1、三维自动光学检测设备 光学系统挂架的制备及固有频率分析：.三维自动光学检测设备 光学系统挂架的制备及固有频率分析李 磊，曹东风，冀运东，刘鹏飞，谭永青，陈剑平（.武汉理工大学 材料科学与工程学院，武汉；.深圳明锐理想科技有限公司，深圳）摘要：自动光学检测（）设备是常用于检测印刷电路板（）表面焊接缺陷的仪器，光学系统挂架的振动影响其检测精度和效率。为了提高 设备精度和效率，采用碳纤维复合材料（）代替铝合金设计制作挂架，并通过 有限元软件分别对 挂架和铝合金挂架进行建模，计算其固有频率和振型。对 挂架和铝合金挂架进行敲击实验，实验结果与仿真结果基本相符，误差小于。相比于铝合金挂架，挂架的 阶固有频
2、率增加了.。最后对两种挂架进行高速成像检测实验，结果表明装备 挂架的 设备成像精度更高，稳定性更好，效率更快。关键词：碳纤维复合材料；自动光学检测；固有频率；挂架；敲击实验中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（.，；.，）：（）（），（），.，：；收稿日期：基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金（）；中央高校基本科研业务费专项资金（）；广东省先进能源科学和技术实验室佛山仙湖实验室重点基金（）作者简介：李磊（），男，硕士研究生，主要从事先进复合材料方面的研究。通讯作者：冀运东（），男，博士，副教授，主要从事复合材料结构方面的研究，.。自动光学检测技术（）是一种集成光学传感技术、运动控制技术
3、与信号处理技术的光学检测方法，具有自动化、非接触、效率高、精度高、稳定性高等优点，并且可以结合图像分析，测量物体的尺寸和相对位置。工业上常使用 设备检测印刷电路板（）的表面焊接缺陷，随着信息产业的快速发展，元器件不断向高精度、高密度和高性能的方向发展，对于 设备的检测精度和检测效率要求也不断提高，目前三维 设备是行业发展的热点，其检测精度受到机械结构和软件算法两个方面的影响。机械结构对检测精度和效率的影响主要来自外界振动激励和运行过程中光学系统挂架的结构振动。三维 设备的光学系统质量更重，对光学系统挂架的要求也随之提高。光学系统挂架目前多采用铝合金制作，密度大，阻尼损耗因子小，其固有频率会对高
4、速成像时的成 年 月复合材料科学与工程像精度和效率造成影响。碳纤维复合材料（）是以树脂为基体、碳纤维为增强体的复合材料，具有高比强度和比模量、化学性能稳定、性能可设计和易于整体成型等诸多优点，在航空航天、交通运输、建筑材料、精密机械等领域得到了较为广泛的应用。与传统的金属材料相比，界面多，阻尼损耗因子更高，拥有良好的减振性能，可以制备有减振需求的结构件。根据三维 设备光学系统挂架的减重减振需求和 的材料特性，本文设计和制作了 挂架，并采用仿真分析和实验的方法比较研究了 挂架和铝合金挂架的固有频率，最后进行高速成像检测实验，测试 挂架的成像精度。实 验.制作 挂架常见的三维 设备的光学系统挂架采
5、用铝合金制作，包括三个部件：竖直底板、调节支架和云台基板。这种分立式结构设计不适合 的成型特点，最优方案应该是实现挂架整体化，但考虑挂架形状的适应性、模具费用高等因素，本文在研究阶段沿用分立式结构设计，待分立式结构的振动特性得到验证后，再设计整体成型的模具。根据 挂架的设计要求和生产工艺要求，实验选择 的碳纤维平纹织布为增强材料，环氧树脂（）为树脂基体，固化剂为，采用真空导入工艺制作 挂架。.制作竖直底板制作 竖直底板时，裁剪的碳纤维平纹织布尺寸比实际尺寸多 。用密封胶带在光滑的玻璃板上围出矩形区域，其尺寸比碳纤维布尺寸大 以上。在矩形区域内涂 遍脱模蜡，随后铺设脱模布，其尺寸比碳纤维布尺寸大
6、 左右。将裁剪好的碳纤维平纹织布，以 的铺层方案平铺在脱模布上，厚度为 。在碳纤维布上铺设脱模布、导流网、透气毡和真空密封袋。真空导入环氧树脂，室温 固化 ，固化 。脱模，机械加工竖直底板毛坯件至要求尺寸和形状。装配光学系统挂架时，为了适应不同工况下的检测需求，竖直底板和调节支架、云台基板之间的相对位置需要灵活调控，且挂架需要和传动系统连接，采用螺栓连接方式。重要螺栓连接区域预埋金属件，其余部分嵌入金属螺套，增加各部件之间的连接刚度和强度。铝合金竖直底板和 竖直底板如图 所示。图 竖直底板.制作调节支架设计 调节支架结构时，为了增强 调节支架侧面的强度和刚度，没有如铝合金调节支架一样，在侧面设
7、计减重孔。制作 调节支架时，为了降低碳纤维复合材料各向异性对其侧面性能的影响，首先在模芯 个侧面涂 遍脱模蜡，铺上脱模布，缠绕一层连续的碳纤维平纹织布，重复缠绕至铺层厚度为 。随后将裁剪好的碳纤维平纹织布平铺在模具底部，堆叠至厚度为 ，模具如图（）所示。将缠绕好的模芯放在模具底部铺放的碳纤维布上，未接触的三面再次堆叠铺放连续的碳纤维布，厚度为 。最后按几字型铺放碳纤维布，厚度为 ，将三次铺放的碳纤维布连接起来，铺层方案如图（）所示。随后铺设脱模布、导流网、透气毡和真空密封袋。真空导入环氧树脂，常温 固化 ，固化 。脱模，机械加工调节支架毛坯件至要求尺寸和形状。最后在连接区域进行攻丝，嵌入金属螺
8、套。调节支架和铝合金调节支架如图 所示。图 制作调节支架.年第 期三维自动光学检测设备 光学系统挂架的制备及固有频率分析图 调节支架.制作云台基板制作 云台基板时，将裁剪好的碳纤维平纹织布以 的铺层方案平铺在模具加强筋凹槽内，厚度为，与凹槽顶部边缘平齐，模具如图（）所示。随后在平齐面上以同样的铺层方案铺放碳纤维布，厚度为。最后铺放 厚的碳纤维布，其长度大于第二次铺放的碳纤维布，将多余的碳纤维布弯曲，连接加强筋和第二次铺放的碳纤维布，如图（）所示。随后铺设脱模布、导流网、透气毡和真空密封袋。真空导入环氧树脂，室温 固化 ，固化 。脱模，机械加工云台基板毛坯件至要求的尺寸和形状。在连接区域进行攻丝
9、，嵌入金属螺套。云台基板和铝合金云台基板如图 所示。图 制作云台基板.图 云台基板.实验方法.质量测试采用英衡科技公司的精度为.的电子秤，检测两种挂架的竖直底板、调节支架和云台基板质量，记录结果。.固有频率仿真研究在研究机械结构的振动问题时，结构的固有频率是重要的研究参数。采用有限元仿真软件，根据两种挂架的结构尺寸进行实体建模，形成的有限元模型如图 所示。图 有限元模型.挂架使用的材料为 碳纤维平纹织布 环氧树脂（），铝合金挂架使用的材料为 铝合金，其材料参数如表 和表 所示。表 材料参数 （）表 铝合金 材料参数 （）对竖直底板、调节支架和云台基板进行装配，三个部件之间采用螺栓连接，采用 绑
10、定将竖直底板和调节支架、云台基板的有限元模型绑定在一起。挂架的模态分析类型为自由振动模态分析，均不施加约束和负载。两种挂架的单元类型保持一致，采用 节点六面体线性减缩积分单元，采取扫掠方案进行网格划分。挂架 年 月复合材料科学与工程的竖直底板单元数目为，调节支架单元数目为，云台基板单元数目为；铝合金挂架的总单元数目为 ，建立线性摄动分析步对两种挂架的前 阶固有频率和振型进行求解。.敲击实验采用锤击法对 挂架和铝合金挂架进行敲击实验。实验时，用尼龙绳将挂架悬挂于实验架上，将加速度传感器粘贴于挂架表面。在挂架上随机选取 个以上的测点进行力锤敲击，每个测点敲击 次。使用（美国国家仪器）公司的数据收集
11、设备获取加速度信号，并通过配套的数据处理软件对加速度信号进行转换处理得到挂架的固有频率，如图 所示。实验完毕后，整理实验结果，得到两种挂架的前 阶固有频率。图 挂架的某次敲击实验结果.高速成像检测实验利用深圳明锐理想科技公司生产的三维 设备，分别实验检测 挂架和铝合金挂架高速成像状况。将挂架安装在三维 设备上，实验参数设置一致，对标准测试板上的、四点进行高速成像实验。如图 所示，、两点位于测试板 轴方向的同一直线上，、两点位于测试板 轴方向的同一直线上，两点间距离固定。实验开始时，首先对测试板 轴方向上的、两点进行高速成像，在光学系统停止运动后，经过 、和 的延时进行成像，每种延时工况成像 次
12、。按照同样步骤对测试板 轴方向上的、两点进行高速成像检测实验。图 高速成像检测实验示意图.结果与讨论.质量对比质量测试的结果如表 所示，相比于铝合金挂架，挂架的竖直底板质量降低了.，云台基板质量降低了.，调节支架质量降低了.。调节支架减重效果较少的原因是：设计 调节支架时，为了保证其强度和刚度，没有设计如铝合金调节支架的减重孔。表 两种挂架的质量 竖直底板质量 调节支架质量 云台基板质量 挂架总质量 铝合金 固有频率是结构的一种固有属性，其计算公式为：（）式中：为结构的固有频率；为结构的刚度；为结构的质量。可以看出固有频率仅与结构的刚度 和质量 有关。若结构的刚度下降，固有频率也会下降；结构的
13、质量降低，固有频率便会提高。挂架总质量相比铝合金挂架降低了.，这不仅会提高其固有频率，还会降低光学系统停止运动后由挂架的惯性振动造成的成像精度误差，以及减轻丝杠传动系统的承载，减少其竖直方向的变形，降低对光学系统的成像精度影响。.固有频率分析表 为两种挂架的仿真计算和敲击实验获得的前 阶固有频率。低阶固有频率更容易被外界振动激励（建筑物振动）影响，相比于铝合金挂架，年第 期三维自动光学检测设备 光学系统挂架的制备及固有频率分析挂架的 阶固有频率增加了.，有利于减弱外界振动对成像精度的影响。挂架的仿真结果和敲击实验结果的 阶固有频率误差为.，阶固有频率误差为.，阶固有频率误差为.，阶固有频率误差
14、为.。铝合金挂架的仿真结果和敲击实验结果的 阶固有频率误差为.，阶固有频率误差为.，阶固有频率误差为.，阶固有频率误差为.。敲击实验结果与仿真计算结果的误差在可接受的范围内，这表明仿真结果可靠，可以为 挂架的结构优化进行指导预测，为 挂架在约束状态下的减振性能提供参考。表 两种挂架的固有频率 固有频率阶次 挂架固有频率 仿真实验铝合金挂架固有频率 仿真实验 阶 阶 阶 阶 自由振动的模态分析不用考虑阻尼效应和外力的影响，其动力学控制方程表示为：（）该方程有非零解的条件是：（）式中：为结构位移；为结构加速度；为结构的刚度；为结构的质量；为该矩阵的特征值，即固有频率；特征向量为振型，表示结构在以固
15、有频率振动时所具有的振动形态。可以看出，振型和固有频率一样，是结构的固有属性，只与结构刚度 和质量 有关，与外界激励无关，且每阶固有频率都有其对应的振型。分析结构振型，可以找出结构的薄弱部分并进行改进优化。两种挂架的有限元自由振动模态分析得到的前 阶振型如图 和图 所示，挂架和铝合金挂架的 阶振型基本相同，阶振型方向相反，阶振型和 阶振型存在差异。两种挂架的振型差异主要体现为竖直底板和云台基板的变形差异。云台基板在 阶振型即发生轻微扭转，铝合金云台基板在 阶振型才发生扭转变形，这是因为铝合金云台基板在竖直方向上的刚度要强于，且 云台基板成型后，机加工破坏了碳纤维的连续性，导致其刚度降低。竖直底
16、板在 阶振型基本不变，铝合金竖直底板在 阶振型基本不变，这是因为 竖直底板的刚度强于铝合金竖直底板。此外，两种挂架的调节支架变形均较小，后续可以通过提高竖直底板和云台基板的刚度来提高挂架的整体刚度。图 挂架前四阶振型.图 铝合金挂架前四阶振型.高速成像检测实验分析采用高速成像结果与基准差异数据分布的标准差判断机器的成像精度及稳定性，是 设备行业的常用方法。根据光学系统在经过 、和 的延时成像后，与标准测试板、四点的坐标位置偏差，计算成像误差的标准差，单位为像素，结果如图 所示。年 月复合材料科学与工程图 两种挂架的成像误差标准差.标准差是反映一组数据离散程度最常用的一种量化形式，是表示精密度的重要指标。两种挂架的高速成像结果误差的离散程度可以通过标准差进行直观的反映，即成像误差的标准差可以表征挂架的减振性能差异。由图 可知，挂架的成像误差标准差整体低于铝合金挂架。光学系统在 点处延时 成像，挂架和铝合金挂架的成像误差标准差的差距最大，为.像素；延时 成像时，挂架和铝合金挂架的成像误差标准差的差距最小，为.像素。光学系统在 点处延时 成像，两种挂架的成像误差标准差的差距最大，为.像素；延
