离子束修正光学镜面误差中拼接加工方法研究

由于离子束加工机床工作运动空间的限制, 为了加工大型光学镜面, 本文提出了一种全新光学镜面加工方法——拼接加工方法. 论文首先从理论上分析解决了拼接加工工艺的系列关键技术问题, 如： 面形控制模型、拼接加工驻留时间解算算法、加工定位参数辨识与补偿等. 基于CCOS成形原理, 通过分析拼接加工面形控制机制, 建立了光学镜面拼接加工有限域叠加的非线性面形控制模型; 依据拼接加工有限域非线性问题特征, 提出了基于Bayesian原理的改进型SRL迭代法较好地解决了拼接加工的驻留时间求解问题; 通过分析拼接加工中对刀误差和材料去除率对加工精度和加工面形的影响分析, 提出了一种光学镜面离子束定位误差、去除率等工艺参数辨识算法. 通过上述研究, 首次建立了光学镜面离子束拼接加工基本加工理论、方法和工艺流程. 拼接加工工艺实验表明： 误差补偿后的加工收敛率可达10. 本文提出的理论和方法通过有效地解决拼接加工的关键技术问题使拼接加工与全口径加工一样, 能够实现对镜面的精确修形. 与此同时大大节约了加工系统制造和加工成本.     

基于质量-刚度解耦的微半球谐振陀螺频差高精度修调方法

微半球谐振陀螺是最具发展潜力的高性能微机电系统(MEMS)陀螺之一,其工作时驱动、检测模态频率需要高度匹配,因此两个工作模态间的频差(频率裂解)是影响陀螺性能的关键因素.机械修调是调节频差的重要手段,其精度决定了模态匹配程度.通过飞秒激光去除质量调节模态频率是一种高效率、高精度的修调方法,但当谐振结构频差处于较小值(约100 mHz)时,观测到线性微质量去除难以进一步降低频差.本文重点针对该过程中的质量-刚度耦合现象开展研究,首先建立了微质量扰动下的质量-刚度耦合变化模型,然后通过有限元模型仿真分析了质量-刚度耦合对修调精度的影响,得到了不同直径与深度修调孔下的微量频差变化,结果揭示了修调孔直径对结构局部刚度的影响规律,以及修调孔深度对局部质量的影响规律.进一步的分析表明,当修调深度超过阈值时能够实现对质量-刚度影响的解耦,因此文中提出了基于质量-刚度解耦的高精度修调方法.最后,对该方法进行了实验验证,将微半球谐振陀螺的频差降低至7 m Hz,有效提升了微半球谐振陀螺的机械修调精度.     

非球面纳米精度可控柔体制造技术

非球面被广泛应用于光学系统,其可被用来整形像差,改善画质,同时使光学系统更为紧凑,要求其具有纳米级面形精度与低吸收光学性质.目前超精密制造过程中,以恒定的去除函数解算面形误差,而光学表面误差分布复杂,针对不同频段与高度误差需迭代多次.针对这一问题,本研究团队提出了可控柔体制造技术,即去除函数随不同误差分布可控改变.本团队基于该理念,将传统连续出射的离子束可控离散,实现脉冲离子束超高分辨修形,并用于表面原子结构的光学性质调控,同时对于中频误差,以去除函数主动可控旋转的方式实现亚纳米级中频抑制技术,最后以大口径单晶硅为例,使用子孔径拼接技术完成了大口径非球柱面反射镜测量,实现了非球面镜的纳米精度可控柔体制造.本文结合本研究团队近几年的最新研究成果,总结了非球面可控柔体制造技术,通过探讨其发展现状,为非球面镜的纳米制造技术的发展提供参考.     

基于熵增原理抑制磁流变抛光中高频误差

采用信息熵作为去除函数驻留点随机分布的测度，基于熵增理论设计了局部随机加工路径，有效抑制磁流变抛光的中高频误差．在自研的KDMRF-1000F磁流变抛光机床上进行实验研究，局部随机路径加工区域的中高频误差明显小于光栅扫描路径加工区域．直径为98mm的平面镜，一次迭代修形（7．46min），面形误差峰谷值提高到0．0622（2=632．8nm），均方根误差提高到0.010λ,且未见明显的尖峰状中高频误差．实验结果表明，基于熵增原理设计的局部随机路径能有效地抑制磁流变加工的中高频误差．     

基于GMM的压电驱动器磁滞特性建模及高精度抗扰跟踪控制

包含压电驱动器的微定位平台可以用于减小飞切加工中的低频误差.本文针对该平台中的压电驱动单元,提出了一种新的系统建模方法,并基于此建立了完整的高性能抗扰跟踪控制策略.首先,利用高斯混合模型(Gaussian mixture model, GMM)对压电驱动器固有的磁滞特性建模,并根据该模型进行前馈补偿,以消除磁滞非线性对控制精度的影响.其次,建立扩张状态观测器,对所有外部扰动及未建模误差进行观测与补偿,以提高系统的抗扰能力.为了进一步提高系统的跟踪精度与控制带宽,建立状态反馈与零相跟踪前馈控制策略,以优化闭环系统特性.实验结果验证了基于所提磁滞模型建立的抗扰跟踪控制方法的有效性.在0～50 Hz输入信号频率范围内,在给定的测试集内该控制策略下的系统跟踪误差小于2.2%,能够满足目标控制带宽下的高精度跟踪要求.     

一种金刚石车刀研磨机床的误差建模及分析

为了提高一种自主研发的金刚石研磨机床的加工精度并为误差补偿提供理论依据,运用多体系统理论和齐次坐标变换原理描述了其结构关系,建立了该机床的几何误差模型,通过数学计算,分析了该系统的27项误差,得到对该机床车刀进给方向精度影响较大的11项误差,并对11项误差进行分类研究。模型的建立为误差补偿提供了理论基础,11项误差的分类分析为机床结构的合理设计,以及平移台、旋转台具体参数的选择提供理论依据,根据计算结果提出降低各误差影响程度的具体方法。     

激光聚变靶球充气微孔扫描探针加工技术研究

为解决核聚变激光靶球诊断气体充气问题及满足充气微孔良好的堵胶工艺性, 基于扫描探针显微镜的金刚石探针为工具, 采用接触力扫描方式对靶球充气微孔进行了微加工工艺研究. 研究了金刚石针尖扫描方向、扫描速度及扫描接触压力等工艺参数对微孔形成的影响, 得到了较准确的锥状孔型, 其孔型尺寸与加工精度满足微孔充气及其堵胶工艺性的要求. 实验结果表明, 利用扫描探针显微镜作为工具并通过加工工艺研究, 可以实现靶球充气锥型微孔的精确加工, 为靶球高Z气体的注入提供了一种新的实用技术.     

计算机控制光学表面成形中的频域分析

计算机控制光学表面成形（CCOS）工艺容易在光学零件表面产生中高频误差,从而影响光学系统的性能.为了对中高频误差进行有效控制,以卷积积分模型为基础,主要考虑加工过程的材料去除有效性,提出了修形能力值、材料去除有效率等概念,定量分析了CCOS工艺过程对不同频率成份误差的修正能力.分析得出CCOS工艺过程的材料去除有效率取决于工艺过程的去除函数,正好等于去除函数傅里叶变换的归一化幅值谱.最后,利用离子束成形工艺进行了3个正弦函数面形的刻蚀试验,对理论进行了验证.本文所采用的方法和得出的结论为分析和优化CCOS工艺提供了强有力的数学支持.     

基于光载无线的大型构件形变监测技术

提出了一种利用光载无线技术针对大型构件的形变进行监测的新方法,对系统的工作原理进行了阐述及分析.与传统的反射测距及转发测距方案不同,新方法将远程天线单元作为信标安装在被测大型构件上,通过先纤将射频信号送到远程天线单元,实现收发共本振,消除频率漂移带来的相位误差.根据相位测距原理,通过监测收发中频信号相位差的变化信息获得大型构件的形变量.对系统的误差进行仿真分析并对鉴相器进行测试.结果表明:系统能精确的对信标所在位置发生的形变进行监测.通过合理设计,其精度可达毫米级.     

交叉敏感情况下多传感器系统的动态特性研究

讨论了具有交叉敏感的传感器组成的多传感器系统的动态特性及其对系统检测精度的影响. 提出了将该多传感器系统看作一个线性滤波器与一个无记忆非线性函数的串联系统, 即Wiener系统, 把后续的信息融合系统看作一个无记忆非线性函数与一个线性滤波器的串连, 即Hammerstein系统. 在静态标定的基础上, 用盲解卷积技术求得Hammerstein的线性滤波器系数矩阵. 针对盲解卷积技术复现信号幅值不确定性的缺点, 提出了一种根据逆滤波器系数矩阵与静态标定的线性矩阵的同一性校正滤波器系数矩阵的方法, 以获得多传感器系统的近似逆向动态模型, 提高了多传感器系统在实际检测过程中的检测精度, 降低了动态检测结果失真度, 满足了实际情况的需要. 最后的仿真结果表明, 输入信号频率接近采样频率1/10时, 用盲解卷积技术获得的幅值复现误差是未经过动态补偿的幅值复现误差的1/20, 是各传感器单独动态补偿后幅值复现误差的1/2, 快速性提高了2倍. 金属氧化物半导体甲烷传感器的动态补偿结果表明, 在温度阶跃响应下, 补偿后的甲烷检测误差小于补偿前的1/2, 因此这种方法拓宽了多传感器系统的带宽.     

存在互耦误差时的圆台共形阵列DOA估计

阵列存在互耦误差时,由于理想导向矢量与实际导向矢量之间存在偏差,使得高分辨空间谱估计方法性能恶化.本文针对圆台共形阵列,充分利用其结构分布特性,以互耦矩阵呈复共轭对称分布为前提推导出了圆台共形阵列的互耦矩阵模型.在此基础上,利用两种模式对互耦矩阵进行分解,由此建立了两种基于圆台共形阵列的互耦误差自校正模型.两种模型均可以实现存在互耦误差时的圆台共形阵列DOA估计,且校正后的导向矢量与实际导向矢量之间的相关程度得到明显改善.另外,本文所提的互耦自校正方法具有较低的信噪比门限.理论分析和仿真结果证实了本文两种模型的有效性,可以为共形阵列的工程应用提供参考.     

2—2结构压电复合材料的机电耦合系数研究

对２－２结构的压电复合材料提出一种动态模型，求解沿界面传播的平面波，获得这平面波传播的色散曲线。取换能器厚度为半波长或其奇数倍，换能器的谐振，反谐振频率及高次谐振频率的实验值与理论色散曲线相吻合。由动态模型可求得压电复合材料厚度振动的机电耦合系数随两仃材料的宽厚比和体积比的变化。     

月面采样机械臂采样位形分析与优选

在月面采样任务中,受土壤反作用力、能耗等因素影响,机械臂采样位形会影响其采样性能.为了准确评估采样位形对采样性能的影响,提高采样任务执行的可靠性,提出了机械臂采样位形分析方法与优选策略.首先,分析机械臂与采样器、采样器与铲挖执行机构之间的耦合关系,建立机械臂与采样器的联合动力学模型;其次,分析采样过程中机械臂位形与土壤反作用力、机械臂末端抗偏移能力、关节运动行程以及运动能耗之间的关系,并构建量化指标对采样性能进行评估;进而,根据构建的采样性能评价指标,构建考虑采样点区域、关节轨迹等多种约束的多目标最优化问题框架,设计基于NSGA-2多目标遗传算法的采样位形优选策略;最后,以嫦娥五号采样机械臂为对象进行实验分析.实验结果验证了本文提出的采样位形分析方法与优选策略的有效性,相关结论为嫦娥五号采样机械臂实际采样指令的生成提供了参考依据.     

运载火箭小子样试验的发数确定

针对运载火箭试验评估的特点和需要, 在考虑主要误差的基础上, 充分利用飞行试验数据和阵地测试数据, 研究了制导工具误差的折合方法和变尺度折合技术. 结合制导工具误差系数的先验分布, 分析了Bayes样条参数模型的鉴定精度, 根据试验发数的决策门限确定了试验鉴定精度要求下的发数.     

气体环境下双壁碳管振荡器的能量耗散

采用分子动力学模拟方法,研究了多壁碳纳米管振荡器在气体环境下的振动,讨论了气体密度、环境温度对碳管间摩擦力及振荡频率的影响．模拟结果表明,管间摩擦力随气体密度的增大及环境温度的升高而增大．气体分子的碰撞将导致碳管的品格变形,从而极大改变碳管间的初始理想匹配状态,导致摩擦力增大;随着温度的升高,碳管原子热振动振幅增大和高能量声子的激发,使得碳管振动的机械能更容易转化为热能而被耗散,导致摩擦力增大．气体密度的增大和环境温度的升高,都将导致振幅衰减加快,振荡频率增大．通过与真空状态下的谐振子相比,气体分子与管壁的碰撞是造成能量耗散的一个主要原因,气体环境的阻尼可能是导致碳管谐振子在工程实际中失效的主要原因,其次,环境温度对谐振子也具有重要的影响,低温工作条件对谐振子是有利的．     

光学邻近效应矫正(OPC)技术及其应用

随着集成电路设计和制造进入超深亚微米（VDSM）阶段,特征尺寸已经接近甚至小于光刻工艺中所使用的光波波长,因此光刻过程中,由于光的衍射和干涉现象,实际硅片上得到的光刻图形与掩膜版图形之间存在一定的变形和偏差,光刻中的这种误差直接影响电路性能和生产成品率.为尽量消除这种误差,一种有效的方法是光学邻近效应矫正（OPC）方法.目前由于OPC矫正处理时间过长,产生的文件大小呈指数级增长,使掩膜版的制造成本成倍地增加.文中首先针对OPC矫正技术进行了深入研究,提出了具有图形分类预处理功能的自适应OPC矫正技术,将芯片图形按其对性能的影响分为关键图形与一般图形,对两类图形采用不同的容差,提高了OPC处理效率.其次,提出并实现了图形分段分类的基于模型的OPC矫正算法,在保证矫正精度的同时提高了矫正的效率.提出了具有通用性、简洁性和全面性的OPC矫正规则,在此基础上实现了规则库的自动建立和规则库的查找与应用,实现了效率高、扩展性强的基于规则的掩膜版矫正算法.算法对规则数据进行有效地描述、存储和处理,提高了光刻矫正技术实际应用效率.第三,设计实现了高效、高精度的光学邻近效应矫正系统MR-OPC,系统综合应用了基于规则的OPC矫正技术和基于模型的OPC矫正技术,很好地解决了矫正精度和矫正效率之间的矛盾,取得了最佳的矫正优化结果.     

某型航空用棘轮棘爪离合器动力学仿真分析

棘轮棘爪离合器是航空发动机双速传动装置的重要组成部分,棘轮棘爪机构能否安全稳定的运转,直接关系到该离合器能否顺利实现啮合转换过程以及能否正常可靠地工作,从而确保飞行安全.通过计算得到各工况下棘轮棘爪结构的动力学特性参数,利用Solid Works建立棘轮棘爪离合器的结构模型,并将其导入ADAMS多体动力学仿真软件进行仿真,将仿真结果与实验数据对照验证模型的正确性及可靠性,并在此模型的基础上建立离合器平面涡卷弹簧各预紧力矩下的脱啮转速变化曲线,得到了平面涡卷弹簧的理想工作区域.通过改变模型参数实现棘轮棘爪离合器加工及装配误差下的特殊工况,深入探讨了离合器的加工参数对脱啮转速的影响,并在力学理论上对影响因素及产生原因进行分析;同时,研究了离合器装配误差状态下的脱啮转速及状态的变化特性,得到了离合器装配误差的有效控制范围.通过研究,以期能够对此型离合器的结构设计及维修提供理论依据和技术支撑.     

ISAF重构算法密度函数快速计算模型

球坐标系下的ISAF算法是一种新的20面体分子三维重构方法,该方法精度优于传统柱坐标系下的Fourier-Beseel算法,但其执行速度远低于Fourier-Bessel算法,严重制约了ISAF算法的实际应用.分析发现,在ISAF算法中密度函数计算是影响重构速度的主要瓶颈之一.针对上述问题,文中提出一种密度函数快速计算模型,该模型包括三个组成部分:球坐标系网格点密度函数快速计算方法、"球坐标系—直角坐标系"网格点密度函数转换方法、基于两阶段映射法的快速对称映射方法.该模型可以将密度函数计算阶段的时间复杂度由O[(LM)8]降低到O[(LM)7].采用Psv-F病毒数据进行实验,结果表明,在保证精度的前提下,该模型可以将密度函数的计算速度提高2个数量级,将三维重构整体速度提高30倍左右,并且随着数据规模的增大、重构精度的提高,该模型带来的加速比将进一步增大.     

热红外双通道差分模型交叉定标

通过对水体目标热红外辐射传输方程进行推导和变换,建立热红外双通道交叉定标差分模型,克服辐射传输模拟法定标过程中不能真实反映成像时大气条件的不足,提高定标精度.地表、大气和表观能量解析表明,待定通道表观亮温是参考通道表观亮温的差分组合,差分模型避开了成像时大气分层温度和密度状态的影响,唯一需要考虑的是水汽吸收的影响.通过对742条中纬度TIGR大气廓线数据（柱水汽含量范围0～5×103atmcm）的拟合误差分析表明,当参考通道和待定通道观测天顶角在30？以内时,差分模型对水汽含量大小并不敏感,最大误差在0.2K以内,40？以内时最大误差在0.3K,50？以内时最大误差在0.6K,当超过50？时误差不确定性增加,因此差分模型最佳观测角度在30？以内而不要超过50？.青海湖场地替代定标结果作为真值的精度验证表明,以MODISB31,32作为参考通道对IRSB08通道进行的差分模型交叉定标精度与场地替代定标精度一致,差分模型可以作为在轨传感器一种高精度和高频率的替代定标和真实性检验的手段.     

高精度光学元件控时磨削方法研究

高精度、大口径光学元件的需求量与日俱增,传统铣磨-研抛-修形工艺路线因其较低的加工效率面临挑战.为提高光学元件制造效率,使其能快速达到最终修形工序的入口条件,本文将柔性砂带磨削工具引入光学确定性加工.通过研究光学元件控时磨削材料去除机理,提出一种新的材料去除方法,通过控制关键加工参数,成功获得了高效可控的去除函数.根据理论分析搭建了光学元件控时磨削样机,在一块200 mm×200 mm的平面微晶玻璃上进行控时磨削实验.结果表明面形误差由2.31μm PV、0.38μm RMS收敛至1.76μm PV、0.27μm RMS,过程用时仅53 min,效率为同尺寸磁流变抛光轮的10倍以上.控时磨削在修形同时可将微晶玻璃的毛面迅速抛亮,满足波面干涉测量要求.结果验证了光学元件高效控时磨削方法误差收敛的可行性,有望大幅缩短最终修形工艺前的研磨抛光加工周期.