关键词： 激光分束   空间光调制器   机器学习   卷积神经网络   激光加工  

摘要： 激光作为20世纪最伟大的发明之一,凭借单色性、相干性、方向性等传统光源无法实现的技术优势,已经应用于诸多领域,如光纤通信、光纤传感、全光信息处理、光存储、激光加工、激光手术、光刻技术、激光雷达以及激光武器等。高精度激光分束技术是激光加工、光刻、光镊以及激光手术等先进制造与医疗领域的共性关键技术,也是当前激光应用技术的发展前沿。现有高精度激光分束技术主要用于实现均匀光强分布的双光束,任意空间分布与任意光强分布的激光分束技术还不够成熟,无法满足激光精密加工、光刻、光镊与激光医疗中的多光束同时精密作业的需求。目前任意光束激光分束技术的瓶颈限制问题是激光分束的精度受诸多因素的复杂影响,使其在实际应用中难以满足对激光分束精度的要求。本课题研究工作将机器学习引入基于空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)的激光分束技术,基于监督学习的回归任务实现高精度任意多束激光分束。SLM加载由迭代傅里叶变换算法(Iterative Fourier Transform Algorithm,IFTA)计算得到的相位全息图,实现对入射光束的调制,从而输出任意空间分布与光强分布的多光束。对基于SLM的激光分束技术开展了数值仿真与实验研究,将激光分束后的相机探测图像作为样本,将分束目标图像作为标记,采用数值仿真与实验数据构建了数据集,基于卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)算法通过监督学习回归任务建立了分束目标图像与探测结果图像之间的映射关系,实现对IFTA振幅分布的准确预测,有效提升任意多光束分束的精度。本文主要研究工作如下:(1)基于SLM与IFTA,开展了多光束激光分束数值仿真与实验研究。搭建了基于数学变换过程的激光分束数值仿真模型,实现对激光分束的数值仿真模拟;开展了激光分束技术实验研究,以相位全息图作为控制信号加载至SLM,基于图形用户界面(Graphical User Interface,GUI)实现了大量分束目标图像与探测结果图像数据的自动采集。(2)利用数值仿真数据与实验数据,基于求和寻峰法,提取了图像中的各光束截面数据,分别构建了监督学习所需的数据集,共收集1000组样本及标记,随机生成训练集与测试集,其中,800组构建训练集,200组构建测试集。(3)搭建反向CNN,将相机探测图像作为样本,分束目标图像作为标记,通过监督学习回归任务建立了分束目标图像与探测结果图像的映射关系,实现对IFTA输入振幅分布的预测,有效提升任意多光束分束的精度。采用多层卷积层网络结构,采用MAPE(Mean Absolute Percentage Error)、MSE(Mean Square Error)等作为训练过程的loss函数,完成了学习任务的性能度量。(4)对预测结果进行验证,基于正向CNN监督学习回归任务与实际实验研究实现了验证,收集预测的分束目标图像对应的新的探测结果图像。实验结果表明:基于机器学习的分束误差显著减小,MSE减小了37%,有效提升了激光分束精度。本文工作对于任意多光束激光分束技术的发展以及人工智能在激光领域的交叉研究具有重要的理论指导与技术参考价值。

关键词： 激光加工   还原氧化石墨烯   执行器   仿生超滑表面   信号检测  

摘要： 近年来,具有高度的自主性、适应性和可靠性的智能机器人技术激发了人们的研究兴趣,智能执行器作为智能机器人完成操作任务的关键部分也因此被广泛研究。针对目前常见的石墨烯执行器多层结构容易在频繁发生形变的过程中脱落及表面功能单一的问题,本论文提出利用飞秒激光制备具有仿生超滑表面的石墨烯执行器,利用其进行液滴收集和输运,并进一步地引入液滴信号检测功能。具体内容如下:1.利用飞秒激光直写技术对真空抽滤制备的氧化石墨烯(GO)薄膜进行还原并同步结构化,在GO薄膜上制备具有仿猪笼草微纳结构的激光还原氧化石墨烯(LRGO),得到LRGO/GO双面薄膜。然后在具有微纳多孔结构的LRGO一侧注入润滑油,在范德华力和毛细力的共同作用下,润滑油可以被稳定地吸附在微纳结构中以形成润滑层,得到引入了仿生超滑表面的oil-LRGO/GO薄膜。接着对LRGO/GO双面薄膜两侧表面的结构、表面化学元素组成进行表征与分析,证明了激光加工后的LRGO表面具有微纳多孔结构,而且氧元素含量明显降低。最后对oil-LRGO/GO薄膜的仿生超滑表面的性能进行表征与分析,证明仿生超滑表面具有较低的接触角和滑动角,各种常见液体都可以在该表面滑动。2.对oil-LRGO/GO执行器的湿度响应性能包括湿度弯曲曲率、响应/恢复时间、长期稳定性进行分析研究,证明润滑油的注入不仅不会影响LRGO/GO执行器的柔性,而且由于润滑层的存在进一步隔绝空气,使得oil-LRGO/GO执行器具有更大的湿度响应弯曲曲率、更快的响应/恢复时间以及更好的长期稳定性。然后利用oil-LRGO/GO执行器的湿度响应性能制备了湿度响应仿生花瓣、仿青蛙舌头执行器,利用oil-LRGO/GO执行器的湿度响应性能与仿生超滑表面的协同作用,制备了可用于液滴收集的仿花朵执行器以及能够通过调控湿度控制液滴的滑动方向的仿捕蝇草执行器。此外,通过进一步地将oil-LRGO/GO执行器与摩擦电纳米发电机原理结合,制备了具有液滴信号检测功能的执行器,使其能够在收集与运输液滴的同时实现液滴信号的感知。综上,本论文利用飞秒激光直写技术还原并结构化GO薄膜,构建具有仿生超滑表面的oil-LRGO/GO执行器,将石墨烯执行器与仿生超滑表面集成,使其不仅可以完成湿度响应形变,还可以实现液滴的收集与输运,而且利用摩擦电纳米发电机原理,将液滴滑过仿生超滑表面时产生的电信号作为执行器对液滴信号的感知,在微流控、液滴定向输运等方面有重要应用潜力,为实现多功能的智能执行系统以及智能机器人提供了新的解决方案。

关键词： 节流孔板   电火花加工   高频脉冲微细电解加工   组合加工  

摘要： 微流量控制器是航天电推进系统中用于精确控制下游流量的重要单机产品;节流孔板作为其中的关键功能单元,其加工精度直接影响流量控制的准确性。为解决节流孔板复杂孔槽型腔与阵列大深径比微孔的加工难题,本文在比较分析常见加工方法之后,确定电火花与电解及其组合是制造上述结构的合适方法。建立节流孔板微流道的流阻化网络结构,根据流体动力学理论推导了流阻各元件的数值分析模型,利用FLUENT软件仿真了输出流量随压力比变化的特性,模拟了流阻元件尺寸和粗糙度条件对稳定控制流量的影响。仿真结果确定关键结构节流孔径为0.15mm,重要指标粗糙度控制在1μm下时可兼顾控制精度与经济适用性。使用电火花方法制造复杂孔槽型腔。首先根据相关理论分析了影响电极损耗的因素,通过设计正交实验探究了不同直径电极下各电参数对损耗的作用趋势及补偿策略;计算并确定采用Cu W70合金作为耐蚀工具电极;比较了三种轨迹规划方式对孔槽型腔形位精度的影响,设计了翻面用二次装夹专用夹具。实验结果表明,使用简单往复的电火花铣削轨迹会使得底面有较大的台阶残留;使用仿形法粗加工与之字法精加工的电火花铣削方法可有效改善圆度及底面质量,整体粗糙度可控制在0.4μm以内;同时,夹具保证了节流小孔前后容腔圆的同轴度。根据流阻模型的分析,节流小孔是保证下游流量控制的关键组成,除了满足基本的尺寸形位精度及粗糙度要求,还应当去除电火花加工之后表面产生的重铸层;为此,在现有的电火花加工机床上加装高频脉冲电源及电解槽等组成的微细电解模块,在同一工位进行修整。结果显示利用组合加工获得的微流道节流小孔,孔径一致性控制在2μm内,表面粗糙度降低约40%,表面无电火花加工产生的凹坑、翻边等缺陷。

关键词： 高效电火花加工   大行程   压电陶瓷致动器   有限元仿真   位移放大机构  

摘要： 电火花加工具有加工成本低、加工时不与工件接触、无切屑应力、可加工微小复杂型腔结构的优点,并在模具、军工等领域有着广泛应用。但是加工效率低使得电火花加工的应用发展受到严重的阻碍。本文针对电火花加工效率低的问题,研制了一种压电驱动式高效电火花加工电极调姿驱动器。压电驱动式高效电火花加工电极调姿驱动器带动电极实时调整电极与工件之间的加工间隙,避免在加工过程中发生持续短路现象并通过电极运动促进蚀出产物排除来提高电火花加工效率。为电火花加工的应用与发展起到积极的促进作用。首先根据电火花加工技术特点设计了压电驱动式高效电火花加工电极调姿驱动器的总体结构。其次对压电驱动式高效电火花加工电极调姿驱动器进行静力学分析,建立驱动器的位移放大机构的放大比数学模型和刚度模型,并利用模型和ANSYS对其进行结构优化。使用拉格朗日运动方程法建立了压电驱动式高效电火花加工电极调姿驱动器的动力学模型并设计其PID闭环控制系统,使用MATLAB/simulink对驱动器的响应速度以及动态输出性能进行仿真。加工并搭建了压电驱动式高效电火花加工电极调姿驱动器的实验测试系统对仿真结果进行验证,实验结果表明,压电驱动式高效电火花加工电极调姿驱动器的位移放大比可达15.2倍,三个自由度的响应速度均在0.1s以内,具有大行程、响应速度快的优点。搭建压电驱动式高效电火花加工电极调姿驱动器的电火花机床加工实验系统并进行加工实验验证。对不同放电条件下的电火花加工分别进行传统加工和安装压电驱动式高效电火花加工电极调姿驱动器加工,通过与传统电火花加工效率对比分析表明,安装压电驱动式高效电火花加工电极调姿驱动器在不同放电条件下对加工效率提升不同,最大可将加工效率提升61.6%,并且通过分析加工过程中的间隙反馈电压发现短路现象明显减少。

关键词： 激光加工   激光增材制造   标准焓   熔池形貌   沉积层形貌  

摘要： 激光加工过程中涉及到众多工艺参数,这些工艺参数会对熔池形貌造成不同的影响,更简便更准确的度量准则可以为工艺优化及反馈控制等提供便利。标准焓因其简便性及准确性近年来被广泛应用于激光焊接与选择性激光熔化(SLM)领域来判断熔池形貌及小孔转变阈值等,但是却存在一些问题导致物理意义不明确和适用性不强,也较少应用于直接能量沉积(DED)领域。因此本文将重新建立标准焓度量准则,并更广泛的应用于各种加工场景,包括判断DED的沉积层形貌。本文构建了基于传导模式传热解析模型的具有明确物理意义的标准焓度量准则,定量建立了传导模式下标准焓与熔池深度和宽度之间的关系。排除了传统标准焓公式中物理意义不明确的形状因子量的影响。经实验验证适用于不同材料、不同设备、不同加工状况。构建了基于小孔模式二维传热解析模型的标准焓度量准则,定量建立了小孔模式无量纲深度与标准焓的关系。假设小孔模式转变阈值为气液界面达到光斑半径时,从而确定了小孔模式的转变阈值。验证了对流会使标准焓与熔池宽度与深度的对应数值关系产生误差,但可基于本文推导过程总结的度量准则带入实验数据进行拟合修正。在传热模型的基础上,结合质量守恒定律与双热源模型,建立了适用于直接能量沉积的标准焓的度量准则,解决了传统标准焓无法考虑送粉率的问题,度量准确度高。

关键词： 激光加工   超疏水   超亲水   仿生集水   自驱运输  

摘要： 利用仿生复合湿润性表面形成的表面张力梯度和仿生梯度结构产生的拉普拉斯压力差的耦合作用进行自发集水,在制备集水装置方面具有广阔的应用前景,对缓解水资源短缺具有重要意义。目前基于复合湿润性仿生梯度结构表面的集水策略存在单元面积小、仿生梯度结构受曲率限制无法大面积应用,具有较弱的自驱能力等问题。针对这些问题,本文提出“分区集液-多段运输”的集水策略,通过激光二次刻蚀制备超疏水-超亲水仿生耦合梯度结构表面,将大表面的液滴分区收集并经多段搭接梯度通道运输集中,开展其集水特性的相关研究,主要工作如下:1.针对超疏水-超亲水复合湿润性表面的制备,开展激光工艺探究。首先建立超疏水微结构模型进行理论分析,其次结合湿润性和激光烧蚀理论,探究飞秒激光加工超疏水表面工艺;最后利用纳秒激光的高热特性去除超疏水改性层的同时制备超亲水仿生梯度结构,为后续实验提供工艺基础。2.针对具有曲率梯度变化的仿生三角形状结构对液滴具有自驱作用的现象,为实现液滴的高效定向收集,探究这种梯度结构对液滴运动的影响机制。在冷凝实验和受力分析的基础上分析梯度结构参数(角度和长度)对集水性能的影响机制,并且利用线型通道可大面积覆盖的特点,探究两种通道的耦合方式对其增益作用,得出间距为300μm和成15°分布的网状线型通道具有最佳增益。3.针对仿生梯度结构曲率半径过大即会丧失驱动力的问题,提出可提供连续驱动力的梯度搭接结构。探究不同搭接率对液滴自驱性能的影响并设计不同搭接长度和方向的通道,验证了搭接结构的液滴定向运输特性;在以上研究基础上,设计仿生耦合集水图案化结构并分析了集水机理,结果表明,在重力方向上的集水效率比常规超亲水和超疏水表面分别提高了242.9%和125.9%,同时“分区集液-多段运输”集水体系在大尺度表面也表现出稳定性。

关键词： 飞秒激光   湿法刻蚀   干法刻蚀   氮化镓   微结构  

摘要： 氮化镓(GaN)是典型的第三代半导体材料,在高频、大功率电子器件以及深紫外光、蓝光、绿光等光电子器件领域中具有十分重要的应用价值。但由于GaN材料具有很高的硬度和化学稳定性,难以实现在GaN材料表面制备大面阵微结构。目前,常采用传统的干法刻蚀对GaN材料进行加工,而传统的干法刻蚀需要与光刻掩膜工艺相结合,导致其加工工艺复杂、技术门槛高,并且在刻蚀过程中反应速率慢使得微结构加工周期长。因此,研究一种工艺简便的加工方式来制备GaN材料大面阵微结构具有重要意义。针对现有在GaN材料表面制备大面阵微结构技术中存在的问题,本文利用飞秒激光结合湿法和干法刻蚀的方式实现GaN表面微结构的加工。该方法主要是利用飞秒激光特有的性质对目标靶材局域内的材料进行去除,在GaN材料表面上以飞秒激光作用点为中心诱导形成激光烧蚀弹坑;再使用湿法刻蚀工艺或ICP干法刻蚀工艺做进一步加工,以实现GaN表面微结构的加工。本文的主要研究内容和研究结果如下:(1)利用飞秒激光技术研究GaN材料在激光辐照后的微结构形貌和化学成分的变化。探索烧蚀弹坑侧壁上形成的周期性纳米条纹结构,及辐照后弹坑侧壁形成的产物对后续刻蚀的影响。(2)利用飞秒激光技术和氢氧化钾(KOH)溶液湿法刻蚀技术相结合的方法实现GaN材料表面微结构制备。分析经过飞秒激光加工后不同极性GaN表面的湿法刻蚀机制,并探索飞秒激光加工参数、KOH溶液湿法刻蚀参数和不同极性GaN材料对最终刻蚀结构的影响规律,最终实现不同极性面GaN材料表面六边形微结构的制备。验证飞秒激光湿法刻蚀在GaN材料表面制备微结构的可行性。(3)基于飞秒激光辅助感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀技术,研究不同加工工艺对刻蚀结构形貌的影响规律。实验中通过改变刻蚀气体流速,实现GaN材料表面微结构形貌以及刻蚀后材料表面粗糙度的调控。并分析研究了不同飞秒激光加工参数在非真空和真空条件下进行预加工对ICP刻蚀后微结构的影响规律。通过改变飞秒激光脉冲个数、激光能量可以调控沉积在材料表面的氧含量,实现不同形貌微结构的制备。随后通过改变飞秒激光加工环境来消除氧元素对ICP刻蚀结构的影响,验证了沉积在GaN材料表面的氧元素对ICP刻蚀结构存在影响。

关键词： 仿生刀具   骨材料切削   有限元仿真   激光加工   声发射  

摘要： 本文基于在骨外科手术中切削温度高、材料表面易产生裂纹损伤等问题,将蜣螂表面具有特殊减摩功能的微结构应用到钻削刀具表面,提出一种基于蜣螂表面微结构仿生切削刀具的概念、设计思路和制备方法。研究激光加工技术在M35高速钢材料表面进行微结构制备的加工工艺,成功制备出基于蜣螂表面的仿生复合微结构刀具,并进行骨材料的钻削对比试验,从钻削力、切削温度、骨材料孔内壁表面粗糙度和声发射能量四个方面研究仿生微结构刀具的切削性能。主要研究内容如下: 结合正交试验设计方法与有限元仿真技术,研究基于蜣螂表面微结构中的凸包椭圆长轴、凸包椭圆短轴和凸包高度以及凹坑椭圆长轴、凹坑椭圆短轴、凹坑深度和凹坑最低点至椭圆中心距对切削温度的影响。结合切削仿真正交试验所对应的降温效果及因素效果趋势图,最终为仿生刀具选择最为理想的微结构参数。 仿生微结构刀具通过激光加工进行制备,经试验可知存在四个主要的加工工艺参数会直接影响到该刀具微结构的加工效果,即:激光平均功率、重复频率、扫描次数和扫描速度。综合探究上述四个工艺参数的加工规律并优化刀具表面微观结构的形貌尺寸,分别对两种仿生刀具(带有最佳微结构参数的仿生刀具T1 9和仿真试验中降温效果最好的仿生刀具T3)设置最为合理的工艺参数,最终成功实现制备。 将两组仿生刀具T19和T3与普通无织构刀具NT应用于骨材料的实际钻削对比试验,在钻削过程中通过压电测力仪测量钻削力,使用红外热像仪采集切削热数据,采用粗糙度仪测量骨材料孔内壁表面的粗糙度,并使用声发射信号装置对声发射能量进行采集和分析,系统地对仿生微结构刀具钻削骨材料的性能进行研究。

关键词： 激光刻蚀   超疏水   金属基体   工艺参数   微纳结构  

摘要： 金属材料使用广泛,但容易遭受腐蚀。在金属基体表面制备超疏水涂层,可以隔绝腐蚀介质,提高金属的耐腐蚀性能、耐污性能。此外,超疏水涂层还能在防覆冰、抑菌等方面应用,赋予金属材料更多的功能和更广阔的应用前景。想要达到超疏水,一方面需要低表面自由能,使液滴不易在表面铺展;另一方面,需要构筑粗糙的微纳米结构,以便于存留空气,增大气液接触面积。制备超疏水涂层的方法有很多,但由于金属材料硬度大,熔点高等原因,很多常规的加工方法并不适用。对于金属材料,常见的超疏水表面制备方法有:化学刻蚀、电化学方法、水热法、气相沉积等。但这些方法可控性、稳定性差,常常难以加工出预期的表面结构。激光刻蚀作为一种制备超疏水表面的方法,具有环保、可控、稳定等特点,可以直接在表面制作特定微纳米结构,适用于金属材料加工,近年来受到广泛关注。通过改变激光加工参数和扫描路径,可以加工出不同的表面微纳米结构。关于各种激光加工参数对表面结构影响的研究不少。常见的激光加工参数有光斑参数、能量密度、脉冲个数、扫描速度、扫描间距、光斑搭接率等。这些参数都会对表面结构造成不同的影响。目前使用激光制备出的疏水性能良好的表面微纳米结构有微米方柱结构、微米网格结构、微米沟槽结构、微米正弦突起结构、高斯点阵结构、纳米周期波纹结构。本文从超疏水理论出发,介绍了各种激光参数对表面结构的影响,不同微纳米结构的特点和疏水性能,以及刻蚀后的表面处理。最后,对激光制备金属基体超疏水表面的要点进行了总结,并梳理了一些目前尚且存在的问题。

关键词： 特种加工   电火花成形加工   疫情防控   视频会议   学术交流活动   电火花加工技术   绿色高效   技术成果  

摘要： 在新冠疫情防控的特殊时期,中国机械工程学会特种加工分会积极开展形式多样的学术交流活动,2020年10月以视频会议的形式举办了两次线上学术研讨会,参加总人数达1000人次。 10月13日举办的2020年全国电火花成形加工技术研讨会围绕我国电火花加工装备与技术在可靠、复合、绿色高效、精密微细发展方向上的技术成果,以及存在的局部与系统性断点、短板进行研讨,交流电火花加工技术的研究成果、储备性及应用性研发布局思路。