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2020年  第2卷  第2期

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综述
制造过程监测中多传感器测量与数据融合技术综述
孔令豹, 彭星, 陈垚, 王平, 徐敏
2020, 2(2). doi: 10.1088/2631-7990/ab7ae6
摘要:

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1.文章导读      

多传感器系统可用于监测制造过程中的工件表面质量和加工参数,能够有效监控工艺参数、补偿加工误差从而有效改善加工质量。与此同时,在多传感器系统中,数据融合可以对被测对象的多个参量进行综合和统一,发挥各个传感器的优势,因此融合数据系统与其包含的每个子系统相比具有更好更全面的信息。孔令豹研究员介绍了多传感器测量与数据融合技术在精密监测系统中的应用。多传感器系统目前已被广泛应用于增材制造(简称AM)过程监测、激光焊接、铣削、设备状态监测与故障检测等领域。在多传感器系统中,能够通过使用特殊的数据处理算法来融合所有独立的测量结果,以提供全面可靠的测量结果,因此文章系统总结了已有的多传感器系统的数据融合算法。 复旦大学上海超精密光学制造工程技术研究中心的孔令豹研究员,徐敏研究员,彭星,陈垚,王平等作者《极端制造》期刊 (International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上发表《制造过程监测中多传感器测量与数据融合技术综述》,系统地介绍了多传感器测量与数据融合技术的研究背景、最新进展和未来展望。 

2.研究背景      

为满足不同要求和测量参量,现代仪器系统往往需要配备多个不同的传感器,每个传感器都有其独立的功能。多传感器监测系统中的每个传感器都可以独立测量某个参数,并通过特殊的信号处理算法来组合所有独立的测量值以提供最终完整测量结果。为了降低微处理器的成本,现在多传感器系统的使用越来越广泛。同时,传感仪器使信号处理系统和数字闭环控制非常经济适用。此外,在多传感器系统中,实现系统功能的关键是协调好所有传感器的信号。将所有传感器的测量数据综合起来,利用特殊的算法对测量结果进行完整性和一致性描述,这一过程称为多传感器数据融合。该技术可以提高可检测性与可靠性,扩大时空感知的范围,降低推理模糊度,提高检测精度,增加目标特征维数,提高空间分辨率,并增强系统的容错能力等。孔令豹研究员详细介绍了多传感器系统和数据融合技术的应用。

3.最新进展      

随着精密制造技术的飞速发展,科研人员在多传感器测量与数据融合技术领域进行了大量研究,旨在提高监测系统的测量效率与精度。在多传感器系统中,每个传感器独立地测量某些参数。然后,系统使用特殊的信号处理算法来组合所有独立的测量结果,以提供全面的测量结果。本文旨在综述多传感器测量与数据融合技术在精密监测系统中的应用。如图1所示,现代仪器系统配备了许多不同的传感器,每个传感器都有其自己独立的功能。论文介绍了多传感器系统在AM监测系统、激光焊接系统、铣削系统、状态监测和故障检测系统中的应用。同时,文章还总结了数据融合层次与数据融合算法。

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图1 智能多传感器系统框架 

AM监测系统中的多传感器技术    增材制造技术具有产品开发高效、可生产复杂定制组件、修复各类机械零件等优点。但是,与传统制造技术相比,AM制造的工件缺陷率仍然很高。为了解决这个问题,很多研究项目都将增材制造过程监测方法的开发作为重点研究方向。如图2所示为用于增材制造过程中的一种多传感监测系统,光学监测装置由NIR CMOS摄像机和光电二极管组成。传感器1和传感器2对400-1000nm之间的波长敏感,通过传感器捕获熔池辐射。NIR CMOS相机用于测量制造过程中熔池的形状与温度分布。此外,文章详细综述了多传感器技术在直接能量沉积(DED)过程以及气体钨电弧(GTA)增材制造过程中的应用。


图2 多传感器监测系统方案图 

激光焊接系统中的多传感器技术    在激光焊接过程中,材料与激光束相互作用并产生一系列不同的特征信号。这些特征信号可能包括空气与结构传播的声发射,激光束在作用区域的反射,钥匙孔、熔池和母材及其上方金属蒸气的发射信号。文章讲述了与以上过程发射相关的光学信号监测方法。感应可见光与近红外(NIR)发射的光电二极管用于监测来自激光作用区域的辐射信号。为了提高焊接工件的质量,在制造业中实时监测并控制焊接过程中的焊缝熔深至关重要。 如图3所示为多传感器系统用于监测焊缝熔深。

图3 激光焊接与监测系统的实验装置

铣削系统中的多传感器技术    铣削是一种常见且高效的切削操作,通过使用带有一个或多个齿的旋转刀具,可以间歇地将零件切割成螺纹、平面和许多复杂的零件。目前,铣削加工由于适合大批量生产,在工业制造中得到了广泛的应用。 如图4所示,研究人员致力于在旋转工具上开发多传感器监测系统,该系统可以在无线环境中同时测量振动、温度、扭矩和切削力的三个分量。

图4 振动与温度传感器系统

状态监测与故障检测系统中的多传感器技术    在制造过程中,需要进行故障检测和状态监测以防止机器故障,进而延长机器寿命并降低运行成本,这可以通过多传感监测系统来实现。如图5所示,该平台通过使用光电红外热成像传感器监测变压器的故障,测量变压器的内部温度。通过接收从被测物体表面发出的辐射,可以方便地确定被测物体的温度。

图5 基于多传感器数据融合方法的监测系统装置

数据融合层次    如今,数据融合技术已成为世界范围内的研究热点之一。数据融合是指充分利用多个信息源,并在空间或时间上组合多个信息源的冗余或互补信息。数据融合的过程是使用数学方法和技术手段合成不同的信息源,以获得高质量和有用的信息。根据处理信息源层次,信息融合可分为数据层融合、特征层融合和决策层融合。

数据融合算法    数据融合涉及各种理论和技术,并且没有完全统一的算法可以适应所有场景。因此,在实际应用中,应根据不同的应用背景选择相应的算法。按照算法概念,主要分为三类:物理模型算法、基于参数的算法和基于认知模型的算法。例如,基于认知模型的算法主要包括逻辑模板法、模糊集理论算法、遗传算法和知识系统方法。如图6所示,虚线框中的部分在经典决策模板方法中则没有。将该修改后的矩阵应用于修改目标的决策分布图,以反映传感器对特定类型目标的分类识别能力,从而获得修改后的目标决策分布图。选择最大相似度类别作为输出,对未知目标的决策分布图进行分类,实现融合目标的识别。

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图6 改进的决策模板法流程示意图

4.未来展望      

目前,多功能传感器已经成为新兴的研究领域,研究人员正在尝试设计能够提供多种测量结果的多功能传感器的单元。多功能传感器能够有效减小占用空间、降低成本,但是也具有可靠性问题。多功能传感器已越来越多地开始应用于环境、生物医学、机械等领域。材料科学领域以及电气工程领域的多功能传感器已经展开了一系列重要的研究工作。与多传感器系统和多功能传感器技术一样,数据融合技术方兴未艾。几乎所有的信息处理方法都可以应用于数据融合系统。随着传感器技术、数据处理、计算机、网络通信、人工智能、并行计算软件和硬件等现代技术的飞速发展,新的数据融合方法有待开发,并将成为未来的核心技术。显然多传感器数据融合不是一项单一的技术,而是一种跨学科的综合理论与方法,是一个新兴的研究领域,仍处于不断变化和发展的过程中。

以原子尺度沉积扩展、超越摩尔定律
陈蓉, 李易诚, 蔡佳明, 曹坤, Han-Bo-Ram Lee(韩国)
2020, 2(2). doi: 10.1088/2631-7990/ab83e0
摘要:

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1.文章导读      

随着半导体技术的发展,原子级分辨率和高精度的对准工艺正成为纳米制造的主要挑战。自上而下的光刻技术虽然是当前微电子制造的主流技术,但是该方法难以兼顾分辨率和成本而变得难以为继,因此亟需发展面向未来的自下而上纳米制造新方法。原子尺度沉积是一类非常重要的自下而上制造方法,是一种理想的纳米材料/结构/器件/系统的原子级薄膜沉积技术。该方法能同时实现横向和纵向的原子级材料构建,并兼具保形性和均匀性等特点,有力地推动了摩尔定律的发展。另一方面,区域选择性限域策略使该方法在3D结构对准制造方面展现出了巨大的优势,被认为能续上传统方法的接力棒。最后,原子尺度沉积也能实现多种材料的多维度跨尺度制造,受到了电子信息、能源环保、催化等领域的广泛关注。近期,华中科技大学机械科学与工程学院、数字制造装备与技术国家重点实验室的陈蓉教授、曹坤讲师、李易诚博士生、蔡佳明博士生,和韩国仁川国立大学Han-Bo-Ram Lee教授《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上共同发表《以原子尺度沉积扩展、超越摩尔定律》的综述,系统介绍了原子尺度沉积的研究背景、最新进展及未来展望。图1展示了基于摩尔定律的CMOS技术的发展以及纳米制造过程中原子尺度沉积的三个主要特点,包括将横向埃级别分辨率转移到垂直方向,基于模板的高精度定向对准技术,和无模板的自驱动选择性沉积方法。

图1(a)按比例缩放的CMOS技术,插图是电子显微镜图像;(b)三种策略分别实现原子尺度的垂直分辨率、模板辅助的对准技术和固有的选择性限域沉积。(插图)经许可使用。版权所有(2003)Elsevier Ltd. 版权所有(2015)Elsevier Ltd。 

2.研究背景      

自从1965年摩尔定律问世以来,该定律就一直驱使着半导体行业通过缩小特征尺寸来提高晶体管密度。到本世纪初,传统的等比例缩放遇到了巨大的瓶颈,业界相继开发出应变Si/Ge型、高介电/金属门型、鳍式晶体管,使得摩尔定律得以延续。目前,晶体管特征尺寸已经发展到7nm,意味着一平方厘米的芯片上就集成了将近70亿个晶体管,这对鳍式构型和传统的制造方法都提出了巨大的挑战。现在,极紫外光刻技术已经在某些关键步骤中使用以提高分辨率。但是,它面临大批量生产带来的对准精度和高成本难题。同时,新材料和3D复杂结构的引入给自上而下的方法带来了更加严峻的挑战。新兴的自下而上制造方法大有可为,为纳米制造提供了新的技术驱动力。早在1959年,费曼就预言“There’s plenty of room at the bottom”,驱动了人类以原子/分子等为基本建筑单元构筑特定结构。原子尺度沉积是自下而上制造策略的典型代表。由于亚纳米级厚度控制和选择性限域沉积的特性,原子尺度沉积被认为能拓展并超越摩尔定律。在本文中,陈蓉教授等人对原子尺度沉积的最新进展进行了详细介绍。 

3.最新进展      

最新进展主要分为三个部分:横向分辨率转移到垂直方向,模板辅助的定向对准方法,非模板的选择性限域沉积。首先,和自上而下的蚀刻类似,原子尺度沉积能使横向分辨率转移到垂直方向,例如双重图案化。另外,各种模板辅助的选择性限域沉积方法已逐步用于3D复杂结构的定向对准中,包括无机模板、抑制剂和校正步骤等。最后,通过固有的选择性限域沉积,可以实现低维度材料的构建,如2D材料、纳米线、纳米粒子等。

横向分辨率转移到垂直方向    利用了在各种高深宽比结构(包括侧壁、纳米管、纳米线等)上薄膜沉积的保形性和均匀性。其中,自对准双重图案化(SADP)是典型案例,如图2所示。原子尺度沉积可以提高纳米图案的精度,并获得一些特殊的结构,从而促进摩尔定律的延续。

图2 自对准双重图案化的(a)示意图和(b)实际效果图。 经许可使用,版权所有(2011)Intech Open。

模板辅助的定向对准方法    随着器件变得越来越复杂,薄膜的对准生长被认为是纳米制造过程中的重要一环。选择性限域沉积是一种有效且有前途的对准方法,它可以减少诸如光刻和蚀刻之类的步骤,释放工艺复杂度。通常,使用特殊的模板来获得高选择性限域的沉积是一种有效的方法,如图3所示。在模板的辅助下,芯片制造商不仅可以在三维方向上直接叠加晶体管,还可以集成诸如传感、储能、驱动等多种功能性从而获得超级芯片。

图3(a)基于聚合物的选择性限域沉积;(b)基于SAM的正向和负向图案化;(c)基于SAM的纳米限域结构;(d)通过离子注入实现区域选择性限域沉积。(a)经许可转载。版权所有(2006)美国化学学会。(b)经许可转载。版权所有(2006)WILEY-VCH Verlag GmbH&Co.KGaA,Weinheim。(c)经许可转载。版权所有(2017)WILEY-VCH Verlag GmbH&Co.KGaA,Weinheim。(d)经许可转载。版权所有(2016)美国化学会。

无模板的选择性沉积    对于低维材料和复杂3D结构,寻找合适的模板以实现选择性限域沉积非常具有挑战性,因此亟需非模板的选择性沉积方法。图4展示了在纳米颗粒上的固有选择性沉积方法及其机理。在后硅时代,原子尺度沉积可以制备许多替代硅的纳米材料,例如2D材料、碳材料、铁电材料、相变材料等,这些材料可以克服硅材料的物理局限性并拓宽摩尔定律的边界。

图4 纳米粒子的选择性限域沉积:(a)纳米栅栏的CeOx / Pt结构;(b)TiO2包覆Au颗粒的低配位位点;(c)通过第一性原理计算验证了边缘选择性限域ALD;(d)吸附能的计算。(a)经许可转载。版权所有(2017)WILEY-VCH Verlag GmbH&Co.KGaA,Weinheim。(b)经许可转载。版权所有(2015)美国化学会。(c)经许可转载。版权所有(2018)美国化学会。(d)经许可转载。版权所有(2017)Elsevier。 

4.未来展望      

原子尺度沉积是一种面向未来的原子级别薄膜沉积技术,势必在微纳制造领域发挥越来越重要的作用,包括Intel等芯片制造商在内的工业界和IMEC等微纳制造研究机构在内的学术界都对该技术展现出了浓厚的兴趣。其前景主要包括以下几个方面:为了实现高精度的纳米制造,需要对原子级沉积机理进行深入研究;尽管表征技术正在蓬勃发展,但原子级表征和操纵技术仍有很大的改进空间;为了实现复杂的纳米结构制造,工艺耦合必不可少;跨尺度和多维度的制造将是原子尺度沉积的巨大优势;加工精度和制造效率是相互抑制的因素,需要权衡;除微电子领域外,原子尺度沉积在催化、能源及显示等领域都有广泛的应用前景。

用于空间引力波探测的高精度星间激光干涉测量技术
明珉, 骆颖欣, 梁浴榕, 张静怡, 段会宗, 颜浩, 姜元泽, 卢凌峰, 肖青, 周泽兵, 叶贤基
2020, 2(2). doi: 10.1088/2631-7990/ab8864
摘要:

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1.文章导读        

激光干涉技术在超精密加工制造,精密定位控制和基础科学测量等领域具有重要价值。目前国际上测量精度最高的干涉仪就是用于引力波探测的激光干涉仪。叶贤基教授围绕空间引力波探测技术,详细介绍了高精度星间激光干涉测量的基本原理、关键技术及其发展现状。星间激光干涉测量是一种长基线高精度的位移测量方法,当星间距达到十万公里之百万公里时就要求在接收光功率为皮瓦至纳瓦级弱光条件下,实现皮米级位移测量精度。为了实现高精度星间干涉测量,需要发展一系列关键技术,包括星载激光稳频技术、精密相位测量以及弱光锁相技术、星间激光光束指向控制技术。预期这些技术将会逐步应用于超高精度测量、定位、加工与制造。中山大学天琴中心和华中科技大学引力中心的叶贤基教授、周泽兵教授、明珉、骆颖欣、梁浴榕、张静怡、段会宗、颜浩、姜元泽、卢凌峰、肖青等作者在《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上发表《高精度星间激光测距》综述,围绕空间引力波探测,系统介绍了高精度星间激光干涉测距技术研究背景、最新进展及未来展望。

2.研究背景        

自十九世纪以来,干涉测量技术一直是精密测量领域中的重要技术之一,在精密工业生产加工以及基础科学测量有着广泛应用。近几十年来,随着空间科学应用的发展需求,例如空间引力波探测,高精度星间激光测干涉测量技术得到广泛重视。高精度星间激光测距是利用两颗卫星之间的两束或者多束激光进行干涉,通过读取干涉信号的相位信息得到星间距离变化信息。基于高精度星载激光稳频、精密相位测量以及弱光锁相技术、星间激光指向控制等技术,可实现皮米级星间位移测量,对空间科学与技术、基础物理实验等研究领域具有重要价值与应用前景。中山大学天琴中心与华中科技大学引力中心携手合作,针对我国自主的空间引力波探测需求,积极开展高精度星间激光干涉测量关键技术研究,一方面为我国空间引力波探测任务提供技术支撑,另一方面推动我国在空间科学以及基础物理研究领域的进一步发展。 

3.最新进展                        

中山大学天琴中心与华中科技大学引力中心围绕高精度星间激光干涉测量,积极研发一系列相关的关键技术,包括星载激光稳频技术、精密相位测量以及弱光锁相技术、星间激光指向控制技术,取得了良好的进展,在同领域达到了国际同步水平。

星载激光稳频技术        

PDH稳频基本原理是将星载激光器的载波中心频率锁定到FP腔的共振频率峰上的方法。由于FP腔采用超稳一体化粘接技术,共振频率非常稳定,通过锁定后可以实现激光中心频率的稳定,进一步降低星间激光干涉测量中的激光频率噪声,其方案原理如图1所示。


图1 (a)PDH激光稳频系统的原理图(b)典型鉴相信号

精密相位测量与弱光锁相技术                        

弱光锁相和测量是一种基于数字锁相环进行交流信号相位测量以及锁定控制的技术,如图2所示。通过将待测交流信号与本地超稳晶振进行相关运算,结合低通滤波和数字锁相等手段,高精度读取待测激光的相位信息,并将本地激光相位与之锁定,形成稳定的星间激光链路。

图2 基于FPGA数字锁相环DPLL的系统原理框图

星间激光指向控制技术                        

星间激光指向控制是基于高精度差分波前传感以及差分功率测量的方法,利用本地参考激光与远端接收激光之间的差分波前或功率信息,读取本地卫星激光指向与远端卫星之间的偏差,如图3所示,然后利用精密转镜进行反馈控制。该技术可望用于长基线卫星信号捕获与高精度指向锁定。

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图3 (a)差分波前传感原理(b)差分功率测量原理

4.未来展望                        

高精度星间激光干涉测量技术是发展空间科学应用、进行空间引力波探测的重要技术。中山大学天琴中心与华中科技大学引力中心针对我国自主的空间引力波探测计划—“天琴计划”的需求,积极开展高精度星间激光干涉测量关键技术的攻关,并取得了显著的进展,已初步建立起星间激光干涉系统方案,如图4所示。这些精密测量技术将逐步被应用于精密加工与制造、计量、前沿物理实验研究。

图4 用于空间引力波探测的激光干涉仪原理图

基于投影微立体光刻的3D打印技术及其应用
葛锜, 李志琴, 王兆龙, Kavin Kowsari, 张旺, 何向楠, 周建林, Nicholas Fang
2020, 2(2). doi: 10.1088/2631-7990/ab8d9a
摘要:

投影微立体光刻(Projection Micro Stereolithography – PμSL)是一种基于面投影光固化原理的高精度(最高可达0.6微米)增材制造(3D打印)技术。该技术可以用于制造具有跨尺度与多材料特性的高精度复杂三维结构,在力学超材料、光学器件、4D打印、仿生材料及生物医学等领域具有广阔的应用前景。南方科技大学、深圳摩方材科技有限公司、湖南大学、麻省理工学院等单位的葛锜、李志琴、王兆龙、周建林、Nicholas Fang等作者在《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上发表《基于投影微立体光刻的3D打印技术及其应用》综述,系统介绍了投影微立体光刻3D打印技术的研究背景、最新进展及未来展望。

研究论文
激光扫描策略对纯钨选择性激光熔化的影响
Dongdong Gu, Meng Guo, Hongmei Zhang, Yixuan Sun, Rui Wang, Lei Zhang
2020, 2(2). doi: 10.1088/2631-7990/ab7b00
摘要:

本文研究了棋盘扫描、锯齿扫描和重熔扫描三种扫描策略对纯钨选择性激光熔化的表面形貌、微观结构、力学性能和晶粒取向的影响。结果表明,在钨零件选择性激光熔化过程中,气孔和裂纹是主要缺陷。气孔可通过重熔扫描策略去除,但无论采用何种扫描策略,裂纹似乎是不可避免的。钨经过选择性激光熔化加工后的微观结构为柱状晶粒并沿结构方向具有强外延生长特征。当采用锯齿扫描策略时,得到923MPa的抗压强度和7.7%的延伸率,此抗压强度在三种扫描策略中最高。通过改变选择性激光熔化扫描策略,可以改变钨在其加工方向上的纹理。

热轧中具有优异摩擦性能的新型水基纳米润滑剂
Hui Wu, Fanghui Jia, Zhou Li, Fei Lin, Mingshuai Huo, Shuiquan Huang, Sepidar Sayyar, Sihai Jiao, Han Huang, Zhengyi Jiang
2020, 2(2). doi: 10.1088/2631-7990/ab82fe
摘要:

本文以十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和甘油为添加剂,使用TiO2纳米粒子合成具有优异分散稳定性和润湿性的水基纳米润滑剂。为对比有无添加SDBS的水基纳米润滑剂性能,利用Rtec球-盘摩擦仪研究了合成纳米润滑剂的摩擦学性能,并在2辊Hill 100实验轧机上对其在热轧中的应用进行了评估。与纯水相比,含4 wt % TiO2和0.4 wt % SDBS的水基纳米润滑剂,其摩擦系数和磨球磨损系数分别降低70.5%和84.3%,表现出优异的摩擦学性能。除润滑作用外,悬浮液对工作辊表面的抛光也有显著影响。因此,在850℃的轧制温度下,工件减少30%,由此产生的表面改进使轧制力降低8.3%。润滑机理主要归因于TiO2纳米粒子形成的润滑膜和滚珠轴承效应。

基于激光诱导前向转移的单脉冲激光干涉图样纳米点阵列沉积法
Yoshiki Nakata, Eiki Hayashil, Koji Tsubakimoto , Noriaki Miyanaga, Aiko Narazaki, Tatsuya Shoji, Yasuyuki Tsuboi
2020, 2(2). doi: 10.1088/2631-7990/ab88bf
摘要:

激光诱导前向转移(LIFT)是一种能够沉积多种材料的直写技术。另一方面,激光诱导点转移(LIDT)可沉积激光诱导前向转移中小激发能量下比激光波长更小的单点。此过程中,液体纳米滴从供体转移到受体,最后通过固-液-固(SLS)过程固化。在传统激光诱导点转移实验中,采用多脉冲步进扫描形成阵列结构。然而,激光干涉处理在单脉冲下可实现排列过程并形成周期性结构。本文首次将飞秒激光干涉图样应用于激光诱导点转移(LIDT),并在单脉冲下成功沉积纳米点阵,形成如下单元结构:单点、相邻点和叠加点。最小纳米点直径为355 nm, 相邻纳米点最小间隔17.2 nm。采用干涉图样的激光诱导点转移技术具有高纯度、无催化剂特点,且无需后续清洗或校准。鉴于其显著优势,此项技术可在广泛领域内内扩展纳米点的可用性。

超精密飞切机床动力学建模及环境振动对刀尖响应的影响研究
丁建国, 常宇, 陈鹏, 庄辉, 丁园园, 陆涵婧, 陈毅恒
2020, 2(2). doi: 10.1088/2631-7990/ab7b59
摘要:

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1.文章导读  

超精密飞切机床的动力学特性直接影响加工质量,是衡量机床品质的一个重要指标。丁建国教授介绍了基于多体系统传递矩阵法的超精密飞切机床动力学建模方法、大跨尺度空气静压主轴系统流场气膜CFD建模的关键技术以及通过实测数据模拟环境振动激励的实现策略。同时,该文展现了超精密飞切机床系统动力学研究的最新成果,并揭示了对刀尖振动响应的影响机理。目前,多体系统传递矩阵法已逐步应用于复杂装配系统动力学建模,为开展超精密设备动力学研究奠定了理论基础。  南京理工大学的丁建国教授、常宇、陈鹏、庄辉、丁园园、陆涵婧、陈毅恒等作者  在《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上发表《超精密飞切机床动力学建模及环境振动对刀尖响应的影响研究》,系统介绍了超精密飞切机床动力学建模与分析的研究背景、最新进展及未来展望。 

2.研究背景  

超精密机床在国防建设与国民经济发展中具有不可替代的作用,是现代高端装备制造的重要支撑技术。在机床加工过程中,各种因素导致的振动将严重降低机床的加工质量,而掌握机床振动机理则需要研究机床的动力学性能,因此对机床进行动力学分析变得至关重要。传统的动力学方法在进行机床动力学分析时,需要建立系统总体动力学方程,并且面临涉及的矩阵阶次高、计算工作量大的困难,还可能出现计算“病态”等问题,所以寻求一种高效可靠的动力学建模及计算方法对超精密飞切机床动力学性能进行分析意义重大。对于具有高精度、高灵敏度特点的超精密飞切机床,环境振动对机床加工质量的影响不可忽视。由于环境振动主要是受到机床周边环境的激励,且具有随机过程的特点,因此研究环境振动对超精密飞切机床加工质量的影响极其必要。该文对超精密飞切机床动力学建模及环境振动对刀尖响应的影响机理方面所做的相关工作进行了详细的介绍。 

3.最新进展  

基于多体系统传递矩阵法,建立了超精密飞切机床系统的动力学模型,并利用大跨尺度动网格建模方法对空气静压主轴系统进行了CFD分析,为系统动力学模型提供重要参数支持。通过实测数据模拟环境振动激励,研究了环境振动对刀尖振动响应的影响机理。

超精密飞切机床系统动力学建模:多体系统传递矩阵法无需建立系统的总体动力学方程,涉及系统矩阵阶次低、计算量小、避免了系统特征值问题计算“病态”,为实现超精密飞切机床系统动力学计算提供了高精度及高效率的新手段。应用多体系统传递矩阵法对超精密飞切机床进行动力学建模,并实现了系统动力特性及刀尖动力学响应分析。动力学模型如图1所示。

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(a)拓扑图                                                            (b)树状拓扑图

图1 动力学模型

空气静压主轴系统流场建模:针对空气静压主轴系统大跨尺度动网格建模时易产生网格扭曲和负网格问题,基于ANSYS® ICEM CFD™软件,采用multiblock方法建立了流场网格模型,揭示了流场在不同气膜厚度下的变化规律,为超精密飞切机床动力学分析提供重要参数,空气静压主轴系统流场建模如图2所示。

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(a)空气静压主轴系统结构图                              (b)网格模型及边界条件       

图2 空气静压主轴系统流场建模

环境振动影响机理分析:由于环境振动源的多样性,为反映具有复杂随机性的环境振动激励特性,利用功率谱密度估计法进行实测环境振动信号的统计分析,仿真出等效的环境振动激励。通过对超精密飞切机床系统进行在环境振动作用下的动力学分析,揭示了环境振动对刀尖振动响应的影响机理,并验证了隔振地基的必要性和有效性,如图3所示。

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(a)整个加工过程          (b)旋转一周内         (c)切削过程

图3 刀尖与工件相对位移

4.未来展望  

在工业4.0与“中国制造2025”的大背景下,我国超精密加工技术的自主研发道路亟待展开,不断提高加工质量是超精密加工技术的首要目标。南京理工大学复杂装备系统动力学工信部重点实验室团队对多体系统传递矩阵法已有多年的研究,结合大跨尺度流体动力学建模技术,近年来逐渐开展超精密加工领域的研究。研究方法及成果对超精密机床的设计和改进具有积极的指导意义。未来,团队还将在超精密设备振动控制领域取得更为显著的研究进展,以提高超精密设备的加工质量和运行稳定性。