关键词： 电热驱动   微机电系统(MEMS)   微安保机构   激光加工  

摘要： 复杂场景下火工品微安保机构需具有可恢复与抗过载特性,为此,研究设计了基于激光加工的金属材质电热驱动微安保机构,采用有限元模拟分析了镍基微电热执行器动作特性,通过调整双热臂U型电热执行器热臂和冷臂的长度、宽度以及各臂之间的间隙,探究它们对输出位移的影响;通过正交实验得到优化的超快激光加工工艺参数分别为频率100 kHz、能量113μJ、切割速度100 mm·s^(-1),实现了镍基电热微安保机构的超快脉冲激光精确制造;最后,搭建了安保机构性能验证平台,验证了该机构在不同电流激励下的驱动位移与隔爆性能。结果表明,在8 A激励电流下,加工的镍基微安保机构驱动位移可达1084μm,所组装的火工品微安保机构在传爆序列中能够有效隔爆。

关键词： 精密切削   特种加工  

ISBN: (纸本)9787121472022

摘要： 本书共10章, 涉及精密、超精密切削与磨料加工, 热作用、电化学作用、化学作用、机械作用等能量作用的特种加工及其复/组合加工、3D打印、微纳加工与MEMS等内容。

关键词： 电火花加工   磁悬浮驱动器   放电模型   短路规避  

摘要： 随着现代高新技术产业的飞速发展,传统机械加工不能满足人们对于微细零件的加工要求,电火花加工由于其电极采用毫米级别的细金属丝对工件进行蚀除加工,具有独特的加工优势。但由于电火花加工尺度上的微细化极易引起放电状态不稳定从而导致加工效率低、电极损耗严重等难以克服的问题,制约了电火花技术的发展,本文基于多自由度磁悬浮驱动器代替滚珠丝杠连接进行电火花加工,分析极间正常放电和异常放电的情况与条件,设计极间等效电路,采集放电数据拟合建立极间放电数学模型,建立最优短路规避方式,进而通过极间放电数据控制电极位移进行适应性变化,避免异常放电,以此来提高电火花加工的效率。 首先,分析电火花加工原理与极间放电情况,探讨磁悬浮驱动器的动子悬浮原理。分析极间电流电压检测电路的设计方法,使用电路仿真软件进行电路仿真,通过仿真图像分析电火花放电的几种形态,基于此,进行PCB板的绘制并搭建传感器标定实验平台,进一步验证电流电压检测电路,为后续短路规避提供实验基础。 其次,本文设计了多自由度磁悬浮驱动器电极位移控制系统,通过传统PID控制器及分数阶PID控制器分别设计了位移控制系统并进行MATLAB/Simulink仿真,在控制实验过程中使用经验法进行PID参数整定,经过实验后发现单一的控制位移环难以同时保证位移变化后的快速响应与小超调的问题,在排除了涡流对于磁悬浮驱动器的位移控制影响后,搭建了双闭环PID控制系统,实验结果以Z轴运动为例,相较于传统PID控制响应速度提升了0.959s,相较于分数阶PID控制超调量减少了17.2%,证明了双环PID控制系统有着更好的动态性能。 最后,基于极间检测电路与磁悬浮驱动器位移控制系统搭建电火花加工实验平台,利用控制变量法确定机床实验参数并收集实验数据,基于极间阻抗模型拟合极间放电模型,并通过仿真法与3σ法验证该模型。建立BP神经网络短路规避控制系统,根据仿真系统搭建基于多自由度磁悬浮驱动器的电火花加工短路规避实验平台,采用短路规避控制系统的电火花加工效率相比传统加工提升了30.09%,电火花正常放电率提升了131.43%,电流电压放电频次也明显增加。由此可见,基于磁悬浮驱动器的电火花加工短路规避控制有效的提升了电火花加工效率,增加了电火花正常放电率。

关键词： 真空玻璃   封边装备   结构设计   翻转机构  

摘要： 随着我国社会的发展以及“双碳”目标的提出,真空玻璃因具有保温隔热、隔音降噪等性能作为一种新型的节能材料。然而传统的真空玻璃采用炉内加热烧结而成,其加工时间长、能耗高、效率低。目前激光封边具有封边质量好、效率高的优势,然而目前针对真空玻璃连续封边的激光加工设备鲜有。本文在对国内外的真空玻璃及其封边装备调研的基础上,以一种新型的真空玻璃的结构为前提,提出了总体设计方案,设计并研制了真空玻璃封边用旋转式激光加工设备,为真空玻璃的封边设备及其封边(下文和封接混合使用)工艺提供了理论和技术支持。 通过研究国内外的真空玻璃结构、封边工艺、封边设备,确定了一种新型真空玻璃的结构,并且提出了该真空玻璃的加工方案。运用Solidworks软件详细设计了夹持机构、翻转机构、同步旋转机构、玻璃条推送装置、激光及焊料添加装置,并且对关键零部件进行选型计算。 利用Solidworks软件的Motion功能,采用运动学仿真的办法,建立了双平行四杆、曲柄摇杆、滑块摇杆等三种翻转机构的运动模型,并且进行了运动分析,发现曲柄摇杆翻转机构实现了夹持机构在翻转90°时末线速度为0,且在翻转过程中线加速度无突变,达到了夹持机构对支撑柱冲击小以及稳定夹持平板玻璃的运动效果。 在采用添加质量矩的方法对曲柄摇杆翻转机构进行惯性力的平衡。通过求解各个杆件质心位置找出机构的总质量矩,建立封闭的矢量方程,消去线性相关变量,将非独立变量用独立变量表达出来代入到机构总质心的矢量方程中,从而使机构的惯性力达到完全平衡条件。 根据设计的三维模型,研制了夹持机构、翻转机构、同步旋转机构。并且通过实验,测试了三种结构的稳定性能。在三种机构的基础上搭建了真空玻璃封边用旋转式机关加工装备。之后进行了真空玻璃的夹紧、翻转、同步旋转等连续性动作,证明旋转式加工过程的可行性。

关键词： 三维石墨烯   逐层式组装   超级电容器   激光加工   聚醚砜  

摘要： 为满足不断提升的储能性能需求,超级电容器的能量密度亟需增强。鉴于其电荷存储机制,优化超级电容器性能的核心在于电极材料的优化设计与制造。石墨烯,作为一种典型的二维材料,凭借其出色的比表面积、导电性和化学稳定性,成为电极材料的理想选择。然而,二维石墨烯材料在电极中应用时极易发生片层堆垛和团聚,从而阻碍了电荷输运。为了解决这一问题,构建三维（3D）多孔结构的石墨烯成为一种有效的策略。然而,传统的3D石墨烯制备方法仍然存在一些不足,如复杂的湿化学过程、低产率、低晶体质量和高成本等。近年来兴起的激光诱导制备技术,已经展现出在高效率、高质量制备3D多孔石墨烯方面的巨大潜力,并在高性能电极应用中显示出明显优势。尽管如此,激光诱导石墨烯（LIG）在作为电极材料时仍面临一些挑战,如宏观厚度受限、晶体质量不均、孔径结构难以调控和电化学活性缺乏。这些问题在很大程度上限制了基于LIG的超级电容器性能的充分发挥。 针对以上问题,本文提出了一种宏观尺度石墨烯电极的高质量制备策略。首先开发了一种激光辅助的共价生长技术,通过精确调控多微孔前驱体膜的孔径和激光参数,成功制备了具有高跨层电导率的全石墨烯宏观厚度电极。这一方法不仅提高了电极的电导率,还增强了其结构的完整性。进一步地,为了优化电极的离子可及性和扩散动力学,采用模板法并结合逐层式组装技术,构建了具有大孔-介孔-小介孔梯度孔结构的三维石墨烯厚电极;有效提升了电极的倍率性能,从而增强了其在快速充放电条件下的性能表现。最后,为了实现更高能量密度的超级电容器,利用原位合成技术在石墨烯电极中引入锰化合物异质结构,实现了高电化学活性的复合石墨烯厚电极构筑。具体研究内容如下: （1）以微孔聚醚砜（PES）膜为前驱体,通过细致调控PES膜的孔径尺寸和精确设定激光参数,增强了激光对聚合物的穿透深度,实现了 PES膜全深度的石墨烯化,为后续全石墨烯宏观结构（AGM）的逐层式生长奠定了基础;利用原位透射激光的二次诱导作用,成功制备了具有层间共价连接的AGM。在AGM逐层生长的过程中,LIG的晶体质量也得到同步优化,实现了与非共价式组装方法相比,跨层电导率100倍的显著提升。为了深入理解LIG的共价生长机制,对激光作用下LIG的层间键合过程进行了分子动力学模拟研究,揭示了激光非平衡条件对AGM共价生长和晶体质量优化的作用机制。优化制得的多层AGM超级电容器电极,在1 MH2SO4电解质中,0.5 mA/cm2电流密度条件下,其比电容从7.6mF/cm2（1层厚）增加50.5 mF/cm2（4层厚）。最终组装的10层毫米级厚度AGM,获得了 153.0mF/cm2的高比电容,并显示出优异的循环稳定性。该方法为设计和制造宏观厚度三维石墨烯电极材料提供了一种有效的策略。 （2）为了进一步提升厚电极的离子扩散动力学,沿电极厚度方向设计了梯度孔结构。采用具有宏观通孔结构的聚酰亚胺（PI）纤维纸作为前驱体材料,通过双面激光诱导技术,成功制备了自支撑的氮掺杂大孔层激光诱导石墨烯（MP-N-LIG）。随后,利用FeC13/PES前驱体,结合原位激光诱导技术,在LIG上均匀引入了 Fe3O4纳米颗粒模板。通过精确调控前驱体浓度并实施去模板工艺,实现了不同孔径尺寸的介孔硫掺杂激光诱导石墨烯（S-LIG）的制备。在这些基础上,进一步通过逐层式组装技术,构建了具有大孔-大介孔-小介孔的梯度孔结构的宏观厚度三层电极（GPG）。相较于其他三种非梯度孔结构设计的三层电极,GPG电极在电化学性能测试中展现了显著的优越性,这归功于其独特的梯度孔结构设计,有效促进了电解质离子在电极内部的传输和扩散,从而优化了电极的电化学响应速度和充放电性能。1 M H2SO4电解质中,在1.0 mA/cm2电流密度条件下,GPG电极获得了 624.0 mF/cm2的高比电容,且在5.0 mA/cm2的大电流密度下,表现出优异的倍率性能。组装的对称式超级电容器,获得的面积比电容为240.6 mF/cm2,并在10.0 mA/cm2时比电容仍保持为124.0 mF/cm2;并实现了 5000.0μW/cm2的高功率密度。该研究证实了梯度孔结构设计对于实现宏观厚度电极下高倍率超级电容器性能的重要作用。 （3）为进一步提高能量密度,在石墨烯宏观厚度电极中引入了赝电容材料,并拓宽超级电容器的电压窗口。使用Mn（CH3COO）2/PES前驱体,通过原位激光诱导技术同步合成了MnO-Mn3O4/MnS异质结构和大孔LIG骨架,并逐层式构筑了多层MnO-Mn3O4/MnS/LIG（MHG）电极。进一步地,通过低能激光诱导技术在MHG层间接入了高导电、多孔的CNT网络。由此得到的MHGC电极,进一步优化了电极层间的连接,并增强了长距离电荷传输能力,在0.5 mA/cm2的电流密度条件下

关键词： 应变型扭转角度传感器   激光加工   碳纤维复合材料   PDMS   电学特性  

摘要： 扭转角度传感器广泛应用于医疗设备、可穿戴电子设备、精密仪器检测、健康监测、运动科学等领域,随着新材料、新工艺、新技术的涌现,人们对于扭转角度传感器的要求越来越高,目前存在的扭转角度传感器体积大、线性差、精确度不高,对于微小角度的监测不够敏感,不能人们满足日益增长的需要,因此本文将设计一种基于激光微加工的碳纤维应变型扭转角度传感器,主要介绍制作的工艺流程和电学性能测试。 本文采用基于激光微加工碳纤维的工艺制作一种应变型扭转角度传感器的研究,首先根据电容器原理采用圆弧形结构,由内电极和外电极相互交错排列构成四组叉指,每对叉指之间形成电容,然后根据平行板电容器计算方法推导出该应变型扭转角度传感器扭转角度与电容变化之间的关系,并且与Comsol仿真相结合进行结果验证。然后利用碳纤维环氧树脂复合材料设计了应变型扭转角度传感器的制作工艺流程,将8层碳纤维预浸布进过高温加压成0.2mm厚的碳纤维板,再运用激光加工工艺雕刻出应变型扭转角度传感器主体部分,之后通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜进行封装,完成应变型扭转角度传感器的制作。最后利用步进电机、台式数字电桥搭建了应变型扭转角度传感器电学实验测试平台,分别测试了静态电学性能和动态电学性能,结果表明该应变型扭转角度传感器在扭转角度在-5°～5°范围内,线性度为0.99,灵敏度为0.03p F/°,在扭转速度为50°/s条件下,扭转5°上升过程响应时间为0.19s,恢复时间为0.17s。测试不同扭转速度和不同输入交流测试频率,结果发现均没有对电容变化产生影响。在应变型扭转角度传感器垂直方向上使用绝缘小木锤进行压力不敏感测试,发现压力产生的电容变化相比于扭转产生的电容变化不明显。最后对应变型扭转角度传感器进行1000次重复性实验,电学性能没有发生明显改变。可以看出该应变型扭转角度传感器具有良扭转特性好、线性度高、稳定性高、对压力不敏感,在未来具有广泛的应用前景。

关键词： 超声辅助电火花   加工性能   热流耦合   超声振幅   参数优化  

摘要： 超声辅助电火花加工(UEDM,ultrasonic-assisted electrical discharge machining)能克服传统接触式机械加工的诸多缺点,被广泛应用于难切削材料的微小孔加工领域。然而,超声辅助电火花加工的放电过程十分短暂,难以从微观层面观测放电通道的产生和溃灭,超声辅助电火花放电加工机理、材料蚀除过程、不同工艺参数对放电能量和加工性能的影响并不明确,使得超声辅助电火花复合加工技术并不成熟,针对以上问题,本文开展的研究如下: 1.从理论上分析了超声振动的引入对电火花放电过程和加工质量的影响;根据超声振动幅值与放电间隙的关系,建立了不同振幅下的超声辅助电火花放电能量模型;建立了温度场与流场结合的热流耦合模型,将高频振动产生的声流驱动力加入到熔池中,以模拟超声振动对熔池形貌的影响。 2.在COMSOL软件中建立热流耦合物理模型,对电火花加工、低振幅超声辅助电火花加工(振幅3μm)和高振幅超声辅助电火花加工(振幅5.9μm)的瞬态放电蚀除过程进行数值模拟。观察并分析了不同振幅下的放电凹坑成形过程以及不同超声频率、峰值电流和脉冲宽度对放电凹坑的影响。结果表明:低振幅组放电蚀除效率更高,高振幅组放电产生的凹坑侧边凸起更低,有助于提升工件表面质量;峰值电流和脉冲宽度的增加明显提高了材料蚀除体积,但侧边凸起更高;超声振动产生的声流驱动力和超声频率的变化对放电凹坑的成形过程几乎没有影响。 3.将超声振动装置安装到电火花穿孔机上,进行不同超声振幅下的短时间盲孔加工和不同超声振幅、峰值电流及脉冲宽度下的通孔加工。结果表明:低振幅超声组加工效率更高;高振幅超声组盲孔底部轮廓更光滑,孔口侧边凸起高度更低,通孔内壁缺陷更少,微孔表面和内壁质量明显提升;在电参数较高的条件下,超声辅助电火花加工性能明显优于无超声的电火花加工。 4.为研究不同工艺参数共同变化对超声辅助电火花微孔加工性能的影响,设置三因素四水平正交实验,使用统计学的灰色关联分析模型对正交实验结果进行分析。结果表明:超声功率的综合影响权重最大,超声辅助电火花加工最优参数组为:峰值电流4A,脉冲宽度100μs,超声功率60%;当电参数过高时,即使引入超声振动也难以保证较好的加工质量。

关键词： 柔性智能微系统   激光加工   形状记忆聚合物   超级电容器  

摘要： 智能微系统是一种集成了供能单元、执行器、控制逻辑、传感器和通信功能的微型系统,能够对环境变化做出感知、处理和响应,能够执行复杂的任务。智能微系统的设计和制造融合了微电子学、微机电系统、纳米技术和智能材料等先进技术。柔性智能微系统是在传统智能微系统的基础上进一步发展而来。柔性智能微系统在保持智能化功能的同时增加了柔性和可弯曲的特性。 形状记忆聚合物是一类具有形状记忆功能的高分子材料,能够在经过特定刺激后从一种预设的形状变换到另一种预设的形状。形状记忆聚合物具备可编程的形状变化、可调节的机械性能、优异的生物相容性等优点,是开发柔性智能微系统的理想基底材料。超级电容器是一种新型储能设备,提供了比传统电容器更高的能量密度,同时又能提供比电池更高的功率密度,具备快速充放电能力、高功率密度等优点。激光加工使用高能量密度的激光束对材料进行切割、雕刻、打孔或者改变材料表面的性质,是一种先进的材料加工技术,具备高精度、非接触式加工、高效率、可图案化加工等优点。激光加工技术提供的优势使其在超级电容器的制备和开发中扮演了重要的角色。研究人员在形状记忆聚合物、超级电容器和激光加工领域进行了大量的研究,但是缺乏将三者联合制备柔性微系统的研究,即缺乏形状记忆聚合物作为柔性执行基底、超级电容器作为储能单元、激光加工作为先进加工技术并使用传统电子器件作为辅助单元的柔性智能微系统的研究。针对以上问题,本论文提出: 1.乙烯醋酸乙烯共聚物薄膜作为柔性基底,通过氧等离子体处理提高基底的亲水性。接着将碳纳米管导电油墨和MXene的混合溶液通过滴涂的方式滴涂到亲水处理的柔性基底上并风干成膜,之后使用激光进行图案化加工制备得到超级电容器,并从电极间距、激光参数角度对器件性能进行优化。在10 m V/s的扫描速度下,面积比电容可以达到13.68 m F/cm2,是碳纳米管导电油墨作为电极的1.98倍。此外测试了超级电容器在弯折时的性能,器件在弯曲角度为45°,扫描速度为10 m V/s时,面积比电容器的保持百分比是74.83%。最后测试了柔性基底的电热转化和形状记忆形变能力,柔性基底从180°到90°的记忆形变仅需3.4秒。 2.以ESP32-C3-MINI-1-H4为主控和信息传输芯片,以TMP112AIDRLR为温度检测芯片,焊接在聚酰亚胺柔性电子基板上。将柔性电子基板和具备电热转化能力、可双向形变的形状记忆聚合物薄膜组装到一起,组成柔性智能微系统。该系统可远程检测、控制温度,从而进一步保证了柔性智能微系统执行器部分的耐用性和稳定性。 综上,本文将在乙烯醋酸乙烯共聚物形状记忆聚合物薄膜上使用激光加工技术制备得到了超级电容器,并于传统硬件相结合,搭建了可远程检测、控制的柔性智能微系统,为制备柔性智能微系统提供了一种高效、简便、高精度的解决方案。

关键词： 激光加工   飞秒激光   激光参数   温度场   样品温度   烧蚀深度   烧蚀率  

摘要： 激光加工具有诸多优点,包括高精度、无接触加工、适用性广泛、热影响小、自动化程度高以及环保节能。这些优势使得激光烧蚀成为一种高效的加工方法。为了进一步提升激光烧蚀的效率,需要进行深入的研究和理论模拟分析。通过理论模拟分析,可以深入了解激光烧蚀的加工原理与规律,从而优化加工参数、改进加工工艺,提高加工效率和质量。在本论文中,讨论了样品温度对飞秒激光烧蚀铜的理论模拟和实验研究。主要的研究内容如下: (1)为了更深入地研究飞秒激光加工过程,进行了激光能量密度、光斑半径和激光波长等激光参数对激光加工的模拟研究,以预测温度场和烧蚀坑的变化。模拟结果显示,激光能量密度增加,烧蚀深度也会增加。其次,光斑半径增加,材料表面的最大晶格温度会减小。激光波长减小,在轴向和径向分布的晶格温度增加。最后激光脉宽增加,电子温度和晶格温度平衡时间增加。还通过模拟研究,可以确定建立的模型是可行的。 (2)在第三章的模型基础上,对单脉冲飞秒激光烧蚀铜的理论分析,之后进行了实验探究。为了探究样品温度对飞秒激光加工的影响,利用双温模型,对飞秒激光辐照铜的热行为进行了模拟。模拟结果的温度场表明,随着样品初始温度的升高,电子峰值温度和达到平衡所需的弛豫时间都呈增加趋势。通过实验,得到各样品温度下烧蚀深度。将理论烧蚀深度和实验烧蚀深度进行比较,发现模拟烧蚀深度的总体趋势与实验值相一致。 综上所述,通过对激光能量密度、激光脉宽、光斑半径等激光参数进行模拟研究,可以深入了解其对激光加工的影响机理,验证了该模型是可行的。另外,利用该模型研究了预热样品下的激光烧蚀,并与实验烧蚀深度对比。通过研究发现,预热样品对激光烧蚀金属具有显著影响。预热可以提高金属烧蚀率,增加热导率和热容等热物理系数,从而提高激光能量传递效率,加快烧蚀速度。

关键词： 水射流辅助激光加工   多尺度Retinex去雾   多聚焦图像融合   离散小波变换   Zernike矩亚像素边缘检测  

摘要： 水射流辅助激光加工技术通过低压射流冲击在材料表面辅助激光烧蚀实现材料去除,在加工过程中以流动水介质层降低工件表面温度并利用冲击力减少熔融材料堆积,有助于实现材料的高效低损伤加工。然而,由于流动的水介质层持续作用于材料表面,在位情况下获得的已加工表面图像质量较差,难以及时观测水射流辅助激光烧蚀过程中样件的加工状态和加工质量,阻碍了水介质层作用下的激光高效加工。 本文针对水射流辅助激光加工微结构高质量观测难题,开展基于图像处理的水射流辅助激光加工在位监测研究,并围绕图像去雾、景深扩展以及图像特征检测问题开展深入的理论与试验研究,主要研究工作及取得的成果如下: 1、搭建了水射流辅助激光加工图像采集系统,分析了微结构表面高质量图像采集的难点,进一步明确景深和水射流参数对成像质量的影响及具体原因,并确定试验方案。结果表明:随着放大倍数的增加,景深快速减小,导致图像聚焦范围有限;对于水射流系统来说,压强越大、喷嘴直径越大、冲击的倾斜角越小,样件表面的流动水膜状态越复杂,图像的质量越差。 2、开展了水射流辅助激光加工微结构图像的预处理算法研究,确定形态学理论去气泡算法和基于多尺度Retinex理论的去雾算法,探究了空气环境和水射流环境下的源图像质量差别,以及不同水射流参数下采集的源图像序列预处理结果质量对比。试验结果表明:相较于空气环境,水射流环境下的源图像的平均梯度(AG)和空间频率(SF)分别下降了31.81%和34.74%;水射流压强越小、喷嘴直径越小、倾斜角越大,源图像的预处理效果越好。 3、开展了水射流辅助激光加工微结构图像景深扩展的算法研究,确定基于离散小波变换的多聚焦图像融合算法,并进一步确定小波形式以及算法的改进方向,对比了空气环境和水射流环境下源图像序列的融合结果以及不同水射流参数下预处理图像的融合结果。经试验表明:空气环境下,融合图像标准差(SD)提高了29.98%,信息熵(EF)提高了7.8%;水射流环境下的融合图像四个指标分别提高8.72%、1.33%、23.35%和72.82%;随着水射流压强和喷嘴直径的增大,以及倾斜角的减小,融合图像质量均呈现下降的趋势。 4、开展了水射流辅助激光加工微结构特征检测算法研究,明确了基于优化的Zernike矩亚像素边缘检测算法的熔融物检测算法流程,对比了空气环境和水射流环境下特征检测结果。结果表明:水射流环境下检测到的大部分金属熔融物特征位置与空气环境下一致,但由于水射流对样件表面的冲击,框定特征的最小面积矩形坐标值有所出入。 本文研究成果为水射流辅助激光加工微结构在位监测提供了一种基于图像处理的解决办法,对后续水射流辅助激光加工参数调整及优化具有重要意义。