关键词： 激光加工   机器视觉   同轴相机   成像校正  

摘要： 随着激光加工技术在各行业的广泛应用,激光振镜加工系统凭借着其快速、高效、高精度等优势在众多激光加工设备中脱颖而出。为进一步提高设备的自动化程度和加工精度,将有着高精度成像能力的同轴视觉系统引入其中,可以为加工工作提供精确的视觉定位辅助。但受限于同轴相机较小的成像幅面,难以对较大尺寸的工件实现定位,同时同轴视觉系统普遍存在的离心成像畸变和各类系统误差均会严重影响定位及加工精度。本文旨在利用机器视觉技术、激光振镜加工控制技术等对同轴振镜加工系统中大幅面区域内的高精度视觉定位问题展开深入研究,主要内容如下:(1)设计并搭建了同轴视觉激光振镜加工硬件系统,在此基础上对系统误差进行了分析,并设计出配套的实用软件平台框架,为后续工作打下坚实基础。(2)针对引入振镜加工系统的同轴相机在大幅面平台内存在成像畸变的问题,在分析现有标定方法和识别算法的基础上提出了“两步法”的局部成像定位校正方法,并进一步推广到全幅面范围,提出了基于机器视觉的大幅面内同轴相机成像校正方法。(3)针对有特定标志点和无特定标志点的不同情况,提出了“两点法”和“多区域联合定位法”的定位修正算法,充分利用了振镜的灵活性和同轴视觉系统的高精度,在提高定位精度的同时增强了系统的适配性和通用性。(4)设计并实现了同轴视觉激光振镜加工系统的实用软件控制系统,并通过具体实验对系统的校正效果和定位精度进行测试和验证。

关键词： 气膜孔   纳秒激光   液体辅助   IN718合金   SiC/SiC复合材料  

摘要： 涡轮叶片是航空发动机的核心零部件,它的工作环境极为恶劣,承受着高温高压燃气的冲击。镍基高温合金和碳化硅陶瓷基复合材料是涡轮叶片制造材料,在涡轮叶片上加工气膜孔实现气膜冷却。传统的加工技术在加工气膜孔时存在困难,无法实现高精度气膜孔的加工要求。激光加工技术是一种新型的制造技术,可以解决精密微纳加工的一系列问题。本研究尝试采用激光加工技术,探索激光加工气膜孔的工艺,旨在提高涡轮叶片气膜孔的加工质量。本论文针对涡轮叶片气膜孔开展以IN718镍基高温合金和SiC/SiC复合材料为研究对象,以激光加工技术作为加工手段,进行气膜孔加工。首先,分析了目前的气膜孔加工技术,并对激光加工技术和液体辅助激光加工技术的研究现状进行了总结。详细介绍了激光去除材料的作用机理和激光击穿液体的作用机理,并分析了激光在液体中的传输特性和聚焦特性、激光击穿液体对物质产生的冲击作用和空化作用及化学液对物质的腐蚀作用。进一步介绍了液体辅助激光加工的试验设备和试验原理。其次,针对IN718镍基高温合金进行了液体辅助纳秒激光加工微孔的试验研究。在空气中探究了同心圆填充、弓字填充和直线填充对加工方形孔、梯形孔和椭圆形孔的影响规律,结果表明:直线填充方式加工的微孔直径最小。将直线填充方式应用于圆形孔加工,发现随激光功率的增大孔直径增大,当激光功率在100W时,微孔的锥度为4.66°～5.26°。在水溶液中探究了离焦量和液层厚度对微孔加工的影响,得到最佳加工参数:离焦量为-100μm,液层厚度为1mm,并验证了溶液的冷却作用和冲击作用可以有效减少熔融物的堆积。在化学液中探究了扫描速度和扫描次数对微孔加工的影响,结果表明化学液的腐蚀作用加速了孔内熔融物质和残渣的溶解。当离焦量为-100μm,液层厚度为1mm,扫描速度为30mm/s,扫描次数为100次时,激光在水中微孔的锥度为3.95°～4.8°,入口圆度可达97%;激光在化学液中微孔的锥度为3.55°～4.29°,入口圆度可达97.7%。综上,液体辅助纳秒激光加工可以得到无重铸层,孔壁相对光滑的微孔,提高了微孔的质量。最后,针对SiC/SiC复合材料进行了液体辅助纳秒激光加工微孔的试验研究。在静态水溶液辅助纳秒激光多脉冲叩击打孔时,计算了材料的损伤阈值,研究了激光功率和脉冲数对孔烧蚀的影响,并与纳秒激光在空气中加工的结果进行对比。结果表明:激光在水中加工SiC/SiC复合材料的损伤阈值小于空气中,激光在水中的烧蚀效率更高。在静态水溶液辅助纳秒激光环切加工时,研究了液层厚度和激光功率对微孔加工的影响,结果表明:当液层厚度为0.5mm,激光功率为120W时,微孔的锥度为3.72°～4.47°;纳秒激光在空气中加工SiC/SiC复合材料时,复合材料发生燃烧现象,在水中加工可以避免其发生燃烧。然而,静态水溶液产生的冲击力无法将激光加工产生的缺陷层完全去除。为了去除纳秒激光加工SiC/SiC复合材料生成的重铸层和氧化层等缺陷层,提高激光加工微孔的质量和效率,提出动态溶液辅助纳秒激光加工技术,并探究了动态水溶液和动态化学液辅助激光加工微孔的作用机理。通过分析SiC/SiC复合材料的元素组成和化学性质,筛选并配置出2mol/L HF和3mol/L HNO的混合溶液,使其满足在常温下不与材料发生反应,在高温下与激光加工产生的缺陷层发生反应。研究了动态溶液辅助激光加工中喷出溶液与加工表面的距离、喷出溶液流量和激光功率对微孔加工的影响,结果得到:当喷出溶液与加工表面距离为4mm,喷出溶液流量为15L/h,激光功率为100W时,在水溶液中微孔的锥度为4.28°,在化学液中微孔的锥度为3.99°。相对比,动态溶液辅助激光加工技术利用动态射流产生的冲击力和化学溶液的腐蚀作用有效去除了激光加工中产生的重铸层和氧化层,获得无重铸层和氧化层的微孔。本文系统的研究了液体辅助纳秒激光加工气膜孔的作用机理及工艺参数对微孔加工的影响,对涡轮叶片气膜孔的加工技术具有一定的理论和试验参考价值,为后续实际的工业生产提供理论和实践支撑。

关键词： 硬质合金   刀具   激光加工   表面织构   摩擦磨损  

摘要： 硬质合金因为其优异的综合性能被普遍应用于制造切削刀具,但在切削加工中,切削刀具表面存在严重摩擦,切削区高切削力、高温条件的作用导致刀具表层发生剧烈磨损,由此降低刀具的切削性能。现如今,表面织构技术作为一种重要手段能够显著地提升刀具的摩擦性能。在刀具上制备出具有随机或规则的微织构阵列,既能够缓解刀具与切屑和工件间的剧烈摩擦,降低磨损率,还可以改善其润湿性能,增强润滑效果。针对硬质合金刀具在切削难加工材料时存在刀具磨损严重和加工表面质量差等问题,本文以硬质合金刀具表面激光织构的制备作为研究基础,主要运用试验研究辅以相关仿真分析,研究了微沟槽织构对硬质合金刀具摩擦磨损性能的作用规律,并揭示了微织构的减摩机理。主要研究内容如下:1.硬质合金刀具表面激光加工微沟槽织构的试验研究。首先研究了激光加工参数（激光功率、扫描速度、脉冲频率、扫描次数）对微沟槽成型质量的影响,并找出形貌成型较好的微沟槽制备参数。最终选择采用激光功率为14 W、扫描速度为150 mm/s、脉冲频率为25 k Hz、扫描次数为4次的工艺参数,在刀具表面上加工出成型较优的微沟槽。2.具有微沟槽的硬质合金刀具表面的干摩擦分析。采用ABAQUS仿真软件对微沟槽刀具的摩擦过程进行建模,分析刀具在发生摩擦后接触应力大小与分布的变化情况。模拟结果表明,刀具表面的微沟槽织构能够增大刀具所承受的等效应力值,而且可以改善刀具表面应力集中分布的现象;研究还得出在槽宽为30μm、槽深为20μm、间距为70～100μm时,微沟槽刀具的接触应力大小与分布状态较佳。3.织构化刀具的摩擦磨损试验研究及减摩作用机理分析。通过制定摩擦磨损试验方案,在改变微沟槽的尺寸参数（槽宽、槽深、间距）和试验条件（法向载荷、往复运动速度）的情况下,研究刀具表面摩擦性能的变化规律,并分析微沟槽的减摩作用过程。研究表明,就摩擦系数而言,微沟槽刀具表面均比无织构刀具表面要小。在施加法向载荷70 N、往复运动速度150 mm/min条件下,微织构宽度为35μm、深度20μm、间距75μm的微织构减摩效果最优。同时在存在润滑时,亲疏混合织构可以增强微沟槽的减摩作用。

关键词： 燃料电池   有序化电极   激光加工   制备工艺  

摘要： 有序化膜电极作为新一代的燃料电池膜电极，它实现了电极中离子、电子及气液的传输通道和催化活性中心在空间中的有序排列。有效改善了传统膜电极在传质极化、催化剂利用效率等方面的缺点。本论文聚焦膜电极制备技术、电极结构设计、及贵金属催化剂的合成，相继开展了飞秒激光直写技术在碳纤维布表面上构筑有序化碳载体结构;电化学沉积方法在有序化碳载体结构上负载贵金属催化剂;液相激光熔蚀技术制备单分散贵金属纳米颗粒、氢燃料电池的组装与测试等工作，具体内容与结果如下：　　1、基于飞秒激光与物质作用的特性，利用飞秒激光直写技术（Femtosecond laser direct writing technology,FLDWT）处理碳纤维布，在其表面产生激光诱导的周期表面结构（Laser-induced Periodic Surfaces Structures,LIPSS）。飞秒激光处理后使碳纤维布表面状态由疏水向亲水转变，有利于碳纤维布在亲水环境中进行负载反应。　　2、以LIPSS作为有序化碳载体，在亲水反应体系中，通过电化学沉积方法，在LIPSS上成功负载铂纳米颗粒，获得了有序化催化层结构。以此有序化催化层作为阳极，（铂载量0.015mg/cm2），再以热压转印技术制备阴极（铂载量0.34mg/cm2），组装成燃料电池单池进行测试与分析研究。　　3、为进一步提升燃料电池有序化电极的性能，需要提供更丰富的催化材料体系，因此，利用激光液相熔蚀技术，在纯水或醇类的单一溶剂中熔蚀贵金属（铂、钯、钌、银）靶材，基于自制的流动熔蚀槽和非聚焦熔蚀工艺，获得了小尺度、分布均一、表面无包覆的贵金属纳米颗粒。

关键词： 玻璃导光板   K9玻璃   微结构   超快激光串行加工   超快激光并行加工  

摘要： 随着手机、平板电脑、电视机等消费类电子产品的普及,人们对液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD)的显示质量、产品轻薄程度有了更高的要求。为了进一步减小LCD的厚度,2015年显示行业内提出了玻璃导光板的概念,但关于激光加工玻璃导光板散射微结构的研究还较少。K9玻璃作为硅酸盐无机材料,具有透光率高、内部杂质少等优点,是玻璃导光板的理想材料。本文从K9玻璃的导光板应用出发,研究了K9玻璃微结构的超快激光加工技术:飞秒激光串行加工技术、基于静态/动态全息图的飞秒/皮秒激光并行加工技术。具体研究内容如下:在飞秒激光串行加工技术研究中,对K9玻璃与PMMA激光加工微结构的机理、形貌、剖面轮廓进行分析。首先在激光脉冲叩击试验中,计算了K9玻璃与PMMA的损伤阈值、孵化效应。发现K9玻璃的阈值能量更高,化学稳定性更好,加工表面无明显重铸层。然后在激光旋切加工试验中,使用不同加工速度在K9玻璃与PMMA表面加工了直径约200μm的微孔。发现随着光斑重叠率越大,作用在材料表面的激光能量增加,导致微孔的刻蚀深度越大。观察形貌发现,激光加工的K9玻璃微结构表面材料溅射少,剖面轮廓更平滑。最后通过Light Tools光学软件对K9玻璃导光板背光模组进行仿真分析,发现其亮度均匀性可以达到90.2%,高于PMMA导光板背光模组的亮度均匀性(87.0%),满足显示要求。在基于静态全息图的飞秒激光并行加工技术研究中,使用一张全息图、三束激光并行加工了三个微通道结构。通过GSW算法生成了一张含有三束激光的全息图,将该全息图加载到液晶空间光调制器,入射激光经过调制器窗口后,被调制为三束激光出射。在加工过程中改变激光的输出功率,利用调制的三束激光并行加工三个微通道。经过对加工结果的观测,发现随着激光功率的增加,三个微通道的宽度明显增大,但其均一性始终保持在90%以上。这表明激光功率对分束激光的能量均一性影响并不明显。由于微通道的宽度、深度尺度较小,玻璃碎屑与重铸层对观测的影响较大,本文提出通过超声波清洗和KOH化学溶液腐蚀对加工结果进行再处理,发现超声波清洗只能去除依附在加工区域的玻璃碎屑,而KOH溶液可以有效去除微通道两侧的重铸层。对于较高激光功率加工的微通道,KOH溶液腐蚀后,仍保持了较高的宽度、深度的均一性。在基于动态全息图的皮秒激光并行加工技术研究中,使用多张全息图、多束激光并行加工了微孔阵列结构。激光直接分束为二十五束时,由于入射激光功率太低,无法刻蚀完整的微孔阵列,因此将二十五束激光的单幅全息图拆解为五幅对称排布的五束激光全息图和四幅随机排布的六束激光全息图用于并行加工。将全息图全部加载到液晶空间光调制器,并设置空间光调制器读取全息图的间隔。加工完成后对微结构进行观测,不计系统误差和零级光造成的影响,两组动态全息图加工的微孔阵列平均直径分别为3.213μm和2.706μm,均一性都达到了91%。本文发现加工系统的误差与零级光的干扰对加工微孔直径的均一性影响较大,而分束数量与光束排布方式的影响并不明显。进一步的,通过后续KOH溶液腐蚀处理,可以有效去除加工区域的烧蚀痕迹与微孔孔口的重铸层。上述研究将为玻璃导光板散射网点的激光加工工艺提供技术指导,为超快激光加工技术提供新参考,并有助于推动K9玻璃在光电子行业获得更广泛的应用。

关键词： 石墨复合材料   短脉冲激光加工   气体流道制备   燃料电池   有限元仿真  

摘要： 树脂/石墨复合材料是由石墨粉和环氧树脂通过真空模压制备成的新型燃料电池电极材料,凭借其比重小、导电性好、耐腐蚀性能突出等优越的性能,在氢燃料电池领域作为电极材料具有重要的工程应用价值与科研价值。氢燃料电池电极板上的气体流道是影响其性能最主要的因素,反应气体（氢气和氧气）通过气体流道进入电池内部发生电化学反应,生成水并通过气体流道排出。高深宽比的密流道是提升氢燃料电池电流密度技术的关键,现有的模压法难以实现这一要求,而脉冲激光加工方法是解决这一问题的重要途经,对激光烧蚀石墨复合材料以及高深宽比密流道加工工艺进行研究具有重要意义。为此,本文采用有限元仿真和实验对短脉冲激光烧蚀树脂/石墨复合材料进行研究,并在此基础上进一步在该材料上脉冲激光制备高深宽比密流道工艺进行探究,主要的研究内容与相关结论如下:（1）短脉冲激光与树脂/石墨复合材料相互作用过程研究在树脂/石墨复合材料属性的基础上,研究了短脉冲激光与石墨复合材料的作用过程,介绍了短脉冲激光加工过程中热效应去除和非热效应去除。基于由运动控制系统以及光学系统构成的短脉冲激光加工系统,分析了单脉冲作用以及多脉冲间的相互作用,阐明了短脉冲激光去除材料的机制,确定了短脉冲激光的加工参数,脉冲宽度为60 ns,重复频率为100 k Hz。（2）短脉冲激光烧蚀石墨复合材料有限元仿真分析在短脉冲激光烧蚀石墨复合材料机制的基础上,采用COMSOL仿真软件依次建立了石墨复合材料的几何模型、时间和空间上能量密度呈高斯分布的脉冲激光光源模型以及二维笛卡尔直角坐标系的瞬态热传导模型,分析了不同入射脉冲数下,脉冲激光烧蚀材料阈值的变化规律。在单脉冲、多脉冲激光烧蚀材料过程中,观察孔径和孔深的变化,并结合外推法,拟合数据计算出不同入射脉冲数下激光烧蚀材料的阈值。根据有限元仿真结果和验证实验的结果,总结出多脉冲数下烧蚀阈值的变化规律,并在此结果的基础,分析了脉冲激光烧蚀石墨复合材料过程中出现的累积效应,确定了实验材料的累积因子,低至0.35。（3）短脉冲激光加工气体流道实验研究通过单因素变量实验设计进行了短脉冲激光在树脂/石墨复合材料上加工气体流道实验,该实验内容分为以下几个部分:首先,研究了激光工艺参数（包括加工次数和脉冲交叠率）对材料去除效率的影响,并确定当扫描次数为50次、水平脉冲交叠率OV为50%、竖直脉冲交叠率OV为50%时,短脉冲激光去除材料效率最高;其次,研究了脉冲交叠率（OV和OV）对流道尺寸变化以及表面粗糙度的影响,确定了流道宽度、深度随脉冲交叠率的变化规律和流道底部表面粗糙度随脉冲交叠率的变换规律,并在此基础上进一步研究了流道底部表面润湿性能;最后,结合前两部分实验的研究基础实现了高深宽比密流道的制备,并确定了流道底部表面达到超疏水性能的条件。

关键词： 非光滑表面   表面微结构   仿真模拟   激光加工  

摘要： 粉体的计量精度一直是困扰食品和医药生产企业的难题,其中螺杆计量方式计量精度较高,在输送过程中很少会出现堵塞物料的现象,是少量和微量粉体计量运用比较普遍的一种计量输送方式,但粉体容易附着在计量机具的表面,导致计量精度降低。针对粉体与输送机具粘连的问题,从微观尺度对粉体与输送机具表面相互作用特性进行分析,开展了以下研究内容:基于超疏模型建立颗粒与基底表面的理论力学模型,分析颗粒附着基底表面受到的主要作用力,明确颗粒减阻脱附的优化目标,为机具表面微结构的构建提供理论依据。通过研究具有减阻特性的表面形貌,结合建模软件,构建表面微结构形貌,并且分析不同表面形貌对减阻的影响。观测头孢样本的微观形貌,描述头孢样本的形貌特征,分析头孢粉体的粒径分布范围,确定试验颗粒的粒径尺度范围,使用边缘形貌特征叠加的方式获得颗粒的边缘特征,利用二值化法提取颗粒的边缘特征,采用球型颗粒叠加的方式对实际粉体颗粒进行三维形貌重建,用等效体积法模拟实际颗粒的粒径尺度。研究不同尺度头孢粉体颗粒等效粒径下颗粒与基底之间相互作用力,说明不同尺度下等效粒径对颗粒脱附的影响;研究不同基底倾角下颗粒与基底之间的相互作用,说明基底倾角对颗粒脱附的影响,增加基底倾角试验优化试验结果,得到利于颗粒脱附的最佳角度。利用飞秒激光对304不锈钢基底表面的微结构构造,观察加工后的基底表面,分析激光扫描速度参数对加工基底表面形貌的影响,分析激光加工沟槽的宽度与深度形成原因。对激光在基底表面构建的微结构进行横向和纵向颗粒脱附试验,通过颗粒脱附倾角验证表面微结构对颗粒脱附的作用。针对粉体颗粒无法充分脱附的情况,使用超声波振动的方式对基底表面附着颗粒进行脱附试验,观察基底表面粉体颗粒脱附形貌确定振动脱附的效果。

关键词： 亚波长周期条纹   双温模型   泵浦探测成像   气膜孔加工  

摘要： 本论文主要利用泵浦探测成像技术研究了金属和半导体表面周期条纹的超快形成过程和利用激光加工航空发动机火焰筒气膜孔,取得了如下的研究成果:1.利用泵浦探测成像技术研究了两个800nm飞秒激光脉冲曝光后铝膜上亚波长周期条纹形成的超快过程。实验发现,第一个飞秒激光脉冲仅在铝膜表面诱导出随机纳米结构。当第二个飞秒脉冲照射后出现周期条纹。理论上,利用SPP（surface-plasmon-polariton）模型结合Drude-Lorentz模型解释了第二个飞秒激光照射后Al膜表面周期条纹的形成。同时考虑了电子和晶格温度对电子散射频率的影响和单光子吸收和热电子局域化。当单光子吸收参数为6×10-5时,理论结果与实验结果符合较好。结果表明,第二个飞秒激光脉冲激发的SPP是亚波长周期条纹形成的主要原因。2.利用泵浦探测成像技术研究了有凹槽结构的硅表面周期条纹形成的超快过程。利用二维双温模型,结合Drude模型得到晶格温度随时间变化的情况。分析了飞秒激光诱导硅表面周期条纹产生和消失的原因,将实验结果和理论分析相结合,说明激光能量的周期性沉积导致了亚波长周期条纹的形成,随后条纹消失是由于表面熔化作用导致的。3.通过搭建两组激光加工系统对航空发动机上火焰筒的气膜孔进行研究,一组飞秒加工系统,另一组纳秒加工系统。利用这两组系统在不同厚度和倾斜角的平板上探索火焰筒气膜孔的加工参数。考虑到工件与平移台形程的匹配,选择了纳秒加工系统能够高效完成了火焰筒气膜孔的加工。

关键词： 钠离子电池   3D打印   激光加工   结构化电极  

摘要： 相比锂离子电池,钠离子电池凭借金属钠的储量丰富和成本低廉等巨大优势,受到专家学者们的广泛关注。然而,传统涂布工艺制备的平面结构电极存在活性物质利用率与能量密度较低等问题,制约了钠离子电池的发展。直写墨水3D打印和激光加工技术加工精度较高,可实现电极的快速成型,两者结合可按需制备三维结构化电极。为此,本论文提出采用3D打印(直写墨水技术)和激光加工工艺制备钠离子电池用三维结构化电极,探究打印浆料影响因素、3D打印和激光加工工艺参数对电极形貌结构及钠离子电池电化学性能的影响,主要研究内容有:首先选用硬碳(HC)作活性物质,聚偏氟乙烯(PVDF)作粘结剂,研究浆料配方(PVDF含量,导电剂种类)和后续干燥温度对浆料流变特性、电极形貌及其电化学阻抗的影响。通过流变性测试、XRD和SEM分析,最终选用导电炭黑(Super P)作导电剂,活性物质、导电剂、粘结剂的最佳质量比例为7:2:1,后续最适宜干燥温度为80℃。其次采用3D打印技术制备结构化电极,研究不同打印参数(打印喷嘴直径、打印间隔和打印层数)对3DPSE的形貌结构和电化学性能的影响。研究结果表明:打印喷嘴直径减小、打印间隔增大或打印层数减少,均能提高钠离子电池的质量比容量和倍率性能;在相同电极面积条件下,可通过增加打印层数,提高电池的面积容量。最后对3D打印结构化电极(3DPSE)进行激光加工,制备3D打印/激光复合加工结构化电极(3DP/LPSE),探究激光加工工艺参数(加工图形、图形宽度和间距、扫描次数)对3DP/LPSE形貌结构及其电化学性能的影响。研究表明,加工图形为平行四边形,其宽度和间距均为0.1 mm,激光扫描10次时制备的3DP/LPSE电化学性能最优,在30、50、100、200和500 m A g的电流密度下的电池可逆容量分别为277.0、226.7、181.6、144.8和120.7 m Ah g,其中,在50 m A g电流密度下循环200次可保持226.1m Ah g的可逆容量,面积容量可达0.73 m Ah cm,具有较高的能量密度。

关键词： 康复机械手   电热驱动   NiTi形状记忆合金   激光加工   热处理  

摘要： 随着我国人口老龄化趋势不断加速,以康复机械手为代表的康复机器人技术可以有效替代传统人工康复训练,帮助患者修复受损神经,恢复身体机能。现有康复机械手一般采用电机、液压和气压等方式驱动,普遍存在结构复杂、重量较大、冲击力强、自适应和安全性差等问题。NiTi形状记忆合金(Shape memeory alloy,SMA)因其特有的超弹性(Superelasticity,SE)和形状记忆效应(Shape memory effect,SME),兼具功率重量比大和能量密度高等优点,有望克服传统刚性驱动方式的弊端,成为未来康复机械手驱动装置的创新研究方向之一。本文以基于NiTi SMA驱动的康复机械手为研究对象,以NiTi SMA电热驱动机理研究为核心,围绕NiTi SMA驱动元件的制备、NiTi SMA驱动模块的设计和NiTi SMA康复机械手的研制等关键问题,从工艺选择与驱动机理研究、平台搭建与驱动性能评估、模块设计与电-热-机械特性研究、样机研制与性能测试等方面展开研究工作:(1)NiTi SMA丝材激光加工工艺与性能研究。针对NiTi SMA在激光加工中易出现的气孔、应力集中、微裂纹和脆性化合物等加工缺陷,提出一种基于最小线能量的NiTi SMA丝材双面激光加工工艺方法。开展激光加工工艺的参数优化,制备NiTi SMA丝单面加工试样和双面加工试样,详细研究两种加工试样的宏观形貌、显微组织、相变行为、力学性能和功能回复特性,结果表明双面加工试样具有更为优异的力学性能和功能回复特性。采用热处理技术对NiTi SMA丝双面加工试样进行组织调控和性能优化,研究热处理温度、负载角度和激励电流等关键因素对其电热驱动性能的影响机理。(2)NiTi SMA弹簧热处理工艺与性能研究。提出一种基于材料内在特性和环境外部因素综合设计、制造、评估和改善NiTi SMA弹簧驱动性能的跨尺度评测方法。基于金相分析等从内因维度研究NiTi SMA弹簧的显微组织、相变行为和力学性能。进一步从外因维度评估NiTi SMA弹簧的电热驱动性能,获得NiTi SMA弹簧的最优制备工艺参数,揭示热处理温度、外部负载、激励电流、拉伸长度和弹簧中径等关键因素对其电热驱动性能的影响机理。(3)NiTi SMA驱动模块设计与电-热-机械特性研究。提出一套基于NiTi SMA丝试样和NiTi SMA弹簧驱动元件的驱动模块设计方案,能够实现伸展和弯曲功能。从NiTi SMA丝试样和NiTi SMA弹簧的驱动原理出发,研究两种NiTi SMA驱动模块的设计方案,包括工作原理、结构设计和制作工艺等。进一步开展NiTi SMA驱动模块的电-热效应仿真、驱动元件的电-热-机械行为表征和电-热-机械疲劳性能研究,验证NiTi SMA驱动模块结构设计的合理性、安全性和可靠性,为NiTi SMA康复机械手的整体构型协同设计奠定基础。(4)基于NiTi SMA驱动的康复机械手设计、研制与测试。提出一种基于NiTi SMA驱动的模块化康复机械手设计理论与实现方法。建立NiTi SMA康复机械手的设计目标、设计原则、设计依据和设计流程,系统分析康复机械手整体构型协同设计中的关键问题,提出模块化康复机械手总体结构设计方案。以食指为例,给出康复机械手的三维设计模型,阐释各组成模块的功能、结构、材料、制造和装配,完成食指运动学建模与分析,建立控制策略和控制电路。基于所提出的测试方法和实验平台,完成NiTi SMA康复机械手食指样机的穿戴适应性、工作角度、工作频率和工作驱动力等关键技术指标性能测试,结果表明NiTi SMA康复机械手在整体重量和最大工作角度等方面取得明显改善。