针对多层靶丸X射线数字图像的成像原理和轮廓边缘进行了理论分析;推导了由靶丸边缘特征点确定靶丸圆心和半径的精确最小二乘拟合算法;对于不同类型(阶跃状或屋顶状)的靶丸图像边缘, 采用均化二阶微分算法或径向吸收强度最小二乘洛伦兹型拟合寻峰算法获取亚像素精度的靶丸圆周轮廓边缘数据;应用快速傅里叶变换算法对靶丸圆周轮廓数据进行分析, 获得了靶丸表面外轮廓或内轮廓模数-功率谱特征曲线。

提出了一种宏/微双驱动微进给机构的设计与控制方法。介绍了宏/微双驱动微位移机构的结构设计,将宏动(大行程)和微动(高分辨率)两者串联以获得理想的运动性能。该机构用步进电机作为宏动的驱动装置以获得大行程和高响应速度,用压电陶瓷微位移器作为精密运动以提高运动分辨率和运动精度。设计了该机构的控制系统,用一个基于模型的开关控制器对微位移装置进行控制,并设计专门的运动分配模块对宏/微运动进行协调控制。最后,分别控制宏动和微动装置对该系统进行了实验,并用激光干涉仪检测。检测结果表明,宏动装置的行程为90mm,运动分辨率为0.3μm;压电陶瓷微动装置的行程为40μm,定位精度为0.9μm。理论分析和实验结果均表明了控制策略的有效性。

为解决采用原子力显微镜(AFM)系统进行纳米机械性能测试中存在的不能够直接获得载荷-压深曲线以及不能够随意改变加载、保载、卸载时间等问题,对AFM系统进行了改造,开发了一套基于单片机的信号输入输出模块。将该模块与AFM控制系统相联,形成新的纳米机械性能测试系统。该系统信号输出精度为0.15 mV,信号采集精度为0.3 mV,工作台的移动灵敏度为1.53 nm,可以动态改变垂直载荷,并实时获得载荷-压深曲线。通过单片机设置模拟信号的输出速率可以实现加载、保载和卸载速率的改变;结合二维微动精密工作台,可以实现较大范围内高精度的点阵压痕测试。通过在聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷等材料表面进行实验测试表明:该系统可以高速高精度地测量样品的纳米机械性能参数,包括对样品进行纳米压痕测试和对样品的纯弹性变形过程进行检测,如聚二甲基硅氧烷或者各种微梁等微小构件。

设计制造了一种新型的,适用于大型超精密机床的导轨卸荷系统.分析了卸荷系统中弹簧数量对卸荷系统性能的影响,并设计了连接卸荷浮板与导轨负荷的卸荷弹簧机构用于精确调整卸荷量的大小,并测试了卸荷弹簧的刚度.设计了卸荷浮板结构并对其在不同供气压力下的气膜厚度、气膜刚度与承载能力进行了计算,设计并校核了卸荷梁.用单尺反转法,测试了卸荷系统作用下的主导轨直线度精度,当卸荷量为1 200 kg时,主导轨直线度为0.375μm/600mm;在卸荷系统作用下,该机床加工出了φ1000 mm的铝件,表面粗糙度Ra达到了12 nm.实验结果表明,本文设计的卸荷系统机构,能够保证超精密机床主导轨达到高精度的直线度要求.

基于原子力显微镜(AFM)和金刚石针尖建立了一套纳米压痕测量系统.通过向系统发送控制电压使金刚石针尖在完成加载和卸载全过程的同时进行实时的数据采集并直接绘出载荷-压深曲线.利用该系统,对单晶铝和单晶铜薄膜材料进行了单点压痕实验,用美国Hysitron公司的纳米原位测量仪(TriboIndenter)做了验证试验.实验结果表明,该系统适合测量较软材料的纳米硬度.分析了基体材料对薄膜硬度和弹性模量的影响,在薄膜厚度低于5～10倍压入深度时,基体对薄膜材料的力学性能影响很大;并根据获得的载荷-压深曲线分析得出由于尺度效应的影响,随着压痕深度的减小,薄膜的硬度值呈明显的上升趋势,弹性模量没有这个趋势.

发展了大气等离子体抛光方法,并用于超光滑表面加工.该技术基于低温等离子体化学反应来实现原子级的材料去除,避免了表层和亚表层损伤.运用原子发射光谱法证明了活性反应原子的有效激发,进而揭示了特定激发态原子对应的电子跃迁轨道.在针对单晶硅片的加工实验中,应用有限元分析法在理论上对加工过程中的空间气体流场分布和样品表面温度分布进行了定性分析.后续的温度检测实验证实了样品表面温度梯度的形成,并表明样品表面最高温度仅为90 ℃.材料去除轮廓检测结果符合空间流场的理论分布模型,加工速率约为32 mm3/min.利用原子力显微镜对表面粗糙度进行测量,证实了加工后样品表面在一定范围内表面粗糙度Ra=0.6 nm.最后,利用X射线光电子谱法研究了该方法对加工后表面材料化学成分的影响.实验和检测结果均表明,该抛光方法可以进行常压条件下的超光滑表面无损抛光加工,实现了高质量光学表面的无损抛光加工.

采用单点金刚石切削的方法加工了KDP晶体，利用回归分析的方法建立了表面粗糙度预测模型，达到了在加工前设计、预测和控制表面粗糙度的目的。利用预测模型分析了进给量、切削速度、背吃刀量对表面粗糙度的影响。通过优化设计获得了KDP晶体在该条件下的最佳切削参数，得到的表面粗糙度的最佳估计值为6.3389nm。利用最佳的切削工艺参数，加工出了表面粗糙度值为6.895nm的超光滑表面。

根据磁流变抛光的加工特点,本文提出一种加工光学曲面的粗、精两级插补算法.粗插补算法控制工件的面形,精插补算法采用PVT模式,可实现对磁流变抛光光学曲面复杂过程的控制.仿真结果表明,采用该插补算法加工R41.3mm、口径20mm的球面工件,插补误差小于0.45nm,磁流变抛光该尺寸的K9光学玻璃,获得PV57.911nm的面形精度.

加工超光滑表面的KDP晶体是现代超精密加工技术领域的重点研究课题.实验采用维氏压痕法研究KDP晶体脆性材料(001) 面不同晶向的硬度、断裂韧性的变化规律.通过建立KDP晶体脆塑转变临界切削厚度模型,研究了KDP晶体金刚石切削脆塑转变机理.结果表明,脆塑转变临界最小切削厚度出现在断裂韧性最小而硬度最大的[110] 方向;脆塑转变临界切削最大厚度出现在断裂韧性最大而硬度最小的[001] 方向.并利用超精密机床加工了KDP晶体,加工结果与理论推导结论相符合,在[001] 方向加工出表面粗糙度为7.5nm(RMS)的超光滑表面.

建立了由改造的原子力显微镜(AFM)、精密回转气浮轴系、辅助转位轴系等组成的靶丸表面形貌精密测量系统,气浮轴系的回转精度达0.049μm,实现了对激光核聚变靶丸3个正交方向上完整圆周迹线的测量.对选定靶丸的测量数据进行了球度、表面粗糙度及功率谱分析.结果表明:其球度值为0.42μm;模数范围为2～10,11～50,51～100及101～1 000对应的表面粗糙度值平均为105.7,12.2,6.2,18.25nm;并得出了平均1维功率谱-模数关系曲线.