基于局部扫描的实时反馈纳米操作系统

由于压电陶瓷机构的非线性及系统温度漂移等因素使AFM探针难以精确定位到被操作物体,从而导致跳针或滑落现象,阻碍了AFM纳米操作的发展.为了解决该问题,提出了基于局部扫描的实时反馈纳米操作系统.系统以样品表面的纳米颗粒作为路标并对其进行持续观测,解决了系统温漂引起的探针定位误差问题,提高了探针的定位精度;在纳米操作过程中采用局部扫描策略,通过对操作后的结果进行快速扫描,实现了实时反馈纳米操作系统.实验结果验证了该纳米操作实时反馈系统在大温漂条件下操作的有效性.     

AFM制备纳米氧化点的研究

结合压力传感器氧化绝缘纳米结构的制作,研究了基于AFM的纳米阳极氧化加工过程中偏置电压与环境温度、湿度等对氧化点尺寸的影响。实验结果表明,氧化点的尺寸随偏置电压和环境湿度的增大而增大,但过高的偏置电压和环境温度将会造成氧化点表面产生台阶现象;环境温度22℃,偏置电压8V,环境湿度50％,氧化时间8s,对于n型Si（100）的氧化加工而言是相对合适的加工参数。     

新型原子力显微镜及其在多孔氧化铝抗腐蚀研究中的应用

本文介绍研制的新型卧式AFM的工作原理、简要结构、控制电路系统以及Windows/Dos兼容的图像扫描和图像处理软件系统,该AFM系统具有良好的图像重复性、稳定性和对比度,仪器的分辨率优于1 nm, 扫描范围从100 nm×100 nm到5 μm× 5 μm.本文同时讨论该AFM在铝的阳极氧化抗腐蚀处理过程研究中的应用.我们首次利用AFM对铝的阳极氧化及多孔氧化铝的水封处理全过程进行了扫描检测.实验表明,经过水封处理后的多孔氧化铝结构致密、均匀,具有理想的抗腐蚀性能.     

基于BP网络的智能控制器在AFM中的应用研究

原子力显微镜(AFM)作为纳米领域重要的研究工具之一,始终起着举足轻重的作用。目前商用的AFM控制系统一般采用PID控制算法实现对压电陶瓷驱动器的精密控制。但是压电陶瓷具有复杂的非线性特性,传统的PID控制器难以实现精密控制,不仅影响AFM的扫描速度,也影响其测试精度。基于目前AFM控制系统的分析研究,将常规的PID算法通过引入BP网络进行优化,应用于原子力显微镜控制系统中可以使AFM获得自学习的能力,从而增强其系统的实时性以及精确性。用Simulink结合系统函数(S-function)实现了AFM在接触以及轻敲两种工作模式下的过程仿真,为其研究提供方便快捷的第一手资料,并基于此构建了AFM系统的仿真平台,并在该平台上对改进后的PID算法进行了验证,最后通过自制单探针系统进行扫描实验。     

阳极氧化法改善钛表面的生物活性和生物相容性

采用阳极氧化法在钛金属表面成功制备了均匀的纳米结构,生成的纳米管内径约70 nm,壁厚20 nm,管长200 nm.通过模拟体液浸泡实验对植入体的生物活性进行了评价,并通过体外细胞培养实验对生物相容性进行了评价.结果表明:经模拟体液浸泡4周后,阳极氧化处理后的钛表面可诱导磷灰石生成,而仅经过机械打磨的钛金属表面不能.细胞培养实验表明,阳极氧化处理后的钛相较于未处理的钛,有利于细胞在其表面粘附和增殖.基于上述研究结果可知:阳极氧化处理后的钛表面,提高了表面的粗糙度和亲水性,从而改善了钛的生物活性和生物相容性.     

电解液温度对TiO_2纳米管阵列结构和光催化性能的影响

在有机溶剂(NH4F+水+丙三醇)体系电解液中,采用电化学阳极氧化法在钛片表面制备了高度有序的TiO_2纳米管阵列,主要研究了电解液温度和阳极氧化时间对TiO_2纳米管结构和表面形貌的影响,观察到TiO_2纳米管的形貌,包括内径、壁厚和长度,随实验条件呈现规律性改变。所得的TiO_2纳米管阵列在450℃退火后可得到锐钛矿相。随着阳极氧化电解液温度的升高,TiO_2纳米管阵列的结晶度有所提高。通过在紫外光的照射下降解亚甲基蓝水溶液评价其光催化活性,分析了制备条件对TiO_2纳米管阵列的光催化性能的影响,得出材料形貌是否规整是影响光催化性能的重要因素。     

蜂窝状二氧化钛纳米管阵列的制备及光催化性能

采用二次阳极氧化法,在钛基体上制得蜂窝状整齐有序的TiO2纳米管阵列,借助FESEM、XRD等进行表面形貌和结构晶型的表征和分析,通过对甲基橙的降解检测TiO2纳米管阵列的光催化活性.结果表明:可以通过改变二次阳极氧化的电压有效控制TiO2纳米管阵列结构的参数,氧化电压为20~50V时,下层TiO2纳米管管径为30~80nm、管壁为12~30nm.TiO2纳米管阵列的光催化活性与其形貌有关,蜂窝状TiO2纳米管阵列的光催化效率明显高于一次阳极氧化制得的TiO2纳米管(1.87倍).     

硬质阳极氧化制备多孔疏水膜

采用硬质阳极氧化技术在铝合金表面制备了微米多孔多级复合结构氧化膜层,研究了多孔结构膜层疏水特性。通过电子显微镜和接触角测量仪分析发现,不同孔结构参数具有不同接触角疏水特性。当获得致密、更小尺度的多级微孔结构时,可以增加表面空气在三相界面中所占的比重,在不进行低能材料修饰情况下,使其表面静态水接触角增加,最大可达到130 o,该结果可以为阳极氧化工业应用提供一定实验参考。     

适用于微传感器的纳米多孔铝膜的制备研究

在单晶硅表面溅射铝,采用两步阳极氧化法制备纳米多孔铝膜。研究了电解液种类、阳极氧化时间、扩孔时间对孔的结构与形貌的影响。结果表明,与硫酸和磷酸相比,草酸是制备纳米孔阵列的相对方便与可靠的电解液;第二步阳极氧化时间对孔的均匀性及孔深度影响较大,对平均孔径的影响较小;扩孔时间的长短对孔径大小及孔的均匀性均影响显著。     

ZL101铝合金表面复合防护膜制备及膜层结构研究

采用阳极氧化和稀土沉积相结合的方法在ZL101铝合金表面制备复合防护膜,确定复合膜的成膜工艺。用表面分析技术对复合膜的结构形貌进行研究,结果表明,复合膜由阳极氧化膜和稀土沉积膜共同构成,且纳米级的稀土颗粒完全封闭了氧化膜的多孔结构,两者在ZL101表面形成完整的复合防护层。     

利用AFM对单晶硅表面加工化学反应理论分析

以原子力显微镜为工具,在空气条件下对单晶硅片表面加工得到下凹的三维微结构。给出了AFM金刚石针尖在对单晶硅的微加工中的化学反应和加工模型。对加工条件下发生的化学反应及其原理进行了理论分析。用化学热力学定律、化学动力学原理和相关的热力学数据自由能、生成热、化学键能、活化能等分析加工过程中发生的反应是空气中O2与单晶硅Si反应生成二氧化硅的过程;金刚石针尖磨损发生的反应主要是空气中O2与金刚石针尖C反应生成CO2的过程。     

软性磨粒流加工方法及近壁区域特性

为了解决模具细微结构化表面难以光整加工的问题,提出固 液两相软性磨粒流（SAF）无工具精密加工方法.通过为结构化表面配以约束模块,以构建磨粒流湍流流道,利用软性磨粒流与被加工表面的“无缝”接触特性及壁面效应,实现模具表面的无工具无死角光整加工.以Nikuradse实验方法为理论依据,分析软性磨粒流中固体相在近壁区的运动学和力学特性,得到适用于软性磨粒流加工的摩擦系数公式.采用标准k-ε模型和欧拉多相流模型对软性磨粒流进行数学描述;利用压力耦合方程的半隐相容(SIMPLEC)算法,对不同入口速度时流道内的固体相压力分布进行数值分析研究.数值模拟结果表明,软性磨粒流固体相的压力衰减程度与入口速度成反比,并且固体相在流道内的运动轨迹呈无序状态.利用动态分析三维显示系统对流道内的颗粒运动轨迹进行实验研究.结果显示,固体颗粒运动轨迹呈无序漩涡状,符合湍流形态的运动规律.搭建软性磨粒流加工平台并进行加工实验.实验结果表明,采用软性磨粒流的加工方法能够使工件表面粗糙度达到61.8 nm.     

大型复杂机电加工系统缓冲阻尼动力学性能分析

针对当前方法缓冲阻尼动力学性能分析的准确率较低的问题,提出大型复杂机电加工系统缓冲阻尼动力学性能分析方法.分析了大型复杂机电加工系统的组成和运动方程,研究了机电加工系统的运动学和动力学特征,并根据虚功率原理和达朗贝尔原理得到机电加工系统丝母转速与捕获环平动速度之间的关系式,推导出机电加工系统的动力学方程和运动约束方程.结果表明,所提方法可以有效、准确分析出机电加工系统的缓冲阻尼动力学性能,具有较强的实际应用性.     

面向数控机床运行状态的切削稳定性预测研究

切削加工过程中出现的颤振失稳现象,是限制机床加工质量和加工效率的主要因素。传统切削稳定性预测模型大多基于机床静止状态下的动力学特性,并采用恒定的切削力系数表征不同的切削条件。但在加工过程中,系统动力学特性和切削力系数会随着主轴转速等影响因素而变化,导致预测的切削稳定性叶瓣图在实际工程运用中出现偏差。针对机床运行状态下切削稳定性的准确预测问题,提出一种切削稳定性叶瓣图修正方法。该方法以刀具系统动力学特性与切削力系数为研究对象,首先建立主轴转速样本信息,将考虑转速效应的主轴轴承运行刚度写入机床有限元模型中,获取刀尖频率响应函数及其对应的各阶模态参数,以此结合模态拟合法和插值算法重构任意转速下的刀尖频响函数,同时以各切削参数为变量构建切削力系数响应面预测模型,进而将与转速对应的刀尖频率响应函数和不同切削条件下的切削力系数作为传统切削稳定性预测模型的输入,并通过结合自适应粒子群算法共同求解各转速下的极限切削深度,从而在全转速范围内绘制切削稳定性叶瓣图。将该方法应用于1台3轴立式加工中心的实际工序中,采用多组预测的无颤振切削参数进行切削实验,并通过切削力信号的频谱分析判定切削过程中未出现颤振,验证了稳定性叶瓣图修正方法的有效性,为无颤振切削参数的合理选择奠定了技术支持。     

航空复杂曲面加工精度预测及影响因素分析

在综合考虑机床动静态因素的基础上, 建立了各运动轴伺服运动模型和多体联动模型, 给出了刀具的实际运动位置和姿态, 基于包络理论求解了零件实际铣削成形点、线和层面, 采用曲面造型方法构建出零件型面的综合误差. 以复杂非可展曲面——"S"试件为例, 进行了加工误差的预测和分析, 给出了位置环、速度环等机床重要参数对工件铣削精度的影响, 并通过切削试验后的数据回归分析予以验证. 该平台的搭建为实现航空关键零件加工精度预测提供了技术支撑, 依据计算结果可实时调整机床的动态参数, 评估机床的加工状态.     

Research on CNC Turning System of Aspheric Machining Grinding Wheel

The technology of machining aspheric surface with high precision is the premise for the application of aspheric surface. The grinding machining with error compensation is a commonly used method to machine aspheric surface, which will directly influence the quality of aspheric workpiece surface. Multifunctional CNC grinding wheel truing system is a four-axis CNC truing system which can be applied to grinding wheel truing. In this system,DSP-based multi-axes motion control card is adopted as the controller, and visual C is used as development tool.When the design of hardware and software is completed, the system can implement truing of various grinding wheel with high precision aspheric machining such as plane gripding wheel, arc grinding one, and sphere grinding one.     

Mobile-robotic machining for large complex components: A review study

Even though the robotic machining has achieved great success in machining of small components, it lacks the competence to machine large complex components, such as wind turbine blade, train carriage, and aircraft wing. In order to cope with this issue,the mobile machining robot system, which consists of a robot arm integrated with a mobile platform, is proposed to achieve the large workspace and high dexterity, and thus has the potential to machine the large complex components. However, due to the limitation of motion accuracy and structural stiffness, the current mobile-robots are hard to satisfy the high precision requirement of machining tasks. In this paper, some historical mobile-robotic machining systems are reviewed firstly, followed by some key techniques related to structure optimization, dynamics of the machining process, localization, and control techniques, which are fundamental for the structural stiffness and motion accuracy of mobile-robots. Finally, the prospect of mobile-robotic machining and the open questions are addressed.     

超高速磨削实验台主轴系统的精密调整

简述了超高速磨削的概况。对自行研制的超高速实验磨床的主轴径向间隙与轴向间隙、主轴加工精度和表面粗糙度以及轴承供油系统进行了合理的调整。适当加大轴向间隙和径向间隙,且后轴承径向间隙略大于前轴承径向间隙,可保证主轴在超高速运转时正常工作,减少振动,防止抱轴。采用工艺轴刮研轴承获得均匀的径向间隙。超高速磨床主轴与动静压轴承之间相对滑动速度较高,选用粘度较小的L-FD2主轴油,可使主轴得到良好的润滑,减少发热量。提高主轴的加工精度和降低表面粗糙度,可提高主轴的旋转精度和减少主轴的磨损。试验证明合理的选择主轴径向间隙和轴向间隙是改装超高速磨床的关键技术之一。     

优控主轴转速系统极限切削深度

对优控主轴转速系统的极限切削深度进行了试验考证。考证结果表明 :与未控主轴转速系统相比 ,优控主轴转速系统的极限切削深度明显提高 ,利用主轴转速寻优控制方法可以大幅度提高机床的切削效率。     

Micro contact and stick-slip number between AFM probe tip and sample surface

Atomic force microscope (AFM) has become a main instrument in characterization of micro topography and micro tribology of surfaces. Under its contact mode, AFM probe tip slides on the surface in the direction perpendicular to its longitudinal axis to get topography and lateral force images simultaneously. During the scanning, the AFM tip is loaded by both a normal force and a lateral force, which make the probe bend and twist. In their pioneering work, Mate et al.[1] used AFM to measure m…