为了解决平凸折衍混合透镜套刻加工中的对准问题,本文设计了一套进行套刻对准的实验路径.以机械轴为参考基准,使掩模板的环带中心和器件球面的对称轴分别与之对准,最终实现套刻过程中掩模板和器件对称轴的对准.最后根据加工实际情况进行了计算,对于口径是92 mm的衍射元件,得到的对准误差为2.125 μm,能够满足系统的要求.采用计算机等辅助手段,可实现亚微米量级的对准精度.

多波长干涉测量法适用于纳米级微间距的实时动态非接触测量.纳米级间隙之间的空气形成一层具有光学特性的空气薄膜.该空气薄膜的光强反射率是关于入射光波长和薄膜厚度的函数.在多波长干涉法中,以包含多种波长的复合入射光照射薄膜,入射光被空气薄膜分成2部分,一部分穿过薄膜,另一部分则被反射回来.利用一种特殊的方法测得该薄膜的光强反射率,进而根据薄膜厚度与入射光波长和相应的光强反射率之间的函数关系建立方程组.通过对方程组求解,计算出薄膜的厚度.多波长干涉测量法能够避免移相干涉法中移相器所带来的误差,并且可根据不同波长的光波测出的结果相互校正,提高了测量精度.通过实验对多波长干涉测量法进行了验证,实验结果充分证明了系统设计及理论依据的正确性.

介绍了新型5-UPS/PRPU五自由度并联机床的运动学反解,分析了其工作空间.以刀尖点为参考点对机床进行了运动学反解分析和工作空间的搜索.定义了灵活刀具倾斜角,使得只用一个参数就能够实现对工作空间的降维描述.对机床工作空间进行了以刀尖点为参考点的三维描述,并对影响机床工作空间大小的几何约束条件进行了分析.根据机床的实际结构参数对工作空间进行了算例分析,并以三维图形形式直观方便地描述了机床的工作空间.机床的最大可达工作空间为φ800×300的圆柱体,灵活工作空间为φ400×300的圆柱体,最大灵活刀具角为25°,分析结果与机床的实际运行情况基本一致.

当今微机电系统电路板焊接点已可采用导电胶替代传统工艺所用的锡铅合金来进行电气连通.但是导电胶的固化温度和固化时间对导电胶的导电性有很大的影响.本论文通过实验,研究了固化温度与固化时间之间的关系以及最终固化完成后对导电性能的影响.导电胶层的厚度对其固化性能也有一定的影响,实验得出导电胶层厚度可以做得薄些.同时还通过固化冷却到室温后电阻变化的研究和初步温度循环中电阻变化的研究,得出其固化的最佳工艺应是当固化过程进行到导电胶电阻值基本不变化时即停止固化的结论,也就是要避免固化过度.

研究了一种集高精度自准直仪与五棱镜于一体,采用角差法(角度变化量测试),实现大口径平面镜垂直状态下面形测试的方法.此方法的运用可实现对大口径平面镜面形的直接高精度检测,突破常规"以大测大"的高成本检测方法.本文阐述了测试装置的设计思想,对影响面形轮廓测试精度的因素进行了讨论.大口径平面镜面形的变化可通过其各点法线方向角度的变化量而反映出,采用高精度测试角度变化量的方法可计算获知面形轮廓状态.通过对大口经平面镜条带区域面形轮廓的测试原理分析,计算得出角差法(角度变化量测试)的测量不确定度.同时,由于对测试的高精度要求(纳米级),测试环境(温度、振动、气流扰动)也对测试结果有着不可忽视的影响,通过条带区域轮廓测试实验,对采样方式与环境影响进行了分析,从而得出在一定测试条件下,测量装置与环境对测量精度的影响程度,其测量不确定度可达到次纳米量级以上(扩展不确定度U=15.4～9.0 nm,取置信概率p＝0.99,包含因子κ＝3),基本满足测试需要.

将超声振动切割引入生物显微操作领域,提出压电超声振动微切割理论.基于此理论,为满足实际操作中不同显微切割样本对不同切割能量即不同振动频率和振动幅值调整的需求,利用叠堆压电陶瓷作为超声发生装置,研制了面向生物显微操作的微切割工具及其驱动与控制系统.该显微切割工具操作频率0.5～40 kHz,振动输出位移0～2 μm.最后,针对肝脏组织病理切,利用该显微切割工具进行超声振动显微切割实验,获得了较好的切割效果,充分验证了生物组织切片超声振动显微切割可行性.该显微切割工具的研制为生物显微切割操作系统的研究开发提供了技术保证.

提出了一种应用于大口径、长焦距反射光学系统的光学件装调装置的设计方案,并进行了研制和应用.该设计方案采用具6自由度的装调装置.通过对该装置的精度、稳定性、灵敏度的测试和实验应用,能够满足光学系统装调的需要,可以看出该装置是该光学系统装调不可缺少的设备,结果表明对光学系统的像质影响很小.因此,通过精密的调整机构来完成6个自由度调整显得尤为重要.本文从满足装调精度要求的角度出发,对该装置的组成、工作原理、系统布置进行详细介绍.

介绍了一种新型纳米三坐标测量机Z轴的结构设计.提出了两级驱动式结构,即通过粗动与微动相结合的驱动方式实现纳米级精度.第一级粗动,采用2个NANOMOTION LS4系列大行程纳米电机从两侧同时驱动,克服了单侧驱动的不利因素,使得机构运行时更加稳定;第二级微动,采用压电陶瓷驱动,通过柔性铰链位移缩小结构将位移分辨率提高到1 nm.计算和分析表明,这种新型的两级驱动式结构可以满足纳米三坐标测量机Z向测量高精度、大行程要求.

介绍了用于复合轴式光电精密跟踪的双X-Y轴FSM控制系统,即增加了与原X-Y控制轴成90°的2个虚轴,以实现对误差变化量的控制.仿真测试表明:该子系统可以对主系统高频噪声进行有效抑制,较单X-Y轴控制精度提高了6″.

全自动金丝球焊机是微电子封装设备中的核心设备,它是集精密机械、自动控制、图像识别、计算机应用、光学、超声波焊接等多领域于一体的现代高技术微电子生产设备.工作原理是通过X-Y高精度工作台和焊头的三维运动控制,采用超声波压焊方法,牵引直径只有20～50 μm的金丝,实现从芯片表面焊点到引脚框架的电气联接.X-Y工作台要求实现精度达5 μm,以便保证各焊点的精确位置.文章针对工作台的高精度要求,通过对其结构的具体分析,系统并详尽地对所设计的二维工作台的各种误差源进行了分析计算,得出了二维工作台定位精度的工程计算公式,同时介绍了二维工作台定位精度的测量方法,对理论结果与实测结果进行了分析比较,验证了误差分析结果的正确性,为高精度二维工作台的设计提供参考.

研究光学全息的数字模拟,探讨数字全息的数字重构方法,以菲涅耳衍射积分的实现方法为基础,采用MATLAB软件实现菲涅耳全息图的数字记录和数字重构模拟,给出模拟结果.利用离散菲涅耳衍射积分方法完成数字全息图的数字重构.利用数字图像处理方法对所得的数字全息图进行适当滤波处理,有利于消除零级像和孪生像,获得清晰的数字再现像.引入全息变换,根据全息图的不可撕毁性,研究了全息变换在数字图像压缩中的应用,对给定的二值化图像实现压缩存储及解压缩处理.

由于工件表面照度不均、纹理、毛刺等因素的影响,挠性接头薄筋厚度在线测量图像具有背景反射强、噪声干扰大、对比度差等特征.本文根据在线测量图像在灰度、梯度和空间信息等各方面的特点,提出了基于背景区域生长的外挠分割法、灰度梯度的内挠分割法和基于过渡区的内外挠通用分割法.工程测试结果表明,使用文中提出图像分割方法的重复性精度可达0.5 μm.

为了降低科学级CCD相机的噪声,提高相机的成像质量,针对不同的噪声源,根据相应的噪声产生原理,设计了实用的噪声抑制电路和处理电路.应用于选用DALSA IL-E2型TDI-CCD 图像传感器自己开发的科学级CCD 相机,有效地降低了暗电流噪声,消除了复位噪声对真正信号的影响,使相机的成像质量得到提高.通过实验证明,该科学级CCD相机的输出信噪比能达到50 dB.

针对多维传感器工作过程中的信息耦合问题,提出了基于多尺度特征的解耦数值计算方法,该方法通过对系统数学模型进行基于多尺度的特征提取,运用Hermitte插值以及分段线性插值方法,根据不同的尺度,逐步缩小系统自由度以完成解耦数值计算.仿真结果表明使用本方法的解耦误差平均为0.08%,对比以往的解耦方法运算精度提高20%,速度提高50%.

分析比较了工业X-CT扫描运动控制的特点,提出了在优先满足工业X-CT 2代扫描运动控制的基础上,实现对工业X-CT扫描运动通用控制的设计方案,使其能同时支持1,2,3代扫描的运动控制.通过将FPGA芯片EP1C3T100C8及单片机AT89LV52应用于2代扫描运动控制的设计,研究开发了控制卡,即采用步进电机作为控制系统的执行机构,以提高系统的经济性和稳定性,数据的同步采用了FIFO技术,功能模块的选择采用了译码电路的方法,并通过状态机以实现对时序的匹配.研究结果表明,所设计的2代扫描运动控制卡不仅快速、稳定,而且可以利用基于Windows操作系统的控制软件进行各种控制参数的灵活选择,达到了使其能同时支持1,2,3代运动扫描的目的.

电子散斑干涉技术是变形和缺陷检测的重要技术方法,具有非接触、动态特性好、灵敏度高等优点.在缺陷检测中,以变形为载体,通过变形分布上的异常判别缺陷是否存在和大致位置.在这个过程中,如何摆脱人的主观判断,实现缺陷的自动识别,一直是一个技术难点.本文以实现缺陷自动识别为目标,探讨了电子散斑干涉技术的物体缺陷识别技术.总结了ESPI实现系统和变形测量的主要算法,包括时域相移干涉仪中算法、空域载波相移干涉仪中算法及空域相移干涉仪中算法,分析了各自的特点并进行了归类.描述了变形与缺陷之间的关系.讨论和总结了缺陷的时域识别方法和空域识别方法.分析了基于变形梯度的缺陷识别方法,并进行了改进.改进的方法引入了调节因子,提高了缺陷区与非缺陷区之间的界限,从而提高了该方法的缺陷识别能力.

介绍了以单片机为核心设计CCD驱动系统的新方法.该方法采用新型高集成度(集成AD及RAM)、超高速(单周期指令50 ns)单片机c8051F020为微处理器,在根本上克服了传统单片机CCD驱动系统中驱动频率慢的弱点;驱动脉冲由单片机的通用输入输出口产生,各路驱动脉冲间的时序关系由软件控制,免除外围电路中使用单稳态触发器;采用该方法的驱动电路只需使用2颗芯片(单片机与CCD),电路连接简单且板面积大为减小.该驱动系统在采用单片机片内集成的500 kHz模数转换器时工作频率接近500 kHz,积分时间由单片机内部的定时器作为标准时钟源确定,精度可以达到50 ns.

应用计算机技术进行数字图像处理其关键是要保证采集到的图像数据准确,利用CCD传感器进行图像的数据采集是常用的方法.本文介绍了基于CCD和金相显微镜相结合的金相组织数字化数据采集系统,并着重对采集系统中JX-4型金相显微镜的光学成像原理及其他器件的选取和光学接口的设计进行阐述.该系统体积小、成本低、速度快,采集的数据准确、可靠.该系统经过实际试验采集到的图片清晰,适用于计算机数字图像处理.

利用防空**与空袭目标的对抗过程分析**系统的作战效能,对**系统的设计和使用者来说都是不可缺少的环节.随机服务系统理论或称排队论是一种解析分析计算**系统作战效能的有效工具.用随机服务系统理论方法建立评价**系统的作战效能的线性解析模型,通过线性解析模型计算空袭目标的突防概率,从而得到用于对敌空袭目标威胁估计的重要参数,根据突防概率可以提供敌空袭目标对我保卫目标或区域所构成的威胁等级,从而使指挥员做出快速、准确的应对措施.

约束系统的滚动H∞控制方法在处理非对称约束时,一般采用加强约束条件来适应算法,导致控制的保守性.根据控制量可预算,相邻时刻输出不会越迁,对于非对称约束的系统,本文通过预算控制量和输出反馈,在线调整输入约束和输出约束,并提出了动态调整的取值原则.通过对三容实验设备进行机理分析,建立了三容控制系统的带扰动的LTI数学模型.把传统算法和改进算法分别应用于三容控制设备并对实验曲线进行了分析,实验结果表明:改进算法减少了传统算法带来的保守性,增强了系统的控制作用,改善了系统的H∞性能.

在众多的实时系统中,都对主机和DSP之间的数据通信速度有着很高的要求,PCI总线可以132 MByte/s的速度进行数据传输,成为解决高速数据通信的首选.本文讨论了基于TMS320DM642EVM的PCI数据通信的原理、数据通信的基本实现方法,并使用EDMA通道来实现DSP端片内和片外存储器之间的数据传输.

利用第二代小波变换--提升小波变换,为第一代小波变换提供了一种新的更快速的实现方法,使得其构造不再依赖于Fourier 变换构造,可以实现所有的第一代小波变换,提升方案把此变换过程分为分裂、预测和更新3个阶段.基于提升算法的小波变换是新一代静止图像压缩标准--JPEG 2000的核心算法之一.在研究小波提升方案的基础上,分析了它在JPEG 2000应用,最后将小波提升和Mallat算法进行分析比较,试验证明:提升方案的小波变换算法计算时间比Mallat 算法减半.

介绍空瓶检测的图像处理关键技术,对酒瓶破损模式、空瓶检测方法的特点进行分析.以瓶身检测为例,用三水平三因素的正交设计对空瓶检测的图像处理参数,即Sobel、Prewitt、Roberts等边缘检测算子、处理步长以及决策算法等进行组合优化设计.通过对试验结果和极差值的分析,得出了各参数对空瓶检测精度和实时性影响的主次因素,为优化参数、平衡空瓶检测的准确率与工作时间提供了依据.在与论文实验条件相类似的情况下,推荐采用Prewitt、处理步长为1、加权求和决策算法的算法组合.本方法可推广到不同检测系统要求下所确定的最优参数组合中.

开发了光学镜头结构智能化设计系统,以黑盒构件技术为主导设计思想,采用VC++语言自主开发了光学设计软件和机械设计软件,利用AutoCAD/AutoIS系统提供的接口函数,实现光学、机械设计软件和AutoCAD/AutoIS系统的集成与链接,应用多数据库通信技术实现系统各数据表间的数据通信.通过系统自动完成的设计实例验证系统的有效性,该系统的开发实现了光学镜头结构的参数化、自动化和智能化的系统集成设计目标.

依据光学信息论中的多维随机变量的联合熵、条件熵、平均互信息之间关系和互信息的链式法则,提出了面向挤出中聚合物形态的层析图像处理方法.它包括层析图像中的背景与分离、目标标度变换、亚像素插补的图像预处理和多模式目标特征图像的提取和测量.实验表明,通过该方法不仅能将目标形态从目标与背景之比为1∶9的层析图像中分辨出来,而且能提高目标图像的空间分辨率30%,解决了由于目标图像信息量小、对比度差而使得层析图像测量方法难以在工程中应用的问题.

在星敏感器工作过程中,星点目标亚像元质心定位的准确性直接影响星识别的准确性,同时也决定了星敏感器姿态测量的有效性.带阈值的质心法是星点目标细分定位的较理想方法,具有较强的抗噪声干扰能力.在双正交小波变换的基础上提出基于双正交小波的自适应小波阈值法.与传统的IIR阈值法比较,不仅星点目标提取更加准确,而且位置测量精度更高.

基于运动车辆在视频图像序列中存在颜色变化,提出了基于颜色变化的城市道路车辆流量实时统计检测方法:对检测带上的区域进行差分运算,从而快速地检测出运动的车辆;在识别中采用水平投影技术和双差分技术,能够方便、准确地确定车辆阈值并识别出车辆.路面实际检测结果表明:该系统的正确识别率可达92%以上,实现了在交通中,对车辆进行智能指挥控制,引导各种车辆行驶,满足了实际应用要求.

实验数据的非线性建模,是对各种仪器、设备的性能进行校正和补偿的基础.讨论了神经网络非线性建模时数据中的噪声成分造成的过拟合现象以及对模型精度的影响,针对RBF网络给出了2种提高建模精度的方法:建模数据预处理法和网络参数优化法.在数据预处理方法中,根据建模样本的特点,分别采用滑动平均法和灰色模型法对原始建模数据进行修正,并分析了它们的适用场合;对于后一种方法,选择径向基函数分布宽度和学习目标进行优化.以精密平台为例进行了实验,通过对其定位误差的测量、建模和预测,证明了上述各种方法的有效性,特别是后一种方法,可以得到非常高的建模精度.

采用DSP+FPGA的线性流水阵列结构的数字图像处理器完成目标数据采集和处理,研制了基于DSP的电视测量跟踪器.针对欲测量地标的背景复杂的情况,在图像处理算法上采用基于遗传算法的图像模板匹配算法,有效降低了计算量,提高了匹配精度,取得了较好的实验效果.该算法还具有每帧图像匹配计算时间基本恒定的优点,便于在实际系统中采用.

数字摄影测量中自动检测与提取相片中的特征点是关键的第一步.本文以最为著名的Harris角点提取法为基础进行研究,以1幅角点特征显著的电话机图片为实验样品,用Matlab软件编程对算法进行验证.通过实验,提出了改进的角点提取方法,避免了原始Harris方法中选择经验常数k的不确定性和随意性的缺陷,使角点提取更为可靠.本文用同一幅相片检验2种不同算法对图像的角点进行提取的效果,可以看出改进后的方法准确度达90%以上.作为应用的示例,对相机标定图案进行了角点提取.

本文研究了基于小型局域网的航空成像平台飞行模拟仿真器视景系统的实现方法.对视景仿真系统的构成、视景仿真软件的开发、提高场景逼真度的建模方法和CRT-LCLV耦合成像机理进行了深入的研究,同时给出了利用离轴球面全反射镜无限远显示系统将产生的动态图像传送给航空成像平台这一行之有效的方案,并将这些技术应用到了航空成像平台飞行模拟器的视景系统当中.实验表明:将这些技术应用到航空成像平台的视景系统之后,视景图像的分辨率、亮度、逼真度和视场都有很大的提高,完全可以满足航空成像平台飞行模拟仿真器的视觉要求.

设计了用于旋转机械动静间隙测量的三层反射式同轴光纤束位移传感器.建立了光纤束传感器调制函数的数学模型,对影响传感器特性的参数,包括接收光纤纤芯半径b0、发射光纤和接收光纤的轴间距c、被测表面反射率变化等进行了仿真计算和分析,给出了系统的优化设计参数.以车削圆柱体为工件进行了动态测试,测试结果表明,该传感器有效抑制了光源波动和测量点不同对测量结果的影响,满量程范围内误差小于1%,满足了设计要求.

为达到提高设备中信息传输带宽,改善信息传输质量的目的,提出一种利用光纤将多路低速数据信息与高速视频图像信息进行混合传输的方案设计.其中时分复用/解复用单元根据数字复接的原理实现低速数据信息的复用、解复用;高速并/串转换单元采用Agilent的高速串/并转换芯片HDMP-1032/1034实现高速数字视频图像信息的串行化、解串行化;光发射/接收模块实现了信息的电光、光电转换;波分复用/解复用单元采用1 310/1 550粗波分复用、解复用实现低速复接串行信息与高速复合图像信息的混合传输;光纤作为信息传输的介质进行高速信息传输.利用光纤进行信息传输,带宽可达到500 M以上,另外信息传输的质量以及环境适应性都得到了很大的改善.

以二氯甲硅烷和氨气分别作为低压化学气相淀积(LPCVD)氮化硅(Si3N4)薄膜的硅源和氨源,以高纯氮气为载气,在热壁型管式反应炉中反应生成Si3N4薄膜.考察了工作压力、反应温度、气体原料组成等因素对Si3N4薄膜淀积速率的影响.结果表明:Si3N4薄膜的生长速率随着工作压力的增大单调增大,随着原料气中氨气和二氯甲硅烷的流量之比的增大单调减小.随着反应温度的升高,淀积速率逐渐增加,在840 ℃附近达到最大,随后迅速降低.在适当的工艺条件下,制备的Si3N4薄膜均匀、平整.较低的薄膜淀积速率有助于提高薄膜的均匀性,降低薄膜的表面粗糙度.

为模拟低地球轨道空间辐射环境,利用高能电子和质子对应用于空间极紫外望远镜上的Mo/Si多层膜反射镜分别进行照射,研究在电子和质子照射下多层膜反射镜反射率的变化,电子的能量和辐照剂量分别为4.5 MeV和3.3×1010 mm-2,质子的能量和辐照剂量分别为160 keV和1×1013 cm-2.实验结果显示,经高能电子照射后的多层膜反射镜反射率有所降低,降低幅度在1%～3%之间,经质子照射后反射率没有变化.并对带电粒子对多层膜反射镜的辐射损伤作了初步分析.

由于电视跟踪器图像信号建立、图像处理等原因造成的延时和采样频率直接影响了电视跟踪伺服系统的性能.针对电视跟踪器对跟踪伺服系统影响进行探讨,给出测试电视跟踪器滞后时间常数的方法;针对电视延迟和零节保持环节造成的相位损失提出了补偿方法.经过插值外推补偿和零阶保持器补偿以后,系统的阶跃响应超调量减小约6%～9%,而稳定时间基本不变,改善了电视跟踪系统的动态性能.在实际工程应用中所述方法对于指导电视跟踪系统的伺服设计和拓展频带取得显著效果.

全息技术在测量、防伪中有大量应用.数字全息技术采用数字记录和计算机处理,实现测量的方法上有其特点.本文重点对数字全息技术实现变形测量的方法和具体算法开展了研究.论文首先总结了数字全息技术应用中的基本问题,包括数字全息算法问题和噪声抑制问题等.叙述了基于数字全息技术的变形测量基本思想,及相位恢复算法,同时分析了几种变形测量的实现方法,并提出了"2+2"步变形测量方法.该方法相对于"1+1"步变形测量方法,提高了测量精度,同时比"4+4"步变形测量法提高了动态性.本文建立了实验系统,获得了硬币的数字全息图,实现了常用的"1+1"步变形测量方法、相移算法的变形测量方法以及"2+2"步变形测量方法,给出了"2+2"变形测量的实验结果.实验结果表明在数字全息技术中结合相移技术进行测量,可以提高物波再现精度,进而提高变形等?牟饬烤?

提出了用激光进行散射光分析来探知未知群粒子场粒子性质的新的方法.实验中用直径0.22 μm和0.494 μm的粒子分别与过滤的蒸馏水制成不同浓度的悬浮液作为散射粒子场,并采用了波长为0.632 8 μm的激光.通过理论分析,并进行实验研究发现,在微米级群体粒子散射场中,粒子侧向散射光的退偏振情况与粒子的直径密切相关,直径大的粒子其水平方向线偏振度远小于直径小的粒子,而其垂直方向的线偏振度却远大于直径小的粒子.此结论可用作探测未知群粒子场粒子性质特别是用于粒子大小区别判断.

旋翼共锥度测量是直升机生产、维护中的重要的检查项目,目前对旋翼共锥度的测量有CCD技术方法和激光技术方法,激光技术测量方法简单、快速且精度高.本文讨论了利用激光技术对直升机旋翼共锥度进行非接触测量的原理与方法,介绍了一种应用系统,该系统由激光器、硅光探测器、信号放大处理器、定时器、计算机和数据输出接口组成,具体给出了测量系统的组成结构和计算方法,并进行了精度分析,分析结果表明测量精度可保证在1 mm内.

研究了EUV波段CCD相机及其空间分辨率测试.EUV波段相机由荧光屏、MCP像管、光锥和可见光CCD构成,CCD像元大小为14 μm,像元数2 048×2 048.在北京同步辐射装置光束线软X射线光学实验束线站3W1B上,利用透射网栅法对相机进行了空间分辨率测试,结果显示这种结构的CCD相机在17.1 nm波长处,空间分辨率达到19 μm,相当于极限分辨率为26 lp/mm.

给出了基于衍射理论的评价X射线聚焦组合透镜三维聚焦性能的理论方法.利用该理论方法分析得出X射线组合透镜的聚焦性能与透镜的工作波长、透镜材料、单元透镜数量及凹面半径等参数之间的关系.用LIGA技术中的软X射线光刻方法制作了PMMA材料X射线组合透镜.该组合透镜由40个平凹折射单元依次排列而成,相邻的两透镜单元彼此相切,凹面半径分别为200 μm,400 μm,500 μm,600 μm,700 μm.此外,X射线组合透镜的表面粗糙度测试结果表明,粗糙度均方根值小于50 nm.

电子产品高度集成化与高性能化发展,对超精表面及亚表面无损伤性要求越来越高.为实现纳米尺度分辨率、大视场表面损伤检测,利用原子力微悬臂探针设计了一种新型超精表面缺陷探测系统,采用柔性机构进行微悬臂探针俯仰与倾斜度微调,利用压电双晶片实现接触、非接触以及轻敲3种不同探测模式.系统特性实验表明:该探测系统位移分辨率可达2 nm,共振频率90 Hz,满足超精表面缺陷检测系统性能要求.

精密定位技术广泛应用于精密仪器、机械和机床、IC工艺制造、计算机外围设备.其特点是精度和分辨率高,台面尺寸从小到大,品种繁多,大多有自动化操作要求,需要集成许多高性能高品质机械零部件,高分辨力检测元器件,因此制作难度大,投资大.过去精密定位的精度和分辨率已从毫米量级过渡到了微米、从亚微米进入到了纳米量级.本文概述了获取高精度定位精度的支撑关键技术.介绍了基于宏微二级叠加方式的控制系统,研制的宏动工作台用精密滚珠丝杠螺母传动,由交流伺服驱动器驱动,配备反射式光栅检测元件,构成伺服反馈系统, 并对其实际误差曲线进行线性补偿之后,可将定位误差从76 μm降低到3 μm;再在宏动工作台面上安装高精度的微动载物台,由计算机进行宏微切换,从宏运动过渡到微运动方式,可实现大行程纳米量级精密定位.

多圈光电轴角编码器是一种适用于大量程轴角位移精密测量的光电数字测角仪,其测量范围可超过整周(360°)的几百倍,甚至上千倍.利用多圈光电轴角编码器具有分辨力高、精度高、体积小、量程大以及数字量输出等优点,设计了由高精度齿轮同步带传动机构与16位多圈编码器组合而成的直线位移测量系统,并对系统的测长精度进行了检定.实验结果表明,修正后的系统测长误差低于0.065 mm,可满足中低精度的工业测量要求.

设计了带有折叠弹簧的静电驱动光开关水平扭转微镜,利用折叠弹簧代替直扭梁,增加扭梁的长度,有效降低微镜驱动电压.微型铰链结构使微镜保持在单一扭转工作模式下,其弯曲模式的影响可以忽略.利用MATLAB 7.0进行仿真分析,获得微镜驱动电压与扭梁长度的关系曲线.利用ANSYS 8.0获得了折叠弹簧式微镜结构的模态分析和谐响应分析结果,其工作模态频率约为1.77 kHz,远低于其他非工作模态频率.微镜结构的谐振频率约为1.8 kHz,能满足MEMS光开关对开关响应时间的要求.

谐波齿轮传动的主要失效形式是柔轮的疲劳断裂,谐波齿轮传动柔轮的强度问题一直是谐波齿轮设计者的一个课题.本文在分析现有的柔轮强度研究方法的基础上,提出了基于接触问题的有限元法,建立数值模型并进行分析,其分析结果与已有的分析结果相符.在此基础上, 结合理论分析改变柔轮的结构参数,采用基于接触边界的有限元分析法,得到一组使得柔轮质量轻、强度高的结构参数.

为满足胶片型空间相机对地摄影的需要,设计了焦面帘幕式快门,利用快门前、后2层帘布在运动过程中形成的狭缝使胶片曝光.论述了应用于大口径胶片型空间相机的焦面帘幕式快门的基本原理、结构设计、各组成部分的功能及应用.通过实验验证了研制的焦面帘幕式快门运动平稳、可靠,具有大于5×104次的寿命,曝光时间调节范围大(1/30～1/1 500 s)且无级连续可调,曝光量误差小于10%,满足总体要求的技术指标.

复合型柔性铰链是目前在精密机械中广泛应用的一种新型铰链形式,可作为全柔性和部分柔性机构,应用于存储释放能量以及高频振动等场合.本文概括了复合型柔性铰链的特点,对直梁型、圆弧型和复合型柔性铰链作了分析比较,并采用自由度计算公式,对刚性机构、基于复合型柔性铰链的部分柔性机构和全柔性机构进行了自由度分析,以探讨它们的机构能力和可控性.最后介绍了复合型柔性铰链在微机器人的应用,包括仿生扑翼机构的研制和实验.

提出了用于研究微机械往复无阀泵动态特性的二自由度振动力学模型,并进行了分析与实验验证.在模型中增加考虑泵腔内气泡因素,并将泵腔内、外液体质量的影响分开考虑;得出振幅随频率、泵腔内外液体质量比变化的曲线;发现其幅频曲线一般呈双峰特性,泵腔内外液体质量比值对曲线特征、谐振频率、振幅均有显著影响.通过实验验证了分析结果.由此得出以提高泵压为目的的微泵优化设计策略:适当增大膜片质量、选择合理的泵腔内外液体质量比值.采用硅深刻蚀、硅-玻璃膜片键合等工艺制作出微机械往复无阀泵,其尺寸为20 mm×20 mm×0.65 mm,实现最大泵压为1.52 kPa,对应最大流量为35×10-6 L/min.