基于FPGA的实时Pythagorean Hodograph曲线运动控制器的设计

提出了一种采用SOPC技术在单个FPGA芯片上构建的新型实时PH曲线运动控制器的架构;该运动控制器在QuartusⅡ9.0中设计,由一个NiosⅡ软核处理器和多个功能模块构成;它通过采用二次插补方式以减少PH曲线插补的计算量;NiosⅡ处理器执行主控程序和PH曲线粗插补算法,FPGA硬件逻辑执行精插补算法并输出两组用于控制执行机构(XY工作台)的控制脉冲;实验数据表明,该运动控制器完成恒进给速度的单次PH曲线插补的平均耗时均小于2ms,终点坐标的定位误差均低于0.0079mm。     

基于NURBS曲线直接插补算法的嵌入式数控系统设计与实现

提出了一种结合486SX级别的X86微处理器和可编程逻辑器件CPLD两级控制的嵌入式数控系统设计方案,阐述了该系统的硬件接口电路设计;提出了基于改进S形加减速的NURBS曲线直接插补算法,在满足最大弦高误差、最大法向加速度以及最大进给速度要求的情况下,对插补曲线的加速段和减速段进行速度规划。最后采用基于该插补算法的嵌入式数控系统,在半圆形毛坯上进行了五角星NURBS曲线的实际加工,验证了所设计嵌入式数控系统的可行性和有效性,具有一定的工程应用价值。     

多模调制曲面超精密加工轨迹优化技术

研究了采用单点金刚石超精密车削加工技术(SPDT)加工多模调制曲面过程中的刀具轨迹优化方法,首先,分析了SPDT方法加工多模调制曲面的基本原理;其次,理论分析了平行弦双圆弧插补算法的基本原理,推导了插补误差计算公式。在此基础上,提出采用插补步长伸缩变化方式实现了插补误差的动态控制,并获得了完整的插补计算公式;最后,采用Matlab软件对该插补算法进行了实例仿真分析,并分别与直线插补算法和固定步长双圆弧插补算法进行了对比分析,结果表明,该方法能在保证插补允差的前提下最大程度的减少插补区间数,从而有助于提高加工效率和延长刀具寿命。该方法在调制靶金属模板的制备中获得了广泛应用。     

超声辅助滚压系统的设计与研究*

鉴于风力发电机组主轴的复杂工作情况和疲劳断裂失效形式,提出一种基于表面强化技术的超声辅助滚压加工系统;首先基于运动合成原理,获得了滚轮接触线的运动轨迹特征,并应用ANSYS/LS-DYNA软件分析了加工过程的特点;之后,基于一维振动理论、等效波长理论与牛顿迭代理论,推导了并求解了复合变幅杆的频率方程,实现了该复合变幅杆的纵向振动。通过对该变幅杆进行有限元仿真分析与振动特性测试,结果表明二者相对设计频率的偏差仅在0.817％以内。最后,通过对40Cr主轴进行超声辅助滚压测试,结果获得了粗糙度Ra 0.085μm和表面硬度32.2HRC的加工表面,较普通滚压加工粗糙度降低了69.1％,显微硬度提高了60％。     

超声弯曲模式变幅杆的振动分析

介绍了用传递矩阵分析超声弯曲变幅杆的方法,推导了变幅杆的频率方程、放大系数、形状因子的表达式。作为方法的应用例,对圆锥形变幅杆进行了一些数值计算。最后进行了验证。结果表明传递矩阵法是弯曲变幅杆分析的有效方法。     

超声变幅杆设计用表的计算机编制(Ⅰ)

本文介绍定义三个新系数——半波谐振长度系数、位移节点长度系数、应变极大点长度系数,对一般使用的超声变幅杆设计计算公式和方程作适当交换,使其只含直径比一个自变量,进而用电子计算机编制设计用表的方法和结果.第(1)部分介绍指数型、圆锥型、悬链线型和两段等长圆柱的阶梯型半波谐振空载变幅杆计算公式和方程的变换、数字计算结果概述及设计用表的使用举例.     

超声辅助滚压系统研究

鉴于风力发电机组主轴的复杂工作情况和疲劳断裂失效形式,提出一种基于表面强化技术的超声辅助滚压加工系统。首先基于运动合成原理,获得了滚轮接触线的运动轨迹特征,并应用ANSYS/LS-DYNA软件分析了加工过程的特点。之后,基于一维振动理论、等效波长理论与牛顿迭代理论,推导并求解了复合变幅杆的频率方程,实现了该复合变幅杆的纵向振动。通过对该变幅杆进行有限元仿真分析与振动特性测试,结果表明二者相对设计频率的偏差仅在0.817%以内。最后,通过对40Cr主轴进行超声辅助滚压测试,获得了粗糙度Ra 0.085μm和表面硬度32.2 HRC的加工表面,较普通滚压加工粗糙度降低了69.1%,显微硬度提高了60%。     

带有锥形孔的复合变幅杆设计及动态分析

在超声振动拉丝加工过程中,为了实现线材的顺利拉拔,需要应用带有锥形孔的复合变幅杆。为此,本文基于等效四端网络与传输矩阵法,建立了带锥形孔圆锥变幅杆的传输矩阵,推导出带锥形孔圆锥过渡复合变幅杆的频率方程的一般公式。根据推导出的频率方程,应用区间搜索法和牛顿迭代法获取了准确的数值解,实现了该复合变幅杆的纵向振动。之后,应用有限元软件Ansys对设计出的复合变幅杆分别进行模态分析和动力学特性分析,获得了各段不同长度下复合变幅杆谐振频率、放大系数以及最大应力值的变化规律。最后,对制造出的复合变幅杆进行阻抗与振动性能测试,结果表明其频率准确,且振幅比较稳定。     

使用Inventor软件的超声变幅杆模态分析

使用Inventor软件建立超声变幅杆三维实体模型,并利用软件中集成的ANSYS有限元分析模块对其进行了模态分析,得到变幅杆各阶振型和纵向振动固有频率。分析结果表明,固有频率的模态分析值与实测值接近。Inventor软件将形状设计与力学分析集为一体,方便了变幅杆的设计。     

超声变幅杆性能参数的计算机辅助计算

本文在分析计算变幅杆性能参数的共性的基础上，给出了一种算法，能够快速计算任意级复合变幅杆的性能参数，绘出应力及位移分布。编制了相应的计算程序，该程序界面友好，为复杂变幅杆的设计、优化以及性能参数的计算提供了方便。     

Theoretical assessment of the errors involved in ultrasonic location and sizing of molten weld pools

Ultrasonic transit times may be used to locate the interface between molten weld metal and parent plate as a weld is formed. These transit times will lead to errors in interpretation of the location of the weld interface if account is not taken of the variation of ultrasonic velocity with temperature. We assess the magnitude of these errors using a theoretical model based on the Green's function to obtain the temperature distribution at any time and then convert the temperatures into elastic constants through empirical fits to high temperature data. A ray tracing method and a semi-analytical approach are used to estimate the effects of the changes in elastic constants on the ray paths and transit times. From these theoretical predictions we conclude that the location errors incurred by assuming ultrasonic velocities appropriate to cold metal are less than 0.5 mm for a 3.5 mm radius weld in austenitic steel or in iron. Experimental values tend to be larger than this, possibly suggesting that the solid-liquid interface is not as perfect as in the theoretical model. Under all of the conditions investigated, predicted errors are smaller with compression waves than with shear waves.     

光学加工过程中高次非球面的三坐标测量数据处理

三坐标轮廓检测是大口径高次非球面确定性加工过程中的主要面形测量手段。由于原始三坐标数据包含较大的检测误差,无法直接应用于加工过程,本文提出了一组数据处理算法对误差进行全面去除。首先,对获取的检测数据采用基于球心曲面重建的测头半径补偿算法进行测头半径误差补偿,然后对补偿后数据进行坐标系旋转平移误差去除,最后对提取的检测面形残差进行基于KNN的残差噪点过滤。其中,提出的基于球心曲面重建的测头半径补偿算法通过引入一个高精度的测头球心包络面拟合模型,来计算各检测点的测头半径补偿向量,仿真实验证明:算法补偿精度达到RMS<4 nm;提出的基于KNN的残差噪点过滤算法,通过采用插值方法提高样本空间密度和优化噪声度量值的计算,提高了噪点的识别敏感度并实现了噪点的自动化去除。最终根据整个误差清理算法构建了检测点云处理软件,应用实践表明其有效提高了镜面加工过程中检测点云的数据处理精度和效率。     

摄影测量图像处理的高精度误差补偿法

在高精度的摄影测量中,图像处理精度对整体测量精度起着至关重要的作用,但成像过程中摄像机对特征点图像的离散化采样,会造成图像与原始信号的失真,从而带来图像处理环节的误差。通过对图像处理过程中特征点总能量、能量分布弥散半径和图像处理窗口的特性分析,并以特征点中心位置、提取误差大小和能量密度函数的标准差之间关系为基础,提出一种针对离散化采样的误差补偿法。该方法仅需标定一次补偿参数,适用于所有摄像机和算法,可显著提升原有图像处理精度。实验证明,对于质心法和高斯拟合法,该补偿法可将图像提取精度提高到0.03pixel。     

超声辅助磨削杯形砂轮变幅器设计与试验*

超声辅助磨削在硬脆材料的加工中应用广泛。为研制以杯形砂轮为加工工具的超声辅助磨削主轴附件式工具系统,建立了杯形砂轮变幅器的理论模型,推导了其频率方程,并通过Matlab开发了杯形砂轮变幅器设计软件。利用该软件结合有限元分析对杯形砂轮变幅器进行了设计。将研制的杯形砂轮变幅器与BT40刀柄一体化外套筒、导电滑环装配组成了杯形砂轮超声辅助磨削主轴附件式工具系统。对该超声振动系统进行了阻抗分析试验及超声谐振试验,结果表明,该超声振动系统阻抗性能较好,能够使杯形砂轮产生稳定的超声振动,验证了所提出的设计方法的正确性,为主轴附件式超声磨削装置的设计提供了理论参考。     

光子晶体的非严格周期性对其传输特性的影响

将时域有限差分法(FDTD)用于光子晶体传输特性研究。以二维方格子光子晶体TM模为研究对象。分别讨论了光子晶体制作过程中圆柱半径和品格常量误差对光子晶体传输特性和光子晶体器件性能的影响。研究表明。圆柱半径和品格常量的误差越大。光子晶体的带隙效果越差。在一定的误差范围里,光子晶体的传输特性能够被很好地保持;由于误差的存在,光子晶体点缺陷所形成的微腔的共振频率位置与理想情况发生了漂移;加工精度误差对光子晶体器件性能有较大影响。     

扇形腔旭日型磁控管结构的理论分析与数字模拟

利用场分析法推导了扇形腔旭日型磁控管的色散关系, 通过CST模拟软件验证了理论推导的正确性, 分析了扇形腔旭日型磁控管的各项结构参数对π 模截止频率和模式分隔度的影响. 研究表明: 色散关系的理论值与模拟值之间的最大相对误差不到3%, π 模截止频率的理论值与模拟值之间的最大相对误差不到1%; π 模截止频率f_πc与阴极半径R_c, 阳极半径R_a, 大腔张角2θ₁成正比关系, 与小腔半径R_d0, 大腔半径R_d1, 小腔张角2θ₀成反比关系, 这一定性结论与同腔型磁控管的定性结论并不完全一致; 在径向比较上, 结构参数对频率的影响由大到小依次为: 阳极半径, 大腔半径, 小腔半径和阴极半径; 在角向比较上, 大腔张角对频率的影响较大, 小腔张角对频率的影响较小; 另外, 模式分隔度γ 与大腔半径R_d1成正比关系, 与阴极半径R_c, 小腔半径R_d0, 小腔张角2θ₀成反比关系, 随阳极半径R_a或大腔张角2θ₁的增大先增大后减小. 关键词： 旭日型磁控管 扇形谐振腔 色散关系 场分析法     

On-Line Particle Size Analysis Using Ultrasonic Velocity Spectrometry

A new method is described for the determination of particle size distribution of slurries based on ultrasonic velocity spectrometry combined with gamma-ray transmission. This method shares the advantages of ultrasonic attenuation spectroscopy of being capable of analyzing highly concentrated samples without dilution. However the ultrasonic velocity method is better suited to fine particles of diameter from about 0.1 to 30 μm, a greater volume of slurry is analysed and therefore sampling errors are reduced, and precise theoretical models are readily available to permit the accurate determination of size distribution by inversion of ultrasonic velocity measurements. The method can also be used to accurately determine particle size cut points by linear correlation. Using either inversion or correlation methods, the accuracy of particle size information from ultrasonic velocity spectroscopy is significantly enhanced by the independent measurement of solids loading by gamma-ray transmission. In addition, larger sizes can be measured by combining the ultrasonic velocity method with ultrasonic attenuation measurements. The method has been tested in the laboratory on a wide variety of mineral and paint slurries. The method determined the size distribution of single component silica and alumina samples in water in agreement with laser diffraction measurements and the method successfully distinguished well and poorly dispersed TiO₂ suspensions. For composite samples the method discriminated separate TiO₂ and CaCO₃, components and determined their proportions to within 0.25% volume. In addition the method, in combination with ultrasonic attenuation measurements, determined the size fractions of iron ore slurries below 10 and 30 μm to within 1.3% and 1.0% relative respectively, when compared with laser diffraction measurement of particle size. The CSIRO is presently designing an industrial gauge which will be manufactured and installed in an industrial slurry stream in 1997.     

光纤陀螺惯导系统航位推算误差补偿方法研究

 针对惯导系统定位误差随时间积累而增大的缺点,提出利用航位推算方法进行误差补偿。在航位推算中根据引起误差的主要因素推导出位置误差方程,以此方程为依据,建立相应的卡尔曼滤波器。将惯导系统速度与航位推算速度之差作为滤波器的输入,估计系统的姿态、速度、位置及里程计刻度系数误差值,并通过闭环反馈进行实时误差补偿修正。任选2条非闭合路径进行跑车实验,第一条路径定位误差补偿修正前是3.49‰,补偿修正后定位误差是2.3‰,第二条路径补偿修正前定位误差是2.4‰,补偿修正后定位误差是2‰。实验结果表明：采用航位推算误差补偿方法可以有效降低系统定位误差。     

应用超声光栅测量变压器油中超声波速度

近几十年来,由于压电换能原件效率的提高和低噪声的集成元件放大器的应用,超声波传感器在变压器的在线监测及局部放电检测中得到广泛的应用．准确测量变压器油中超声波的传播速度,对变压器局部放电检测研究具有非常重要的意义．根据超声波在液体中传播时能够形成超声光栅的特点,介绍了一种应用分光计精确测量变压器油中超声波速度的方法．实验测得29．3℃时变压器油中超声波速度为1432m／s,与超声手册中标准值符合得很好,相对误差仅为0．5％．该方法有助于提高变压器在线监测及局部放电检测的精确度．     

Review on second-harmonic generation of ultrasonic guided waves in solid media (I):Theoretical analyses

Considering the high sensitivity of the nonlinear ultrasonic measurement technique and great advantages of the guided wave testing method, the use of nonlinear ultrasonic guided waves provides a promising means for evaluating and characterizing the hidden and/or inaccessible damage/degradation in solid media. Increasing attention on the development of the testing method based on nonlinear ultrasonic guided waves is largely attributed to the theoretical advances of nonlinear guided waves propagation in solid media. One of the typical acoustic nonlinear responses is the generation of second harmonics that can be used to effectively evaluate damage/degradation in materials/structures. In this paper, the theoretical progress of second-harmonic generation (SHG) of ultrasonic guided wave propagation in solid media is reviewed. The advances and developments of theoretical investigations on the effect of SHG of ultrasonic guided wave propagation in different structures are addressed. Some obscure understandings and the ideas in dispute are also discussed.