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基于磁流变抛光的中频误差控制工艺算法与策略

基于磁流变抛光的中频误差控制工艺算法与策略

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作者：贾阳中国工程物理研究院

学位级别：硕士

磁流变抛光技术被誉为是光学制造界的革命性技术,能快速实现超高精度面形(数十纳米以下)、超光滑表面质量(1纳米以下)且近无亚表面缺陷,可使光学企业的制造水平与生产效率有突破性的提升。但是磁流变抛光在快速去除光学表面低频误差同时... 详细信息

磁流变抛光技术被誉为是光学制造界的革命性技术,能快速实现超高精度面形(数十纳米以下)、超光滑表面质量(1纳米以下)且近无亚表面缺陷,可使光学企业的制造水平与生产效率有突破性的提升。但是磁流变抛光在快速去除光学表面低频误差同时,还会引入较多的中高频误差。其中的中频误差也是一个严重影响光学元件光学性能的因素,必须进行有效控制。国外对磁流变抛光中频误差工艺的研究已经比较成熟,但加工工艺作为技术秘密并未公开,国内在中频误差控制工艺上还存在若干问题,论文通过理论分析、仿真与工艺实验结合,对以下几个部分进行了研究：(1)中频误差评价方法研究。通过调研了国内外常见的光学元件面形误差评价方法,对功率谱密度分析法进行了深入的探讨,为之后的工艺优化过程中光学元件的中频误差分析提供理论基础及理论指导。(2)光学元件的中频误差算法与软件开发。从软件工程角度,设计了面形分析软件的总体架构,完成各模块算法设计与功能开发,为后续的面形分析进行辅助。(3)探索了去除函数形态对加工面形的影响规律。通过仿真,研究了去除函数表面形态对加工面形的影响规律,并初步获得去除函数的选取规律。(4)驻留时间算法进行了优化。提出了通过滤波算法使驻留时间矩阵沿抛光轮进给方向更加平滑,即相邻两点的速度更加接近,从而降低这种速度的波动性对中频误差造成的影响。(5)抛光轨迹进行了优化。首先研究了常规轨迹和伪随机轨迹的优缺点,并在光栅线轨迹的基础上,提出了基于聚类离散思想的自适光栅线轨迹,不仅去除了常规光栅线轨迹的特征误差问题,而且实现了中频误差的高效收敛。本文通过对磁流变抛光过程中中频误差控制技术中若干关键问题的细致研究,确定了一条能够有效控制中频误差的工艺路线,期望能实现全口径抛光的中频误差控制。

关键词：磁流变抛光中频误差抛光斑驻留时间抛光轨迹

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快速伺服刀架的建模与控制算法研究

快速伺服刀架的建模与控制算法研究

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作者：唐强中国工程物理研究院

学位级别：硕士

快刀伺服能够用于精密微结构表面的高效、低成本加工。快刀伺服加工技术的一个关键点是设计满足加工需求的快刀伺服系统,即是设计具有较高的精度、快速响应能力以及良好的指令跟踪性能的快刀伺服系统。需要从快刀伺服系统的设计分析出发... 详细信息

快刀伺服能够用于精密微结构表面的高效、低成本加工。快刀伺服加工技术的一个关键点是设计满足加工需求的快刀伺服系统,即是设计具有较高的精度、快速响应能力以及良好的指令跟踪性能的快刀伺服系统。需要从快刀伺服系统的设计分析出发,研究影响快刀伺服系统性能的关键影响因素和优化系统设计的方法。基于以上需求,本文分析了快刀伺服原型系统中影响系统性能的关键因素;对其中的关键问题提出相应的解决办法;并通过仿真和实验验证了所提方法。工作内容包括：(1)在分析国内外快刀伺服系统的相关研究基础上,根据其工作原理和性能需求,提出快刀伺服原型系统的原理方案;在原理性方案的基础上建立了压电型快速伺服刀架的模型,并对模型进行了仿真研究,为实验平台的设计构建提供理论支持。(2)根据原理性方案设计构建了快刀伺服原型实验平台;利用原型实验平台展开实验测试和分析。实验结果表明原型平台具有良好的工作性能,位移分辨率优于4nm最大行程达到60.06μm,在150Hz时的行程达到22.08μm,满足设计要求。(3)针对实验测试结果中发现的问题,对系统模型进行了修正。将接触特性纳入模型之后,模型仿真结果与实验结果相符。提出了相移迟滞模型描述压电陶瓷的动态迟滞特性,建模的最大相对误差小于1.5%,利用相移迟滞模型对动态迟滞曲线进行线性化修正,修正后的线性相关系数在0.9992以上。(4)结合控制的需求,基于PID控制算法,将模型前馈和零相差前馈算法引入到跟踪控制算法中,并通过MATLAB(?)程序进行控制仿真。仿真和实验验证的结果表明零相差前馈控制算法具有较好的跟踪控制性能。本文通过上述理论、仿真与实验相结合的研究,分析了快刀伺服刀架的关键参数对系统性能的影响规律;提出了一种基于相移特性的迟滞模型与补偿方法;基于零相差控制原理给出了一种减小跟踪误差的控制算法。为快刀伺服工程样机的研制提供了技术参考。

关键词：快刀伺服压电陶瓷零相差控制

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圆筒型直线发电机磁路结构设计研究

圆筒型直线发电机磁路结构设计研究

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作者：伍帆中国工程物理研究院

学位级别：硕士

斯特林直线发电机是一种热电转换装置,在航天探索、军事便携供电、微型热电联产等方面有所应用,正处于发展之中。斯特林直线发电机包括斯特林直线发动机(自由活塞式或热回声式)和直线发电机:作直线运动的活塞与发电机动子相连,直驱发电... 详细信息

斯特林直线发电机是一种热电转换装置,在航天探索、军事便携供电、微型热电联产等方面有所应用,正处于发展之中。斯特林直线发电机包括斯特林直线发动机(自由活塞式或热回声式)和直线发电机:作直线运动的活塞与发电机动子相连,直驱发电。由于没有附加的传动装置,斯特林直线发电机结构更紧凑,摩擦损耗少,理论上效率更高。但在实际研制中,斯特林发动机在耐高温材料、动密封等方面还有很大困难,直线发电机则由于其结构与运动方式的特殊性,在设计制造、发电与受力特性等方面有待优化改进。本文针对面向航天的斯特林发电系统,对圆筒型直线发电机的发电特性、受力情况进行了研究,设计组装了结构较为简化、定位力小、容易启动的小功率样机,通过实验了解了直线发电机的发电与运行特性,为斯特林发电整机的研制提供了参考。经过调研,当前直线发电机主要存在几大问题难点:结构特殊难以制造,定位力对运行不利,振动下输出的电波形不规则。首先,本文对比各类直线发电机,初步确定了总体构型。参考国内外现有设备的性能参数,设定了直线发电机的相关参数指标。其次,本文使用电磁有限元仿真软件ANSYS Maxwell建立直线发电机的电磁模型,对其在简谐振动下的感应电势、功率等进行了研究,发现在小幅简谐振动下,单相型直线发电机的综合输出性能更优。定位力和功率与结构有关,分数槽结构的定位力小但功率小,整距结构的定位力大但功率大。振动中心的稳定性与动子在振中附近的受力有关。弹簧在整机系统中具有重要作用。然后,本文使用机械建模软件UG对直线发电机的定子和动子结构进行了详细设计,选取了用于样机试验的动力源以及运动转换装置,搭建了直线发电机实验系统。对调试中发现的问题进行了分析,对实验装置做出改进。最后,本文进行了实验测试,对直线发电机的定位力、空载电势波形、输出功率等特性进行了测量与分析,对样机的总体性能进行了评价总结,指出未来研究改进的方向。

关键词：斯特林发电系统直线发电机简谐振动感应电势定位力

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