激光并行加工二维码实验研究

针对激光器单光束加工二维码输出能量大部分被浪费且加工效率低的问题,本文采用了一种多光束并行加工的方法来提高加工效率。仿真研究了QR码加工填充率和对比度对识别率和识别时间的影响,得到了一个二维码可识别范围。然后使用飞秒激光器基于空间光调制器的并行加工技术进行试验,对实验结果的对比度和加工填充率展开分析。分析结果表明,在二维码的识读评价标准范围内,加工填充率越大,识别率越低,识别时间越长;同样,对比度越低,识别率越低,识别时间越长。同时,对单束激光加工二维码进行了实验,分析了并行加工与单光束加工的加工时间等参数的对比,得到并行加工要比单激光束加工提高约10倍的效率。

激光并行加工DM码实验研究

DM(data matrix)码信息存储容量大、编码范围广、可靠性高,是信息交流的重要载体。为了实现DM码并行加工方法,分析了DM码间距值与灰度值对识别时间的影响规律,并对不同情况下的DM码进行多次扫描,记录识读时间,确定了DM码识读成功的临界圆点直径为11像素,临界灰度值为220。在此基础上,设计了一种基于空间光调制器的DM码并行加工方法,并在石英玻璃内部进行了激光并行加工DM码实验验证,与传统的单光束激光标刻二维码的方式相比,加工效率得到了提高。

混合遗传变邻域搜索算法求解柔性车间调度问题

针对考虑生产成本的柔性作业车间调度问题(flow job shop scheduling problem, FJSP),以完工时间与加工成本为优化指标,提出一种求解FJSP的混合遗传变邻域搜索算法。根据个体适应度对种群分割,结合自适应交叉概率改进子代种群产生方式;设计两种邻域结构增强算法的局部搜索能力;提出一种基于动态交叉变异概率的优化算法流程提高求解效率。运用提出的算法求解基准实例与实际问题测试,验证了算法的有效性。

基于空间光调制器的艾里光束能量调制方法

艾里光束由于具有无衍射、自加速和自愈合等特性,具有重要的应用前景。本文基于空间光调制器可编程特性,提出了一种可调谐的艾里光束能量调制新方法。从理论上深入分析通过在相位图中引入一个可控的调制相位而实现了艾里光束能量调控的方法,并且量化了调制参数与能量调制范围的关系。仿真和实验结果表明通过改变调制相位可以灵活地调节光束能量分布,本文的研究有助于进一步推动艾里光束的应用。

面向汗液的可穿戴柔性电化学传感器研究进展

汗液中含有人体诸多生理信息,如电解质、代谢物、激素、温度等。基于汗液的可穿戴式传感器可对多模态生物指标实现分子层面上的实时、连续、非侵入式监测,在运动感知、疾病预防以及健康管理等领域具有重大发展潜力,而被广泛研究。本文阐述了可穿戴汗液传感器集成结构中基底、集汗、传感、电源和决策五大模块,着重强调了纳米结构(如金属基、碳基等材料)在电化学传感敏感材料中表现出的优异性能及应用,最后讨论了可穿戴汗液传感器在微量汗液收集及多参数传感中物理化学变量的可变性等方面存在的挑战。针对汗液收集和实时校准两个关键问题,提出可穿戴汗液传感未来发展方向包括仿生微流控技术和多参数反馈调控方法,实现微量汗液高效收集及精确检测,将有效推动汗液传感在慢性重大疾病实时预警的应用和发展。

基于四波横向剪切干涉的表面形貌测量方法

为了解决传统四波横向剪切干涉测量系统中特定分光器件存在的加工难度高、光谱适用范围受限等问题,利用空间光调制器替代分光光栅将入射光分为4束横向剪切相干子波,通过灵活调整光栅的折射率来调制子波衍射效率以适应照明光源,再根据子波两两干涉效应重建出反映样品折射率和高度信息的光程差分布,即可实现宽光谱大尺寸范围内的表面形貌精确测量;结合傅里叶变换法研究了入射光不同波长对光程差重建精度的影响规律,并利用空间光调制器搭建了1套适用于可见光至近红外的宽光谱四波横向剪切干涉测量系统。结果表明,该系统对石英标准样件刻蚀深度的测量结果为209.39 nm±1.72 nm,与其标称值210.83 nm±2.39 nm和白光干涉仪测量值212.92 nm±1.35 nm基本保持一致,验证了所提表面形貌测量方法的有效性。该研究可为四波横向剪切干涉技术在表面形貌测量领域的扩展应用提供理论参考。

4UPS-RPS并联机器人工作空间分析及参数优化

针对一种4UPS-RPS并联机器人,为增大该机器人的工作空间,对其进行工作空间分析和结构参数优化。首先进行机器人的运动学分析,确定动平台的姿态和驱动分支之间的映射关系。然后利用数值法和MATLAB软件求解机器人工作空间体积。接着通过单一因素分析法和正交实验法共同分析并联机器人各种结构参数对其工作空间体积的影响,结果表明各参数影响程度由大到小分别为:驱动分支杆长最大值、转动副转角范围、驱动分支杆长最小值、动平台半径,且当驱动分支杆长最小值为340 mm,最大值为640 mm,动平台半径为140 mm,转动副转角为±52°时得到最大工作体积为2.49×10~7 mm3,较优化前提高了107.5%。最后建立样机进行实验,证明了建立模型的正确性。4UPS-RPS并联机器人工作空间分析及参数优化为提高机器人的工作能力提供了重要的基础保证。

高灵敏度微位移零差干涉方法

干涉测量技术被广泛应用于纳米级的微观形貌测量,为了提高干涉测量的精度和灵敏度,提出一种基于白光干涉和激光二次干涉相结合的高灵敏度零差干涉测量方法。设计了高灵敏度零差干涉系统,利用激光二次干涉的零点对白光干涉的暗纹进行定位,使其在零光程差时达到斜率最大值。利用波动原理和干涉条纹的强度公式分别对白光信号和激光信号进行分析,并提出将白光和激光干涉信号相结合的灵敏度计算方法。对系统及其灵敏度进行了仿真,最后搭建光路,将白光干涉条纹调至暗纹位置,以此来定位激光二次干涉的零位,并进行数据采集。所述测量方法的灵敏度相比激光二次干涉至少提高1832倍,相应的测量不确定度仅为±0.2887 mV。所述测量系统能够有效解决传统干涉测量中计算量大的问题,灵敏度高、稳定可靠。

视觉引导的搬运机器手位置测量研究

为提高工作效率,满足搬运机器手自动化抓取汽车保险杠的需要,研究了基于结构光视觉原理的保险杠抓取点位置测量方法。该方法通过对相机拍摄图像进行图像处理,识别出投射在保险杠平坦区域的激光光条中心点;利用透视变换原理对获取的激光光条图像进行矫正,最后结合像素标定结果计算得到汽车保险杠抓取点沿图像X轴方向偏移量和高度信息。现场实验结果表明:该测量方法稳定性能好,测量误差小于±3 mm,可以实现对汽车保险杠的非接触测量,实时引导搬运机械手准确抓取汽车保险杠,给自动化行业提供一种简单准确的定位识别系统和方法。

基于SLM的几何稳相法光束整形影响因素分析

基于几何稳相法求解调制相位,使用傅里叶透镜进行傅里叶变换,在后焦面处聚焦,得到对应的平顶光束,从而将圆形高斯光束整形为方形平顶光束,其中光路参数对整形质量将产生较大影响。实验中发现,方形平顶光束受零级光影响均匀性较差,因此详细分析了零级光产生的原因,提出了有效的解决方法,并对实验结果中出现的零级光通过叠加闪耀光栅直接移除。实验结果表明:移除零级光后方形平顶光束的能量利用率为72.3%,光束均匀性高达97.2%,优于传统整形方法。最后进一步分析了全息图与入射光束偏移量、离焦以及入射光束束腰半径对几何稳相法整形质量的影响,为几何法光束整形的应用提供了便利。

基于计算全息的无衍射光莫尔条纹三自由度测量方法研究

针对工作台运动误差,提出了一种基于计算全息的无衍射光莫尔条纹三自由度测量方法。通过液晶空间光调制器(SLM)生成无衍射光,利用两束无衍射光干涉生成莫尔条纹。设计了无衍射光莫尔条纹三自由度测量光路,建立了三自由度运动误差数学模型,并用几何分析法将三种运动误差(偏摆角、滚转角和俯仰角)进行分离。利用旋转台模拟不同大小的三自由度运动误差,带有误差信息的无衍射光和莫尔条纹图案分别由CCD1和CCD2接收。实验结果表明,通过光斑中心偏移量计算出的实际运动误差值接近理论值,测量误差不超过0.0104°,验证了无衍射光莫尔条纹三自由度测量系统的可行性与正确性。

台阶板中兰姆波A0模式传播特性的光弹研究

为了研究变壁厚结构中兰姆波的传播特性,以K9玻璃制成的台阶板为波导,运用动态光弹法实现了兰姆波在阶梯板中传播过程的可视化。使用MATLAB对兰姆波的理论应力分布进行了仿真,将仿真结果与光弹图像相对比以进行模式识别。此外,根据兰姆波的动态光弹图像计算了特定模式的相速度,并与相速度频散曲线相对比,以支持模式识别的结果。对4 mm-3 mm和4 mm-2 mm厚度差台阶板进行了对比分析。研究发现在激励目标模式的兰姆波时,可能会出现非目标模式,并且兰姆波的模态转换和频散程度与台阶处的厚度差有关。该文的结果可对具有相同性质类似结构材料的无损检测提供参考。

PMMA材料在线偏振和圆偏振光下的超连续光谱特性分析

飞秒激光在透明材料加工过程中会出现超连续光谱现象。在阐述超连续光谱产生的原理的基础上,为了分析PMMA材料在不同偏振光下产生的超连续光谱的阈值,设计了线偏光和圆偏光及不同能量加工PMMA材料的实验方案。利用光谱仪对产生的超连续光谱信号进行采集及处理,分析出不同能量下的线偏振(TE和TM)和圆偏振两种偏振态的超连续光谱的变化规律,并对比了相同能量下线偏振和圆偏振的超连续光谱的区别。实验中采用脉宽160fs、中心波长为775nm的飞秒激光,实验结果表明,同一偏振下能量越大,光谱谱宽越宽;通过对比不同能量下的光谱特性,观测出产生超连续光谱的阈值,线偏振光的阈值为0.46μJ,圆偏振光的阈值为0.586μJ;对比相同能量下的线偏振和圆偏振光,线偏振的谱宽比圆偏振的宽。

全景泊车辅助系统的关键技术

针对乘用车在停车和启动时因空间不足、驾驶员视野狭小易发生擦碰的问题,设计一款新的全景泊车辅助系统,并通过全景泊车辅助系统模拟系统对全景泊车辅助系统中涉及的鱼眼摄像头标定及鱼眼图像畸变矫正、图像拼接等技术进行研究。该模拟系统仿照全景泊车辅助系统模拟平台前、后、左、右安装四个鱼眼摄像头,将平台周围四个不同方向的图像实时采集,并拼接成一幅全景图。实验结果表明:该模拟系统的全景图像无拼接缝隙,拼接时间减小了35%以上,鲁棒性强。

脉冲CO_(2)激光预处理对CFRP黏结性能的实验研究

针对碳纤维复合材料(CFRP)胶接前表面处理技术需求,研究采用脉冲CO_(2)激光器对CFRP进行表面改性预处理,以提高CFRP间的黏结强度。探究脉冲CO_(2)激光预处理CFRP表面对其胶接性能的影响。通过使用扫描电子显微镜、激光共聚焦显微镜、接触角测量仪、X射线光电子能谱仪和拉伸试验机,对样品表面的微观形态、润湿性、化学成分和力学性能进行表征。对比分析了不同表面处理方法对CFRP黏结强度的作用机制。实验结果表明,脉冲CO_(2)激光预处理对CFRP表层树脂的选择性去除和含氧官能团的诱导有利于胶接头之间黏结强度的提升。此外,经脉冲CO_(2)激光预处理后,纤维束之间形成的空隙结构增大了与黏合剂的接触面积,使得CFRP表面的黏结性能得到了进一步提升。

基于EOPCB的1x32聚合物光功分器的设计与制备

基于光束传输方法,设计了一种紧凑的1x32聚合物光功分器。工作中心波长为1550 nm,可应用于光电电路板(EOPCB)。光功分器的长度为20000μm。每个输出端口之间的间距为127μm。光功分器芯层的横截面为10μm x10μm。选用二氧化硅作为包层材料。采用飞秒激光结合湿法刻蚀制备。测试结果表明,光功分器输出端的插入损耗<27dB,均匀性1.2 dB。可以满足EOPCB的光互连。

基于梯度方差聚焦评价的三维显微测量方法

为实现高精度聚焦显微三维测量,在传统Brenner评价函数的基础上考虑垂直和对角方向的图像灰度梯度变化信息,提出一种基于梯度方差聚焦评价的三维显微测量方法,通过获取更为丰富的图像边缘信息可改善聚焦评价函数的灵敏度,进而提高聚焦显微三维测量精度。对高度标称值为1 mm的台阶样件开展了测量实验研究,所提方法得到的测量相对误差为0.49%(以标称值为基准),优于传统聚焦评价测量方法对应的1.22%;评价函数的清晰度比率和灵敏度分别为2.4412和318.45。

皮秒激光对芳纶纤维复合材料的表面胶接预处理研究

使用532 nm皮秒激光对芳纶纤维增强树脂基复合材料(AFRP)进行表面预处理,以提高其胶接接头的剪切强度。首先讨论激光去除ARFP表面树脂的最佳工艺窗口,并从机械连接和化学连接的角度分析激光处理可提升接头剪切强度的原因。其次探究凹槽间距、刻写次数和扫描角度对接头剪切强度的影响。结果表明,激光去除AFRP表面树脂后接头剪切强度较原始表面提高了30%,刻写凹槽后,较原始表面可提高75%。此研究可为AFRP修补以及特种装备的应用提供一定的指导意义。

基于混合人工神经网络的冷连轧水平力预测

针对冷连轧机组辊系中工作辊沿带钢运动方向的水平力难以利用传统的数学模型进行计算的问题,提出了利用混合人工神经网络模型对其进行预测。分析了工作辊在轧制过程中的受力情况,并根据监测的状态参数,从中挑选了轧制力、弯辊力矩、张力、带钢厚度、弯辊力等几类对工作辊受到的沿带钢运动方向的水平力有影响的参数作为输入变量。提出了两种新型的粒子群优化算法,并对人工神经网络的初始化权值与阈值进行优化。通过对预测结果进行分析发现,提出的改进混合人工神经网络相比较改进前能够提高模型的预测精度,且拟合精度均达到90%以上,可用于指导实际生产。

基于组合光栅的光束整形方法研究

提出了一种基于组合光栅的任意形状光束整形方法。在需要整形的几何形状的内外分别设计不同的光栅并形成相位全息图,将相位全息图加载到相应的光路上就可整形出想要的形状。其中:外部闪耀光栅将入射高斯光束分成0级和非0衍射级,利用光阑阻挡非0级光束,获得所需形状的0级光束;内部光栅分别采用了渐变二元光栅和渐变正交光栅,它们能够改善几何掩模内部区域的能量分布,获得均匀性较好的平顶光束。实验结果表明,该方法可以获得任意形状、边缘陡峭、均匀性高的平顶光束,能量利用率可达43.71%,最小不均匀性为2.12%。该方法在激光加工领域具有良好的应用前景。