关键词： CAE   机床建模   碰撞检测   方向包围盒   层次包围盒  

摘要： 工业软件是国家传统制造业向智能制造转型升级的支柱,研发设计类软件是其重要组成部分,长期以来一直被国外主导。CAE(Computer-Aided Engineering)是研发设计类软件的关键环节,加工制造过程仿真是其重要组成部分。在仿真中,需要先对各类复杂的机床进行建模,然后对机床部件及工件进行碰撞检测,以检验CNC(Computer Numerical Control)代码的正确性。论文针对碰撞检测和机床建模进行研究,将成果应用于东莞市“揭榜挂帅”项目“基于激光加工CAD/CAE仿真系统研发及产业化应用”。 (1)对于激光加工行业的复杂工件模型,针对均值划分策略将导致OBB(Oriented Bounding Box)层次包围盒紧密性较差的问题,本文提出了基于模型切片凸包的模型分割算法。该算法在首次分割模型时,计算包围盒剩余体积之和,筛选出合理的分割位置,以构造更加紧密的包围盒层次结构,提升了碰撞检测的效率。 (2)在仿真前,要在计算机中构建虚拟机床,包括建立拓扑结构、机床的装配和建立运动学模型。在机床结构与装配方面,本文设计了基于哈希存储的机床数据结构,适用于多轴机床;在建立运动学模型方面,本文针对五轴机床推导了逆向运动学求解算法,并设计了基于策略模式的运动学实现;针对机床的存储,设计了自定义标签的XML机床文件。基于面向对象的场景树结构,对机床建模研究成果的正确性进行了可视化验证。 (3)基于碰撞检测和机床建模的研究成果,使用Qt和Coin3D开发了一款CAE仿真软件。软件采用模块化设计,主要包括机床构建、场景管理和仿真等模块,便于功能扩展。软件整体架构采用分层设计,分为数据持久化层、业务逻辑层和表示层,降低UI与业务模块的耦合。最后基于企业实际使用的五轴机床和工件进行了仿真,仿真效果达到项目技术指标要求,为进一步的技术突破和软件研发奠定了基础。

关键词： 电火花加工   数控系统   多进程   电极损耗  

摘要： 电火花加工具有无切削力、非接触、高精度等特点,能够满足具有复杂形状、细小结构工件的加工要求,实现其他加工方法难以达到的加工效果。电火花小孔加工是电火花加工的一个重要方向,广泛用于模具制造、航空航天、医疗器械等领域。在电火花小孔加工中,数控系统有着十分重要的作用。目前国内仍有很多的电火花小孔加工数控系统存在自动化程度低、软硬件系统老化严重,功能不够完善等问题,因此设计一款适应性强、效率高、耦合度低、应用范围广的数控系统十分必要。 本文根据电火花小孔加工的生产要求,设计了一款轻量化的五轴电火花小孔加工机床,主要包括伺服进给模块、工作液循环模块、工作台模块、电极夹头模块。由于电火花小孔加工需要良好的控制精度,因此选用伺服电机搭配滚珠丝杠的组合方式,并对电机进行了选型与校核。在此基础上,对小孔机数控系统的硬件平台进行选择,并确定了数控系统的整体架构以及硬件平台间的通信方式。 电火花小孔机数控系统采用ARM+FPGA的组合结构,通过工业以太网进行数据通信。ARM作为上位机处理芯片,主要运行数控系统软件,包括人机交互、插补控制、运动控制、数据通信、状态监控、哨兵六个主要进程。系统采用多进程的软件架构,通过共享内存、文件、信号量、信号等通信方式实现软件进程间的通信;使用哨兵进程监控数控系统软件的运行状态,增强数控系统的稳定性。实现了上下位机之间的以太网通信以及数控系统与伺服驱动器的通信。此外,使用Linux系统的实时内核和实时调度算法,允许高优先级任务抢占式占用CPU,充分发挥嵌入式Linux系统的优势,提高数控系统的实时性,实现软数控。最后,开发了远程监控软件,对机床生产数据进行记录和分析,总结加工经验,提高生产效率。 采用系统测试方法对数控系统的通信模块和软件响应进行了验证,并进行了电火花小孔加工实验、深孔实验和电极损耗实验。通过多次实验,确定了适合本文数控系统的加工参数。使用不同材料的电极在不同放电参数下对不同材料的工件进行了电极损耗实验,研究了电极在不同加工环境下的损耗速率,为不同的加工要求合理选用电极材料提供了理论依据,并为研究微细电火花铣削加工电极损耗补偿提供数据基础。 针对微细电火花铣削加工中存在的电极轴向损耗问题,建立了一种基于放电脉冲个数的电极损耗预测模型。该模型通过加工参数、有效放电脉冲个数以及实际电极损耗量进行训练,在实际铣削过程中产生一个预测值进行电极轴向补偿。基于高速AD模块和异步FIFO在FPGA上实现了一种实时识别有效放电脉冲个数的滑动窗口算法,并对加工中的异常情况进行了优化。对径向基函数模型进行了训练,并且与线性回归模型进行了精度对比。通过特征槽铣削实验,验证了该电极损耗预测模型能够实现铣削加工中的电极轴向补偿,提高了铣削加工中的工件表面质量;通过插补实验验证了系统插补精度;最后对比了铣削加工中不同走刀方式对加工表面的影响。

关键词： 薄壁环形件   电加工   工装设计  

摘要： 针对实际生产中触指座的加工难题，介绍一种薄壁环形件电火花加工工装的设计及应用。该电火花加工工装可在设备主轴不旋转的情况下完成了环形薄壁件上均布近似矩形孔的加工。实际应用表明，该工装的应用满足加工要求，保证了触指座的加工质量与制造效率，拓展了工装夹具的设计思路。

关键词： 激光焊接   相干光断层扫(OCT)   多点OCT成像  

摘要： 激光焊接作为一种高效精密的加工方法,在汽车制造、电子加工等领域发挥着重要作用。相应的,如今在激光焊接中的检测手段也多种多样,比如X光、热成像、超声波、相干光断层扫(OCT)等等。而这些检测手段存在实时性低、价格昂贵(X光),分辨率有限(热成像),声波传播速度差异导致过程复杂(超声波)等问题。在本文中对激光焊接检测领域进行了综合性的研究,在总结现有技术和理论的基础上出了一种面向激光加工过程的面阵式相干光断层扫(OCT)成像方法,并通过实验验证了其可行性,具体工作内容如下: (1)首先,本研究从国内外相关研究入手,深入探讨了激光焊接检测技术的现状和挑战,包括X光、热成像等技术受限于空间和成本,以及OCT扫技术受限于时域滞后等问题。基于此背景,本文出了针对激光焊接检测技术的一个关键挑战的解决方案。 (2)针对现有技术的局限性,本研究首先出了多点OCT成像的理论解决方案:利用OCT在纵深方面成像的优势,通过有效分割OCT系统中的参考臂和测量臂对,分对进行独立干涉,实现了全局成像的效果。并在之后设计了多点OCT成像的光路系统,基于光路搭建了其硬件系统。 (3)而后,在实验部分,我们验证了多点OCT成像系统的各项静态参数指标,并进一步比较了多点OCT系统与传统单点线扫OCT系统在动态激光焊接实验中的效果。实验结果显示,多点OCT在数据采集速度、空间分辨率等方面表现出显著优势。多点OCT能够更快速、高效地获取多通道数据,为底层匙孔物理模型的研究供更多数据,并具备更强的抗干扰能力,适应复杂的焊接环境。因此,多点OCT检测系统在激光焊接检测中具有广泛的应用前景,为实时监测和精准评估焊接质量供了可行性和可靠性。 (4)最后,本文对未来研究出展望,强调了改进激光焊接检测系统的适应性和鲁棒性、结合深度学习等先进技术、拓展多点OCT在不同材料和焊接工艺中的应用等方面的潜在方向。这将为激光焊接检测技术的进一步发展供新的思路和可能性,促使其更好地服务于工业生产中的焊接过程控制和质量管理。

关键词： 惯性微流控   细胞分离浓缩   螺旋-缩扩式流道   数值模拟   激光加工  

摘要： 低温保存、细胞培养等过程都涉及大量的细胞分离浓缩操作。传统的细胞分离浓缩技术存在着耗时长、效率低、影响细胞活性等弊端,难以高效地完成处理。本文基于惯性微流控技术从器件结构和数值计算等方面对惯性微流道进行优化和探究,并结合紫外激光加工技术和塑封工艺,开发一种螺旋-缩扩式流道惯性微流控芯片,以实现细胞的分离浓缩。本文的主要工作内容包括以下几个方面: (1)惯性微流控芯片的总体设计。基于惯性效应和截面Dean流效应,提出了一种螺旋-缩扩式流道惯性微流控芯片实现细胞的分离浓缩,并依据惯性微流控的设计准则和数值计算,完成螺旋-缩扩式流道惯性微流控芯片的总体设计。 (2)惯性微流控中的流场分布及粒子聚焦特性研究。首先通过COMSOL数值仿真软件分析突扩结构对平面螺旋涡流的影响,仿真结果表明突扩结构的数量和长度均能有效调节平面螺旋涡流的强度和大小。然后研究阿基米德螺旋流道中的粒子惯性聚焦特性,探讨阿基米德螺旋流道中的不同深宽比和不同流速对粒子聚焦行为的影响,仿真结果表明深宽比1:3的阿基米德螺旋流道中的粒子具有更优异的聚焦行为,并在该流道的基础上发现随着流速的提高而出现粒子动态迁移的行为。最后在仿真的指导下完成螺旋-缩扩式流道的参数优化,并分析其流场分布和粒子聚焦特性,证实螺旋-缩扩式流道中不仅存在截面Dean流,还存在突扩结构诱导产生的平面螺旋涡流,二者的协同作用增强了粒子的快速聚焦和操控精度,使得螺旋-缩扩式流道具有更高的处理通量和更宽的通量处理范围。 (3)惯性微流控芯片的制备及实验验证。首先应用紫外激光加工技术结合塑封工艺制备惯性微流控芯片,实现了低成本、高精度、高效率的微流控芯片制备;然后完成实验平台的搭建以及样品的准备,以便于后续实验的顺利开展;最后验证螺旋-缩扩式流道惯性微流控芯片的分离浓缩性能。实验结果表明,螺旋-缩扩式流道中的粒子在全流速段(400～1000μL/min)以及不同数量级(10～4、10～5、10～6个/m L)的样品初始浓度下均表现出稳定的聚焦行为,并实现初始浓度为4.05×10～5个/m L的样品的连续分离浓缩,最终的浓缩倍数保持在8.7倍左右。 本文设计的螺旋-缩扩式流道惯性微流控芯片具有高通量、较宽的通量处理范围和高可行性的特点,能够作为高效进行细胞分离浓缩的较佳解决方案,具有很强的实用价值。

关键词： 仿生图案   不平衡力   激光加工   表面性能   细胞迁移  

摘要： 长度超过2 cm的骨质缺损被称为大段骨缺损。而当骨缺损长度超过5 cm时,从患者身体其他部分取出大尺寸骨组织作为植入物的难度升高,因此需采用生物相容性良好的人工骨修复受损组织。为确保植入后人工骨与周围骨组织之间的牢固结合,有必要通过有效的表面改性手段对人工骨植入物进行定制化的表面改性。而通过激光图案化加工,可以提高材料表面的生物活性,促进组织-植入物间的相互作用,引导细胞产生特定的生物响应。受蜘蛛丝方向集水现象的启发,本文针对大段骨缺损修复中细胞难以长距离迁移的问题,提出在试样表面构建引发细胞不平衡受力的三角锥形结构,以提高细胞迁移性能。通过仿真分析、工艺实验和性能表征等手段系统性地探究了所制备表面拓扑结构、理化性能与细胞的粘附、增殖和迁移等行为之间的关系,为后续激光加工功能性图案的相关研究提供理论与实验参考。本文的主要研究内容如下: (1)接触表面微图案对细胞生物力学的调节机制 分析了液滴在极性/非极性图案上的受力,揭示了不同沟槽宽度及润湿性能条件下液滴不平衡力的形成机制,阐明了不平衡力对液滴的驱动作用。在理论研究的基础上,本文以蛛丝方向集水现象为参照,建立了壁面润湿性梯度变化的二维仿真模型,揭示了无外力驱动条件下液滴自运输的运动机制。仿真结果表明,润湿性梯度变化的极性结构可使液滴亲水端在运动的初始阶段获得较疏水端更高的移动速度,由此实现液滴在润湿性梯度壁面由疏水端向亲水端的自主运动。探索图案形状对细胞运动的控制机理,计算细胞在极性图案表面所受的流动阻力,确定了以构建极性几何图案的方式实现细胞行为诱导的图案设计策略。 (2)激光烧蚀钛合金数值仿真与实验 建立了高斯移动热源的脉冲激光烧蚀钛合金三维仿真模型,阐明了激光烧蚀过程中涉及的物理现象和热力学机制,研究了不同路径规划对激光烧蚀钛合金热累积效应的影响,并比较了不同扫描路径对材料去除结果的影响规律。分析了激光烧蚀熔池中的流体流动,发现熔池中呈现出典型的热毛细管诱导流动模式。熔融液体从熔池中心(低表面张力区域)流向边缘(高表面张力区域)。通过实验研究了激光参数对于烧蚀槽形貌的影响,并将因子和响应值进行拟合建模,发现扫描速度-v、重复频率-f和扫描次数-N三个因子均对沟槽深度有显著影响。以沟槽尺寸为评价指标,探究激光加工参数对材料去除的影响规律,形成了激光烧蚀微图案的加工方法。 (3)钛合金表面锥形结构的激光加工方法与性能表征 结合前文确定的图案设计策略,以三角锥形作为基本的形状要求,以微结构形貌和截面轮廓为评价指标,通过工艺实验研究加工参数对微结构质量的影响规律,并确定最佳的微结构加工方案。通过元素分析、粗糙度、硬度和润湿性能表征研究微结构尺寸对试样表面理化性能的影响规律,并以设计锥形结构的面积和不对称度作为两个关键影响因素来考量极化程度对微结构试样理化性能的影响规律。研究结果表明,微结构极化程度决定了液滴在试样表面的扩散方式,进而影响了试样在不同方向上的润湿性能。而对激光加工微结构试样的生物活性来说,激光加工区域面积更大程度地影响了表面细胞增殖性能。 (4)细胞在锥形图案试样表面的增殖和迁移性能 在确定微结构加工工艺的基础上,保持微结构尺寸和激光加工参数不变,完成钛合金表面具有不同微结构排布方式的表面图案的加工,并探究不同排布方式对试样表面细胞迁移性能的影响规律。利用细胞增殖和划痕愈合实验,分析了细胞在不同排列图案化的试样上的粘附、扩展、增殖和迁移行为,并通过测量细胞迁移率来量化微图案对试样表面细胞迁移能力的增强效果。研究表明,细胞在图案化试样表面的迁移率明显高于细胞在未图案化试样表面的迁移率,极性表面图案有效促进了细胞迁移。其中,在首尾相接排列、高度为200μm、锥角为60°的参数下,试样表面的细胞迁移率最高,为13.85%。 综上所述,本文受自然界中蛛丝集水现象的启发,设计和加工了具有促细胞迁移功能的表面微图案。通过对加工前后钛合金表面理化性能、生物活性及细胞迁移性能方面的研究,分析了具有不同形状参数的极性图案对细胞增殖和迁移等行为的影响。上述研究为激光可控制备骨植入物表面功能性图案的研究提供了实验和理论基础。

关键词： 气膜孔   参数优化   自适应加工   电极补偿   路径规划  

摘要： 涡轮叶片作为航空发动机热端的重要组成部件,工作时需要承受较大的应力和较高的温度,并且应力与温度变化剧烈,因此叶片表面的冷却技术极为重要。气膜孔冷却因其出色的冷却效果而成为涡轮叶片中最为有效的冷却方法之一。然而,在气膜孔加工过程中,由于加工参数不当以及涡轮叶片位姿存在偏差,导致气膜孔表面加工质量下降,精度降低,从而影响冷却效果。本课题旨在满足气膜孔加工需求的基础上,重点研究气膜孔加工工艺参数优化方法、位姿偏差修正策略以及电火花分层铣削方案,以提高涡轮叶片上气膜孔加工的质量、精度和效率,主要的研究内容如下: 基于涡轮叶片表面结构复杂的特点以及五轴数控加工机床的优势,本文通过气膜孔加工方法的对比分析,选取A-C五轴数控机床结合电火花加工的方式进行气膜孔加工。在遵循气膜孔加工要求的前提下,对气膜孔加工过程中所面临的问题进行分析,并针对这些问题提出相应的解决方案,通过对解决方案中涉及的相关技术进行理论分析,将其运用到气膜孔加工过程中,为后续研究提供理论支持。 通过对电火花加工中间隙流场分布特性的深入分析,利用UG软件构建相应的仿真模型,并运用Fluent流体仿真软件对间隙流场进行数值模拟。通过模拟加工过程中流体速度和蚀除颗粒分布的变化,获取最佳的冲液压力和放电间隙数值。在仿真结果的基础上,设计并进行电火花加工实验,对实验中得到的三个关键工艺指标数值进行对比分析。进一步地,对比实验结果与仿真数据得到最佳参数组合,实现了工艺参数的优化,为提高气膜孔加工精度和质量提供数据支持。 针对涡轮叶片铸造精度引起的轮廓误差和人工装夹引起的定位误差严重影响气膜孔加工精度的问题,本文在气膜孔的气流仿真分析基础上,采用“先测量后加工”的自适应五轴加工方法进行气膜孔加工。基于五轴数控机床运动学建模和误差补偿,采用主成分分析法确定测量方向,使用等高法和限制最大步长的等弦高法确定测量方式,利用激光传感器获取实测叶片的点云数据并对其进行简化和去噪处理。采用改良的点云配准算法将其与标准叶片点云数据进行配准,将配准得到的位姿偏差矩阵换算成气膜孔位置和角度上的偏差值进行修正和补偿,补偿轮廓误差时采用先调整中心位置后调整入射角度的方法,通过对比修正前后的测量数据说明自适应加工方法的优越性。 针对气膜孔分层铣削加工中电极损耗严重的问题,根据电极损耗的规律提出了一种基于电极侧面损耗的定长补偿方法,经过计算分析获得补偿参数文件。在此基础上采用UG加工模块对铣削路径进行规划并通过后处理得到NC代码,利用Vericut加工仿真软件进行验证并对加工速率进行优化得到最终的数控加工程序。针对数量众多的气膜孔同时进行加工操作复杂的问题,利用UG软件的二次开发模块实现了多种气膜孔数控加工程序的快速编制,提升了加工工艺的制定效率。