象的效果。在裝配骨架模型構(gòu)造完成以后，設(shè)計(jì)流程就轉(zhuǎn)入了零件詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。需要特別強(qiáng)調(diào)的是，最初用裝配模型來表示零件的模型，設(shè)計(jì)人員根據(jù)裝配骨架模型傳遞過來的裝配特征和裝配約束，通過人機(jī)交互，利用裝配體的操作方法，再根據(jù)實(shí)際情況完成“零件的裝配設(shè)計(jì)”。這樣做的好處是，可以實(shí)現(xiàn)自頂向下的設(shè)計(jì)方法，利用三維CAD軟件的自動維護(hù)功能，改變裝配語義的實(shí)例化參數(shù)，其對應(yīng)裝配模型及特征零件模型同步修改；而零件是由這些特征裝配而成的，也就可以實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)的自動變更維護(hù)。在零件最終定型以后再將零件裝配模型存為不能編輯的多實(shí)體零件模型或合并成為零件模型。在零件的屬性模型完成以后，設(shè)計(jì)流程就轉(zhuǎn)入了裝配模型的重建階段。設(shè)計(jì)人員根據(jù)最終的零件模型重構(gòu)裝配體，此時(shí)約束關(guān)系模型記錄重構(gòu)過程中的幾何裝配約束關(guān)系，層次模型記錄最終產(chǎn)品的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系。通過裝配骨架模型可以快速地識別裝配語義，便于模型的快速重建。最終，根據(jù)主要裝配語義構(gòu)建產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計(jì)模型，方便產(chǎn)品的變型設(shè)計(jì)和系列化設(shè)計(jì)。

微機(jī)電系統(tǒng)測試技術(shù)是微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真、制造及產(chǎn)品質(zhì)量控制和性能評價(jià)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。由于微機(jī)電系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)尺寸小、集成度高、運(yùn)動頻率高等特點(diǎn)，非光學(xué)測試方法一般都要求在被測結(jié)構(gòu)上附加相應(yīng)的傳感換能元件，這會影響微結(jié)構(gòu)的完整性和機(jī)械特性，將導(dǎo)致不可預(yù)計(jì)的測量誤差。5.7微測試概述光學(xué)測試技術(shù)具有非接觸、快速、高靈敏度、高精度、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)大視場的測量，能夠很好地滿足微機(jī)電系統(tǒng)測試的要求。目前國際上有許多研究小組正致力于微機(jī)電系統(tǒng)光學(xué)測試技術(shù)的研究，主要有：利用激光多普勒測振技術(shù)實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性測試；利用計(jì)算機(jī)視覺和頻閃成像獲得結(jié)構(gòu)的平面和離面運(yùn)動信息和失效模式；應(yīng)用顯微干涉和頻閃成像測試微機(jī)電系統(tǒng)器件的三維運(yùn)動和變形；利用電子散斑干涉技術(shù)和數(shù)字全息干涉技術(shù)分別實(shí)現(xiàn)微機(jī)電系統(tǒng)的動態(tài)測試。這里提出一種將計(jì)算機(jī)微視覺、米勞顯微相移干涉、頻閃成像和激光多普勒測振等技術(shù)充分融合的光學(xué)測試平臺，可實(shí)現(xiàn)微機(jī)電系統(tǒng)微結(jié)構(gòu)三維靜態(tài)幾何參量、周期運(yùn)動特性和瞬時(shí)運(yùn)動特性的綜合測試，為微結(jié)構(gòu)的材料和力學(xué)特性的分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。5.7.1微結(jié)構(gòu)特性的測試要求與方法

1.微結(jié)構(gòu)特性的測試要求

微結(jié)構(gòu)的特性主要包括：幾何參量、機(jī)械參量、材料特性及力學(xué)特性等，這些特性將直接影響微機(jī)電系統(tǒng)的整體性能。這里描述的微結(jié)構(gòu)特性的光學(xué)測試平臺可直接進(jìn)行微結(jié)構(gòu)平面幾何參量、平面周期運(yùn)動參量、離面幾何參量、離面周期運(yùn)動參量和離面瞬態(tài)運(yùn)動參量的測量，如果將以上測試數(shù)據(jù)與微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型結(jié)合，可進(jìn)行微結(jié)構(gòu)材料和力學(xué)相關(guān)參量的分析，實(shí)現(xiàn)間接的測量。

2.微結(jié)構(gòu)特性的測試方法

微結(jié)構(gòu)特性光學(xué)測試平臺包括靜態(tài)測試和動態(tài)測試兩部分。計(jì)算機(jī)微視覺技術(shù)可直接實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)平面幾何參量的測量，米勞顯微相移干涉技術(shù)可直接實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)離面幾何參量的測量，兩者與頻閃成像和運(yùn)動激勵(lì)同步技術(shù)結(jié)合可分別實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)平面和離面周期運(yùn)動參量的測量，激光多普勒測振技術(shù)可實(shí)現(xiàn)離面瞬態(tài)運(yùn)動參量的測量。

1)頻閃成像與運(yùn)動激勵(lì)同步技術(shù)

由于微機(jī)電系統(tǒng)微結(jié)構(gòu)幾何尺寸一般在微米級，其工作或諧振頻率一般在幾十千赫，為了獲得其高速運(yùn)動的狀態(tài)，需要在對微機(jī)電系統(tǒng)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)周期運(yùn)動激勵(lì)的同時(shí)，輸出頻閃同步信號，頻閃需要經(jīng)過若干個(gè)運(yùn)動周期的重復(fù)，以保證攝像機(jī)能夠獲得足夠成像的光強(qiáng)信息。由于頻閃脈沖非常窄，可近似認(rèn)為微結(jié)構(gòu)在頻閃時(shí)間內(nèi)的位移可忽略，即可認(rèn)為將微結(jié)構(gòu)運(yùn)動瞬間進(jìn)行“凍結(jié)”，從而可得到其高速運(yùn)動下的圖像或干涉條紋。通過調(diào)整頻閃脈沖信號和運(yùn)動激勵(lì)信號間的相對延時(shí)，就能獲得微結(jié)構(gòu)在不同相位下的運(yùn)動狀態(tài)。

2)計(jì)算機(jī)微視覺技術(shù)

利用數(shù)字圖像的邊緣檢測和亞像元定位分析技術(shù)可對微結(jié)構(gòu)的平面幾何參量進(jìn)行精密測量，這同樣也是平面運(yùn)動參量測量的基礎(chǔ)。這里介紹美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)認(rèn)證的利用平面柵格進(jìn)行視覺測試中的圖像校正和標(biāo)定。

在頻閃照明下，如前所述，可得到微結(jié)構(gòu)周期運(yùn)動的不同相位“準(zhǔn)靜態(tài)”圖像序列，對該圖像序列進(jìn)行運(yùn)動目標(biāo)跟蹤和定位就可實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動參量的測量。這里采用了塊匹配和相位相關(guān)圖像匹配方法。塊匹配采用最小平均差值函數(shù)準(zhǔn)則和對數(shù)搜索策略，具有計(jì)算量小且精度較高的特點(diǎn)；相位相關(guān)圖像匹配算法可得到一個(gè)位于兩幅圖像偏移位置處的脈沖函數(shù)，該脈沖函數(shù)可檢出最大的位移偏移量為圖像寬度的1/2，同時(shí)它對圖像灰度的變化不敏感。另外，由于相關(guān)峰值對旋轉(zhuǎn)角度非常敏感，可用于檢測微結(jié)構(gòu)平面角度的變化。

為了進(jìn)一步精確提取出位移信息，在以上圖像匹配的基礎(chǔ)上還采用基于二次曲面擬合的亞像元定位算法，可實(shí)現(xiàn)1/20像素的分辨力，在計(jì)算中則采用多變量最小二乘回歸法確定極值點(diǎn)的精確位置。

3)米勞顯微相移干涉技術(shù)

米勞顯微相移干涉技術(shù)可獲得微機(jī)電系統(tǒng)微結(jié)構(gòu)的表面形貌，結(jié)合頻閃成像和運(yùn)動激勵(lì)同步技術(shù)可獲得微機(jī)電系統(tǒng)微結(jié)構(gòu)周期運(yùn)動下各時(shí)刻的形貌變化。這里采用5步相移方法，每次相移為π/2，根據(jù)5幅相移干涉圖計(jì)算微結(jié)構(gòu)表面高度變化引起的包裹相位?？紤]到測試速度問題和得到的干涉圖像質(zhì)量較好的實(shí)際特點(diǎn)，采用了基于質(zhì)量圖導(dǎo)引的路徑跟隨算法，以獲得解包裹后的真實(shí)連續(xù)相位。

利用頻閃成像可以得到微結(jié)構(gòu)周期運(yùn)動的不同相位“準(zhǔn)靜態(tài)”表面形貌，但是該表面形貌為一相對值，為了獲得離面運(yùn)動幅度、運(yùn)動相位及變形，必須選擇運(yùn)動測量的基準(zhǔn)點(diǎn)，最直接的方式是選擇微結(jié)構(gòu)表面的靜止點(diǎn)。然而在一些測試場合下是難以選定該類靜止點(diǎn)的，因而提出沿時(shí)間軸和空間軸的雙向相位展開方法。

該方法是先提取出相同相移條件下干涉圖像序列中相同位置點(diǎn)的數(shù)據(jù)，組成一個(gè)在時(shí)間軸分布的一維數(shù)據(jù)序列，相移5步，得到5個(gè)一維數(shù)據(jù)序列，對該序列進(jìn)行上述的相位提取和解包裹，就可計(jì)