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第十九届全国非线性振动暨第十六届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议（NVND2023）

作者：胡开明张文明孟光上海交通大学机械与动力工程学院机械系统与振动国家重点实验室

微纳机电系统(MEMS/NEMS)是面向国家重大战略需求的多学科交叉融合高新技术,已在航空航天、军工电子、生物医学等领域有着重要的应用,是21世纪国际前沿研究领域之一。随着微纳技术向集成化、智能化、柔度化方向高速发展,MEMS/NEMS器件... 详细信息

微纳机电系统(MEMS/NEMS)是面向国家重大战略需求的多学科交叉融合高新技术,已在航空航天、军工电子、生物医学等领域有着重要的应用,是21世纪国际前沿研究领域之一。随着微纳技术向集成化、智能化、柔度化方向高速发展,MEMS/NEMS器件结构特征尺寸从百微米级减小到纳米级甚至亚纳米级,其比表面积急剧增大,呈现出丰富的多尺度(原子/分子-纳米-微米)、多机制(结构固有、分子吸附、热振动、紫外曝光等多源诱因)、多模式(表面弹性、表面应力、表面失稳等)表面效应,使器件表现出多模式跨尺度域交叉耦合、跨频域-跨尺度域多域耦合、光-热-力多物理场跨尺度耦合等更为复杂的跨尺度动力学问题,不仅严重制约了器件动力学性能进一步提高,也对传统动力学理论与方法提出了新的挑战。因此,构建表面效应下MEMS/NEMS结构跨尺度动力学理论不仅是微纳科学技术领域亟需突破的共性关键基础科学问题,也是推动动力学与控制学科向极端尺度系统发展的前沿学术方向。汇报人瞄准微纳机电系统跨尺度动力学基础科学问题,在MEMS/NEMS表面效应跨尺度形成机理、动力学作用机制、调控方法与设计理论方面,开展了表面效应下MEMS/NEMS器件跨尺度动力学理论与方法研究,解决了原子极端尺度器件力-光-热多物理场耦合跨尺度动力学调控与设计难题,实现了器件的关键光学性能大幅度跃升(将原有国际最高水平提升670%)。

关键词：微纳机电系统跨尺度动力学建模调控方法表面效应

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五轴小孔电火花高速加工机床运动学反解

五轴小孔电火花高速加工机床运动学反解

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第18届全国特种加工学术会议

作者：张敏秦岭奚学程张亚欧赵万生上海交通大学机械与动力工程学院机械系统与振动国家重点实验室

航空发动机涡轮叶片气膜冷却孔、燃烧室壁板气膜冷却孔、玻璃瓶模具出气孔等众多具有不同空间位姿的小孔需要采用小孔高速电火花加工方法进行加工。由于孔的数量多,且位姿变化大,采用普通三轴机床配合工装夹具的方式已经无法满足加工需... 详细信息

航空发动机涡轮叶片气膜冷却孔、燃烧室壁板气膜冷却孔、玻璃瓶模具出气孔等众多具有不同空间位姿的小孔需要采用小孔高速电火花加工方法进行加工。由于孔的数量多,且位姿变化大,采用普通三轴机床配合工装夹具的方式已经无法满足加工需要,必须采用具有五轴联动数控的小孔电火花高速加工机床来完成。小孔电火花高速加工方法是利用旋转的管状中空电极实现高压内冲液,利用电极与工件之间的放电所产生的高温实现快速打孔加工的。采用五轴机床可以实现更为复杂的空间运动,还可灵活解决刀具干涉等问题,而运动学反解正是五轴加工中的一项关键技术。在小孔电火花高速加工过程中,刀尖点到轴位置相对于工件坐标系保持不变,以确保每个孔的位置及法向,这就需要进行运动学反解;再者,电极在加工过一个孔之后,不可避免的存在一定损耗,由此导致的坐标偏移量也要经过在线计算。但是,目前国内的小孔电火花高速加工机床并没有适用的运动学反解功能以及动态偏移量补偿功能。为此,借鉴机器人运动学原理,对五轴数控小孔电火花高速加工机床的机械构型、结构参数、运动学建模等进行了深入的探究,并在此基础上利用螺旋理论推导出刀尖点相对于工件坐标系的运动方程,进行运动学反解,给出特定加工状态下刀尖点的目标位姿,并获得各直线轴和回转轴的坐标运动分量,补偿坐标的动态偏移量,从而有效地控制机床的多轴协调动作。针对一种典型五轴小孔电火花高速加工机床——摇篮式回转工作台,建立机床抽象化结构模型,由空间三坐标系以及两侧串行运动链,利用齐次坐标表示法推导出坐标系的正向运动学公式,得到空间任意位姿下刀尖点关于A、C转角及轴向位移的矩阵坐标公式,等于给定的坐标值,进而推导出运动学正反解公式。仿真验证的思路是在建模软件中建立机床模型,通过遍历一定数目的机床姿态,比较仿真轴的位移与理论计算值;利用约束驱动模块,设置任意的转角曲线,生成不同的加工运动轨迹,观察刀尖点一直在工件坐标系的预设点,从而验证摇篮式五轴小孔电火花高速加工机床运动学反解公式的正确性。保证在小孔电火花高速加工过程中,刀尖点于工件坐标系中位姿一定,避免旋转轴转动及电极损耗影响,提供了加工精度和动态特性。

关键词：五轴联动小孔电火花高速加工机床运动学反解螺旋理论

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基于数字采样PID控制的线切割伺服跟踪系统

基于数字采样PID控制的线切割伺服跟踪系统

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第18届全国特种加工学术会议

作者：李子伦奚学程褚皓宇马洁宇赵万生上海交通大学机械与动力工程学院机械系统与振动国家重点实验室

电火花线切割是一种常用的电加工方法,广泛应用于模具制造、航空航天等领域。传统的高速往复走丝电火花线切割机床的加工效率、表面质量等已无法满足日益发展的制造需求,改进型的往复走丝线切割加工机床(俗称中走丝线切割)引入了以往单... 详细信息

电火花线切割是一种常用的电加工方法,广泛应用于模具制造、航空航天等领域。传统的高速往复走丝电火花线切割机床的加工效率、表面质量等已无法满足日益发展的制造需求,改进型的往复走丝线切割加工机床(俗称中走丝线切割)引入了以往单向走丝线切割机床才具备的功能,大幅度提高了加工精度、效率和表面质量。而伺服跟踪系统的性能,对加工效率和加工质量有着十分重要的影响。电火花线切割加工放电间隙伺服控制的作用是将平均放电间隙保持为一个合适的数值,从而使电极进给速度与材料蚀除速度相匹配。传统的硬件VF转换电路难以应对不同厚度或者不同工况的加工条件,导致伺服进给调整不合适,容易出现偏空载或者偏短路,影响加工效果,因此对电火花线切割的伺服过程进行有效的控制,将对加工效率和自动化程度有很大的提升。首先根据极间的物理特性,认为放电脉冲击穿稳定放电之后,极间维持放电的平均电压基本保持不变,在间隙脉宽平均电压的基础上,利用高速AD数字采样,去除脉间零电压影响,获得脉宽期间的平均电压值,确定为伺服跟踪的参考输入量,然后将数字采样结果经过处理送入控制系统。针对电火花加工过程随机性较强的特点,针对电火花线切割伺服控制系统采用非线性控制系统和PID调节控制共同作用的方式。非线性控制系统使用经验曲线进行控制,该子系统响应频率高,针对于实时的极间状态,计算出当前周期的跟踪速度,控制进给频率。PID调节系统采用PID算法进行调节,目标参考值采用间隙放电维持电压,当采集到的间隙放电电压偏离目标值时,按照PID控制规则进行调节,控制非线性控制系统的基准频率,以便适应不同的加工工况或者工件厚度。为验证伺服控制系统效果,首先对控制系统进行了仿真分析,从仿真结果可以看出,伺服控制系统可以在一定时间内,将输出稳定在目标参考值附近,且无超调,避免系统的振荡调节。接着进行了加工变厚度工件的对比实验,使用相同参数加工0-100mm厚的变厚度工件,获取了极间放电波形和加工过程实验数据,观察了实际的加工状态。实验结果表明:在正常加工情况下,该方法能够在变厚度等条件下自动调节跟踪速度,相较于传统VF转换的方法,加工更加稳定,加工效率更高。

关键词：跟踪间隙状态 PID 线切割加工

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HFCVD硼掺杂复合金刚石薄膜的机械性能研究

HFCVD硼掺杂复合金刚石薄膜的机械性能研究

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第十九届中国超硬材料技术发展论坛

作者：王新昶申笑天孙方宏沈彬上海交通大学机械与动力工程学院机械系统与振动国家重点实验室

综合不同种类单层金刚石薄膜的典型优点制备的复合金刚石薄膜具有优异的综合性能,本研究对比了undoped micro crystalline diamond (UMCD),boron-doped micro crystalline diamond (BDMCD)、undoped fine grained diamond(UFGD)和两类新型硼掺杂复合金刚石薄膜主要的机械性能.研究结果表明:硼掺杂技术可有效改善金刚石薄膜的附着性能,因此BDMUMCD和BDM-UM-UFGCD薄膜均具有较好的附着性能;表层为UMCD薄膜的BDM-UMCD薄膜(84.354GPa)具有UMCD薄膜(82.058GPa)表面硬度极高的优点,但是表面粗糙度较高(Ra～304.41nm)、表面可抛光性较差;相比之下,表层为UFGD薄膜的BDM-UM-UFGCD薄膜则具有UFGD薄膜优异的表面光洁度(Ra～104.71nm)和表面可抛光性,此外,由于硬度极高的中间层UMCD对于表层硬度的补充作用,该复合薄膜还具有相比于单层UFGD薄膜(67.925GPa)而言较高的表面硬度(72.657GPa).

关键词：复合金刚石薄膜热丝化学气相沉积法硼掺杂机械性能

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基于编码器-播放器体系的电火花线切割加工数控系统原型

基于编码器-播放器体系的电火花线切割加工数控系统原型

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第16届全国特种加工学术会议

作者：郑君民陶旭牧野陈默陈昊沈桂旭奚学程赵万生机械系统与振动国家重点实验室上海交通大学机械与动力工程学院

借鉴网络音视频制作与播放模式,提出了一种基于"编码器-播放器"的新概念灵巧数控系统的体系架构及系统实现方法。该系统采用客户端/服务器（Client/Server,C/S）模式,将复杂轨迹运动数字化,即插补过程与控制机床运动进行分离... 详细信息

借鉴网络音视频制作与播放模式,提出了一种基于"编码器-播放器"的新概念灵巧数控系统的体系架构及系统实现方法。该系统采用客户端/服务器（Client/Server,C/S）模式,将复杂轨迹运动数字化,即插补过程与控制机床运动进行分离,以异步运行模式取代了传统的同步运行模式。编码器负责将复杂的运动轨迹通过插补算法进行数字化,生成运动比特流文件。而直接控制机床运动的数控终端则从服务器端下载运动比特流直接进行播放,实现机床的运动。所提出的架构在大大简化控制系统终端的同时,显著提高了系统的实时性。此外,一个服务器还可连接多个数控系统终端,同时进行不同零件的加工。利用这一新架构所构建的WEDM数控系统原型证明了基于编码器-播放器架构的数控系统原理的可行性。

关键词：电火花线切割加工数控系统编码器-播放器架构客户端/服务器运动比特流

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基于气穴模型的动压轴承动态油膜刚度计算方法

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润滑与密封 2019年第9期44卷 120-125页

作者：朱希玲荆建平上海工程技术大学机械与汽车工程学院上海201620 上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室振动噪声研究所船舰设备噪声与振动控制技术国防重点学科实验室上海200240

针对雷诺方程很难准确反映动压轴承高速转动过程中引起的周向惯性效应、动态挤压效应等的影响,进而导致油膜动态刚度计算精度难以满足高精度轴承设计的现状,提出用ADINA软件先求解瞬态油膜压力分布和瞬态油膜力,得到轴心轨迹,然后结合... 详细信息

针对雷诺方程很难准确反映动压轴承高速转动过程中引起的周向惯性效应、动态挤压效应等的影响,进而导致油膜动态刚度计算精度难以满足高精度轴承设计的现状,提出用ADINA软件先求解瞬态油膜压力分布和瞬态油膜力,得到轴心轨迹,然后结合差分计算模型计算油膜动态刚度的方法。该计算方法基于流固耦合和气穴模型,定义油膜和轴的流固耦合时,采用任意的拉格朗日-欧拉(ALE)算法有效避免了油膜网格畸变的问题,再现轴心动态平衡过程和三维流场压力分布的动态发展过程,得到瞬态过程中的动态油膜力和动态油膜刚度。试验结果和基于流固耦合和气穴模型的计算结果对比分析发现两者基本吻合,说明该基于流固耦合和气穴模型的数值仿真计算方法是可行和有效的。

关键词：动压轴承气穴模型瞬态分析动态刚度

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基于STM纳米电加工针尖几何效应的有限元分析和实验研究

基于STM纳米电加工针尖几何效应的有限元分析和实验研究

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第15届全国特种加工学术会议

作者：杨晔赵万生上海交通大学机械与动力工程学院机械系统与振动国家重点实验室

构造了基于扫描隧道显微镜(STM)电加工装置的针尖-样品模型,利用有限元方法计算获得了加工过程中,不同针尖几何模型下,样品表面和针尖-样品间隙间的电场强度分布;且基于电击穿时的电场强阈值,预测了在纳米尺度间隙下STM电加工过程中相... 详细信息

构造了基于扫描隧道显微镜(STM)电加工装置的针尖-样品模型,利用有限元方法计算获得了加工过程中,不同针尖几何模型下,样品表面和针尖-样品间隙间的电场强度分布;且基于电击穿时的电场强阈值,预测了在纳米尺度间隙下STM电加工过程中相应的刻蚀结果。通过对导电石墨样品表面进行纳米电加工试验,观察到由于针尖顶端的几何差异,加工形成了不同深径比的刻蚀坑。并通过实验确定了最佳加工状态下的针尖曲率半径值,与有限元预测结果相一致,实验结果有效地验证了有限元计算和预测的结果。

关键词：扫描探针显微镜(STM)纳米电刻蚀介电击穿放电石墨表面刻蚀

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基于卡尔曼滤波和支持向量机的电火花加工极间状态识别

基于卡尔曼滤波和支持向量机的电火花加工极间状态识别

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特种加工技术智能化与精密化——第17届全国特种加工学术会议

作者：叶龙奚学程刘宏达陈默赵万生上海交通大学机械与动力工程学院机械系统与振动国家重点实验室

电火花极间放电状态是影响电火花加工效率和质量的重要因素,正确区分放电状态是高效伺服进给的前提。国内外提出的放电状态检测方法主要有阈值电路法(固定阈值与变动阈值等)、智能检测方法(神经网络、小波变换、神经模糊等)、多信息融合... 详细信息

电火花极间放电状态是影响电火花加工效率和质量的重要因素,正确区分放电状态是高效伺服进给的前提。国内外提出的放电状态检测方法主要有阈值电路法(固定阈值与变动阈值等)、智能检测方法(神经网络、小波变换、神经模糊等)、多信息融合法(音频信号检测法、多传感技术等),而将卡尔曼滤波应用到放电脉冲波形处理的工作集中在周明(自适应滤波)和奚学程(卡尔曼滤波器状态空间模型)的论文中。为了提高放电状态识别的准确性和稳定性、同时降低放电状态检测识别系统的成本和开发难度,本文提出了一种基于卡尔曼滤波和支持向量机(SVM)相结合的放电脉冲检测方法:通过采集极间电压和电流信号、并对极间电压信号进行卡尔曼滤波后,获得每个放电脉冲的电压和电流波形,然后以波形数据为样本进行训练得到放电脉冲的分类模型。为了验证方法的有效性,本文开发了基于嵌入式芯片STM32F407的放电状态识别系统,通过内置的DSP模块搭建了基于卡尔曼滤波和SVM的放电脉冲分类平台,利用此平台对六轴数控电火花机床的加工过程中的放电状态进行分析。为了验证卡尔曼滤波的效果,本文采集了圆孔加工实验中的电压波形,分别用数字低通滤波器和卡尔曼滤波器对其进行滤波处理,得到的结果显示卡尔曼滤波方法获得的分类波形具有更加明显的区分度。为了验证SVM分类器的预测效果,本文拾取滤波后的电压数据和原始电流数据作为分类器的属性值,建立放电脉冲的标签值,通过大量的数据进行交叉实验来训练SVM分类器,预测的结果表明,在一定加工条件下(使用HAN SPARK脉冲电源,圆孔加工,没有抬刀间隔),本文所提出的基于卡尔曼滤波和SVM的极间状态识别方法的识别准确率在99%以上,这表明本文提出的基于卡尔曼滤波和支持向量机的电火花放电脉冲检测系统可以准确地识别单个放电脉冲的类别,可作为极间状态判断和伺服进给策略的依据。由于分类器模型受惩罚参数C和径向基核函数的宽度参数g影响较大,本文设计了网格寻优和遗传算法寻优作为对比寻找最佳的(C,g)参数对,可根据不同的数据属性值自动得到最佳的分类效果,在保证分类准确度的同时降低了此种分类方法在使用上的难度。

关键词：极间状态检测支持向量机卡尔曼滤波电火花加工

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微细电火花加工中电极磨损几何形状研究及仿真

微细电火花加工中电极磨损几何形状研究及仿真

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第16届全国特种加工学术会议

作者：傅宇蕾朱颖谋张发旺赵万生胡静机械系统与振动国家重点实验室上海交通大学机械与动力工程学院

微细电火花加工由于其高精度、低机械应力的特点,在加工高硬度等难加工材料上独具优势。相对于常规电火花加工,微细条件下电火花加工存在放电间隙小,加工排屑困难和高频脉冲等问题,使电极在加工中损耗更为严重。要提高微细电火花加工的... 详细信息

微细电火花加工由于其高精度、低机械应力的特点,在加工高硬度等难加工材料上独具优势。相对于常规电火花加工,微细条件下电火花加工存在放电间隙小,加工排屑困难和高频脉冲等问题,使电极在加工中损耗更为严重。要提高微细电火花加工的精度和效率,必须对微细条件下的电极磨损进行深入的研究。通过工艺试实验对微细电火花加工盲孔的电极损耗做了初步研究,并基于Matlab软件仿真,在二维矩阵的基础上,通过选取网格设定大小,设定工具运动情况、放电间隙、放电间隙影响因子、单个脉冲去除凹坑大小、相对电极损耗率TWR(Tool wear ratio)等参数,仿真电极形状变化的全过程。该模型经后续进一步完善后可用于预测补偿,在一定程度上降低微细电火花加工中电极损耗对加工精度和加工效率的影响。研究了深度和电流变化对工具电极磨损半径的影响,以及加工孔底面形状,通过对比仿真结果与实际实验,仿真方法可行。

关键词：微细电火花加工电极损耗电极几何形状仿真

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微小孔电火花加工脉冲控制技术的研究

微小孔电火花加工脉冲控制技术的研究

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第14届全国特种加工学术会议

作者：蒋毅赵万生奚学程康小明韦红雨上海交通大学机械与动力工程学院机械系统与振动国家重点实验室

通过对微小孔电火花加工的特点进行分析,设计了一种集成了清扫脉冲回路的电火花加工脉冲电源。该电源通过对每个脉冲的放电状态进行检测,能及时切断有害脉冲,并可在极间加载高能量窄脉宽的清扫脉冲,以清除积聚在加工区域中的加工屑。对... 详细信息

通过对微小孔电火花加工的特点进行分析,设计了一种集成了清扫脉冲回路的电火花加工脉冲电源。该电源通过对每个脉冲的放电状态进行检测,能及时切断有害脉冲,并可在极间加载高能量窄脉宽的清扫脉冲,以清除积聚在加工区域中的加工屑。对切断有害脉冲参数和清扫脉冲参数进行了详细的研究。利用该电源在桌面式微细电火花加工机床上进行了较大深径比微小孔加工实验和微小孔极限加工实验,取得了较好的加工效果。

关键词：电火花加工脉冲电源清扫脉冲微小孔

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