第1章 緒 論

慣性器件主要包括陀螺儀、加速度計(jì)和陀螺穩(wěn)定平臺(tái)等慣性測(cè)量裝置，是飛機(jī)、導(dǎo)彈、運(yùn)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(lái)測(cè)量飛行器相對(duì)慣性空間運(yùn)動(dòng)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(gè)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(duì)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(jì)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(guò)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(jī)床及超精密微細(xì)研拋機(jī)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(shí)際生產(chǎn)中，成功實(shí)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(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(dòng)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(qiáng)度、屈服強(qiáng)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(duì)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(cè)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(cè)試。（2）測(cè)試裝置的加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、力與位移檢測(cè)系統(tǒng)、夾持機(jī)構(gòu)等，必須與微小試件相匹配。（3）不僅實(shí)現(xiàn)靜態(tài)參量測(cè)量，而且實(shí)現(xiàn)對(duì)疲勞特性的探究。（4）高精度。力檢測(cè)分辨率達(dá)到毫牛級(jí)，位移檢測(cè)的分辨率達(dá)到納米級(jí)。（5）復(fù)合加載，在一定程度上模擬微構(gòu)件的實(shí)際工況。（6）便于夾持，易于對(duì)中。

2.2 微構(gòu)件力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)工作原理
為了滿足上述性能要求，該測(cè)試裝置將微拉伸測(cè)試法與微橋動(dòng)態(tài)測(cè)試法相結(jié)合，測(cè)試原理圖見圖 2-1。在待測(cè)微構(gòu)件的中心區(qū)域施加一定頻率的交變載荷，實(shí)現(xiàn)對(duì)微構(gòu)件的動(dòng)態(tài)加載，動(dòng)態(tài)測(cè)試完成后，再對(duì)構(gòu)件進(jìn)行微拉伸測(cè)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(duì)微構(gòu)件進(jìn)行微拉伸測(cè)試，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)力學(xué)參量的測(cè)量，而且可以選擇復(fù)合測(cè)試模式，即將動(dòng)態(tài)測(cè)試與靜態(tài)測(cè)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(shí)際工況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)疲勞特性的探究。測(cè)試裝置采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，由微拉伸測(cè)試系統(tǒng)、微橋動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)、原位觀測(cè)系統(tǒng)、信號(hào)采集與控制系統(tǒng)及機(jī)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(cè)試裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).............................................33

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

3.2 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) ........................................... 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(cè)試實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究 .............................................50

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

4.2 微位移驅(qū)動(dòng)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(cè)試實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究

4.1 引言
微構(gòu)件力學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究主要包括兩方面內(nèi)容。測(cè)試裝置的實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究：研究重點(diǎn)是對(duì)各部件特性分別進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，對(duì)檢測(cè)裝置進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)裝置整體性能進(jìn)行標(biāo)定；基于該測(cè)試系統(tǒng)對(duì)待測(cè)試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證其可靠性。微構(gòu)件的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究：合理設(shè)計(jì)并完成試件的制作；基于該測(cè)試系統(tǒng)對(duì)待測(cè)試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，探究加工工藝對(duì)微構(gòu)件力學(xué)性能的影響，并對(duì)微構(gòu)件的疲勞特性進(jìn)行探究。實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線如圖 4-1 所示。

4.2 微位移驅(qū)動(dòng)單元特性分析
微動(dòng)臺(tái)開環(huán)位移特性測(cè)試。由于壓電晶體的晶粒之間存在內(nèi)摩擦力，在施加電場(chǎng)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(dòng)單元裝配完成后，對(duì)其進(jìn)行開環(huán)遲滯特性測(cè)試，有利于對(duì)驅(qū)動(dòng)單元的控制。遲滯特性實(shí)驗(yàn)的裝置圖見圖 4-2，測(cè)試時(shí)，將待測(cè)微動(dòng)臺(tái)固定在隔振平臺(tái)上，采用信號(hào)發(fā)生器與壓電陶瓷電源對(duì)精密驅(qū)動(dòng)單元的進(jìn)行電壓的加載，位移檢測(cè)采用德國(guó)米尼公司研發(fā)的激光測(cè)微儀（ILD2220-2LL），實(shí)驗(yàn)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(zhǎng) 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(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)中薄壁微結(jié)構(gòu)零件在加載實(shí)驗(yàn)中斷裂失效的問(wèn)題，以微構(gòu)件力學(xué)性能的測(cè)試技術(shù)為切入點(diǎn)，，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種微構(gòu)件綜合力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)，用于研究微構(gòu)件的力學(xué)性能，并對(duì)其材料變形、疲勞特性及失效機(jī)理進(jìn)行探究。本文主要完成了下列工作：（1）針對(duì)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(cè)試裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)與搭建，并對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行建模及校核計(jì)算。為后續(xù)研究奠定了硬件基礎(chǔ)。（2）完成了測(cè)試裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建，并基于 VB 語(yǔ)言自行設(shè)計(jì)了力學(xué)性能測(cè)試軟件。實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的精確控制及信號(hào)的采集與處理，解決了測(cè)試過(guò)程中涉及對(duì)象復(fù)雜、控制過(guò)程特殊的問(wèn)題。（3）通過(guò)對(duì)測(cè)試裝置的實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了該測(cè)試系統(tǒng)的可靠性。通過(guò)微構(gòu)件力學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究，得到如下結(jié)論：微細(xì)銑削對(duì)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(qiáng)度與抗拉強(qiáng)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(kuò)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(hào)：44526