基于DSP-FPGA高速控制系统的应用研究

为了满足应用对控制系统高速高精度的要求,本文将原子力显微镜作为控制对象,主要研究基于DSP—FPGA控制系统设计中的关键技术问题。包括各模块的功能划分、模块间通讯模式设计并以单行扫描为例进行编程说明。随后将PID算法嵌入FPGA,对大范围快速原子力显微镜的单点测试做闭环反馈控制。实验结果显示,与以PCI04为核心的控制系统相比,基于DSP—FPGA的控制系统大大提高了大范围快速原子力显微镜的扫描速度和控制精度。     

基于压电陶瓷管扫描器的大范围纳米定位系统

提出一种基于压电陶瓷管扫描器的X-Y二雏大范围纳米级定位系统,该系统利用摩擦力和惯性使样品产生步进式的微位移.阐述了该系统的设计和工作原理,并给出了它在原子力显微镜中用于探针一样品间的定位控制的应用实例,取得了理想效果.     

双测头复合型微纳米测量仪的研制

针对当前微纳米测量中存在的大范围高精度测量及复杂微结构几何参数表征难题,基于多测头传感和精密定位平台复用技术,开发了一台具有多种测量尺度和测量模式的复合型微纳米测量仪。为使其具备大范围快速扫描测量和小范围精细测量功能,仪器集成了白光干涉和原子力显微镜两种测头,通过设计适用于两种测头集成的桥架结构及宏/微两级驱动定位平台,实现整机的开发。为保证仪器测量结果的准确性和溯源性,利用标准样板对开发完成的仪器进行了校准。仪器搭载的白光干涉测头可以达到横向500 nm,纵向1 nm的分辨力;原子力显微镜测头横向和纵向分辨力均可达到1 nm。最后,利用目标仪器对微球样品进行了测量,通过大范围成像和小范围精细扫描,获得了微球的表面特征,验证了仪器对复杂微结构的测量能力。     

大范围扫描原子力显微镜自动调平控制技术

为了进一步扩大原子力显微镜(AFM)的应用范围,研制出一套大范围高速AFM系统.该系统采用上、下两个扫描器,上扫描器负责Z方向闭环控制的动态响应,下扫描器负责X、Y方向平面扫描及Z方向补偿控制.针对样品放置倾斜对大范围扫描成像的影响,提出基于多线扫描的样品自动调平控制技术.首先通过多线扫描确定样品倾斜位置,然后将所有扫描点的倾斜位移差用函数式表达,最后将位移差换算为控制电压作为扫描器Z向的前馈控制输入.实验结果表明,能消除样品倾斜对AFM大范围扫描的影响.     

基于平板扫描器的新型AFM系统

研制了一种基于平板扫描器的新型原子力显微镜(AFM)系统。该系统创新地把二维平板扫描器和一维反馈控制器相结合,有效地克服了传统扫描器Z向反馈控制与XY扫描平面之间的非线性交叉耦合误差,同时保证了大范围扫描时检测光路的稳定性。利用该系统与传统AFM作了氧化铝薄膜和光栅对比扫描实验,结果表明这种AFM系统能够获得无扭曲、规则的理想图像。     

高速大扫描范围原子力显微镜系统的设计

针对目前高速扫描型原子力显微镜(AFM)主要是限于物检测且扫描速度和扫描范围均有待提高,提出了一种高速原子力显微镜结构设计方案。在压电陶瓷致动器驱动的柔性铰链结构式位移台的基础上,构建了AFM大范围扫描器,使原子力显微镜在x-y扫描方向的运动范围达到了100μm×100μm。通过傅里叶频谱分析,计算获得了AFM扫描器常用的三角波驱动信号和正弦波驱动信号的高次谐波特性及其对AFM高速扫描成像的影响程度。为了消除在扫描运动过程中的机械自激振荡,提出了将正弦波信号作为高速扫描的驱动信号,行扫速度达到50line/s。在正弦波驱动的基础上提出了一种基于位置采样的图像获取方法,有效地减小了AFM扫描器的非线性误差造成的图像畸变现象。     

原子力显微镜管式扫描器运动学建模与误差分析

针对样本扫描模式原子力显微镜,对其管式扫描器-样本-探针系统进行了运动学分析,建立了该系统的运动学模型,该模型表明:对于给定原子力显微镜扫描器,样本上与探针接触点的横向和纵向位移取决于探针尖端相对于扫描管轴心的偏置量、所加电压(或名义扫描范围)及样本厚度。据此模型,对由于弯曲运动模式所产生的两种重要误差—交叉耦合误差及扫描范围误差进行了定量分析,分析表明:扫描范围误差主要受样本厚度及名义扫描范围影响,而Z向交叉耦合误差主要受探针偏置量及名义扫描范围影响,实验验证了所建立的运动学模型和误差计算公式的正确性;另外,还提出了相应的减小误差的方法。     

基于S3C2440的多路同步数据采集与控制系统的硬件设计

介绍一种基于S3C2440的多路同步数据采集与输出控制系统的设计方法。该设计选用TI德州仪器公司生产的AD芯片ADS8556和DA芯片DAC8574,分别采用SPI接口和I2C接口与S3C2440连接。系统可实现多路同步、高速、高精度的数据采集与输出控制,可应用于原子力显微镜的反馈控制系统。     

双成像单元原子力显微镜及其在大范围纳米计量中的应用

为了实现大范围纳米计量,研制了双成像单元原子力显微镜,采用光栅作参考样品,同时对光栅和被测样品扫描成像,得到两幅具有相同横向尺度的图像,通过计算参考光栅的周期数,就能精确测定被测样品图像的尺寸。提出了一种实现大范围扫描和纳米计量的新方法,利用步进电机交替移动XY扫描器,扫描获得一系列的光栅样品图像和被测样品图像对,通过拼接对应的序列图像,可获得两幅大范围的光栅图像和被测样品图像,计数参考图像中光栅的周期数,即可测定被测图像的尺度,实现对被测图像的大范围纳米计量。     

原子力显微镜的基本原理及其方法学研究

简述了原子力显微镜探测物体表面形貌的基本原理,具体地介绍了原子力显微镜的四大核心构件的属性与功能激光器、微悬臂、压电扫描器、光电检测器管;详细地阐述了该仪器探测运行的三种模式接触模式、非接触模式、轻敲模式,并重点讲述了轻敲模式的独到之处;强调了原子力显微镜所能进行的参数分析和数据处理功能,同时将原子力显微镜同其它表面探测仪进行了比较,突出了AFM的优越性;并结合仪器的构造和工作原理,对仪器的改进和发展提出了一些建设性意见.     

高速切削技术及高速切削机床

介绍了高速切削的特点与应用，并着重分析了高速切削的关键设备－－高速切削机床。     

高速磨削在高速空间凸轮加工中的应用

通过对高速磨削技术、磨削机理的研究,介绍了高速磨削技术的原理、性质及其先进性,分析了高速磨削过程中的一些基本问题,针对一些问题采取了相应的解决措施,并在实际磨削加工中运用,为高精度复杂结构的空间凸轮,尤其是多轨迹空间分度凸轮在超高速卷烟包装机中的开发应用奠定了高速、高效、高精度的加工基础。     

High-speed phosphor thermometry

Phosphor thermometry is a semi-invasive surface temperature measurement technique utilising the luminescence properties of doped ceramic materials. Typically, these phosphor materials are coated onto the object of interest and are excited by a short UV laser pulse. Up to now, primarily Q-switched laser systems with repetition rates of 10 Hz were employed for excitation. Accordingly, this diagnostic tool was not applicable to resolve correlated temperature transients at time scales shorter than 100 ms. This contribution reports on the first realisation of a high-speed phosphor thermometry system employing a highly repetitive laser in the kHz regime and a fast decaying phosphor. A suitable material was characterised regarding its temperature lifetime characteristic and its measurement precision. Additionally, the influence of laser power on the phosphor coating was investigated in terms of heating effects. A demonstration of this high-speed technique has been conducted inside the thermally highly transient system of an optically accessible internal combustion engine. Temperatures have been measured with a repetition rate of 6 kHz corresponding to one sample per crank angle degree at 1000 rpm.     

小型化高速数据记录器

针对高速数据记录日益多元化的需求,设计了一种小型化高速数据记录器,采用吉比特串行收发器提供了高速数据流输入接口;SOPC(片上可编程系统)技术实现了数据流的实时压缩、附加信息叠加及记录器与千兆网络的互连;大容量非易失存储体(Nand flash)作为数据载体具有抗震动、体积小、温度范围宽、易插拔的特点.已成功应用到光电测量设备中,数据压缩速度为300MB/s,存储速度为160 MB/s,千兆网络的传输速度可达到420 Mbit/s.     

高速走丝线切割技术研究

高速走丝线切割加工以其独特的加工方法和较高的性价比得到了迅速发展,并在许多机械生产领域发挥了重要的作用。主要分析高速走丝线切割的主要技术参数,并进行实例加工。     

多主轴高速制孔

多主轴高速制孔专用设备在钻削、攻丝、成形铣削和深孔等高速孔加工中,一次走刀加工出多个孔.缩短了生产周期,提高了生产率,降低了成本.     

高速同步摄影控制系统

简述了锁相伺服系统的工作原理。对检测环节、鉴相器、功率级做了介绍；讨论了锁相环,列举了抗干扰措施。     

高速机床与高速切削在现代机械加工中的应用

高速切削（HSC）、硬切削和干切削被 认为是当今切削加工中3项最具发展前景的技术，受到人们普遍重视。世界机床行业功能部件发展迅、单元技术水平不断提高，技术开发朝着高速、高效、环保、智能化、机床功能的复合化方向发展。探讨了高速机床的相关系统、高速刀具系统、高速切削可以实现的目标、高速切削的应用和高速切削需要解决的问题等。     

High-speed tensile test instrument

A novel high-speed tensile test instrument is described, capable of measuring the mechanical response of elastomers at strain rates ranging from 10 to 1600 s(-1) for strains through failure. The device employs a drop weight that engages levers to stretch a sample on a horizontal track. To improve dynamic equilibrium, a common problem in high speed testing, equal and opposite loading was applied to each end of the sample. Demonstrative results are reported for two elastomers at strain rates to 588 s(-1) with maximum strains of 4.3. At the higher strain rates, there is a substantial inertial contribution to the measured force, an effect unaccounted for in prior works using the drop weight technique. The strain rates were essentially constant over most of the strain range and fill a three-decade gap in the data from existing methods.     

渐开线高速齿轮的修形设计

根据材料力学和接触有限元理论分析轮齿的变形刚度 ,进而获得轮齿的最大修形量和修形曲线 ,结合实际经验公式 ,得出一种求解渐开线高速齿轮齿部修形的设计方法 ,并应用于工程实际。