基于刚度轴偏角预估机制的 MEMS 多环谐振陀螺全闭环控制方法

针对微机电系统多环谐振陀螺正交闭环回路存在控制误差问题,提出一种基于刚度轴偏角预估机制的多环陀螺全闭环控制方法。该方法通过对微机电系统多环谐振陀螺刚度轴偏角预估,实现正交闭环回路参数自动优化调整。同时,提出了基于刚度轴偏角预估机制的全数字化闭环控制方法,实现微机电系统多环谐振陀螺的驱动、检测、正交、模态匹配环路的全闭环控制。该方法可提升正交闭环回路信噪比,增强陀螺正交漂移的抑制能力,降低陀螺零偏输出,改善陀螺的零偏不稳定性。实验结果表明,采用本文提出的基于刚度轴偏角预估机制的全闭环控制方法后,微机电系统多环谐振陀螺的零偏输出由0.201°/s降低为0.021 3°/s,零偏不稳定性由39.42°/h降低为1.237°/h,分别降低了9.44倍和31.86倍,验证了该方法对提升微机电系统多环谐振陀螺仪性能的有效性。     

芯片粘接对MEMS结构稳定性的影响

由可动结构组成的MEMS器件容易受到封装工艺引入的热失配应力的影响。这种影响不仅会改变器件性能,还会影响其可靠性。从MEMS结构稳定性角度研究封装效应,阐明封装可能彻底改变MEMS的结构稳定性状态,产生屈曲、黏附等可靠性问题。在传统结构黏附模型上,分析了屈曲梁的振动特性和黏附行为。通过表面加工多晶硅梁结构的实验,结合理论模型证明,常规芯片粘接工艺会在梁结构中引入显著压应力,完全改变器件的稳定性状态,并使谐振频率和接触电阻这两个参数发生显著变化。     

用于多频振动的MEMS复合式能量采集器的设计

设计、模拟了一款用于多频振动的MEMS复合式能量采集器,提出了一种新颖的能量采集结构,即将压电式悬臂梁和可变电容器结合起来用于多频振动能量的采集。在建立多频振动能量采集系统分析模型的基础上,使用MatLab/SIMULINK的数值模拟,预测了功率输出。模拟结果显示,该结构可在630~655 Hz有效工作,在负载为50 kΩ时,输出功率可达13.46 μW。基于这个结果,给出了一个优化设计方案,同时为了防止结构失效,对结构进行了有限元仿真分析。仿真分析结果显示了良好的预期性能,说明了该设计指导思想的合理性和先进性。     

数控机床通用空间几何误差建模方法与精密加工指令的生成技术研究

中低档数控机床在我国应用极其广泛,几何误差是影响该类机床的主要因素,约占机床总体误差的70％左右。本文应用多体系统运动学理论,依据双分支,11个自由体的结构,建立了概括所有可能出现的五轴以下数控结构形式的通用几何误差分析模型及精密数控指令求解方法,并在三坐标立式龙门加工中心上进行了实验验证。本文的研究方法,对误差补偿技术的普及和推广具有积极的意义。     

光学加工中高频误差对环围能量比的影响

以大型光学系统主镜为研究对象,根据光学镜面面形误差近似为高斯平稳随机过程特征,根据全频段面形误差对光强分布和环围能量比FEE的影响,建立了光学镜面中高频误差与FEE之间的数学关系模型,进行了仿真分析并利用实际面形误差数据进行了验证。研究表明,环围能量比FEE随着中高频误差GRMS的增加近似呈指数规律衰减,同时各频段误差将无误差时对应的光强分布边缘部分能量转移到光强分布的中心以及更宽范围,并且随着中高频误差的增大,能量转移曲线出现反复振荡。在特定光学口径下,中高频误差GRMS值分别小于12nm/mm以及30nm/mm时,可使得中高频误差对FEE的影响均小于5%,能够用于控制中高频误差对FEE的影响,为中高频误差的进一步修形提供理论支持。     

叶片加工误差对压气机性能影响研究综述

叶轮叶片在实际加工过程中会难免出现误差,从而导致实际叶轮与理论设计叶轮产生性能差异。基于叶轮叶片轮廓度及粗糙度加工误差,研究不同类型误差对压气机性能影响。首先,分析不同轮廓度偏差形态对压气机性能影响,以及不确定性分析、低速模拟等各种研究方法探究,实现加工误差对压气机性能影响的真实判断,并指出局部轮廓度加工误差,需特别关注叶轮叶片前缘部分对压气机性能影响。其次,叶片表面粗糙度误差则需根据实际设计情况、加工成本确定精度范围。综合考虑各种影响因素,而后在设计过程中,使用误差补偿技术有意识调整,从而降低加工误差对压气机性能的影响。     

多轴激光加工机器人光路几何误差建模方法研究

本文提出了一种激光光路几何精度建模的方法,用于多轴激光加工机器人光路几何误差的建模。在每个反射镜上定义一个与其固连的笛卡尔坐标系,用齐次列阵表示激光光路特征点(光源、入射点和激光光线末端点)和光线矢量在坐标系中的位置坐标和姿态方位,将激光光束在理想条件下和实际条件下的传输过程用4×4阶齐次方阵运算来实现,在此基础上提出光线几何误差反射传递函数,清楚地反映了各误差源对末端误差的影响情况,从而完整的描述了光束在传输过程中的实际误差。本文以五轴数控激光加工机器人为例,建立其光路传输路径和几何误差模型,试验结果表明了该方法的有效性。     

微半球振动陀螺的装配误差分析与精密微调机构设计

分析了微半球振动陀螺的装配误差形成机理,对装配精度要求进行了计算。在微半球结构锚点直径为1 mm的情况下,要保证装配间隙均匀度小于10%,锚点面的高度偏差需要小于0.1μm。通过数值计算和有限元模型,分别研究了装配误差对电极驱动能力、静态检测电容、静电刚度调节能力,以及1阶模态振型的影响。计算结果表明,电极间隙不均匀对检测、驱动和静电刚度修调能力的影响分别呈1、2、3次方关系,同时会引起微幅的结构偏摆。为提升电极装配间隙均匀性,设计了一种基于柔性缩小单元的微位移调节机构。该机构利用螺旋调节旋钮和柔性垫块,使石英玻璃基底产生2自由度微幅摆动,从而实现较高精度的装配。测试结果表明,微半球振动陀螺装配后平均电容误差约为30%～40%,但引入了较大的寄生电容,消除该影响后,电容平均误差为12%。     

板壳零件加工与装配误差对机器结构振动和噪声的影响

通过实验研究着重分析了板壳零件的尺寸误差、表面粗糙度及装配精度等对机械结构的振动、噪声的影响，并得出了一些具有实际价值的结论。     

工艺系统受力变形对加工误差影响仿真分析

研究了工艺系统受力变形对加工误差的影响,论述了影响工艺系统受力变形的因素和规律,分析了常见加工方法工艺系统受力变形状态,建立了与其对应的数学模型。通过对工艺系统各有关部件变形进行分解,更好地显示了加工过程中机床、刀具和工件的实时位置,为工艺过程控制提供了分析平台。仿真分析表明,加工方法、进给运动方式、工件和刀杆装夹方式、工件和刀杆形状尺寸、切削力大小和位置以及各薄弱环节部件的刚度均对工艺系统受力变形有很大影响,从而使被加工工件产生加工误差。     

波箔片制造误差对径向波箔轴承静刚度的影响

为探究制造误差对径向波箔轴承的影响,基于Timoshenko梁单元建立波箔片变形的简化模型,基于ABAQUS建立波箔片的实体模型,并对比2种模型下波箔片的静刚度。结果显示,Timoshenko梁模型和实体模型的波箔片静刚度曲线较为吻合,且均呈线性变化。建立径向波箔轴承的实体模型,对轴颈进行位移加载,分析轴承的静刚度特性。结果显示,在考虑摩擦时,轴承的静刚度存在明显的滞回特性。设计存在2种不同误差类型的径向波箔轴承,并对其静刚度特性进行分析,发现波高误差对静刚度的影响大于波距误差,且控制起主要支承作用的波纹的波高误差能够有效降低制造误差对径向波箔轴承静刚度的影响。     

MEMS中基于制造工艺的多层材料结构分析

在 MEMS中,由于制造工艺的不同,形成了不同的多层材料结构.因此,在MEMS设计中必须针对多层材料结构形式进行分析.同时,由于它们的功能要求差异和使用环境的不同,必须对其进行必要的结构分析,以最佳的结构性能,最低的制造成本满足使用要求.文中提出MEMS中基于制造工艺的多层材料结构分析的方法.并应用该方法针对加速度微阵列式传感器进行结构分析计算,设计并制造了式样.在ENDVCO2270设备上进行测试,获得62500g的加速度测试值.     

微机械压力传感器结构稳健优化与实验研究

以一种液压用微机械压力传感器为研究对象,在分析其结构和工作原理基础上,提出了固有频率对加工误差的灵敏度分析方法,得到了对微机械压力传感器固有频率影响较大的尺寸参数,为后续优化和实际加工提供了可控参考.为提高微机械压力传感器的加工稳定性和性能指标,进行了微机械压力传感器结构稳健优化设计,推导了稳健性能约束条件,提出了设计变量、目标函数、尺寸约束条件和模态性能约束条件,建立了微机械压力传感器结构稳健优化的数学模型.稳健优化结果表明,微机械压力传感器的加工稳定性和灵敏度都有了较大提高.进行了实际加工和测试,测试结果表明稳健优化后的微机械压力传感器具有较高的灵敏度.     

虚轴机床结构误差的间接测量

对虚轴机床的结构误差进行分析和测量,并用软件进行补偿是提高机床精度的重要方法。提出一种间接测量和补偿的方法。在虚轴机床的动台体上固定７根测量杆,用来间接测量动台体的位置和姿态。当动台体到达某一位置和姿态时,如果机床本身没有结构误差,则各测量杆的测量值应该与理论值相同,但由于机床实际上是有结构误差的,因此各测量杆的测量值与理论值必定存在一定的偏差。利用若干个位置和姿态下的偏差值,间接计算出机床的结构     

制造误差对过约束机构性能影响的研究

针对平面闭链机构为超静定的过约束结构和制造误差的非平面性，将结构力学中处理超静定结构的力分析法与平面连杆机构的动力分析相结合，以构件的扭转变形和弯曲变形为变形协调条件，建立了考虑非运动平面过约束的平面加杆机构动力学分析模型，仿真结果揭示了制造误差对过约束机构性能的影响。     

Design and Fabrication of MEMS Gyroscopes on the Silicon-on-insulator Substrate with Decoupled Oscillation Modes

The mode coupling is a major factor to affect the precision of the micro electromechanical systems(MEMS) gyroscope. Currently, many MEMS gyroscopes with separate oscillation modes for drive and detection have been developed to decrease the mode coupling, but the gyroscope accuracy can not satisfy the high-precision demand well. Therefore, high performance decoupled MEMS gyroscopes is still a hot topic at present. An innovative design scheme for a MEMS gyroscope is designed, and in this design, the inertial mass is divided into three parts including the inner mass, the outer mass and the main frame mass. The masses are supported and separated by a set of mutually orthogonal beams to decouple their movements. Moreover, the design is modelled by multi-port-element network(MuPEN) method and the simulation results show that the mode coupling of the gyroscope between driving and sensing mode was eliminated effectively. Furthermore, we proposed a new silicon-on-insulator(SOI) process to fabricate the gyroscope. The scale factor of the fabricated gyroscope is 8.9 mV/((o)?s) and the quality factor(Q-factor) is as high as 600 at atmosphere pressure, and then, the resonant frequency, scale factor and bias drift has been test. Process and test results show that the proposed MEMS gyroscope are effective for decrease mode coupling, furthermore, it can achieve a high performance at atmosphere pressure. Furthermore, the MEMS gyroscope can achieve a high performance at atmosphere pressure. The research can be taken as good advice for the design and fabrication of MEMS gyroscope, meanwhile, it also provides technical support for speeding up of MEMS gyroscope industrialization.     

齿轮综合啮合误差计算方法及对系统振动的影响

通过将轮齿变形分为线性宏观变形和非线性局部接触变形两部分,建立齿轮承载接触分析修正模型,并利用两层迭代将非线性接触问题转化为多个线性代数方程组进行求解。根据各接触点变形关系,提出已知齿面误差分布时啮合刚度和综合啮合误差的确定方法。通过引入刚度激振力将参变的运动微分方程组化为定常微分方程组,并利用傅里叶级数法求解其稳态解。以一对斜齿轮副为例,分析了齿轮误差在不同扭矩和转速下对系统振动的影响规律。研究发现,由于轮齿误差的存在,齿轮副啮合刚度在轻载时会减小,从而导致系统共振转速降低;受重合度和轮齿变形的影响,综合啮合误差的幅值远小于齿面原始制造误差幅值。此方法可用于分析不同误差类型及分布形式对系统振动的影响规律,为进一步建立齿轮误差控制原则提供了有效手段。     

基于灰自助最大熵法的机床加工误差的调整

基于灰自助最大熵法,进行了机械制造工艺中输出的误差分布及机床加工误差调整研究。在分析误差分布时,首先运用自助法对当前少的信息量进行自助再抽样得到大量样本数据,然后利用灰色系统理论建立误差的灰自助动态预报模型GBM(1,1),最后用最大熵法获得了输出误差的概率分布。根据输出误差的概率分布,对机床的加工误差进行调整,使加工的产品误差满足要求。计算机仿真和实际案例的研究表明,灰自助最大熵法能够对机床进行准确调整,且预报准确率高。     

基于结构组件库的MEMS概念设计方法

提出了一种基于结构组件库的MEMS概念设计方法。给出了结构组件的表征形式,探讨了基于功能分解的结构组件模型获取方法,借以形成支持概念设计的结构组件模型库。阐明了MEMS概念设计时如何通过行为匹配自动检索出相关组件及其行为链组合、通过对行为链组合进行功能结构细化获得备选的器件方案。结合航空及空气动力学领域急需的MEMS微型剪应力传感器实例对该概念设计方法进行了阐述。研究表明,该方法对于提高MEMS概念设计效率及方案创新能力、促进MEMS概念设计工具化有积极作用。     

再论单键键槽对称度误差的检测与计算

对GB195 8 80《形状与位置公差检验规定》中推荐的单键键槽对称度误差检测的翻转打表法提出质疑 ,认为单键键槽对称度误差应是其截面误差和键长误差的综合结果 ;运用解析几何方法推导出单键键槽对称度误差与截面误差和键长误差的关系式 ,并分析了这两种误差对测量结果的影响系数 ,指出影响单键键槽对称度误差的主要因素是键长方向的对称度误差。