石材雕刻机械臂运动学性能的分析与优化北大核心

石材雕刻机械臂在其工作空间内的运动学性能的变化相当复杂,其运动性能的优劣是影响石雕产品质量的重要因素。分析并优化石材雕刻机械臂在其工作空间内的运动性能。基于D-H参数法建立石材雕刻机械臂运动学模型,通过旋量理论中的指数乘积公式计算石材雕刻机械臂正运动学解和逆运动学解;基于雅克比矩阵的条件数,提出可以定量描述石材雕刻机械臂运动性能的指标(灵巧度),并进一步研究灵巧度在关节空间坐标和操作空间坐标下的变化规律;基于Dijkstra优化理论,在石材雕刻机械臂的可达工作区内给出机械臂运动性能最优的工作空间。结果表明:当石材雕刻机械臂在最优工作空间中移动时,其关节角加速度的波动会大幅减小。研究成果可为石材雕刻机械臂加工位置的布局提供参考。     

蓝宝石衬底双面研磨表面裂纹深度检测

双面研磨作为蓝宝石衬底制备的一道重要工序,研磨表面裂纹深度将严重影响后续抛光的材料去除量,因此对研磨衬底表面裂纹特征研究及深度测量具有重要意义。本文采用截面显微观测法、聚焦离子束侧面观测法、差动蚀刻速率法、磁流变抛光法和逐层抛光法等方法观测双面研磨蓝宝石衬底表面裂纹特征和测量裂纹深度。采用截面显微观测法和聚焦离子束侧面观测法观测研磨后蓝宝石衬底亚表面裂纹形态主要有斜线状、横线状、钩状和树杈状。采用差动蚀刻速率法测得蓝宝石衬底研磨表面裂纹密集层厚度为9～10μm,而采用磁流变抛光法测得研磨衬底局部亚表面裂纹深度为25～30μm,采用逐层抛光法测得研磨衬底整体亚表面裂纹深度约为30～35μm。此外,根据不同方法所检测的裂纹特征和裂纹深度,构建了蓝宝石衬底双面研磨表面裂纹模型,为后续抛光工艺的制定与优化提供依据。     

金刚石磨粒划擦无氧铜的声发射信号研究

为研究无氧铜的切削机理,通过单颗金刚石磨粒划擦无氧铜的声发射试验,采集了划擦过程中的声发射信号,得到了不同划擦速度、切深和进给速度下的声发射信号特征,分析了不同划擦参数对声发射信号特征参数、频谱和功率谱等的影响。研究结果表明:切深对金刚石磨粒划擦无氧铜的声发射信号影响最为显著,划擦速度和进给速度对声发射信号的影响不明显;声发射主频主要集中在0 kH~170 kHz,切深的增加使声发射信号功率谱主频由高频向低频呈现转化趋势。     

三种典型生物软组织切割特性的试验研究

以生物医学为应用背景的生物软组织切割机理研究近年来已成为关注的热点,从生物软组织主要组织成分对切割特性的影响出发,定性分析不同生物软组织的切割特性对理解生物软组织切割机理具有重要的意义。选取三种典型的生物软组织:胶原体含量高的肌腱、弹性体含量较高的动脉管和平滑肌含量较高的胃肌层,在自行搭建的生物软组织切割平台上开展切割试验。从切割力、组织变形、切割能和局部刚度等角度对三种典型软组织的切割特性进行对比研究。定性分析了生物软组织中三种主要组织成分对切割特性的影响:胶原纤维对软组织切割力的影响较大,弹性体对软组织切割变形的影响较大,而平滑肌则对软组织切割特性的影响较小。     

用于跨尺度测量的DMD控制策略研究

为了测量被测物面的微观特征量及这些特征量间的关系，提出基于数字微镜器件(DMD)的跨尺度测量方法，研究针对DMD的控制方法及基于DMD的测量策略，在不对测量系统硬件做任何修改的前提下，仅通过软件编程实现对DMD结构光参数的改变，理论上可实现从0.1μm到1 mm的跨尺度测量。搭建了基于DMD的跨尺度测量平台，实验结果表明，轴向测量精度与横向分辨力均可达到微米级，可实现对表面微观结构的快速扫描。该方法可以较好地解决目前诸多表面形貌测量中存在的多尺度问题。     

基于线锯高效切割的复杂直纹面模型建立及仿真

针对天然石材、人工晶体等材料复杂曲面加工中，初始毛坯与最终产品形状差别较大，粗加工材料去除量大，导致加工效率低、刀具磨耗严重的问题，提出了一种基于线锯加工和点加工协同去除的高效粗坯加工的解决思路。根据线锯加工特点，提出了对最终产品的数字化模型进行分层处理，利用多边形对各层二维外轮廓曲线进行包络，将层与层之间的多边形进行顺序拟合得到相应直纹面模型的建模思路。分析了不同包络多边形边数、连接方式所构建的不同直纹面模型对粗坯加工时间的影响。仿真结果表明，虽然增加多边形的边数或者通过层间旋转可以减小剩余未加工材料体积，但整体粗坯加工时间反而有所增加，从而不利于提高效率。粗坯加工时间可作为综合评价指标来优化构建直纹面模型。     

TC4-DT钛合金材料动态力学性能及其本构模型

利用同步组装的高温分离式Hopkinson压杆试验装置,对TC4-DT钛合金材料分别进行了常温下不同应变率（930~9700s-1）和应变率为5000s-1时不同温度下（20~800℃）的动态力学性能测试,获得了各种冲击载荷下的应力-应变曲线。试验数据表明,TC4-DT材料具有应变率增塑效应且存在着临界应变率值,当应变率高于此值时应变率敏感性增强明显,此外随着材料加热温度的升高,软化效应减弱。利用试验所得的数据拟合了基于Power-Law和Johnson-Cook两种热-黏塑性本构方程且获得这两种动态本构模型参数,并将所得的两种拟合曲线与试验所得数据进行对比分析,结果表明两曲线吻合度都较好,此外还对这两种曲线的拟合精度进行对比,对比结果表明两种模型的拟合误差相差不大,但是Power-Law模型拟合精度要略优于Johnson-Cook模型的拟合精度。     

绳锯线弓角静态测量方法的研究

金刚石绳锯在切割圆弧板材时,受到进给方向的阻力,形成"线弓角",使板材中部产生"过切",严重时导致材料报废.为解决这一问题,提出了线弓角的概念,从理论上提出了一种基于悬臂式力传感器的绳锯线弓角的静态测量方法,通过轴力传感器输出的电压值计算出线弓角度.试验在自行设计和搭建的绳锯线弓角测量平台上进行,用钢丝绳模拟串珠绳产生线弓角,并进行导轮受力与线弓角关系的静态测量试验分析,以验证该方法测量线弓角的可行性.试验结果表明:在一定范围内,串珠绳初始张紧力越大,线弓角的计算值越接近理论值.因此,采用所提出的测量方法,当装有轴力传感器的导轮处在刚好与钢丝绳接触的状态下,选择合适的初始张紧力,可以测得较准确的角度值.     

蓝宝石衬底退火中“亮点”缺陷的形成机理

针对蓝宝石衬底退火过程中所产生的“亮点”缺陷,采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对“亮点”区域的表面形貌及元素含量进行观察与检测,并根据对蓝宝石化学性质的理论分析,揭示出了蓝宝石衬底退火过程中表面“亮点”缺陷的形成机理,即“亮点”缺陷的形成主要是由于清洗过程中在蓝宝石衬底表面有碱性物质的残留,在退火过程中碱性物质在高温条件下与蓝宝石发生反应,生成了偏铝酸盐,熔融的偏铝酸盐填充蓝宝石衬底表面的微裂纹缝隙,形成所谓的“亮点”缺陷。通过揭示“亮点”缺陷的形成机理,可以减少甚至避免退火过程中蓝宝石衬底表面“亮点”缺陷的形成,提高产品的良品率,降低生产成本。     

核壳结构SiC@Ti(C,N)复合材料的制备及性能研究

目的 碳化物陶瓷材料因优异的力学性能在精加工和切削行业具有广阔的应用前景,制备特定结构的碳化物复合材料能够改善材料的综合性能。方法 通过化学法在SiC表面包覆纳米Ti(C,N),无压烧结制备了具有核壳结构的SiC@Ti(C,N)复合材料。采用XRD、SEM、TEM和EDS等方法,研究退火温度和原料配比对复合材料的成分组成和微观结构的影响。通过同步热分析(TG-DSC)比较单相和复合材料抗氧化性能差异。使用显微维氏硬度计和万能材料试验机测试材料力学性能的变化趋势及原因。构建核壳颗粒致密化模型,分析复合材料的致密化机制和增韧机理。结果 随着烧结温度的升高,其显微硬度先升高后降低。随着SiC比例的增大,其显微硬度、压缩强度和断裂韧性均先增大后减小。在1250℃下,制备的原料质量比为11:1的SiC@Ti(C,N)复合材料具有最大显微硬度、压缩强度和断裂韧性,分别为3 273HV、434 MPa、4.38MPa·m^1/2。结论 通过比较复合材料和单一碳化物材料的力学性能发现,具有核壳结构的SiC@Ti(C,N)复合材料综合性能得到提升。纳米Ti(C,N)填充复合材料孔隙并...