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最新刊期
2023 年 第 1 期
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自主可控可编程控制系统架构与关键技术
摘要：为了打破国外对制造装备核心基础控制部件-可编程控制系统的技术封锁，突破涵盖机械、电子、计算机、总线通信等多学科融合的复杂技术体系，响应“中国制造2025”和“工业强基工程”的自主可控发展目标。通过对可编程控制系统发展历程和技术体系的分析，提出了一种基于实时以太网现场总线的可编程控制系统的构成方案，说明了构成方案中现场总线、主从站硬件、软件集成开发环境、人机组态软件等组件的工作原理和关键技术，以实现自主可控，从建立研发技术生态角度提出了各关键技术的解决思路和方法，为我国装备制造业的安全和稳定发展提供了参考。关键词：可编程控制系统;中国制造2025;自主可控;工业控制技术生态- 204
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发布时间：2023-02-07 -
实时以太网总线控制器设计
摘要：在总线式控制系统中，现场总线的传输速率和同步精度是影响多轴协同加工任务完成速度和精度的关键因素。为满足高速、高精制造装备对控制系统现场总线传输速率、同步精度的性能要求，解决工业通信总线信息安全问题，以国产FPGA芯片为平台，设计符合IEEE802.3规范的通用以太网接口电路，构建线型级联网络拓扑架构。通过研究工业控制过程数据与服务数据的通道传输原理，提出了一种通道映射的数据传输方法，使总线数据的传输效率得到提升。采用分布式时钟同步机制，利用时间戳计算网络传输延时和时间偏移，通过对总线控制器进行补偿达到同步控制的目的。实验结果表明，所设计的高精度同步实时以太网总线控制器，在100 Mb/s以太网链路中最小通信周期可达250 μs，网络各节点的同步精度小于50 ns，达到国际先进水平。关键词：总线式控制系统;实时以太网总线;现场可编程门阵列;通道映射;时钟同步- 148
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发布时间：2023-02-07 -
控制系统主站编程工具开发
摘要：主站编程工具是可编程控制系统整体逻辑功能、运动控制功能程序可视化设计、下载、运行的重要功能组成部分。为打破国外对工业控制软件平台的垄断，形成服务于自主可控可编程控制系统的安全可信的主站编程工具，研究了软件功能架构、系统功能插件、主站运行时、安全功能库的设计方法。根据开源的集成开发环境工作原理，提出了一种基于IEC61131-3的主站编程工具软件架构。从生成代码完整性的角度对集成开发环境中总线组态、数据访问系统插件进行设计，并对主站代码执行的运行时间的功能架构以及各功能组件进行设计，形成了功能完善的编程工具链。最后以两个基本安全功能为例，分析了IEC61800-5-2功能安全基础库的集成开发方法。实验结果表明，本文设计的主站编程工具具有可视化编程、下载、运行等功能，基本满足自主可控可编程控制系统的程序开发需求。关键词：可编程控制系统;IEC61131-3;集成开发环境;运行时间;功能安全- 93
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发布时间：2023-02-07 -
安全集成伺服电机驱动模块设计
摘要：为了避免装备制造过程中机械部件发生不期望的运动而导致的安全事故，根据IEC61800-5-2标准对伺服驱动模块功能安全集成设计方法进行研究。通过分析伺服驱动数学模型、硬件构成、功能架构，明确了伺服驱动模块原理。根据其原理讨论了伺服驱动模块的失效机理、失效方式以及失效对系统的影响，并建立了基于参数约束的安全运行区间，可对伺服驱动模块危险失效进行主动监测。然后，通过对IEC61800-5-2建议的17项安全功能的特性分析，设计了安全相关系统架构，提出了基于对象字典的安全功能集成方法，可根据具体的安全要求实现安全功能的配置。最后，搭建实验平台并设计典型安全逻辑，对安全集成方法进行验证。实验结果表明，所提出的功能安全集成方法能够通过配置有效地实现IEC61800-5-2建议的安全功能，满足伺服驱动模块对安全功能的通用化需求。关键词：伺服驱动;功能安全;IEC61800-5-2;安全集成- 119
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发布时间：2023-02-07 -
机电装备运动控制软件功能库开发
摘要：运动控制功能库是集成在可编程集成环境中的标准功能块集合，对于快速开发可重构PAC系统具有重要意义。为解决功能块的快速开发和控制系统的标准化开发问题，对功能块开发方法和关键技术进行研究，提出了一种基于PLCopen规范的运动控制功能库架构及其快速开发方法。对经典机电设备的伺服控制原理进行研究和分析，在国产编程开发工具上开发了一系列运动控制功能库。然后，基于“软件定义机器”思想，利用图形化的编程方式构建机电装备的运动控制系统，并在高精度旋转双棱镜等平台上进行验证。实验结果表明，所开发的功能块及系统能够完成目标运动，且自主可控系统的插补精度达到0.3 mm。因此，本文所提出的功能块的开发方法和功能库架构能够满足大部分机电设备的控制需要。关键词：运动控制;自主可控;软件定义机器;旋转双棱镜- 116
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发布时间：2023-02-07
制造装备可编程控制系统自主可控关键技术
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用于高速碰撞过程拍摄的5万帧摄像系统设计
摘要：为了近距离清晰拍摄某高速运动目标的碰撞过程，研究了一种高帧频摄像系统。由于摄像系统的前端可能遭受碰撞碎片的损坏，研究了一种保护窗组件。针对成像单元的FPGA在极端高温+70 ℃时温度过高的问题，研究了一种导热装置。采用七组成像单元在顺序脉冲的控制下接续拍摄的方法，实现了5万帧/秒的高帧频成像。保护窗组件采用了三组保护窗玻璃自动移动更换且可自锁的形式，采用蜗轮蜗杆传动机构实现了大传动比驱动和自锁功能，采用霍尔传感器对保护窗的位置进行实时反馈。导热装置中间部分采用了柔性的高热导率石墨板，既有效地将FPGA的热量传导至主壳体上，又解决了装调节环节中刚性导热装置的过定位问题。对装配好的高帧频摄像系统进行了相关的力、热实验。实验结果表明，保护窗组件自锁和移动切换功能正常，高帧频摄像工作正常，实测拍摄帧频为50 050 帧/秒，满足近距离清晰拍摄某高速运动目标碰撞过程的要求，具备一定的防护能力和热环境适应能力。关键词：摄像系统;高帧频;保护窗;蜗轮蜗杆;热设计;石墨膜- 137
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发布时间：2023-02-07 -
调频连续波激光雷达及数据采集信号链噪声分析
摘要：在调频连续波激光雷达中，用于中频信号采集的模拟-数字采集模块是其关键组件，信噪比、信纳比、无杂散动态范围等参数是衡量该数据采集信号链交流特性的重要指标，直接决定着调频连续波激光雷达的探测范围和测距精度等性能。设计了用于调频连续波激光雷达的中频信号采集模块，获得49.13 dB的信噪比和48.90 dB的信纳比；然后研究了其噪声特性，获得系统的主要噪声来源为采样时钟的相位噪声，并且通过引入数字滤波器将信噪比和信纳比分别提升11.38 dB和11.32 dB，理论上激光雷达的探测范围提高3.7倍。可通过采用专业时钟芯片降低噪声，经计算可将信噪比提高8.65 dB；最后，搭建了光学相控阵调频连续波激光雷达系统，验证了数据采样模块的有效性，完成了40 m距离的探测，最大测量误差为7.7 cm，最大探测范围为133.67 m。关键词：激光雷达;调频连续波;ADC信号链;噪声分析- 196
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发布时间：2023-02-07 -
光纤阵列准直器设计及其发散角测量
摘要：传统基于单个固定折射率透镜和渐变式折射率透镜制备光纤阵列准直器的方法，存在阵元数扩展困难、封装工艺复杂且集成化困难等缺点。利用光学微透镜易阵列化且阵元特性一致性好等优点，提出了基于平凸微透镜阵列制备光纤阵列准直器的方法。根据高斯光学和矩阵光学理论，对光纤阵列准直器的准直特性进行了理论分析和仿真，确定了光纤阵列准直器的相关设计参数，据此加工制备了四阵元一维排布光纤阵列准直器，其阵元间距为250 μm。通过远场光斑法对光纤阵列准直器的主要性能参数远场发散角进行了测量，并采用蒙特卡洛法对测量不确定度进行了分析与评定。光纤阵列准直器各通道远场发散角的测量值分别为0.69°，0.67°，0.71°，0.68°，测量扩展不确定度为0.02°，该测量结果在设计容差（0.68±0.03）°之内。该光纤阵列准直器具有良好的准直特性，能够满足光纤通信系统中光纤阵列准直器小型化和集成化的需求。关键词：光纤通信;光纤阵列准直器;微透镜阵列;远场发散角;不确定度分析- 313
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发布时间：2023-02-07
现代应用光学
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单晶硅激光辅助超精密切削工艺优化与表面特性
摘要：为了获得优化的单晶硅激光辅助超精密切削工艺，探究切削加工后单晶硅元件的表面特性，采用正交实验方法对单晶硅的激光原位辅助单点金刚石切削工艺参数进行优化，并对切削加工单晶硅表面质量、面形精度、残余应力和光学透过率等表面特性进行了测量与分析。通过正交实验数据的表面粗糙度方差分析和信噪比分析，获得的优化工艺参数组合为主轴转速为1 500 r/min、进给速率为5 mm/min、切削深度为3 μm、激光功率为4.5 W。采用上述工艺参数加工的165 mm口径单晶硅非球面光学元件的表面粗糙度和面形精度PV分别为2.74 nm和0.52 μm。激光辅助切削加工后的单晶硅表面存在（-1 760.8±362.1） MPa的残余压应力。激光辅助超精密切削加工的单晶硅光学元件在3~5 μm中红外波段镀膜前后的透过率分别为55%和98%，折射率为3.43。实验结果表明，激光辅助超精密切削技术可作为单晶硅光学元件的半精加工或最终精加工工序，以提升复杂面形单晶硅元件的制造效率。关键词：激光辅助超精密切削;单晶硅;工艺优化;表面粗糙度;面形精度;残余应力;透过率- 360
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发布时间：2023-02-07 -
宽束离子束刻蚀快速加工金属纳米间隙结构
摘要：提出并演示了利用宽束离子束刻蚀方法一次性对多个杠铃形金属纳米结构进行“横向抽减”，形成极小纳米间隙，从而实现多个金属纳米间隙结构的快速加工。利用电子束曝光定义图形化抗蚀剂结构，通过传统的金属沉积和湿法剥离将抗蚀剂图案转移至杠铃形金属纳米结构，最后使用宽束离子束刻蚀进行修剪。实验表明，精确控制刻蚀时间可以使杠铃形结构的两个纳米天线间的间隙距离达到10 nm以下，通过结合基于HSQ负性抗蚀剂的图案化工艺，可在HSQ纳米模板上制得悬空金属纳米间隙结构。利用表面结构形貌表征获得刻蚀过程中纳米结构的形态演变规律，并通过系统的实验和模拟验证了悬空金属间隙结构用于表面增强拉曼散射的优势。该方案为多个极小金属纳米间隙结构的一次成型提供了新的思路，在大面积拉曼传感衬底的低成本高效制备方面具有可观的应用前景。关键词：离子束刻蚀;电子束曝光;金属纳米间隙;亚10 nm;拉曼检测- 132
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发布时间：2023-02-07 -
离面位移激励下微视觉运动追踪精度劣化特性
摘要：为在微米级尺度量化表述离面位移激励值-聚焦面内微视觉运动追踪精度劣化值的映射特性，使用光学显微镜、工业相机和空间纳米定位平台进行实验研究。首先，分析离面位移的形成机理，使用方差函数评价图像清晰度，搜索最佳对焦平面并设定为聚焦平面，作为计算离面位移的基准。其次，设计空间多自由度纳米台，将其末端执行器作为微视觉追踪目标，生成聚焦平面内的运动轨迹，同时同步生成可控可测的离面位移。然后，选取灰度值模板匹配法与感兴趣区域划分法作为当前微视觉运动追踪算法，测量聚焦面内的运动轨迹。最后，加工纳米台样机，搭建微视觉运动追踪系统，使用电容传感器作为评价手段，计算不同离面位移引起的微视觉运动追踪精度劣化数值。实验结果表明，微视觉运动追踪精度随着离面位移的增大而不断劣化，具有显著且可量化的相关性。针对给定的76.1 μm×63.7 μm视场、15 Hz采样率与灰度值模板匹配法，（7.7±2.5） μm或更大的离面位移导致微视觉测量系统完全失效。关键词：微视觉运动追踪;离面位移;精度劣化;纳米定位平台- 122
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发布时间：2023-02-07 -
基于热传导和卷积神经网络的磨床主轴热误差预测
摘要：热变形是影响磨床加工精度的主要因素，严重制约了机床精度的进一步提高。为了提高热误差预测的精度，提出了一种基于热传导和卷积神经网络的磨床主轴热误差预测方法。根据热传导理论推导出主轴表面和外部环境的温差和热变量的映射关系，揭示了材料热变形本质。然后，建立了以温差为输入和主轴热变形量为输出的神经网络热误差预测模型。该模型拥有4个神经网络层，分别对应温差、热能增量、时间变量以及热变形量。运用反向传播算法对该预测模型进行训练并计算模型参数。最后，基于SINUMERIK 840D数控控制器开发了一套磨床主轴热误差补偿系统，并在某一数控磨床上进行了验证。结果表明，通过主轴热误差补偿后，磨床的加工精度提升了41.7%，验证了本文提出的主轴热误差预测模型的有效性和可行性。关键词：热传导;热误差;反向传播算法;神经网络;磨床主轴- 142
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发布时间：2023-02-07
微纳技术与精密机械
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