發(fā)布時間：2016-05-13 08:48

第1章 緒 論

慣性器件主要包括陀螺儀、加速度計和陀螺穩(wěn)定平臺等慣性測量裝置，是飛機、導(dǎo)彈、運載火箭和其它航空航天飛行器制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的核心部件[1]。慣性器件為飛行器建立方位和姿態(tài)基準(zhǔn)，用來測量飛行器相對慣性空間運動的角度、角速度和加速度等參量。高精度的慣性導(dǎo)航技術(shù)已成為軍用裝備中的支撐技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)，而慣導(dǎo)器件中的核心微構(gòu)件的性能直接決定整個慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航精度及可靠性[2-3]。本課題研究的高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)中高彈性合金微構(gòu)件的薄壁特征尺寸為 8μm，尺寸精度±1μm，如圖 1-1 所示，該構(gòu)件在某新型高精度慣性儀表中成對使用，要求其力學(xué)性能指標(biāo)保持一致[4]。目前的微細(xì)加工方法各自均具有不同程度的局限性，嚴(yán)重制約了新型慣性器件的研究進(jìn)展[5]。為此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)王波教授課題組率先提出了超精密微細(xì)銑削加工與超精密微細(xì)研拋加工相結(jié)合的復(fù)合加工工藝方案，即采用微細(xì)銑削技術(shù)將線切割后的微構(gòu)件加工至設(shè)計尺寸精度、形位精度要求，再利用微細(xì)研拋技術(shù)去除精密銑削過程中產(chǎn)生的表面變質(zhì)層[6]。該課題組成功研制了超精密微細(xì)銑削機床及超精密微細(xì)研拋機床，該復(fù)合加工工藝方案及裝備已應(yīng)用于微薄壁結(jié)構(gòu)零件的實際生產(chǎn)中，成功實現(xiàn)了該薄壁微構(gòu)件的 3-D 結(jié)構(gòu)的高精度確定性加工，將該零件的成品率從 20%提升至 80%。

第2章 微構(gòu)件力學(xué)性能測試裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 引言
慣導(dǎo)系統(tǒng)中的微構(gòu)件在工作中承受沖擊和振動載荷，在其彈性范圍內(nèi)不斷地進(jìn)行加載及卸載[44]。該微構(gòu)件的彈性模量、斷裂強度、屈服強度及疲勞特性等重要力學(xué)性能直接決定了慣導(dǎo)系統(tǒng)的使用性能。因此，針對該構(gòu)件的微小尺寸特征、力學(xué)特性及使用工況，力學(xué)性能測試裝置必須具有以下性能要求：（1）能夠?qū)崿F(xiàn)微米尺度構(gòu)件的力學(xué)性能測試。（2）測試裝置的加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、力與位移檢測系統(tǒng)、夾持機構(gòu)等，必須與微小試件相匹配。（3）不僅實現(xiàn)靜態(tài)參量測量，而且實現(xiàn)對疲勞特性的探究。（4）高精度。力檢測分辨率達(dá)到毫牛級，位移檢測的分辨率達(dá)到納米級。（5）復(fù)合加載，在一定程度上模擬微構(gòu)件的實際工況。（6）便于夾持，易于對中。

2.2 微構(gòu)件力學(xué)性能測試系統(tǒng)工作原理
為了滿足上述性能要求，該測試裝置將微拉伸測試法與微橋動態(tài)測試法相結(jié)合，測試原理圖見圖 2-1。在待測微構(gòu)件的中心區(qū)域施加一定頻率的交變載荷，實現(xiàn)對微構(gòu)件的動態(tài)加載，動態(tài)測試完成后，再對構(gòu)件進(jìn)行微拉伸測試，從而獲得該構(gòu)件的重要力學(xué)性能參量。該方法不僅能直接對微構(gòu)件進(jìn)行微拉伸測試，實現(xiàn)靜態(tài)力學(xué)參量的測量，而且可以選擇復(fù)合測試模式，即將動態(tài)測試與靜態(tài)測試進(jìn)行結(jié)合，拉-壓復(fù)合載荷可在一定程度上模擬該構(gòu)件實際工況，從而實現(xiàn)對疲勞特性的探究。測試裝置采用模塊化的設(shè)計理念，由微拉伸測試系統(tǒng)、微橋動態(tài)測試系統(tǒng)、原位觀測系統(tǒng)、信號采集與控制系統(tǒng)及機械輔助系統(tǒng)等五大部分組成，原理框圖如圖 2-2 所示。

第 3 章 微構(gòu)件力學(xué)性能測試裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計.............................................33

3.1 引言 ....................................... 33

3.2 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計 ........................................... 33

3.3 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成............................................. 34

第 4 章 微構(gòu)件力學(xué)性能測試實驗技術(shù)研究 .............................................50

4.1 引言 .......................................... 50

4.2 微位移驅(qū)動單元特性分析 ...................................... 50

4.3 力傳感器標(biāo)定........................................... 53

結(jié) 論...............................................72

第4章 微構(gòu)件力學(xué)性能測試實驗技術(shù)研究

4.1 引言
微構(gòu)件力學(xué)性能測試實驗技術(shù)研究主要包括兩方面內(nèi)容。測試裝置的實驗技術(shù)研究：研究重點是對各部件特性分別進(jìn)行測試實驗，對檢測裝置進(jìn)行標(biāo)定，對裝置整體性能進(jìn)行標(biāo)定；基于該測試系統(tǒng)對待測試件進(jìn)行實驗測試，對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，驗證其可靠性。微構(gòu)件的力學(xué)性能實驗研究：合理設(shè)計并完成試件的制作；基于該測試系統(tǒng)對待測試件進(jìn)行實驗測試，對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，探究加工工藝對微構(gòu)件力學(xué)性能的影響，并對微構(gòu)件的疲勞特性進(jìn)行探究。實驗技術(shù)路線如圖 4-1 所示。

4.2 微位移驅(qū)動單元特性分析
微動臺開環(huán)位移特性測試。由于壓電晶體的晶粒之間存在內(nèi)摩擦力，在施加電場后，極化不能立即完成，因而產(chǎn)生一定的滯后，致使壓電陶瓷的升壓位移曲線與降壓位移曲線不重合，這種現(xiàn)象叫做遲滯[55,56]。精密驅(qū)動單元裝配完成后，對其進(jìn)行開環(huán)遲滯特性測試，有利于對驅(qū)動單元的控制。遲滯特性實驗的裝置圖見圖 4-2，測試時，將待測微動臺固定在隔振平臺上，采用信號發(fā)生器與壓電陶瓷電源對精密驅(qū)動單元的進(jìn)行電壓的加載，位移檢測采用德國米尼公司研發(fā)的激光測微儀（ILD2220-2LL），實驗裝置圖如圖所示。壓電陶瓷兩端電壓初始值為0.0 V，終止值為 120.0 V，電壓步長 5.0 V/步。位移特性曲線見圖 4-3。
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結(jié) 論

本文針對慣導(dǎo)系統(tǒng)中薄壁微結(jié)構(gòu)零件在加載實驗中斷裂失效的問題，以微構(gòu)件力學(xué)性能的測試技術(shù)為切入點，，設(shè)計并實現(xiàn)了一種微構(gòu)件綜合力學(xué)性能測試系統(tǒng)，用于研究微構(gòu)件的力學(xué)性能，并對其材料變形、疲勞特性及失效機理進(jìn)行探究。本文主要完成了下列工作：（1）針對具有微槽結(jié)構(gòu)的薄壁微構(gòu)件，完成了微構(gòu)件力學(xué)性能測試裝置機械結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計與搭建，并對其關(guān)鍵部件進(jìn)行建模及校核計算。為后續(xù)研究奠定了硬件基礎(chǔ)。（2）完成了測試裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計與搭建，并基于 VB 語言自行設(shè)計了力學(xué)性能測試軟件。實現(xiàn)了對測試系統(tǒng)的精確控制及信號的采集與處理，解決了測試過程中涉及對象復(fù)雜、控制過程特殊的問題。（3）通過對測試裝置的實驗研究，驗證了該測試系統(tǒng)的可靠性。通過微構(gòu)件力學(xué)性能測試實驗技術(shù)研究，得到如下結(jié)論：微細(xì)銑削對微構(gòu)件力學(xué)性能影響顯著，經(jīng)微細(xì)銑削加工的微構(gòu)件的彈性模量提高近 72%；微細(xì)銑削后的微構(gòu)件的屈服強度與抗拉強度變低，數(shù)據(jù)一致性變差；微構(gòu)件的斷裂大多發(fā)生在靠近微槽側(cè)壁的區(qū)域；疲勞載荷的施加促使裂紋加速擴展，導(dǎo)致試件的力學(xué)性能變差。
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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：44526