关键词： 激光飞行标刻   最大飞行速度   激光加工机器人   路径优化   遗传算法   免疫算子   三维仿真  

摘要： 激光加工机器人以高能激光束为加工工具,以多自由度机器人运动机构实现激光束运动传输,聚焦激光束在工件上按控制系统预先编程设计的2D二维或三维3D加工轨迹精确运动,实现各种材料的点、线、面多种形式多种工艺的控型控性加工,是当今最为活跃的先进制造技术之一,在机械制造、微电子加工、产品包装等各领域得到广泛应用。 本文进行了2D激光飞行标刻系统和3D激光加工机器人仿真的研究。基于PC平台研制了激光飞行标刻控制卡和控制软件,研究进行了激光标刻标刻路径智能优化、激光飞行标刻控制算法以及最大飞行速度性能标刻速度影响因素等问题的研究。。研究了3D激光加工机器人运动建模仿真系统及3D激光加工路径的生成方法。在研制的激光飞行标刻软件平台上,开展了激光加工路径(Laser Processing Path, LPP)智能优化算法的研究。分析了点群加工、线条笔划加工、闭合轮廓加工三类LPP优化问题的数学模型,针对线条笔划路径优化问题,提出了一种采用正负整数进行染色体基因编码的新方案。结合λ? opt启发式算法和免疫算法思想设计实现了基于优生策略的免疫遗传算法。根据三角形三边关系定理设计了消除染色体自相交的缺陷的平滑免疫算子;提出了“最优染色体内部任意积木块必定是最优路径”的完美积木块准则,并据此设计了3段局部优化免疫算子。两类免疫算子的引入使遗传算法获得了均匀的进化过程、更快的收敛速度和优良的局域优化能力。应用该算法进行路径优化测试结果良好显示:,激光标刻跳跃路径经过优化后长度缩短了48.96%,振镜标刻整个图形的加工时间减少了5.34%～.57%。该优化算法可广泛应用于激光切割、焊接、打孔等激光加工控制系统以提高系统工作效率,。 研究了激光飞行标刻扫描幅面约束特性和、激光飞行标刻控制算法对以及激光飞行标刻速度性能的影响影响因素等问题。首先分析了生产线恒速和变速运动状态下激光飞行标刻控制的的位移跟踪模型特点,设计实现了开环计算和闭环检测两类运动位移补偿算法并进行了实验,研究结果表明:开环计算跟踪算法在不需要增加额外硬件的情况下能完成对恒速运动工件的飞行标刻;闭环位移检测跟踪算法适合恒速和变速各种情况,具有速度自适应的优点。进一步研究了激光飞行标刻扫描幅面约束特性((Scanning Area Limitation , SAL))、最大标刻位移(Maximum MarkableOffset, MMO)、最大标刻时间(Maximum Markable Time, MMT)等问题,推导出激光飞行标刻最大飞行速度((Maximum Flying Velocity, MFV))与沿工件运动方向的最大标刻位移成正比,与标刻时间成反比,实验结果与MFV公式计算值结果吻合良好。还研究了标刻图形对象的不同扫描路径顺序对MFV的影响,分析比较研究了了完全进入后扫描标刻AEM((All Entered Marking, AEM))、逐行先进入先扫描标刻RFEFM((Rowed First Entering First Marking, RFEFM))、先进入先扫描标刻FEFM((First Entering First Marking, RFEFM))算法对MFV的影响。研究结果表明采用FEFM算法可以获得对于多种标刻图形的最佳的激光飞行标刻速度性能。MFV公式以及FEFM扫描算法的提出对于工业领域激光飞行标刻系统的性能评价和改进具有指导意义。 进行了3D激光加工机器人仿真系统的研究。从激光加工应用的角度分析了5自由度激光加工机器人系统结构,推导了3P2R框架式机器人和5R旋转关节机器人正、逆向运动学计算公式,并分析了两种机器人运动机构的特点及定位误差。在自行开发的激光飞行标刻控制软件基础上,引入OpenGL图形引擎,自主开发实现了圆柱关节臂和STL模型关节臂的3D激光加工机器人建模装配及正、逆向运动仿真功能。研究了3D空间平面加工图形和示教3D示教插值曲线加工路径的编辑方法,并实现了机器人加工仿真。基于Open CASCADE造型内核开发了更具真实感的3D激光加工机器人仿真系统,设计实现了由IGES文件导入3D工件模型,通过对3D模型拓扑图元的分析,提取模型边数据点的位置信息和法线信息,经过融合处理后生成3D激光加工路径,实现了复杂3D零件复杂的激光加工路径的生成。3D激光加工机器人仿真的研究为研制开放式激光加工机器人控制系统以及激光加工离线编程系统奠定了基础。

关键词： 微细电火花加工   微能脉冲电源   复杂可编程逻辑器   单片机  

摘要： 微细电火花加工是微细加工领域中的一个重要研究方向,因其在加工中具有非接触式的、无宏观切削力等优点,微细电火花加工技术已经在世界上许多国家得到了重视。而微能脉冲电源是微细电火花加工体系中的关键技术之一,其性能的好坏直接影响到微细电火花加工工艺指标的优劣,因此对其关键技术进行研究,掌握微能脉冲电源的实现原理与设计方法,对微能脉冲电源的研制以及整个微细电火花加工系统的研究与开发都有着重要的意义。 在大量阅读参考国内外相关资料的基础上,综合分析了微细电火花加工的基本原理,通过对单个脉冲能量对加工表面质量影响的分析,得出大峰值电流与窄脉宽有利于提高加工质量,并就寄生电容对加工表面质量的影响进行了分析。文章分析研究了微能脉冲电源的功率开关MOSFET的驱动技术和平均电压检测方法等关键技术,并对平均电压检测电路进行了仿真分析。 本文所设计的微细电火花加工微能脉冲电源主要包括高频脉冲信号发生电路、驱动放大电路、功率转换电路、检测电路及主电源电路等几个部分。其中高频脉冲信号发生电路是此脉冲电源的核心部分,它采用了80C51单片机芯片P89LVRD2与复杂可编程逻辑器件（CPLD）EPM570T1003N来共同完成,能够在线设置脉冲信号参数,脉冲宽度可在50ns5μs范围内连续可调。该脉冲电源的总体设计思路为:通过由高频脉冲信号发生器产生的高频脉冲信号经功率驱动放大后,控制功率开关管MOSFET的导通与关断,得到加工间隙所需要的放电脉冲,并对由检测电路反馈的放电状态检测信号进行及时的处理,获得最佳的加工放电脉冲。 最后针对所研制的微能脉冲电源系统进行了软硬件调试和测试。测试了脉冲宽度为1μs、0.2μs、0.1μs和0.05μs时的脉冲波形,其稳定性较好。测试结果验证了所设计的微能脉冲电源基本可以实现。但是脉冲波形存在一定的延时,因此还需进一步对其做深入地研究并在实际加工条件下进行验证。

关键词： 机械密封   激光加工   端面微孔   密封性能   优化  

摘要： 激光加工多孔端面机械密封是一种新型密封,它是在普通机械密封的端面上加工出微米级的小坑孔,能够实现非接触,具有良好的润滑性能和密封性能。然而,目前对激光加工多孔端面机械密封的研究少有文献报道。本文通过建立激光加工多孔端面机械密封的理论分析模型,采用MATLAB求解雷诺方程,获得在给定工况下泄漏量、摩擦功耗等密封性能参数数值,并分析不同微孔深度、微孔深度和微孔密度对其密封性能参数的影响规律,得到微孔深度、微孔深度和微孔密度的最佳值。主要研究内容和结论如下: 1.建立了激光加工多孔端面机械密封的流体动力学分析模型,根据假设,一个孔栏上的液膜压力分布可表征整个密封面上的液膜压力。将参数进行无量纲化,采用有限差分法对激光加工多孔端面机械密封进行了详尽地分析和参数研究,并利用Matlab计算机软件得到了液膜压力、泄漏量、摩擦功耗等密封性能参数值。 2.对激光加工多孔端面机械密封的液膜压力进行了深入研究。通过理论计算及分析,研究了结构参数微孔半径、微孔深度和微孔密度对液膜压力的的影响。结果表明,在给定工况条件下,对微孔深度、微孔深度和微孔密度进行优化,可使端面间的液膜压力达到最佳值。 3.理论推导得到了激光加工多孔端面机械密封的泄漏量计算公式,并进行了理论计算与分析,结果表明:微孔深度和微孔密度对密封端面间的泄漏量有很大影响。因此,为了增大密封动压效应,降低能耗,减少泄漏量,微孔深度和微孔密度应选择一合适值。 4.通过计算得到摩擦功耗的计算公式,分析得到了最佳的微孔结构参数值,为激光加工多孔端面机械密封工程优化设计提供了可靠的理论依据。

关键词： 电火花加工   等离子体   离子轰击能量   临界放电间隙   相对放电间隙  

摘要： 随着电火花加工工艺不断深入的研究,对于电火花加工机理研究的相对滞后一定程度上制约了其进一步发展。这主要是因为电火花加工的过程是非常复杂而短暂的,人们在不断地试验研究中发现,对于电火花加工微观过程的分析是一个涉及到电磁学、流体力学、传热学、电化学以及胶体化学等多学科知识的复杂过程。因为这种复杂性,人们对于放电过程中放电通道中带电粒子的运动特性、电磁特性等的认识还不够,还需要人们进一步深入的研究。 本文以电火花加工的基础理论与直流放电等离子体基础知识为基础,介绍了放电过程中放电通道的粒子运动,根据放电通道半径的经验公式进一步分析了电火花放电通道的阴极鞘层的击穿电压以及阴极电压降,通过公式可以看出,阴极鞘层的击穿电压和电压降是介质种类、电极材料以及等离子通道内的压力等因素综合作用的结果,而电流密度对其影响不大,而且在电火花放电过程中,阴极电压降基本保持稳定,不随时间的变化而变化。 利用求出的阴极电压降的结果,求出了离子轰击阴极表面时的速度,进而推导出了阴极表面处离子的轰击能量,可以看出离子轰击能量是由峰值电流、脉冲时间以及阴极电压降和鞘层宽度等因素共同决定的。 为了更好的研究离子轰击能量与放电间隙之间的关系,设计了一种仅利用电火花加工机床自身功能,而不需要对其进行任何改装或外加任何控制电路和仪器设备等就能实现高精度临界放电间隙测试和单脉冲放电的方法,并使用这种方法考核了放电间隙对于单脉冲放电坑大小的影响,从而间接的证明了放电间隙对离子轰击能量的影响。通过实验可以看出,峰值电流对于固定材料的工件和电极的临界放电间隙没有影响,只会使得放电坑直径随着电流的增大而增大。当其他放电参数相同时,工件和电极表面的放电坑尺寸都会随着放电间隙的减小而逐渐增大,而且放电间隙越小,放电坑的尺寸增大越快。实验结果也定性的验证了前面关于击穿电压以及离子轰击能量的分析。 设计了一种相对放电间隙的测试方法,并使用这种方法测量了钢和硬质合金相对于铜的相对放电间隙。

关键词： 钛合金   微细电火花加工   激光加工   摩擦   表面微结构   超声电机  

摘要： 本课题来源于基金项目:NSFC-广东省联合基金重点项目(U0934004)、教育部“新世纪优秀人才支持计划”项目(NCET-10-0068)、教育部博士点基金博导类项目(20093218110026)、江苏省自然科学基金重点项目(BK2010074)、流体传动及控制国家重点实验室开放基金项目(GZKF201009)、机械传动国家重点实验室开放基金项目(SKLMTKFKT201005)。 本文利用微细电火花切割技术和微细电火花成形技术在钛合金表面制备了沟槽、网纹微结构;利用激光打标技术在钛合金表面和超声电机定子表面制备了凹坑型阵列;采用增强型磁控阴极电弧镀膜沉积系统在钛合金微结构表面分别制备了CrN和DLC薄膜。最后在载荷为3N,滑移速度为0.4m/s时,将微结构表面、微结构/薄膜表面在去离子水环境下与Si3N4小球对磨,研究其摩擦学特性。同时初步研究了制备凹坑微结构的超声电机定子表面的摩擦学特性。本文获得的主要工作和结论如下: 一、通过不同面积率的正方形和菱形微结构的摩擦学特性研究发现,宽度为0.2mm的正方形和菱形微结构表面在面积率为30%时,显示出比较好的减摩特性,宽度为0.25mm的正方形和菱形微结构表面在面积率为10%时显示出较好的减摩特性。通过沟槽微结构表面的正交试验可以得出:面积率对沟槽微结构的摩擦学特性影响最大,沟槽的深度影响最小。凹坑微结构表面的正交试验结果表明凹坑的直径对摩擦因数影响最大,而凹坑阵列的面积率是凹坑微结构表面的磨损量和小球磨损率的主要因素。通过网纹微结构的正交试验,可以得出宽度是影响网纹微结构表面的稳态摩擦因数的主要因素,在网纹角度为45度,间宽比为10时取得最优效果。 二、微结构/CrN薄膜改性表面摩擦因数的跑合期加长,沟槽、网纹微结构/CrN薄膜改性的稳态摩擦因数和所对应的小球磨损率都要低于或接近于光滑CrN薄膜表面,而凹坑微结构/CrN薄膜改性表面的稳态摩擦因数和小球磨损率要高于光滑CrN薄膜表面。沟槽、网纹微结构/DLC薄膜改性表面的摩擦因数跑合期要比凹坑微结构/DLC薄膜改性表面的要短,随着滑移距离的增加,三种微结构/DLC薄膜改性表面的稳态摩擦因数都要低于或接近于光滑DLC薄膜表面,摩擦因数随着微结构宽度的增加而降低。沉积DLC薄膜之后,小球的磨损率相比光滑DLC表面有所增加。 三、在超声电机定子头表面制备了凹坑微结构,并通过试验获得定转子之间的摩擦学特性。直径为0.15mm的凹坑表面的摩擦因数最低,稳态摩擦因数在0.45左右,有微结构的表面相对于光滑表面,磨损量要低一些,直径为0.15mm的凹坑表面磨损降低了3倍左右。

关键词： 特种加工   机电工程学院   常州市   常州   重点实验室   常州工学院  

摘要： 机电工程学院拥有江苏省重点建设学科、江苏省特色专业、江苏省实验教学示范中心、江苏省人才培养模式创新实验基地,并与企业联合共建了多个常州市工程技术研究中心。学院现有机械设计制造及其自动化、

关键词： 电火花加工   液中喷气   材料去除率   电极相对损耗  

摘要： 在电火花发展的近六十年中，对电火花加工介质的研究一直是各国学者的研究重点。1997年日本国枝正典发明的气中电火花加工方法打破了工作液是电火花加工不可或缺的传统观念，这一方法采用对人体无害的气体作为工作介质，不会污染环境;其电极损耗低，便于简化加工工艺。然而，这种加工方法的稳定性较差，加工效率低，而且有烧焦味。 液中喷气电火花加工是针对气中电火花加工方法的不足提出的一种新方法。液中喷气电火花加工中，电极为空心管状，中间通入高压气体，将电极和工件埋没在去离子水等液体中，实际的放电通道形成于气体介质中。利用工作液带走加工碎屑，从而改善加工稳定性，提高加工速度。液中喷气加工具有气中电火花加工的优点，同时由于液体介质的辅助作用弥补了气中电火花加工的不足。 经过几年的研究，液中喷气电火花加工取得了很大进展。相比较气中加工，液中喷气电火花加工的加工速度更快，表面质量更好。但是加工速度的绝对值仍然较低，加工的稳定性较差。 本文研究了提高液中喷气电火花加工稳定性和加工效率的方法。设计并使用循环冲液系统、高速旋转装置等改善液中喷气电火花加工环境;试验研究了高速平动工作台、超声振动装置对液中喷气电火花加工的影响，分析并解释了两种辅助措施下加工现象，总结了两种辅助措施下合理的加工参数。为了衡量电火花加工的稳定性，基于LabVIEW编写了一套放电状态检测软件来测量加工短路率。 试验中详细研究了在高速平动台辅助措施帮助下脉宽、脉间、峰值电流、气体压力、平动台速度、加工介质等对液中喷气电火花加工性能的影响，并对加工机理进行了解释。试验结果表明高速辅助台在循环冲液系统的帮助下采用合适的加工参数能获得较好的加工速度（MRR可达35.2mm/min）;超声振动配合循环冲液系统以及合适的电规准能获得较好的表面质量和加工稳定性。

关键词： 多模式微能脉冲电源   微细轴   电火花微细群孔加工  

摘要： 随着先进制造技术的快速发展、制造业市场的竞争激烈化以及世界范围产品的小型化和精密化,产品加工精度的要求也越来越高,微细电火花技术越来越受到各国的重视。在生物技术、生物工程、纺织喷墨印花、金属沉积、微结构制造、电子制造、网络连接、制药、及显示器制造等领域中,精密微喷部件中微细阵列孔的加工精度,成为限制其发展的瓶颈。微细电火花加工技术作为一种非接触的加工方法,具有加工应力小,加工精度高等优点,在微细阵列孔加工中具有很大的优势。 微能脉冲电源作为微细电火花加工机床的重要组成部分,在微细电火花加工中具有重要的位置。本文在阅读大量文献的基础上,分析了以往微细电火花加工电源的特点,发现单一电源模式、能量变化范围较小的微能脉冲电源并不能满足微细阵列孔加工的需求。因此研究一种具有多种加工模式,能量可选范围较大的微能脉冲电源对本课题研究微细阵列孔加工具有重要意义。 本文设计的多模式微能脉冲电源,是一种基于微处理器(MCU)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)的主振电路控制,集RC、可控电阻、可控电容等几种放电加工模式于一体的功率放大电路的微能脉冲电源。通过硬件设计、程序编写以及相关调试,完成该微能脉冲电源的制作。在加工过程中,微能脉冲电源可以通过改变电源模式以及开路电压、电阻、电容、占空比等电参数,实现脉冲电源能量在很大范围内可选,确保了脉冲电源能够满足实际加工需求。 然后将调试好的微能脉冲电源运用到试验中,分别对电极磨削以及微细孔加工的电参数进行摸索。分析不同的电参数对加工的影响,选取其中较优的一组参数进行实验验证,实验结果基本与预期分析吻合,说明此微能脉冲电源可实现电极磨削及微细孔加工的目标。 根据前期摸索的电参数规律,分别选择适合电极磨削和微细阵列孔加工的一组电参数,运用到打印机微喷部件阵列孔加工中。在电极磨削加工中发现,此微能脉冲电源能够较理想的加工出直径约为39.5μm,直径偏差在1μm内,长度1050μm,长径比超过26的微细电极轴;在微细阵列孔加工中,能够较稳定的加工直径偏差在2μm之内的2×128阵列孔。

关键词： 微细电极轴   微细阵列孔   电极轴尺寸控制   孔径一致性  

摘要： 以微细阵列孔为关键结构的零部件在航空航天、电子、纺织等工业领域的应用变得越来越广泛,其加工精度也越来越高。采用微细电火花技术加工阵列孔是目前国内外使用较为普遍的方法,原因是微细电火花加工方法具有宏观作用力小、复制精度高等优点。现在国内较成熟的并且用于工业化的微细阵列孔加工装备和工艺还不多,因此研发出具有自主知识产权的微细电火花阵列孔加工成熟工艺不仅能带来可观的经济效益,而且也能提高国家在高科技上的竞争力。 本文首先论述了国内外微细阵列孔加工技术的研究现状,在查阅了大量文献资料的基础上,对比各个方法之间的优缺点,最后确定采用微细电火花方法在线制作微细电极轴并利用其加工微细阵列孔,在线制作微细电极轴使用块电极磨削和线电极磨削相结合的方法。根据电极制作和微细阵列孔加工的特点,分别详细制定了块电极磨削、线电极磨削以及微细阵列孔加工的工艺方案。 在微细电极轴的制作期间,利用磨削前后电极轴的轴径尺寸、磨削时的进给量以及放电间隙等,分别拟合出了控制块电极磨削和线电极磨削直径的公式,并通过了实验验证。分析了影响微细电极轴尺寸精度和形状精度的各种因素,针对磨削电极后电极表面出现的各类现象,并提出了相应的工艺解决措施。 研究了孔加工工序中各个因素(电源、工作液及伺服速度等等)对微孔的加工质量以及阵列孔的直径一致性的影响,进而优化加工参数;最后利用优化后的加工参数,进行微细阵列孔加工,并验证了这些参数的合理性。

关键词： 表面织构   激光加工   摩擦性能   可靠性  

摘要： 零件表面的性能影响着其运行的可靠性,而其表面的摩擦磨损又是引起失效的主要原因之一,如何降低摩擦系数,减少摩擦磨损一直被广泛研究着,近年来,众多科学家利用激光、电腐蚀、化学腐蚀等技术来处理零件表面(表面织构化)研究其摩擦磨损性能,研究表明不同的织构类型,不同的织构参数在不同的工作条件下表现出不同的摩擦磨损性能,本文主要从以下几点进行研究。 1、首先采用Nd:YAG激光器在45#钢表面进行凹坑微织构的加工。该激光加工的热影响区、热应力及热变形比较小,加工速度比较快,效率比较高,在计算机控制下加工各种各样的形状,加工过程实现无噪音,没有环境污染。 2、试样加工完成进行精磨处理,使表面粗糙度在Ra0.2左右,以便达到实验要求。摩擦实验试样为SRV实验机标准试样,实验过程中对试样的垂直度、表面粗糙度严格控制,在试样端面进行织构加工,凹坑织构的主要参数:凹坑直径为100μm,200μm,300μm,面密度为5%,15%,25%,凹坑深度为10μm。 3、织构加工完成后进行摩擦磨损对比实验,研究凹坑织构在特定的实验条件下合理的织构参数,并进一步进行优化。织构化的表面与光滑表面在进行摩擦磨损对比实验中发现,凹坑织构表面的摩擦磨损性能优于光滑表面,而不同织构参数的表面在实验中发现织构参数为直径300μm,面密度5%,深度为10μm的织构表面摩擦性能最优,摩擦系数降低约为11%,且比较稳定。 本实验从织构参数对摩擦磨损性能的影响做了较为全面分析,为织构化表面的摩擦磨损性能的研究提供一定的实验基础。