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《长春工业大学》 2017年
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飞秒激光双光子聚合大面积结构化加工控制系统的研究

高瑞  
【摘要】:微纳米精度级别的加工技术目前已经被用于航空航天、组织工程、生物医疗、微纳机电系统、微流控器件、微纳光学器件、生物芯片、新材料和新能源等诸多领域。其中飞秒激光双光子聚合(Two-Photon Polymerization,简称TPP)微纳米加工技术能够制备微纳米级的三维立体结构,是当今先进制造技术中超精密加工的研究热点之一。由于复杂三维微纳米结构有着巨大的产业需求,随之对微纳结构器件的加工精度等关键技术指标提出的要求越来越苛刻。因此飞秒激光双光子聚合微纳米加工系统的研究是目前急需解决的问题,国内目前的加工系统多处于实验研究阶段,其所能加工的工件尺寸精度、加工速度、三维结构的加工能力都有很大的限制,尚且没有推出成型的加工设备系统。本文在此基础上,实验室自主研制出一套飞秒激光双光子聚合大面积快速结构化加工系统,有效提高了飞秒激光微纳加工的质量和效果,为之后飞秒激光双光子聚合加工技术的研究提供了保障。论文的主要研究内容如下:(1)实验室自主研制的飞秒激光双光子聚合大面积快速结构化加工系统,包括激光光路系统、宏-微定位系统、二维X-Y振镜系统、激光快门和实时监测系统。整个加工系统用大理石床身和气浮平台作为减振装置,以减小加工过程中的颤振对加工效果的影响。(2)以基于Aerotech的A3200系统为基础,通过虚拟仪器平台LabVIEW开发,实现了飞秒激光双光子聚合大面积快速结构化加工系统的联动控制。从而极大提升了加工的效率,保证了加工精度,同时使加工系统具备了加工复杂三维立体结构的能力。(3)以加工系统中的宏-微定位系统为分析对象,建立动力学模型,利用滑模变结构控制算法,对宏-微定位系统进行了控制律运算和控制器设计,通过滑模控制器对其加工过程进行滑模控制,提高了加工精度。同时运用Matlab中Simulink模块进行了仿真分析,验证了控制器的有效性,并在后续进行了实验验证。(4)利用加工系统进行多组实验,验证了该系统的加工能力,在实现系统整体的联动控制和对宏-微定位系统进行滑模控制后,加工效果有明显提高和改善。
【学位授予单位】:长春工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TP273;TN249

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