带有力反馈系统的微加工头的研制

论文摘要

随着微纳米科学技术的迅猛发展,微纳米材料和人们的生活与工作愈加息息相关。原子力显微镜(AFM)的引入极大了丰富了微纳加工的内容,其主要特点就是其加工头的有限刚度,并通过对加工力的控制实现了与材料的紧耦合,成为了纳米机械刻划加工的一种重要手段。但是由于原子力显微镜设计的根本目的是为了检测,施加在工件表面的力非常小,限制了其加工的范围。针对上述存在的问题,基于AFM力闭环原理本文研制了一套带有力反馈系统的微加工头,并利用该装置对不同材料进行了机械刻划实验的研究。具体内容如下:首先,设计了一套带有力反馈系统的微加工头的机械部分,包括进给系统、力测量装置和微探针的研制,并对整个机械系统的应变、模态和温度变化的影响进行了分析。其次,对带有力反馈系统的微加工头的控制系统的硬软件进行了研制。控制系统的硬件部分是基于UMAC控制单元的控制系统,软件部分是通过UMAC提供的编程功能完成自动逼近过程和加工过程中的力伺服的控制功能,并设计了人性化的控制程序界面。最后,通过实验获得了不同材料的加载卸载曲线、力自由下降曲线和闭环跟踪特性曲线,利用该装置分别对不同材料进行了力闭环的机械刻划实验,将其所得到的结果与开环实验条件下得到的结果进行了对比分析,分析了不同因素对力闭环加工质量的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 微纳米机械刻划加工装置的研究现状及分析
• 1.2.1 纳米加工的方法
• 1.2.2 微纳米机械刻划加工装置的研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 带有力反馈系统微加工头的建立
• 2.1 引言
• 2.2 系统的构成和加工原理
• 2.2.1 装置的加工原理
• 2.2.2 装置的系统构成
• 2.2.3 力测量装置的原理
• 2.2.4 微位移台的原理
• 2.2.5 微探针及其夹具的设计
• 2.2.6 XY 向移动台的工作原理
• 2.3 控制系统的硬件研制
• 2.3.1 控制系统的设计原理
• 2.3.2 控制系统的硬件设计
• 2.4 控制系统的软件设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 微加工系统的标定与分析
• 3.1 引言
• 3.2 系统的标定与测试
• 3.2.1 力的标定
• 3.2.2 系统加载卸载实验与死区测试
• 3.3 微加工系统的有限元分析
• 3.3.1 系统的应变分析
• 3.3.2 系统的温度变化影响分析
• 3.3.3 系统的模态分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 微加工系统闭环加工实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 系统加载卸载过程实验
• 4.3 垂直压力自由下降过程实验
• 4.4 闭环刻划加工与开环刻划加工实验研究
• 4.4.1 闭环系统PID 参数整定实验
• 4.4.2 力闭环对加工质量的影响
• 4.4.3 加工方向和加工速度对刻划加工影响
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢