基于微压印成形的三维微电子机械系统制造新工艺

针对目前微电子机械系统(MEMS)制造中存在的三维加工能力不足的问题,将压印光刻技术和分层制造原理相结合,研究了三维MEMS制造的新工艺.采用视频图像原理构建了多层压印的对正系统,对正精度达到2μm.通过降低黏度和固化收缩率,兼顾弹性和固化速度,开发了适用于微压印工艺的高分辨率抗蚀剂材料,并进行了匀胶、压印和脱模工艺的优化实验.通过原子力显微镜对压印结果进行了分析,分析结果表明,图形从模具到抗蚀剂的转移误差小于8%,具有制作复杂微结构的能力,同时也为MEMS的制作提供了一种高效低成本的新方法.

直线电机进给系统机械系统动态特性研究

为了获得满意的运动精度,针对以往直线电机进给系统研究中被忽略的机械系统动态特性,利用达朗贝尔原理建立了机械系统的动力学模型,对直线电机进给实验台的机械系统动态特性及影响因素进行了理论分析和实验测试,同时分析讨论了机械系统频率特性对进给系统运动精度的影响。结果表明:尽管直线电机进给系统机械环节结构简单,但依然具有复杂的动态特性,影响系统运动精度;伺服控制速度环增益越高,机械系统进给方向固有频率越高;随着进给速度的提高,工作台各方向振动频率与幅值均增大,当速度提高1倍时,俯仰振动和偏摆振动致使工作台产生的位移波动增大2倍。

面向组织工程化软组织的制造技术及增材制造

背景:近年来,组织工程支架的制造方法众多,特别是增材制造技术因其独特的累积成型原理,为复杂软组织支架的高精度制造提供了高效、可靠的制造技术,也推动了大缺损软组织修复研究。目的:总结近年来关于面向软组织支架的制造方法,对其进行简要的综述,并探讨其存在的问题与前景。方法:应用计算机检索PubMed数据库及中国知网数据库2010年1月至2013年9月关于软组织支架的制造方法的文章,英文检索词为"additive manufacturing,microfabrication,vascular tissue engineering,muscle tissue engineering,cartilage tissue engineering,stereolithography,3D printing,biodegradable hydrogel",中文检索词为"增材制造,微制造,血管组织工程,肌肉组织工程,软骨组织工程,光固化快速成型,三维打印技术,可降解水凝胶"。结果与结论:软组织大块缺损支架的制造,已由简单平面结构向复杂三维转变,并考虑到软组织内部血管的作用,在制造过程中将软组织支架材料与细胞、生长因子结合,达到解决支架内部血管化的问题。增材制造技术为复杂形状的软组织活性支架的高精度制造提供了新的方法。水凝胶/细胞的构建是软组织支架的关键,而与之相关的高精度增材制造技术原理和制造工艺,以及水凝胶、细胞与生长因子的组装方法则是突破这一关键的核心技术。

旋转灌注式生物反应器系统构建及在骨组织工程中的应用

构建一种旋转灌注式生物反应器系统,并设计制造具有相互连通微管道结构的大段支架。生物反应器在旋转的同时实现对大段支架的灌注,系统内外气体的实时交换通过安装在反应器两端的半透膜和可透气的蠕动泵软管实现。容器内的氧气和营养物质在得到充分混合之后,连续不断地输送到支架微管道内,使黏附在微管道内的细胞获得充足营养的同时受到一定流体剪应力的刺激,调节细胞功能的发挥。该系统克服了静态培养中存在的各种缺点,改善了培养环境,增加了培养过程的可控性,有助于促进黏附在微管道内部的细胞增殖、分化和产生大量基质。将成骨细胞/支架结构体在该生物反应器系统中培养14 d后,用扫描电镜观察细胞在大段支架微管道内的生长情况,结果表明,支架微管道内有大量细胞长入。

用于机械系统精度预测的理想表面法

为了实现复杂机械系统的精度预测,提出了一种能够综合考虑尺寸、形位公差的精度预测方法.将零部件的实际配合面抽象为理想配合面,用单位法矢量表示位置和方向,在刚体条件下从设计信息中获取理想配合面的单位法矢量.采用齐次转换矩阵的方法,得到各零件坐标系之间的转换矩阵,根据系统末端功能面在基准坐标系下单位法矢量的变动范围,分析系统末端功能面的空间位置分布范围和分布规律,从而实现了对机械系统的精度预测.以某型圆柱磨齿机的砂轮修整器为例,进行了3 000次的模拟公差分析计算,得到了工作点位置分布云图和概率密度曲线,与不考虑形位公差精度预测结果的对比表明,该方法能够综合考虑尺寸和形位公差,得到的公差分析结果更接近实际生产情况.

肝组织工程支架的微制造工艺

通过模拟自然肝脏的内部微结构，对肝组织工程支架进行仿生设计，构建了有利于人工肝向自然肝转化的肝支架孔洞与管道系统．结合光固化和微压印工艺制造了肝支架的硅橡胶模具，通过微复型工艺成型出生物可降解的壳聚糖／明胶复合肝支架．实验表明，普通光固化和掩膜光固化工艺可以实现最小尺度为200μm的微结构制造，精密光固化工艺不仅可以在同一模具上制造出具有良好复型精度和边缘特征的肝细胞孔洞（200-300μm）和血管管道（100-200μm），而且还可以制造出具有半通透功能的微管道（13．1～30μm）．因此，提出的微制造方法能成型出复杂的肝组织工程支架系统，可保证多种肝脏细胞的有序分布，并且为组织工程肝脏支架材料微观结构的模拟提供了参考．

对准系统中调焦机构机械摆动引入误差的补偿

为了消减压印对准系统焦平面调整过程中由于机构机械不稳定性产生的对准误差,提出了拟合调整架摆动轨迹来进行软件补偿的方法。通过亚像素模板匹配算法对调焦过程中标记图像的坐标进行定位运算并分析了算法的有效性,结果说明该算法的理论误差<0.1μm。采用该算法计算随调整架摆动的标记坐标,对调整架的摆动轨迹进行了实验标定。分别考察调整架上升和下降时的摆动特性,结果显示,实验具有较好的重复性。以此为基础,建立了调整架的摆动轨迹模型及误差补偿方法,并对模型的预测补偿精度进行了实验研究。结果表明,通过预测调整架摆动轨迹并进行补偿,调焦系统机械不稳定性误差从2.84μm减小到1.29μm,可以满足2μm的总体对准精度要求。

基于制造公差的复杂机械产品精准选配方法

针对复杂机械产品多质量要求下的选配问题,提出一种基于遗传算法的选择装配方法。以装配精度和装配成功率作为质量要求的评价指标,建立了综合考虑形位公差与尺寸公差的装配质量综合优化模型,能够在保证尺寸公差装配精度的前提下,有效降低产品的形位公差。同时提出了基于影响度的选配优先级评价模型,有效地提高了遗传算法的收敛速度。根据复杂机械产品尺寸链的特点,提出一种以零部件为单元的编码方式,并建立了映射关联矩阵描述多个公差项间的关联关系,综合Pareto支配强度及密集度生成适应度函数作为个体评价规则,以某发动机曲柄连杆机构的装配为例验证了该方法的可行性和有效性。

机械设备运行可靠性评估的发展与思考

针对某台具体的机械设备进行运行可靠性评估是个性问题,基于大样本条件并依赖概率统计数据得到的平均可靠性难以满足个体设备的运行可靠性评估需求。归纳传统可靠性理论应用于机械设备运行可靠性评估时面临的问题,回顾相应的改进方法。阐述以动态建模与故障机理分析、信号处理与故障特征提取为理论基础的机械设备运行可靠性的技术内涵,赋予运行可靠性新的含义,定义运行可靠度。提出基于机械设备状态信息的运行可靠性评估方法,通过建立设备运行状态信息与可靠性之间的映射模型,实现运行可靠度的计算。参考国际标准ISO3945,将评价回转机械运行状态的绝对振动量转换为量纲一的可靠度指标;对轴瓦松动维修前后两种状态下的汽轮发电机组、连续运行退化至失效状态下的滚动轴承分别进行运行可靠性评估,取得了良好效果。引出机械设备运行可靠性评估有待解决的问题,为后续研究提供参考。

机械故障诊断基础研究“何去何从”

机械故障诊断是一门起源于20世纪60年代的新兴学科,其突出特点是理论研究与工程实际应用紧密结合。该学科经过半个世纪的发展逐渐成熟,在信号获取与传感技术、故障机理与征兆联系、信号处理与诊断方法、智能决策与诊断系统等方面形成较完善的理论体系,涌现了如全息谱诊断、小波有限元裂纹动态定量诊断等原创性理论成果,在机械、冶金、石化、能源和航空等行业取得了大量卓有成效的工程应用。但是,该学科也还存在着故障机理研究不足、诊断方法有限和智能诊断系统薄弱等问题。今后机械故障诊断学科的基础研究和源头探索究竟应该如何开展,未来的发展方向是怎样,将是一个非常急切且需要深入探讨的问题。在对国内外机械故障诊断学科基础理论和工程实际应用研究现状分析的基础上,指出目前该学科基础研究存在的问题和今后研究突破的方向。

基于深度学习理论的机械装备大数据健康监测方法

机械装备正在朝着高速、高精、高效方向发展,为了确保这些装备的健康运行,健康监测系统采集了海量数据来反映机械的健康状况,促使机械健康监测领域进入了'大数据'时代。机械大数据具有大容量、多样性与高速率的特点,研究和利用先进的理论与方法,从机械装备大数据中挖掘信息,高效、准确地识别装备的健康状况,成为机械装备健康监测领域面临的新问题。深度学习理论作为模式识别和机器学习领域最新的研究成果,以强大的建模和表征能力在图像和语音处理等领域的大数据处理方面取得了丰硕的成果。结合机械大数据的特点与深度学习的优势,提出了一种新的机械装备健康监测方法。该方法通过深度学习利用机械频域信号训练深度神经网络,其优势在于能够摆脱对大量信号处理技术与诊断经验的依赖,完成故障特征的自适应提取与健康状况的智能诊断,因此克服了传统智能诊断方法的两大缺陷:需要掌握大量的信号处理技术结合丰富的工程实践经验来提取故障特征;使用浅层模型难以表征大数据情况下信号与健康状况之间复杂的映射关系。试验结果表明,该方法实现了多种工况、大量样本下多级齿轮传动系统不同故障位置不同故障类型的故障特征自适应提取与健康状况准确识别。

软体机械手研究综述

软体机械手(下面简称软体手)是一种由柔性材料制成的新型机械装置。凭借柔性材料天然的柔顺性和适应性,软体机械手具有了高灵活性、复杂环境适应性和安全人机交互性等特点,受到国内外学者和机构的广泛研究,并表现出良好的应用前景。综述了软体机械手的应用领域、驱动方式、材料与制造、建模与控制的相关问题,并梳理了软体机械手研究中依旧存在的问题和可能的解决方案以及软体机械手的发展趋势。软体机械手是软体机器人领域的一个重要分支,其研究涉及材料学、力学、化学、机械设计与制造、电子与控制科学以及仿生学等诸多领域的交叉和融合。对软体机械手的研究将极大丰富人们对柔性材料的复杂、丰富特性的理解,也将为更好地把柔性材料融入产品的设计提供理论和技术指导。

自适应多核组合相关向量机预测方法及其在机械设备剩余寿命预测中的应用

针对支持向量机(Support vector machine,SVM)的惩罚系数难以确定、核函数必须满足Mercer定理等问题,相关向量机(Relevance vector machine,RVM)应运而生以解决上述问题,并在趋势预测等领域得到一定的应用。核函数是决定RVM预测精度的关键因素之一,目前的研究通常是人为选择单一核函数,因此增加了对参数的依赖性并降低了RVM预测的鲁棒性。为了解决以上问题,提出一种新的自适应多核组合RVM预测方法。该方法首先选择多个核函数,利用粒子滤波产生核函数权重,建立多核组合RVM集,然后经过不断地迭代预测、权值更新和重采样,自适应获取最优多核组合RVM,从而自适应融合多个核函数的特性,克服基于单一核函数RVM的局限,提高预测精度和鲁棒性。利用仿真对提出方法进行了验证,并将其应用于机械设备的剩余寿命预测,取得了比基于单一核函数RVM更好的预测效果。

高速主轴系统热特性分析与实验

为了在设计阶段避免高速主轴在实际加工中由于温升过高可能会引起加工精度降低的问题,构建高速主轴的三维有限元模型(FEA)进行瞬态热-结构耦合分析.但传统热特性分析模型中,没有考虑结合面间接触热导致仿真精度较低,该有限元模型考虑接触热导对仿真结果的影响.利用Weierstrass-Mandelbrot函数表征轴承表面的粗糙形貌,利用功率谱法与粗糙表面形貌数据对分形参数进行辨识,并提出接触力学模型以计算用于接触热导建模的接触参数.最终,提出几何-力学-热综合预测模型计算结合面间的接触热导,有效避免统计学方法的不准确性与实验测量法通用性不强的缺陷.利用电机效率分析与轴承拟静力学分析法,分别求解电机与轴承热功率.由雷诺数判定流体的流动状态,并依据努塞尔数计算主轴部件的对流换热系数.将上述边界条件施加到该有限元模型对温度场与热变形进行仿真,并进行热特性实验验证该有限元模型的有效性.结果表明,该有限元模型的仿真精度明显优于不考虑接触热导的热特性分析模型.

基于RP的骨组织工程支架构造及生物学特性分析

应用三维CAD软件设计支架和相应的模具结构,通过光固化快速成形技术制造出树脂模具,并在模具中填充磷酸钙(CPC)生物材料,然后通过热分解方法去掉树脂模具,得到具有可控微管道结构的骨组织工程支架。该方法克服了传统构造方法中支架内部微管道结构不可控的缺点,为制造出更有利于细胞/组织长入和成活的支架三维空间结构提供了一个更理想的方案。INSTRONMicrotester试验设备上测得支架的最大抗压强度为7.12MPa;测得其表面粗糙度Ra=2.16μm。扫描电镜观察支架表面微结构特征,能谱分析测出支架中所含钙元素和磷元素的摩尔比是1.59∶1。结果表明所构造的支架具有良好的生物学特性。

机械重大装备寿命预测综述

寿命预测理论是机械零件与装备安全服役的关键基础,也是现代机械设计与制造必须涵盖的重要方面。机械重大装备寿命预测技术对国民经济发展和国防建设具有重要意义。在过去近一个世纪与失效事故的斗争中,人类通过对诸如飞行器、舰船、车辆、发电机组等机械重大装备的研究,建立了基于力学的寿命预测理论、基于概率统计的寿命预测理论以及基于信息新技术的寿命预测理论等学科分支。针对机械重大装备寿命预测研究方法的特点和应用状况,综述国内外相关文献的研究现状,总结当前机械重大装备寿命预测研究的热点与成就,归纳当前机械重大装备寿命预测研究在理论建模与试验中存在的若干问题,分析机械重大装备寿命预测具有理论建模难、试验验证难以及数据积累分析难的特点,为今后进行深入的寿命预测研究提供可以借鉴的研究方向。

基于机械诊断信息的设备运行可靠性研究

针对传统可靠性分析方法必须依赖大样本统计数据、利用概率统计求解设备可靠性的不足,提出两种利用运行状态信息实现小样本条件下设备运行可靠性评估的方法:基于归一化小波信息熵的可靠性评估和基于损伤定量识别的可靠性评估。基于归一化小波信息熵的可靠性评估对设备运行过程中的振动信号采用第二代小波包进行分解与重构,获得多个分解频带信号,计算分解频带信号的相对能量和归一化信息熵,根据归一化信息熵获取反映设备运行状态可靠性的重要指标——可靠度;基于损伤定量识别的可靠性评估定义了新的运行可靠性评价指标——隶属可靠度,在故障定量诊断的基础上,建立了损伤程度与运行可靠性评价指标之间的联系。在制氧压缩机运行可靠性评估和机车轮对轴承运行可靠性评估的成功应用,表明所提出的方法合理、有效,为机械设备实现缺乏大样本、非概率统计模型的可靠性评估提供了新理论与新技术。

机械故障诊断内积变换原理与验证

工程实际常用的快速傅里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换、第二代小波变换和多小波变换等先进信号处理方法,为关键设备运行监测与故障诊断奠定了基础。为深刻认识其共性问题,对机械故障诊断信号处理方法物理本质与关键技术等基础问题进行研究。指出它们的变换原理都是内积变换,探求信号中包含与"基函数"最相似或最相关的分量,关键在于构造和选择动态信号中与故障特征波形相匹配的基函数,实现科学、正确的状态监测与故障诊断。通过仿真试验和工程案例,对机械故障诊断的内积变换原理进行验证,证明该原理的正确性和可靠性。同时,根据试验现象得出若干基函数性质对内积变换的影响规律,补充和完善了机械故障诊断内积变换原理。

三维光学扫描技术逆向工程应用研究

针对三维扫描测量数据因为原始点云在获取时受环境等客观条件限制,存在不可避免的噪声点、飞点、重叠点云等现象,以致存在点云密度大、运算复杂、计算周期长等问题,本文以在逆向工程中具有将三维物体几何信息转换为计算机能直接处理的二维数字信号的功能的三维光学扫描技术为基础,研究了三维扫描技术应用的主要设备、常用软件、使用方法和实体建模商用软件,研究了其原理及数学模型;结合XJTUOM,制定了扫描策略,以某型号汽车皮带轮和减震器托盘为例进行了实践操作,结果表明:该设备能够满足在逆向工程的应用,其扫描精度接近原始数模的相似度为98%。

数控车床综合热误差建模及工程应用

针对车床实际工程应用中主轴与进给轴综合误差对工件加工精度产生影响问题,建立包含工件膨胀效应的主轴与进给轴综合热误差模型,并进行实际切削验证.以精密车床为研究对象,综合分析车床主轴、进给轴和工件在实际加工中的相互影响关系,并建立三者之间的综合热误差多元线性回归模型(MLRA).实验结果表明:含有工件膨胀效应系数的综合热误差模型符合实际工况,有效提高了车床的加工精度.主轴热误差模型的预测精度达85%以上,进给轴预测精度达70%以上,实际加工中工件误差由15μm降低到5μm左右.综合热误差模型显著提高了高精密数控车床的加工精度.