微小型燃料电池测试系统的气体流量控制

根据微小型直接甲醇燃料电池(DMFC)的测试需求,使用工控机、多功能数据采集卡、比例流量阀、数字流量计等组件,搭建了燃料电池气体流量控制子系统。使用LabVIEW软件编写了上位机控制程序,应用改进的自适应PID控制算法,实现了气体流量的精确、稳定控制和对实验数据的实时处理。研究了流体伺服系统的组成和设计方法,构建了气体流量伺服控制系统。根据压控恒流源的工作原理,设计并制作了比例流量阀驱动器。针对驱动器的硬件特性,改进了自适应PID控制算法,并在LabVIEW环境下实现了该算法。使用改进后的PID控制算法并结合PID参数的调节,使气体流量伺服控制系统的稳态精度达到了±0.1 L/min。系统流量阶跃输入分别为0~5 L/min、0~10 L/min、0~20L/min、0~50 L/min时,上升时间分别为0.9 s、4.9 s、5.2 s、6.6 s,超调量均≤0.23 L/min,满足了设计要求。

精密微小组件压装技术及仪器

根据一种过盈联接精密微小组件的装配要求,研制了一套精密微小组件自动压装仪器。通过分析压装过程中压装力与系统弹性变形的变化关系,对组件的压装位移进行了有效补偿。采用具有上下视野的机器视觉装置测量压装组件的相对位置,并采用XY位移平台对组件进行精确对准。提出了对具有上下视野的机器视觉装置的标定方法;分析了组件压装力与压装位移的关系,得出了压装力-位移曲线的预测值。对随机抽取的5套零件进行了装配实验,结果表明:对组件进行精密对准后,组件压装位移-压装力曲线符合预测值;组件装配后相对位置的距离偏差小于±5μm,垂直度偏差小于10μm。实验表明组件装配精度达到了设计指标要求。

微型直接甲醇燃料电池若干关键技术进展

在介绍微型直接甲醇燃料电池(μDMFC)工作原理的基础上,探讨了其流场板结构、流场板工艺和材料、物料管理和封装技术等关键问题。分析比较了不同结构的流场板对μDMFC性能的影响,介绍了微流场板加工的难点和流场板材料的特殊性,讨论了μDMFC物料管理方式及其进展,综述了μDMFC封装的难点和研究现状。

紫外固化技术在微型直接甲醇燃料电池封装中的应用(英文)

为了提高燃料电池的有效面积比并减少封装用时,采用紫外固化技术成功封装了微型直接甲醇燃料电池.首先基于非硅MEMS工艺制作了带有封装孔的燃料电池集流板,然后组装燃料电池并在封装孔和两集流板间缝隙中注入紫外固化胶,最后用紫外灯照射30s完成封装.实验结果显示,电池在室温、全被动、3mol/L甲醇的条件下,峰值功率密度为2.1mW/cm2,内阻为800mΩ.cm2.这说明紫外固化封装技术对微型直接甲醇燃料电池来说是一种有效的方法,并有望应用于其他MEMS器件的封装.

一种被动式微混合器的宏微建模方法与实验

建立了可用于被动式微混合器设计的宏微建模方法,利用分离变量法建立用于求解直通道内样品浓度分布的宏模型,采用宏模型计算微混合器的各段直通道内样品的浓度分布.运用有限元方法数值求解复杂的混合单元内样品的浓度分布,通过数值拟合和插值,交换宏模型与数值求解的计算结果.经过反复迭代,实现被动式微混合器的系统级求解.采用数控铣削在聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)平板上加工微通道,用热键合的方法实现微混合器盖片与基片的封装.在微混合器入口,输入3种不同浓度的荧光素钠盐溶液,形成样品浓度的准正态分布.采用激光诱导荧光观察和分析样品的混合效果.通过对比数值仿真和实验测试结果,验证了宏微建模计算方法的准确性.

某型摆式加速度计自动盖总成装配系统

摆式加速度计广泛应用于航空航天、船舶等领域的惯性导航系统中,其装配作业目前主要依赖于人工操作,产品一致性难以保证。鉴于此,本文针对某型摆式加速度计研制了一套自动装配系统。基于宏微结合的设计策略,搭建基于高精度运动滑台的微动平台,以及基于单轴机器人的宏动平台。确立了以微动平台为精调核心,以宏动平台辅助压装并实现不同功能模块工作位置调整的装配机制,同时设计功能模块上中下三层的立体分层式结构,在保证精度的同时避免作业空间的拥挤。引入六轴协作机器人并集成视觉系统,实现作业空间的全覆盖识别和自动化上下料功能。针对磁钢零件磁性力对装配精度的影响,采用零件内部辅助限位的方式,实现零件装配精度的保持。基于刚体变换,对系统进行误差分析并推导了误差补偿模型。实验结果验证,该装配系统的角度装配精度优于±0.03°,压装力精度优于±0.5 N,扭力精度优于±0.003 N·m,满足装配要求,为该型摆式加速度计的批量化生产提供了有力保障。

星敏感器CMOS电路板靶面自动装调系统

CMOS电路板靶面是星敏感器结构中的关键部分,其安装姿态影响离焦距离的准确性,进而影响星敏感器成像性能。因此,靶面的装调是确保星敏感器成像质量的重要环节。当前,靶面装调主要依靠人工装调完成,存在装调精度低、产品一致性差、周期长等问题,导致产品的良品率较低。为此,研制了一台星敏感器CMOS电路板靶面自动装调设备。采取非接触式测量方式,集成测量模组与微动平台完成CMOS靶面与基准面的相对位姿测量,解决由星敏感器特殊结构造成的狭小空间内高精度测量难题。设计调整机构实现零件任意角度翻转,消除测量方向与装配方向不一致造成系统结构布置复杂的影响。最后,对测量系统进行精度分析,采用局部枚举法开发了调整垫片研磨量算法,解决由平面姿态单一已知量反求多垫片研磨量的欠定问题。实验结果表明:该系统可实现靶面自动装调功能,测量系统的重复性为1.6′,满足技术指标要求。

万向支架微小螺纹副自动装配系统

针对万向支架微小螺纹副装配自动化程度低、一致性差的问题,研制了一套自动装配系统,并对装配过程中的微小螺纹零件中心位置提取方法和多个微小螺纹副之间的装调策略进行了研究。首先,提出了一种改进的清晰度评价函数,并基于该函数实现了机器视觉装置的自动聚焦。然后,针对螺轴以及内环螺纹孔的端面特征不对称问题,提出了变聚焦位置分区域图像采集的内外螺纹中心提取方法。最后,结合加载和卸载过程中输入转角和内外环轴向位移量之间的关系,制定了螺轴分组交叉卸载-加载的装调策略。搭建系统样机进行装配实验,结果表明:外环支架偏心量小于5μm,内环及外环的轴向窜动量均小于3μm,满足万向支架的同轴度等性能要求。

基于NI虚拟样机技术的环片叠装控制系统的运行仿真

利用包含SoftMotion运动控制模块的LabVIEW软件和具有机械建模功能的SolidWorks软件建立了环片叠装系统的虚拟样机。在完成系统设计之后,搭建硬件设备之前,在Labview环境中利用SoftMotion模块编写系统控制程序,对所设计的系统进行性能仿真,并提出了基于布尔控件"属性-值"节点的程序执行方法,实现了对重复动作任务的运行仿真。本文以环片叠装系统为例进行了基于NI虚拟样机技术的研究,实现了对环片叠装虚拟样机系统的仿真控制,并把优化后的虚拟样机转化为物理样机。运用机械设计与控制仿真相结合的技术,加快了由虚拟样机到物理样机的转化,缩短了设计周期,降低了设计风险。

塑料微流控芯片的注塑成型

有别于传统的微流控芯片压塑成型方法,本文提出注塑成型加工塑料微流控芯片的新工艺.采用UV-LIGA技术制作成型微通道的型芯,设计制造了微流控芯片注塑模具.充模试验表明,如何使微通道复制完全是微流控芯片注塑成型的主要技术难点.模拟与理论分析表明,熔体在微通道处出现滞流现象是复制不完全的主要原因;搭建了可视化装置对此加以试验验证.利用正交试验方法进行充模试验,研究各工艺参数对微通道复制度的影响.试验表明模具温度对提高微通道复制度起决定性作用;注射速度和熔体温度是次要因素,而注射压力相对其他因素影响力较差,但必须保持在一个较高的水平.依此形成塑料微流控芯片的注塑成型工艺,对于宽80μm、深50μm截面的微通道而言,可使微通道复制度由70%提高到90%,满足使用要求.

基于机器视觉的微小型零件测量与装配控制

微小型零件尺寸跨度大,手工装配效率低、一致性差,采用机器视觉进行测量存在高精度测量时视场小而作业空间范围较大的矛盾,同时由于存在零件加工表面的特性差异、尺寸偏差等因素,装配过程存在不确定性,影响装配作业.基于机器视觉,结合人工干预,建立了摄像机和精密位移平台相结合的测量系统,采用基于"任务消息"的装配控制策略,完成了软件行为层—任务层—策略层的3层架构,实现了微小型零件的自动测量和精密装配.介绍了装配系统的组成、零件的识别与定位、装配过程的实现以及实际装配的测试结果等.实验结果表明,所采用的测量系统和控制策略以及在此基础上完成的软件架构,在微小型零件测量和装配领域中具有很好的可行性.

跨尺度微小型零件的测量与装配

针对跨尺度微小型零件的精密装配中显微视觉视场狭小与零件的特征尺寸跨度较大相矛盾的问题,研究了跨尺度零件的位姿检测技术,基于高、低倍显微视觉单元研制了自动装配系统,系统采用模块化体系结构及先看后动的装配控制模式.提出局部特征拼接法实现了跨尺度零件的定位测量,使用标定尺对系统坐标系之间的误差角进行了标定,采用参考基准法辅助对显微视觉单元切换后的装配基准进行定位.设计测试模板对系统测量精度进行了验证,结果显示高倍显微视觉单元的同轴度测量精度优于1.5μm,平行度精度优于1μm.利用研制的装配系统进行了装配实验,实验结果表明,关键零件的装配精度满足工艺要求.该装配系统可稳定、可靠地完成跨尺度微小型零件的自动装配.

工艺参数对平板微小器件注塑翘曲的影响

对显著影响平板微小器件注塑成型的翘曲现象进行了研究。为了减少翘曲量,以带十字微沟槽的微流控芯片的基片为研究对象,研究了注塑工艺涉及的工艺参数。从注塑残余应力角度分析了翘曲变形的产生机理与演化过程。然后,以数值仿真和工艺实验为手段,建立了平板微小器件翘曲的测量方法。设计加工了基于硅型芯的注塑模具,以翘曲测量方法为基础,利用正交试验获得了最优注塑工艺参数。最后,通过极差分析法定量分析工艺参数对翘曲的影响。实验显示,通过工艺优化获得的最小翘曲量为141μm,工艺参数对翘曲的影响由大到小依次为:保压时间、模具温度、保压压力、熔体温度、冷却时间。该研究成果为平板微小器件注塑工艺提供了参考依据。

微流控芯片基片与盖片一体化注塑成型研究

针对微流控芯片基片与盖片的结构特点,提出了定模先行抽芯机构,设计制造了微流控芯片基片与盖片一体化注塑成型模具,并进行注塑成型试验研究.结果表明:定模先行抽芯机构可以有效解决盖片上圆孔状储液池成型与脱模的技术难题,如何使微通道复制完全是微流控芯片基片注塑成型的主要技术难点;模具温度对提高微通道复制度起决定性作用,注射速度和熔体温度是次要因素,而注射压力相对其他因素影响力较差,但必须保持在一个较高的水平,依此形成塑料微流控芯片的注塑成型工艺规范.

齿距偏差测量中系统误差的分离方法

德国联邦物理技术研究院(PTB)与日本计量院(NMIJ)提出了将闭环技术应用于齿距偏差的测量,用于消除测量过程中的系统误差,达到高精度测量齿距偏差的目的.通过借鉴闭环测量技术,提出了齿距偏差两步测量法用于消除齿距偏差测量中的系统误差.首先将被测齿轮安装于齿距偏差测量仪中,对齿距偏差进行初次测量;测量结束后,将齿轮在测量仪中绕轴线改变一个齿距角的位置,再次对齿距偏差进行测量.根据齿距偏差与测量系统误差的关系及两次测量数据,可以建立数学模型对齿距偏差与系统误差进行求解,达到分离系统误差的目的.分别采用闭环技术与两步法对模数为6,齿数为20与模数为4,齿数为30的两个齿轮齿距偏差进行测量,并对测量结果进行比对,单个齿距偏差值分别相差0.10μm与0.15μm.测量结果说明,两步法可以应用于齿距偏差的高精度测量,同时,其测量过程相对于闭环技术更加简单,更易于广泛应用.

PT/PZT/PT薄膜微力传感器

提出了一种基于PT/PZT/PT压电薄膜微悬臂梁结构的微力传感器。运用Sol-Gel(溶胶-凝胶)法制作了PT和PZT薄膜,采用X射线衍射技术表征了PZT和PT/PZT/PT两种薄膜的成相特征,用阻抗分析仪测试了PZT和PT/PZT/PT薄膜的介电常数。结果表明,在PZT薄膜退火温度同为600℃时,PZT和PT/PZT/PT薄膜均为完整的钙钛矿结构,而且PT/PZT/PT薄膜沿(100)晶向强烈取向;在测试频率为1 kHz时,经600℃热处理条件下制备的PZT和PT/PZT/PT薄膜的相对介电常数分别为525和981。最后应用MEMS工艺制作了基于PT/PZT/PT压电薄膜微悬臂梁结构的微力传感器。在静态和准静态下对微力传感器的传感特性进行了测试。测试结果表明,力与位移或电荷具有良好的线性关系。两种尺寸微力传感器的灵敏度分别为0.045 mV/μN和0.007 mV/μN,力分辨率分别为3.7μN和16.9μN,满足了微牛顿量级微小力的测量。

多工位组合电极电火花成形微结构镶块试验研究

针对高硬度金属基微结构镶块的加工,提出一种6工位组合电极电火花成形的新方法。以聚合物微流控芯片模具型腔镶块为研究对象,选用NAK80模具钢为镶块材料、铜钨合金(70%w)为电极材料,依据镶块上十字交叉的微凸起结构以及电火花成形电极的损耗规律,设计6工位窄缝组合电极。通过多次切割、恒速进给的工艺手段,利用精密慢走丝线切割加工出该组合电极,窄缝直角拐角处形状误差小于5μm、窄缝宽度误差在±2μm左右。利用此组合电极,以变换加工工位代替传统的更换电极工艺,在补偿电极损耗的同时避免引入重复定位误差,通过精密电火花成形,依次完成粗、半精与精加工,成形出微凸起结构镶块。微凸起截面近似梯形,表面粗糙度Ra0.208μm,可以满足聚合物微流控芯片成形的基本要求。

高等级渐开线样板精密磨削实验研究

渐开线的复杂性与加工、测试中的特殊性一直是渐开线样板制造技术中的瓶颈.为研制高等级渐开线样板,首先探讨了渐开线的成型原理,指出滚轮-导轨式机械展成机构具有渐开线一次成型、驱动精度不影响渐开线的展成精度、误差来源少的优点,适合加工高等级渐开线样板.然后根据渐开线的生成原理,设计了双滚轮-双导轨式渐开线样板测量与磨削装置.最后对一渐开线凸轮试件进行了精密磨削实验,精密测试表明,该渐开线凸轮试件在105mm的展成长度内渐开面的齿廓总偏差不超过0.6μm,齿廓形状偏差不超过0.4μm.实验结果表明,双滚轮-双导轨式渐开线样板磨削与测量装置符合渐开线的成型原理,具备加工与测量高等级渐开线样板的能力.

机器视觉精密测量中的显微光学聚焦

考虑显微光学涉及的聚焦精度对机器视觉精密测量效果的影响,开展了显微视觉环境下对图像聚焦技术综合定量评价的研究。建立了偏移率等系列性能指标,对13组清晰度函数在显微视觉条件下的无偏性、单峰性、分辨力等进行了综合评价,优选出方差函数和Brenner函数分别用于粗聚焦和精聚焦阶段的清晰度计算。建立了分步爬山搜索法,实现了显微自动聚焦。与传统爬山法相比,提出的方法聚焦时间显著缩短,重复精度提高约24%。将建立的自动聚焦与图像测量方法应用于某电液伺服阀衔铁气隙测量中,得到的测量均值与工具显微镜结果相近,而测量标准差可达1.9μm,测量效率也显著提高。最后对伺服阀加电条件下的气隙动力学特性进行了测试,获得了驱动电流-衔铁气隙之间的关系,为在线装配/装调提供了重要依据。

双盘式渐开线测量仪数据采集与控制系统的研制

在齿轮若干精度指标的测试中,渐开线圆柱齿轮的齿形检验是一个难度较大的测试技术问题。对于1级精度(GB/ T10095.1-2001)圆柱齿轮渐开线齿形的测量,目前的测量仪器并不成熟。双盘式渐开线测量仪测量过程完全符合渐开线展成原理,具有结构简单,测量误差源少等特点,它的关键零部件均由超精加工制作。文中介绍了双盘式渐开线测量仪及其数据采集系统的研制,通过对主要误差源进行补偿后,双盘式渐开线测量仪可用于1级渐开线圆柱齿轮齿形的测量。