针对目前用于原子力显微镜的扫描定位平台带宽低、行程小、耦合性能差等问题, 提出了一种基于柔性梁的高带宽两自由度精密定位平台并对该平台进行了优化设计、仿真验证与实验分析。首先, 提出了以双端固定梁与平行杂交梁为基础的并联柔顺平台, 分别运用卡式第二定理和拉格朗日方程建立了平台刚度和固有频率的数学模型; 然后, 通过最优化理论获取了平台的最高固有频率及最优设计尺寸, 并运用有限元方法验证了优化结果的可靠性; 最后, 搭建了实验系统, 对平台进行了实验研究。实验结果表明: 所设计平台的最大行程为12.950 μm×13.517 μm, 耦合误差小于1.77%, X, Y方向的固有频率分别为12.21和13.50 kHz, 在开环条件下可良好地追踪频率小于1 kHz的三角波, 有效改善了传统扫描定位平台响应慢、行程小、耦合性能差等问题。

针对异形件曲面弧度的测量问题, 提出了一种基于单目视觉的曲面弧度测量方法.首先, 用基于三色LED环形光源和CCD彩色相机组成的单目视觉系统采集单张包含被测曲面表面特性的彩色图像; 其次, 分析该图像的彩色分布特征、灰度变化规律和相邻区域特征的相关性, 设计分割方法, 完成目标曲面的分割; 然后, 基于单目视觉系统成像模型, 结合材质与实验环境相关参量, 推导出被测表面高度计算方程; 最后, 解出相邻像素点间的高度累加分量, 进而还原被测点的高度, 在此基础上, 建立曲面弧度测量模型并完成曲面弧度测量.分别对3D打印曲面样品、螺钉螺纹、SIM卡槽进行了曲面弧度测量实验, 与激光三角法测量结果对比, 所提方法误差小于±3.6%, 测量准确度为0.000 1 rad, 曲面弧度测量时长小于0.6 s.实验结果表明, 该方法对测量物体边缘、高度突变, 高度渐变等类型的曲面都具有良好的适应性, 在实现较高准确度测量的同时, 具有较快的测量速度.

微视觉系统中同轴光源和光学衍射的存在, 使CCD相机获取的图像具有灰度值偏低、光照不均匀、动态范围大、对比度差以及微细结构丢失或无法辨识的缺陷。为改善图像质量, 本文提出一种升余弦变增益子带分解微视觉图像自适应增强方法。该算法首先基于图像特性利用自适应Log增益对原图像进行增强, 提高微视觉图像中亮暗区细节特征与背景的对比度; 接着使用自适应升余弦卷积进行快速照度估计; 然后对各通道的输出图像采用自适应变增益子带分解算法获取独立光谱子带; 最后进行亮度校正、图像融合与色彩恢复。将该算法用于微位移测量系统中可使测量结果的相对误差小于20%; 用于处理光照不均的图像可有效降低同轴光源靠近中心区域的亮度; 此外, 扩展至普通图像的处理中可提高对比度, 改善细节特征。3组实验结果的平均图像质量相对提高率为81.46%, 71.18%和93.75%; 平均耗时为386 s, 0.24 s和1.27 s。

由于接近光学衍射极限, 微米尺度线条纹在经过高倍显微镜放大成像后边缘通常都很模糊, 加上同轴光源产生的光照不均匀现象, 成像质量通常很差。为了有效测量微米尺度线条纹间距, 本文提出了一种针对光学显微线条纹图像的中心线提取算法。首先, 采用Retinex方法对原图像进行增强, 以克服由光照不均匀所造成的无法准确分割的问题。接着, 使用Ostu最佳阈值对图像进行二值分割。然后, 针对分割后条纹边缘含有大量毛刺和凹陷的现象, 使用基于快速步进算法的边缘塌陷法对中心线进行准确提取。最后, 对提取中心线进行了最小二乘拟合。实验结果表明: 本文提出的方法可以有效实现微米尺度线条纹光学显微图像中心线的准确提取。使用本方法对标准宽度线条纹间距进行实测的最大测量偏差小于2%。

采用新型高精度类V型柔性铰链设计了柔性微位移放大机构,以减小该类机构的寄生运动并提高其动力学性能。对类V型柔性铰链与最常见的高精度直圆型柔性铰链的性能进行了比较; 在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上, 基于弹性力学和材料力学理论推导了基于类V型柔性铰链和基于直圆型柔性铰链的两类二级杠杆式微位移放大机构的放大比。采用ANSYS软件, 建立了放大机构的有限元模型, 验证了位移放大比的理论推导, 并对上述两类放大机构的位移放大比、寄生运动和固有频率进行了仿真和比较。有限元分析结果显示: 基于类V型柔性铰链的放大机构有着更小的寄生运动和更高的固有频率, 且前2阶固有频率分别是基于直圆型柔性铰链放大机构的1.68倍和1.41倍。最后, 采用微视觉测量系统测量了两类放大机构的位移放大比和寄生运动。结果表明: 基于类V型和直圆型柔性铰链放大机构的放大比和相对寄生运动比分别为4.387、4.529和0.314 7、0.334 2, 显示类V型柔性铰链用于微位移放大机构可有效减小寄生运动并提高动力学性能。

针对现有棋盘格角点自动提取算法鲁棒性不足的缺点，提出了使用直线检测算法（LSD）来进行角点的自动提取。首先，使用LSD算法对标定图像进行处理，得出包含棋盘格子边缘的所有直线，并分别对所得直线的长度和角度进行伪排序以去除伪格子边缘。然后，对剩余直线的边缘端点进行近邻合并，得到角点的初始坐标并进行亚像素优化。最后，使用能量法对角点进行棋盘格结构复原与排序。实验结果显示：该方法可以正确提取含有阴影和噪声的玻璃材质标定板图像中的角点。与改进的Harris方法的角点坐标提取精度对比试验得到其最大偏差小于0.2 pixel，平均偏差小于0.15 pixel， 表明该方法具有较高的鲁棒性且定位精度与改进的Harris方法相当，可用于工程实际中环境光源变化较大的场合。

为了在简化计算的同时达到较高的定位精度, 提出一种轴向邻域和差边缘检测算法, 用于低信噪比、缓慢过渡的微结构显微图像的边缘检测。首先, 结合显微图像采集系统的配置, 分析了线纹显微图像边缘灰度轮廓特征和基于导数的边缘检测算法的不足。然后, 基于方向信息测度, 定义了轴向邻域和差运算, 依据矩不变理论推导出轴向邻域和差边缘检测算法。实验结果表明: 轴向邻域和差边缘检测算法能够适应不同分辨率的显微图像, 具有较强的抗噪能力和较高的定位精度, 边缘检测效果优于基于导数的算法。该算法用于显微图像时, 其边缘坐标定位方差为0.57 pixel, 微米级线条宽度的测量结果与扫描电子显微镜的测量结果(1.35 μm)相差0.17 μm, 基本满足了测量精度的要求。

为了提高全自动视觉印刷设备的精度, 提出了一种简易、有效标定基于三自由度平面并联调整台的视觉丝网印刷设备的算法。首先, 分析和标定了视觉测量系统, 并通过激光干涉仪验证了结果的准确性。然后, 分析了三自由度平面并联调整台的几何参数误差; 基于印刷设备自身的视觉测量系统, 分步标定了并联平台的动平台坐标系、传动比误差和仅需的部分几何误差源。提出了一种满足全姿态且适应不同制程的三角形面姿态插值方法和纠偏调整算法, 从而避免了较为复杂的几何全参数辨识, 降低了对调试人员的技术要求。实验结果表明: 在并联调整台工作空间内, 标定后的最大位置误差从标定前的161.6 μm下降为12.3 μm, 最大姿态误差从标定前的2.232″下降为0.720″, 基本满足印刷设备对精度的要求。

提出一种基于机器视觉的单相机大幅面陶瓷地砖尺寸高精度测量方法。设计一种由多个反射镜组成反射光路的光学系统。该光学系统采用单个相机采集陶瓷地砖4个角的图像，而不是整幅图像，避免了采用多个相机采集测量图像导致不同步的问题，提高了测量精度。提出一种基于边界搜索拟合和动态补偿的瓷砖测量算法。在该算法中，考虑实际生产中瓷砖的偏移和旋转，利用采集的瓷砖4个角图像，通过对图像进行边界搜索和测量尺寸动态补偿，获取陶瓷地砖高精度的对角线和边长尺寸。设计的系统用于测量600 mm×600 mm及800 mm×800 mm瓷砖的对角线和边长尺寸时，其标准差均小于0.02 mm，重复性精度接近0.06 mm。实验结果表明，该测量系统能够在高档陶瓷地砖生产企业得到广泛的应用。

为了实现3-RRR柔顺并联精密定位平台的精确运动, 研究了它的封闭形式精确运动模型和尺寸优化设计。采用卡氏第二定理建立精密定位平台的封闭式柔度模型。根据柔顺并联机构的结构特点, 将其划分为3个对称分布的运动支链, 并结合铰链的柔度模型和机构力传递关系分别推导出各个支链的刚度模型, 整个系统的刚度为所有支链在同一坐标系下的刚度的叠加。建立的刚度模型是以柔性铰链的柔度为变量的封闭形式模型。根据柔度矩阵可得到反映输入位移和输出位移之间关系的雅可比矩阵。理论模型与有限元分析的比较结果显示, 两者所得的运动模型误差为1.0%～9.5%, 证明了所推导运动模型的正确性和精确性。根据雅可比矩阵的封闭公式, 分析其对结构参数的灵敏度, 并由此选出对平台运动特性影响较大的优化设计变量。提出以最大化平台工作空间为目标, 以铰链强度、最大输入力、几何尺寸和输入耦合为约束的优化模型。结果表明, 优化后的结构参数能获得更大的输出位移, 说明该方案能满足优化设计要求。