一种新的大行程垂直纳米运动工作台设计与控制研究

在大行程高精度垂直运动中,工作台的设计及稳定控制是关键因素。因此设计一种新型的具有平衡机构的工作台,以实现垂直方向上大行程纳米稳定运动。所研究工作台采用N331压电直线电机独立驱动,通过空气静态导轨悬浮,设计Z轴平衡系统降低垂直向电机驱动负载。利用步进控制方式完成大行程驱动,模拟方式实现微位移精密驱动控制。所提出的驱动与控制策略,可实现100 mm垂直方向上高精度快速精密驱动。另Z向也可实现纳米步进模式与模拟模式的复合控制。在全行程100 mm的范围内定位波动可限制在±9 nm内。通过验证实验,本运动工作台可适用于微纳米三坐标测量机、微光刻和微加工应用的驱动与控制任务。     

大行程高精度宏/微双重驱动机器人系统的研究

研究了具有宏／微双重驱动定位工作台的控制技术。该工作台采用直线电机进行大行程位移驱动,来保证较大的工作行程和较快的响应速度,采用压电陶瓷微位移器完成精密位移驱动,利用光栅尺实现闭环位移反馈,可以实现lOOmm的工作行程,10nm的重复定位精度。     

微小型平面机器人

微小型平面机器人可在显微镜下等狭小的空间内实现精密定位.压电元件与柔性铰链机构结合能实现精密定位,并使定位系统小型化,它可用于设计微小型平面机器人.为使平面机器人的结构更加紧凑,提出了单驱动三自由度运动机构.柔性铰链机构采用对称设计,以实现导向功能.应用蠕动式的运动原理可合成机构上的三自由度运动,并实现大行程运动.装配后的微小型平面机器人尺寸仅为20mm×20mm×12mm.研制了图像处理位移检测系统以检测微小型平面机器人的三自由度位移.     

一维大行程高分辨率纳米定位平台的设计与性能测试

设计了一种大行程、高分辨率的一维纳米定位平台,并进行了性能测试．该平台采用差动杠杆原理和柔性铰链,运用两个压电陶瓷叠堆致动器驱动．对柔性铰链平台建模,通过材料力学及结构振动微分方程等相关知识,对柔性铰链微动平台的刚度、输入反作用力、放大倍数等参数进行了分析,得到平台结构参数对平台性能的影响,并结合有限元分析软件,确定了微动工作台参数;最后建立了实验系统,对微驱动定位系统的输出行程、分辨率性能进行了测试．实验结果表明,所设计的微驱动定位系统的行程达到240μm,分辨率达到10nm,外形尺寸80mm×60mm×20mm．可用于大行程高分辨率微动定位．     

六维宏微位移可控精密工作台的研制

研制了一种六维宏微位移可控精密工作台。设计中采用粗精分离的原则,有利于提高工作台的精度,并减小了研制难度。宏位移使用精密燕尾导轨结构。微定位系统使用了压电陶瓷驱动器、柔性铰链和计算机控制,使系统具有极高精度的补偿定位能力。该工作台可在 100mm 范围内运动,平移分辨力为 0.05μm,转动分辨力为 0.3″。     

光栅计量型的垂直扫描位移工作台及其误差分析

为满足精密测量中垂直扫描白光干涉以及千分表、电感位移传感器、表面粗糙度触针位移传感器标定对垂直方向的高精度定位和高分辨率运动要求,研制出一种纳米级垂直扫描位移工作台.该工作台采用柔性铰链结构,压电陶瓷驱动位移,满足纳米级微位移驱动要求,同时利用两级杠杆放大结构,扩大了位移行程.针对压电陶瓷驱动的位移随电压变化的非线性特点,利用衍射光栅对压电驱动进行实时监控,对这种非线性误差进行实时补偿.衍射光栅固定在工作台的微定位板上,工作台的移动量可由衍射光栅二次衍射干涉后产生的条纹变化得到.根据衍射光栅的计量特点,分析垂直扫描位移工作台测量误差的主要影响因素.通过试验验证,优化系统误差,进一步提高了垂直扫描位移工作台的定位精度.     

方型码盘自动检测仪精密工作台的设计

本文介绍了“三V一平”精密工作台的设计。重点介绍了影响精密工作台精度的几个重要因素:传动机构的选择、保持架结构的选择,驱动源步进电机的选择、材料及热处理的选择、工作台的润滑等。在此精密工作台的设计中,采用了本文介绍的几种重要结构,使工作台的精度达到:100mm行程,不直线度优于1″。X,Y导轨的正交性优于3″。     

基于迟滞观测器的压电工作台自适应控制

为提高压电陶瓷驱动的微定位工作台的精度和速度,设计了一种基于迟滞状态观测器的自适应控制系统.在分析压电陶瓷迟滞非线性特性和工作台结构的基础上,建立了压电工作台的动态迟滞模型.迟滞观测器用于估计由位移偏差、传递函数、迟滞变量和扰动而产生的不确定误差,对神经网络控制器的输出量进行补偿,使工作台的位移跟随参考值.基于李雅普诺夫稳定理论推导了迟滞观测器的自适应调节律.实验结果表明,采用带有迟滞观测器的自适应控制系统时,在30μm、1 Hz正弦信号作用下,工作台的平均定位误差从之前的0.39μm减小到了0.19μm,对迟滞特性的非对称拟合平均误差由0.42μm减小到0.22μm,在10μm阶跃输入时的平均定位误差从0.22μm减小到了0.13μm,稳定时间由0.19 s缩短为0.08 s,定位工作台的性能得到明显的改善,能够满足实验要求.     

高速精密X—Y工作台

高速精密X—Y工作台系列“NOSNAC”是本制作所在积累了多年的微米级精密加工技术和技术情报、各种工卡模具、专用机床、操纵台等生产设备技术的基础之上研制成功的。并以本公司的电气、电子技术为基础,研制了一套微电子计算机数值控制,CNC控制装置,使之同X—Y工作台接口,试制成功了高速精密定位工作台,在广范围中得以应用。     

基于MEMS工艺的电磁驱动无阀微泵

基于实现主动微流体芯片的目的,提出了一种非闭合磁路型电磁驱动无阀微泵.微型电磁驱动器采用硅深刻蚀和微电铸工艺制作在硅基体上,微泵泵体的收缩/扩张单元采用微机械工艺制作,采用两步注塑工艺加工磁性PDMS(polymethylsiloxane)振动膜.电磁微泵样机的实验结果显示:该微泵的工作性能稳定,整机具有较高的体积功能比,样机尺寸32mm×28mm×10mm,在0.6A电流输入,工作频率为13Hz时,流量可达180μl/min,零流量下的最大背压达2.75mbar.     

电磁场对高速钢与45钢感应摩擦焊接的影响

利用电磁场对金属材料产生的"场致效应",调节摩擦焊接表面的温度场,以改善异种金属摩擦焊接组织及性能.研究了外加电磁场对W6Mo5Cr4V2高速钢和45钢摩擦焊缝显微组织、合金元素扩散及焊接接头力学性能的影响.结果表明,摩擦加热阶段施加电磁场使45钢近缝区铁素体的数量减少;而在顶锻阶段施加电磁场,使45钢侧铁素体数量有所增多.同时,在顶锻阶段施加电磁场作用时,主要合金元素C、Cr、W的扩散区宽度明显增大.在顶锻阶段采用较短的电磁场施加时间和较低的感应电流强度,可以提高W6Mo5Cr4V2高速钢和45钢摩擦焊接头的抗拉强度.     

金属橡胶非线性干摩擦副的接触作用机理及其仿真结果分析

从金属橡胶材料的干摩擦阻尼产生的机理入手,提出了一种全新的金属橡胶非线性干摩擦结构单元力学模型, 该结构单元由一对带有轴向和径向两个方向的弹性元件构成,它们既表示了金属丝之间的摩擦特性,同时也表示了螺线卷线匝在受力变形时的弹性特征。以建立的金属橡胶材料力学模型为基础, 采用多个摩擦副单元串联组成的结构,深入研究了线匝的摩擦接触, 通过对结构单元组成系统的计算机模拟仿真,对金属橡胶元件在不同载荷作用下的滞迟回线进行了深入地分析和研究,在静态载荷作用下,研究了结构单元的摩擦系数、结构单元的摩擦角对金属橡胶结构摩擦耗能的影响,在动态载荷作用下,研究了载荷的幅值、载荷的频率、载荷的初始相位对摩擦耗能的影响, 此项研究工作大大减少了静态和动态试验方面的工作。     

20#钢连续驱动摩擦焊大变形及传热行为的有限元模拟研究

目的研究20~#钢连续驱动摩擦焊接过程工艺参数对焊接过程温度场和变形行为的变化规律。方法基于ABAQUS有限元软件二次开发环境,建立了20~#钢连续驱动摩擦焊接过程中的完全热-结构耦合模型。通过对比模拟和实验获得的焊接温度场、轴向缩短量和飞边形貌,对模型进行了验证。研究了工艺参数对摩擦焊接过程温度场与大变形行为和接头组织与性能的影响规律。结果在不稳定摩擦阶段,峰值温度出现在外表面附近。在稳定摩擦阶段,峰值温度稳定在距焊缝中心约2/3半径位置。接头温度的升高速度随着摩擦压力和转速的增大而增大,摩擦压力和转速对稳定阶段温度场的影响很有限;经过顶锻阶段之后摩擦面温度分布更加均匀,顶锻力越大在接头相同的位置温度越低,顶锻力越大轴向缩短量越大。结论所建立的完全热-结构耦合模型可以模拟20~#钢连续驱动摩擦焊接过程的塑性变形过程,在不稳定摩擦阶段,摩擦压力和转速对温度场和变形的影响较大。在稳定摩擦阶段,摩擦压力和转速对温度场的影响不显著。顶锻阶段轴向缩短量随着摩擦压力、转速和顶锻压力的增大而增加。     

Microstructure,strength and tribological behavior of Fe–C–Cu–Ni sintered steels prepared with MoS<Subscript>2</Subscript> addition

Powder metal processing permits development of new composites with specific properties required for demanding applications. Complex shaped machine elements like gears and bearings are made of powder metallurgy technique economically. In many applications these machine elements operate under unlubricated conditions and there is a need for materials with good friction and wear characteristics, strength and modulus. In the present study, Fe–C–Cu–Ni alloys with solid lubricant, MoS₂, were developed using a simple single stage compaction and sintering. The microstructure, strength, hardness and tribo behavior of the composites were evaluated. The friction and wear characteristics were evaluated using pin-on-disc type tribo test machine. Addition of solid lubricant improved the compressibility and thereby the density of the compacts. Presence of the secondary sulphide phases in the as-sintered compacts improves the hardness and strength. The coefficient of friction and wear loss decreased with addition of MoS₂. A simple wear model is proposed to predict the wear loss in these composites. The model predicts wear loss values that are in agreement with the experimental data.     

环氧树脂粘接润滑涂层摩擦学特性

为研究环氧树脂粘接固体润滑涂层的摩擦磨损性能及机理,采用端面摩擦磨损试验机在干摩擦变载荷条件下进行了该涂层的摩擦磨损性能试验与分析,结果表明,试验初期涂层表面的环氧树脂与钢对偶件直接接触,减摩润滑效果不佳;随着载荷的增加与时间的延长,涂层表面逐渐形成固体润滑保护薄膜以及在对偶件表面形成转移润滑层,涂层进入稳定摩擦磨损阶段并显示出优异的减摩润滑性能;当载荷超过涂层承载能力时,涂层表面磨损加剧,直至涂层剥落、失效。     

颗粒状粗糙元对可蚀性地表的保护作用

应用粗糙壁面附近湍流边界层的阻力分解规律,研究了可蚀性地表上散布的颗粒状粗糙元的防风蚀效应。认为按一定密度散布在地表的颗粒状粗糙元(例如粗沙和砾石等),对抑制风蚀起到了两个关键作用:其一,增大地表盖度以减少暴露面积;其二,削弱了暴露面积上的风阻力。基于这一认识,应用量纲分析原理,建立了地表风蚀率与边界层外风速、粗糙元分布密度之间关系的理论公式,并依据有关实验数据分析了公式的可靠性。     

基于LuGre摩擦模型的叶片碰撞摩擦特性研究

建立了基于LuGre摩擦模型的叶片冠间碰撞摩擦模型,研究了叶片冠间接触碰撞和摩擦的动力学特性和减振机理。并研究了冠间间隙、动静摩擦系数对成组自带冠叶片碰撞摩擦减振效果的影响。通过分析摩擦过程中鬃毛的变形,对LuGre模型进行有条件的简化,研究了带冠叶片接触碰撞运动和摩擦运动的分岔特性。研究结果表明,LuGre摩擦模型可以更加完善的描述预滑动阶段叶片冠间的摩擦特性。     

Fe3Al基摩擦材料的结构与摩擦磨损性能

采用热压烧结方法制备了一种适用于重载高速工况下的新型Fe3Al金属间化合物基摩擦材料,并对其微观结构、力学性能以及干滑动摩擦磨损性能进行了试验研究.结果表明,Fe3Al金属间化合物基摩擦材料密度低,强度高,摩擦系数高而稳定,高温耐磨性好.不同条件下摩擦磨损机制不同,轻载荷下主要是磨粒磨损和疲劳磨损,表现为微犁沟和凹坑;重载荷下摩擦初中期表现为严重塑性变形、裂纹扩展和疲劳断裂,摩擦后期以氧化磨损为主.     

偏心轮叠层摩擦阻尼器的滞回性能研究

为解决常规摩擦阻尼器过大压力导致的一系列问题,设计一种新型偏心轮叠层摩擦阻尼器。该阻尼器以并联多层叠加的摩擦面的方法,实现在较小摩擦界面正压力条件下获得目标摩擦阻尼力的目的;设置偏心轮加压装置,使得阻尼器实现变摩擦功能,且阻尼器摩擦面在服役期间的待命阶段的预压力为0,以提高阻尼器的可靠性,进一步解决过大压力的问题。通过往复加载试验对该阻尼器的性能进行了研究,获得了偏心轮叠层摩擦阻尼器阻尼力与位移的关系,并对偏心轮叠层摩擦阻尼器力学性能进行了有限元分析。结果表明:阻尼器摩擦板的叠层设计能够有效放大了摩擦阻尼力;偏心轮叠层摩擦阻尼器可以提供变摩擦滞回曲线,理论公式、有限元模拟结果与试验结果吻合较好,可作为该阻尼器设计的参考依据。     

基于奇异值分解的摩擦振动吸引子特征参数提取方法

为定量研究摩擦副磨损过程中摩擦振动吸引子的变化,根据相空间重构理论,应用C-C法重构摩擦振动吸引子相空间矩阵,对相空间矩阵进行奇异值分解,通过奇异值构建矩阵奇异值特征向量,定义其特征参数为摩擦振动吸引子特征参数K,并分析特征参数K在摩擦副磨合磨损过程中的变化规律。结果表明:磨合开始,摩擦振动能量较低,吸引子体积较小,K值亦较小,为9.36;随磨合进行,摩擦振动能量逐渐增加,吸引子体积逐渐增大,K值亦逐渐增大;43min后,摩擦振动能量保持平稳,吸引子体积趋于稳定,K值在24.72附近平稳波动。因此,摩擦振动吸引子参数K可用于定量分析磨合过程中摩擦振动能量的变化;K与摩擦因数对磨损阶段的判断一致,进而可用于磨损状态的识别。