关键词： 微操作   拾取   释放   毛细力   激光加工  

摘要： 随着电子产品的日益微型化,由于尺寸效应,重力将不再起主导作用,在微尺度下存在微对象释放难的问题。因此,很有必要研究一种可以实现微对象的无损拾取、转移与可靠释放的微操作方法。本文提出了一种基于毛细力的微操作方法,主要通过高精密注射泵注射微量液滴,使操作工具与微对象之间形成液桥,从而产生液桥力实现微对象的无损拾取,通过双液桥的方法实现微对象的可靠释放。首先,研究了毛细力的机理,提出了一种用于实现微对象拾取、转移与释放的毛细力微操作方法,主要进行了微量液滴获取方式的选择及微对象释放方法的研究,并对微操作过程进行详细划分;介绍了一种双迭代算法,建立了液桥形态的简化模型,对微操作过程中液桥的弯月面形态进行了分析;根据物理方法对微对象进行受力分析,推导出了液桥力的计算公式,并研究了液桥力随着接触角与液桥高度的变化情况;分析了微操作的拾取过程与释放过程的原理,即研究毛细力微操作过程中所需要满足的力学条件。其次,搭建了基于毛细力的微操作系统,设计微操作系统整体方案,并完成微操作系统三维模型的建立,其中主要包括液滴注射模块、位移平台模块及视觉模块等三大模块的建立。此外,为了提高微操作过程的效率及定位精度,避免因操作不熟练而导致的实验失败或者操作精度降低,在Automation Base控制软件中利用lua语言编写微对象拾取、转移与释放的快速定位控制程序。最后,基于已搭建好的毛细力微操作系统实验台进行了相关实验,首先,调节并优化激光打标机的参数,完成了基底与微对象的制备,并利用MAT LAB的交互式命令进行液滴体积量与固体表面液滴接触角的计算,研究了不同的基底材料对液滴量的影响,分别完成了500μm?500μm与700μm?700μm微芯片的拾取、转移与释放操作,通过多次实验计算微操作的成功率,同时,通过理论计算验证了该微操作方法的可行性。此外,也进行了多种形状(三角形、五边形、六边形)微对象的拾取、转移与释放操作,进一步验证了该微操作方法可实现柔性拾取,并且适用于多种形状微对象的操作。

关键词： 电火花加工   水包油型工作液   仿真分析   间隙流场   材料去除  

摘要： 电火花加工是特种加工的重要加工方式之一,在电子、模具制造、航空航天以及精密机械等行业应用广泛。为提高电火花加工的绿色化程度,本文提出一种基于密度平衡的水包油型绿色工作液,其结合了油基工作液和水基工作液的优势。本文旨在通过理论研究、仿真分析和实验验证的方式,对水包油型电火花成型加工的工作液稳定性、加工流场、放电机理和工艺特性等进行了系统的研究。取得了一些理论和实验成果。对水包油型工作液中含粉末的煤油液滴受力情况进行分析,分析其在去离子水中的运动、聚并与分裂等行为,建立了煤油液滴在去离子水中的受力模型,并仿真了煤油液滴在电场中液滴的聚并与破碎情况,研究了电场作用下的工作液的稳定性。通过外冲液的方式,对水包油型电火花的间隙流场进行仿真分析,建立了水包油型工作液的电火花加工间隙流场的数学模型和仿真模型,研究得到了流场中的工作液入口流速,加工深度,电极尺寸对间隙流场和蚀除产物的影响。研究带粉末的煤油液滴对介电常数、极间电场放电间隙以及对放电过程的影响,通过仿真表明煤油液滴使极间电场发生畸变,有助于降低击穿电压。通过仿真模拟了电火花加工热过程,研究了其材料去除机理。实验研究了水包油型复合工作液、煤油工作液和去离子水工作液在不同开路电压、峰值电流、脉冲宽度和脉冲间隔下的加工情况,得到各放电参数对加工工件的加工效果的影响关系,发现煤油工作液的加工效率较高,水包油型工作液的加工效果较好。

关键词： 电火花加工   自动编程   数据库   加工仿真   工时预估  

摘要： 在现代模具制造企业中,电火花成形加工技术的应用已逐步成为主流。合理选择工艺参数能够有效保证加工效果;准确进行电火花加工时间的预估能有效保证企业安排生产计划,且能够显著提高模具制造效率。本文基于企业实际需求,设计开发了牧野电火花加工机床的自动编程及加工仿真系统。主要研究内容如下:1、详细分析牧野电火花加工机床的数控程序构成及工艺参数选择原则,基于.NET平台进行牧野自动编程系统的设计与开发,同时基于SQLite进行工艺参数数据库的设计。2、针对企业常用的电极材料与工件材料,结合企业常用的放电间隙及工艺参数,开展电火花加工的加工速度试验研究,获取一定加工条件下电火花加工的加工速度。3、在试验所得加工速度的基础上进行加工速度参数库的设计,同时进行加工仿真系统的开发,实现加工过程模拟及加工时间预估功能。4、对自动编程及加工仿真系统进行应用,一方面对由自动编程系统生成的数控程序进行校验,另一方面对由加工仿真系统预估的加工时间进行验证分析。

关键词： 精密切削   特种加工  

ISBN: (纸本)9787121318153

摘要： 本书涵盖了原机械制造类专业教学中精密与超精密加工、特种加工、微细加工与微机电系统、增材制造技术等课程内容, 以系统地阐述精密与特种加工工艺为目的, 以加工过程的主要能量形式为主线, 以实现物理、化学和复合/组合加工的综合交叉为重点, 全面构建了集精细加工、特种加工和复合/组合加工等技术为一体的课程内容; 阐明了现代加工技术的基本原理与方法, 注重培养和激发读者的创新思维和创新能力。全书共10章, 主要内容包括精密/超精密切削与磨料加工、热/电化学/化学/机械等能量作用的特种加工及其复合/组合加工、增材制造、微纳制造与微机电系统等。

关键词： Hydrophobic   Electrical Discharge Machining  

摘要： Water-repellent behaviour, known as hydrophobicity, has recently attracted a great deal of interest due to its applications, such as anti-icing and self-cleaning. The phenomenon of hydrophobicity found in surfaces like lotus leaves is manifest by a hierarchical structure on low-energy surfaces. Fabrication of hydrophobic surfaces has thus far been largely accomplished on polymers and colloidal materials, which are limited by poor mechanical strength that leads to performance degradation over time. To this end, fabrication of a robust metallic hydrophobic surface is the focus of this research. Sink electrical discharge machining is demonstrated to generate hydrophobic surfaces in 7075 aluminum alloy with water contact angles in excess of 150˚.ThesisMaster of Applied Science (MASc)

关键词： 极端润湿性   油/水分离   阳极氧化   激光加工  

摘要： 海上溢油、工业生产和家庭生活产生的含油废水对水体环境和生态系统造成了严重的威胁,如何将油/水混合液进行有效的分离一直是亟待解决的工程问题。极端润湿性油/水分离筛利用了油和水在其表面上润湿性差异,为该问题的解决提供了新的思路。阳极氧化法和激光加工法是两种常见的表面机械加工手段,而铜合金也是当前最常用的工业材料之一。本文以铜网和泡沫铜为基体材料,利用了阳极氧化一步法和激光加工法配合长链硅烷低表面能修饰的方法制备了极端润湿性油/水分离筛。本文研究内容主要包括:以铜网为基体,通过三因素四水平正交实验的极差分析结果,确定了阳极氧化一步法的制备参数最优组合。制备了具有超疏水/超亲油表面性质的极端润湿性油/水分离筛,其中,水滴接触角为153.0±2.3°,水滴滚动角为7.5°,油滴在2.6 s内被表面完全吸收,油滴接触角为0°。制备的极端润湿性油/水分离筛表面具有完整的微/纳二元尺度的粗糙结构,表面的主要组成成分为阳极氧化产物豆蔻酸铜。制备的极端润湿性油/水分离筛与原始铜网相比,腐蚀电流下降了一个数量级,经过剥离实验、摩擦测试和水下浸泡实验,表面仍然具备优良的疏水性能,表明表面具有优良的抗腐蚀性和机械稳定性。基于阳极氧化一步法制备的极端润湿性油/水分离筛,按照“水滚落,油滴落”的思路,设计了一套油/水分离装置。制备的极端润湿性油/水分离筛对不同类型的油水混合液的分离效率在92%以上,经过十次循环后分离效率在87%以上,且分离后的油液具有良好的纯度。以泡沫铜为基体,通过调控激光打标机的刻写速率、打标功率和扫描间距三个加工参数,对泡沫铜基体表面进行表面设计,使其具备满足Cassie润湿模型的表面微结构,之后利用十二烷基三甲氧基硅烷的自组装原理对加工后的泡沫铜进行低表面能处理。制备的极端润性油/水分离筛具备了超疏水/超亲油的表面润湿性,其中,水滴接触角为151.3±0.6°,水滴滚动角为8°,油滴在表面的通透性较好,油滴在1.7 s内被表面完全吸收,油滴接触角为0°。与阳极氧化一步法制备的极端润湿性油/水分离筛相比,激光加工法制备的极端润性油水分离筛有着更好的耐腐蚀性和机械稳定性。基于激光加工法制备的极端润湿性油/水分离筛,按照“水阻隔,油通过”的思路,设计了一套原位型油/水分离装置。制备的极端润湿性油/水分离筛对不同类型的油水混合液的分离效率在87%以上,经过十次循环后分离效率在85%以上,且分离后的油液具有良好的纯度。对利用阳极氧化一步法和激光加工法制备的极端润湿性油/水分离筛的特点和适用领域进行了比较分析和实验验证,为极端润湿性油/水分离筛的推广与应用提供了参考。

关键词： 激光加工   动态聚焦   自由表面加工   三维图形处理  

摘要： 由于激光加工非接触、高能量、高精度与可控性等优点,其已成为表面加工的主要方式之一。在过往的研究中,研究方向主要针对于二维平面的表面加工,针对于三维表面的高速度与精度的加工方式并不常见,市场上尚未有成熟的整体解决方案。本文旨在针对该领域进行整体的系统开发研究。首先,根据基于动态聚焦的三维振镜和五轴工作台,搭建出了整个系统的软硬件平台。并从实验中测量得出光路真实世界坐标与硬件系统坐标的关系,进一步计算测量得到软件系统与硬件系统之间的坐标映射。其次,根据工业中通用的几种三维模型的特点,对模型进行了解构与拓扑结构重建,并对数据结构进行了优化以加快计算速度。同时在软件中设计了三维视窗,提出了模型分割、拾取与网格化显示等算法。第三,在已分割的重建后三维模型的基础上,根据黎曼几何中共形几何的定义与计算方法,深入研究了计算机图形学中的纹理贴图方式,提出了将三维模型最小失真平面化的优化最小二乘共形参数化(Optimizing Least Squared Conformal Parametrization,OLSCP)算法与将局部区域内失真度降到最低的区域优先多重参数化(Multi-Field Prior Parametrization,MF-P)算法。借助这些算法,可以将三维模型参数化为二维网格,以便将编辑好的二维图形定位到模型上。之后,采用矢量化算法与相交算法,将离散化顶点精确定位到模型上,并进行控制点插补。最后,根据计算结果输出激光器与振镜控制参数,得到在真实物体上的加工轨迹并与常规加工方式对比,分析了实验结果与误差。并提出了一些后续优化改进研究的方向。

关键词： 微细电火花加工   大气压冷等离子体射流   加工介质   加工特性  

摘要： 加工介质对微细电火花加工性能的影响非常显著,在煤油、去离子水等液体介质中加工时,材料去除率很高,但工具电极损耗也很大,严重影响加工精度;在空气射流等气体介质中加工时,工具电极损耗率低,但是由于放电间隙太小,导致加工过程中短路率很高、加工效率低下。针对上述问题,本文提出以大气压冷等离子体射流(APPJ)作为微细电火花加工介质,开展了 APPJ中微细电火花加工的一系列理论研究与实验研究,成功实现了 APPJ中微细电火花加工,并与去离子水、空气射流等介质中的微细电火花加工特性作了对比,为降低微细电火花加工中的工具电极损耗、提高加工效率和表面质量等提供了新的方法与技术积累。论文的主要研究内容与结果如下:(1)在分析了当前典型APPJ产生方式及其特性的基础上,结合微细电火花加工技术对加工介质的要求,确定了采用裸电极电晕放电产生的APPJ作为微细电火花加工介质,并通过工艺实验,验证了可行性。(2)证明了 APPJ中的带电粒子(电子、阳离子等)数密度高于气体射流中,导致了 APPJ中的电导率较高,进而获得了更大的击穿距离。通过击穿距离的对比实验发现,APPJ中的平均击穿距离大于4 μm,而相同条件下的气体射流中则小于2 μm。(3)分析对比了 APPJ、氮气射流、空气射流、氧气射流和去离子水中微细电火花铣槽加工特性,结果表明以APPJ作为加工介质时,在同等能量下,可获得比去离子水中和气体射流中更好的表面质量,比去离子水中更平坦的底面、更竖直的侧壁、更小的工具电极损耗率TWR,比气体射流中更高的材料去除率MRR。当加工能量为开路电压100 V、电容8200 pF时,APPJ中的材料去除率MRR为200 μm3/s,高于空气射流中的121 μm3/s、氧气射流中的156 μm3/s,氮气射流中则加工失败;并且此能量下APPJ中加工表面粗糙度Ra仅为417 nm,低于空气射流中的539 nm,氧气射流中的636 nm和去离子水中的672 nm。当开路电压为80 V、电容为3300 pF时,结论与此类似。当以APPJ作为加工介质时,“大电流X短脉宽”的脉冲组合更有利于工件材料去除;然而,在去离子水中,结论则完全相反。(4)为了提高APPJ中的材料去除率MRR,分别开展了 APPJ与同轴高速空气射流组成的干式复合介质(APPJ+高速空气)以及APPJ与同轴喷雾组成的准干式复合介质(APPJ+喷雾)中的微细电火花加工。实验结果表明,在“APPJ+高速空气”中获得的材料去除率MRR与纯APPJ中相比,提高了超过1.25倍;当喷雾流量为5 mL·min-1时,在“APPJ+喷雾”中获得的材料去除率MRR与纯APPJ中相比,提升了超过6.26倍,甚至超过了相同条件下去离子水中的材料去除率MRR;同时,与去离子水中相比,“APPJ+喷雾”中的表面粗糙度Ra和工具电极损耗率TWR也更低,加工轮廓也更理想。在不考虑工具电极损耗补偿的情况下,在“APPJ+喷雾”中加工出了球面规则、底面平坦的复杂三维型腔,工具电极损耗率TWR仅为0.043%,证明了准干式复合介质“APPJ+喷雾”在微细电火花三维加工中具有非常大的应用潜力。

关键词： 交互式拼图   3D拼图   激光加工   图形编程  

摘要： 为了便于青少年,尤其是低龄儿童学习编程知识,提出了将编程与3D拼图相结合的设计方向,探讨了单片机选择、编程语言选择、交互方式选择、3D拼图造型设计、拼接方式、拼图加工方式等问题,最后设计并制作了一款具有可编程、语音控制、多种交互方式、可行走的机器人造型的3D拼图机器人。

关键词： 激光加工  

ISBN: (纸本)9787512429109

摘要： 本书主要介绍激光加工技术的基本原理，激光加工的分类，激光加工的特点等，结合激光材料去除加工在生产和生活中的使用，重点介绍激光打孔、激光切割、激光雕刻和激光刻蚀等技术，同时依据现有激光内雕设备详细讲解激光内雕原理，内雕设备的使用、内雕软件的使用和图像处理。