机器人控制技术论文篇二 智能控制在机器人技术中的应用 摘要：机器人的智能从无到有、从低级到高级，随着科学技术的进步而不断深人发展。计算机技术、 网络技术 、人工智能、新材料和MEMS技术的发展，智能化、网络化、微型化发展趋势凸显出来。本文主要探讨智能控制在机器人技术中的应用。 关键词：智能控制 机器人 技术 1、引言 工业机器人是一个复杂的非线性、强耦合、多变量的动态系统，运行时常具有不确定性，而用现有的机器人动力学模型的先验知识常常难以建立其精确的数学模型，即使建立某种模型，也很复杂、计算量大，不能满足机器人实时控制的要求。智能控制的出现为解决机器人控制中存在的一些问题提供了新的途径。由于智能控制具有整体优化，不依赖对象模型，自学习和自适应等特性，用它解决机器人等复杂控制问题，可以取得良好效果。 2、智能机器人的概述 提起智能机器人，很容易让人联想到人工智能。人工智能有生物学模拟学派、心理学派和行为主义学派三种不同的学派。在20世纪50年代中期，行为主义学派一直占统治地位。行为主义学派的学者们认为人类的大部分知识是不能用数学方法精确描述的，提出了用符号在计算机上表达知识的符号推理系统，即专家系统。专家系统用规则或语义网来表示知识规则。但人类的某些知识并不能用显式规则来描述，因此，专家系统曾一度陷人困境。近年来神经网络技术取得一定突破，使生物模拟学派活跃起来。智能机器人是人工智能研究的载体，但两者之间存在很大的差异。例如，对于智能装配机器人而言，要求它通过视觉系统获取图纸上的装配信息，通过分析，发现并找到所需工件，按正确的装配顺序把工件一一装配上。因此，智能机器人需要具备知识的表达与获取技术，要为装配做出规划。同时，在发现和寻找工件时需要利用模式识别技术，找到图样上的工件。装配是一个复杂的工艺，它可能要采用力与位置的混合控制技术，还可能为机器人的本体装上柔性手腕，才能完成任务，这又是机构学问题。智能机器人涉及的面广，技术要求高，是高新技术的综合体。那么，到底什么是智能机器人呢?到目前为止，国际上对智能机器人仍没有统一的定义。一般认为，智能机器人是具有感知、思维和动作的机器。所谓感知，即指发现、认识和描述外部环境和自身状态的能力。如装配作业，它要能找到和识别所要的工件，需要利用视觉传感器来感知工件。同时，为了接近工件，智能机器人需要在非结构化的环境中，认识瘴碍物并实现避障移动。这些都依赖于智能机器人的感觉系统，即各种各样的传感器。所谓思维，是指机器人自身具有解决问题的能力。比如，装配机器人可以根据设计要求，为一个复杂机器找到零件的装配办法及顺序，指挥执行机构，即动作部分去装配完成这个机器，动作是指机器人具有可以完成作业的机构和驱动装置。因此，智能机器人是一个复杂的软件、硬件的综合体。虽然对智能机器人没有统一的定义，但通过对具体智能机器人的考察，还是有一个感性认识的。 3、智能机器人的体系结构 智能机器人的体系结构主要包括硬件系统和软件系统两 个方面。由于智能机器人的使用目的不同，硬件系统的构成也不尽相同。结构是以人为原型设计的。系统主要包括视觉系统、行走机构、机械手、控制系统和人机接口。如图1所示： 视觉系统 智能机器人利用人工视觉系统来模拟人的眼睛。视觉系统可分为图像获取、图像处理、图像理解3个部分。视觉传感器是将景物的光信号转换成电信号的器件。早期智能机器人使用光导摄像机作为机器人的视觉传感器。近年来，固态视觉传感器，如电荷耦合器件CCD、金属氧化物半导体CMOS器件。同电视摄像机相比，固体视觉传感器体积小、质量轻，因此得到广泛的应用。视觉传感器得到的电信号经过A/D转换成数字信号，即数字图像。单个视觉传感器只能获取平面图像，无法获取深度或距离信息。目前正在研究用双目立体视觉或距离传感.器来获取三维立体视觉信息。但至今还没有一种简单实用的装置。数字图像经过处理，提取特征，然后由图像理解部分识别外界的景物。 行走机构 智能机器人的行走机构有轮式、履带式或爬行式以及类人型的两足式。目前大多数智能机器人.采用轮式、履带式或爬行式行走机构，实现起来简单方便。1987年开始出现两足机器人，随后相继研制了四足、六足机器人。让机器人像人类一样行走，是科学家一直追求的梦想。 机械手 智能机器人可以借用工业机器人的机械手结构。但手的自由度需要增加，而且还要配备触觉、压觉、力觉和滑觉等传感器以便产生柔软、.灵活、可靠的动作，完成复杂作业。 控制系统 智能机器人多传感器信息的融合、运动规划、环境建模、智能推理等需要大量的内存和高速、实时处理能力。现在的冯?诺曼结构作为智能机器人的控制器仍然力不从心。随着光子计算机和并行处理结构的出现，智能机器人的处理能力会更高。机器人会出现更高的钾能。 人机接口 智能机器人的人机接口包括机器人会说、会听以及网络接日、话筒、扬声器、语音合成和识别系统，使机器人能够听懂人类的指令，能与人以自然语言进行交流。机器人还需要具有网络接n，人可以通过网络和通讯技术对机器.人进行控制和操作。 随着智能机器人研究的不断深入、越来越多的各种各样的传感器被使用，信息融合、规划，问题求解，运动学与动力学计算等单元技术不断提高，使智能机器人整体智能能力不断增强，同时也使其系统结构变得复杂。智能机器人是一个多CPU的复杂系统，它必然是分成若干模块或分层递阶结构。在这个结构中，功能如何分解、时间关系如何确定、空间资源如何分配等问题，都是直接影响整个系统智能能力的关键问题。同时为了保证智能系统的扩展，便于技术的更新，要求系统的结构具有一定开放性，从而保证智能能力不断增强，新的或更多传感器可以进入，各种算法可以组合使用口这便使体系结构本身变成了一个要研究解决的复杂问题。智能机器人的体系结构是定义一个智能机器人系统各部分之间相互关系和功能分配，确定一个智能机器人或多个智能机器人系统的信息流通关系和逻辑上的计算结构。对于一个具体的机器人而言，可以说就是这个机器人信息处理和控制系统的总体结构，它不包括这个机器人的机械结构内容。事实上，任何一个机器人都有自己的体系结构。目前，大多数工业机器人的控制系统为两层结构，上层负责运动学计算和人机交互，下层负责对各个关节进行伺服控制。 参考文献： [1]左敏，曾广平. 基于平行进化的机器人智能控制研究[J]. 计算机仿真，2011，08：15-16. [2]陈赜，司匡书. 全自主类人机器人的智能控制系统设计[J]. 伺服控制，2009，02：76-78. [3]康雅微. 移动机器人马达的智能控制[J]. 装备制造技术，：102-103. 看了“机器人控制技术论文”的人还看： 1. 搬运机器人技术论文 2. 机电控制技术论文 3. 关于机器人的科技论文 4. 工业机器人技术论文范文(2) 5. 机器人科技论文
《模具工业》2001. No . 4 总 242 40激 光 加 工 技 术 在 模 具 制 造 中 的 应 用江苏理工大学(江苏镇江 212013) 张 莹 周建忠 戴亚春[摘要]随着激光加工技术的日趋成熟和工业用大功率激光设备价格的逐渐下降 ,给产品和模具的制造工艺带来了新的变革 ,在模具制造、 模具表面强化与维修、 取代模具等 3个方面 ,就激光优化模具制造工艺作了较为详细的分析和探讨。关键词 模具 激光 工艺优化[ Abstract ]Wi t h t he mat uri ng of t he las e r p r oces si ng t echnology and t he dec r easi ng of p rice of t hei ndus t rial la r ge - p owe r las e r e quipme nt , a new i nnovat ion was br ought t o t he manuf act uri ngt echnology of t he p r oduct s and t he dies and moulds . A r elat ively de t ailed analysis and dis cus sionwas made on t he las e r op t imized manuf act uri ng p r oces s f or dies and moulds f r om t hr e e asp ect s ofmanuf act uri ng , s urf ace r ei nf orceme nt and mai nt e nance , and s ubs t i t ut ive dies or moulds .Key words die and mould , las e r , t echnological p r oces s op t imizat ion1 引 言激烈的市场竞争使制造企业对快速响应市场需求和一次制造成功等要求日益迫切。而在常规制造系统中 , 产品生产所需大量模具的设计、制造和装配调试不仅耗费大量资金 , 更严重的是延长了产品生产的准备时间 , 从而延长了新产品开发周期 ,形成制造过程中的瓶颈。因此 , 如何快速有效地制造出高质量、低成本的模具及产品 , 就成为人们不断探索的课题。随着激光加工技术的日趋成熟和工业用大功率激光器设备价格的下降 , 给产品和模具制造工艺带来了重大变革。本文在模具制造、模具表面强化与维修、取代模具等 3个方面 , 就激光加工在模具制造中的应用作一些探讨。2 模具制造2. 1 模具的激光叠加制造1982年 ,日本东京大学的中川教授等人提出用薄片叠加法制造拉伸模 , 1985年 , 美国加州某公司推出了模具的激光叠加制造法 , 并获得专利 , 其工艺流程见图 1 ,原理为将激光切割的多层薄板叠加 ,并使其形状逐渐发生变化 , 最终获得所需的模具立体几何形状。日本在冲模的激光叠加制造方面已达到实用阶段 ,所制的凸、 凹模质量高 ,加工尺寸精度— — —— — —— — —— — —— — —— — ——收稿日期:2000年8月10日已达 ±0. 01mm ,切割厚度为 12mm。 经激光切割后 ,在切口表面形成深 0. 1～0. 2mm、 硬度为 800HV 的硬化层 ,用来冲裁 1mm 厚的钢板 ,单凭自冷硬化层就可冲压 10 000 件 , 如在激光切割后再经火焰淬火 ,则可冲压 3～5万件。 由于各薄板间的连接简单 ,故用叠加法制作冲模 ,成本可降低一半 ,生产周期大大缩短。用来制造复合模、落料模和级进模等都取得了显著的经济效益。图 1 激光叠加模具制造工艺流程由模具 CAD 和激光切割相结合构成一个完整的模具 CAD/ CAM 系统 ,实现板料切割的 FMS ,适用于多品种小批量生产。用激光切割的薄板来叠加合成任意三维曲面的制造系统 , 不仅为在塑性加工和模具领域中实行 FMS 提供了思路 , 而且对于内部结构复杂的模具制造 ,如型孔、 中孔体及复杂的冷却管道等 ,也是快速而经济的制造模具的有效方法 ,并且能带动其他技术如固相扩散等的发展。2. 2 快速模具制造模具 CAD三维设计二维外形NC 程序激光切割去除梯级创层面精加工成形模具装配薄片连结精加工NC 程序模 具 制 造 技 术《模具工业》2001. No . 4 总 242 41快速成型制造技术(RPM)是 80年代后期出现的一项制造技术 , 目前 RPM 技术已发展了十几种工艺方法。基于 RPM 技术快速制造模具的方法多为间接制模法 , 即利用 RPM 原型间接地翻制模具。(1) 软质简易模具 (如汽车覆盖件模具) 的制作。采用硅橡胶、低熔点合金等将原型准确复制成模具 , 或对原型表面用金属喷涂法或物理蒸发沉积法镀上一层熔点极低的合金来制作模具。这些简易模具的寿命为 50～5 000件 ,由于其制造成本低 ,制作周期短 , 特别适用于产品试制阶段的小批量生产。(2) 钢质模具制作。RPM 原型 — — — 三维砂轮— — — 整体石墨电极 — — — 钢模 ,一个中等大小、 较为复杂的电极一般 4～8h 即可完成。 美国福特汽车公司用此技术制造汽车覆盖件模具取得了满意的效果 ,与传统机械加工制作模具相比 , 快速模具制造省去了耗时、 昂贵的 CNC加工 ,加工成本及周期大大降低 ,具有广阔的应用前景。3 模具表面强化与修复为提高模具的使用寿命 , 常常需对模具表面进行强化处理。常用的模具表面强化处理工艺有化学处理 (如渗碳、 碳氮共渗等) 、 表层复合处理 (如堆焊、 热喷涂、 电火花表面强化、 PVD 和 CVD 等) 以及表面加工强化处理(如喷丸等) 。这些方法大多工艺较为复杂 , 处理周期较长 , 且处理后存在较大的变形。采用激光技术来强化和修复模具 , 具有柔性大 , 表面硬度高 , 工艺周期短 , 工作环境洁净等优点 ,因此具有很强的生命力。3. 1 激光相变硬化激光相变硬化 (激光淬火) 是利用激光辐照到金属表面 , 使其表面以很高的升温速度达到相变温度 (但低于熔化温度) 而形成奥氏体 ,当激光束离开后 , 利用金属表面本身热传导而发生自淬火 , 使金属表面发生马氏体转变 , 形成硬度高、抗磨损的表层 , 从而使金属表面得到强化。所用设备为三轴联动的数控激光加工机。影响激光强化的主要因素有激光功率、光斑尺寸和扫描速度。在强化过程中要对这些参数进行优化 , 并对具体材料选择合适的激光处理参数。对于CrWMn、 Cr12MoV、 Cr12、 T10A 及 Cr-Mo 铸铁等的常用模具材料 , 在激光处理后 , 其组织性能较常规热处理普遍改善。 例如 ,CrWMn 钢在常规加热时易在奥氏体晶界上形成网状的二次碳化物 , 显著增加工件脆性 ,降低冲击韧性 ,使用在模具刃口或关键部位寿命较低。采用激光淬火后可获得细马氏体和弥散分布的碳化物颗粒 ,清除网状 ,并获得最大硬化层深度以及最大硬度 1 017. 2HV。Cr12MoV 钢激光淬火后的硬度、抗塑性变形和抗粘磨损能力均较常规热处理有所提高。对 T8A 钢制造的凸模和Cr12Mo 钢制造的凹模 ,激光硬化深 0. 12mm ,硬度1 200HV , 寿命提高 4～6倍 , 既由冲压 2万件提高到 10～14万件。 对于 T10钢 ,激光淬火后可获得硬度 1 024HV、 深 0. 55mm 的硬化层;对于 Cr12 ,激光淬火后可获得硬度 1 000HV、 深 0. 4mm 的硬化层 ,使用寿命均得到了较大的提高。3. 2 激光涂覆激光涂覆是用激光在基体表面覆盖一层薄的具有一定性能的涂覆材料 , 这类材料可以是金属或合金 ,也可以是非金属 ,还可以是化合物及其混合物。在涂覆过程中 , 涂覆层在激光作用下与基体表面通过熔合迅速结合在一起。它与激光合金化的主要区别在于经激光作用后涂层的化学成分基本上不变化 , 基体的成分基本上不进入涂层内。激光涂覆工艺实用的材料范围很广 , 正在研究的母体材料有低碳钢、 合金钢、 铸铁、 镍铬钛耐热合金等 ,研究的添加材料有钴基合金、 铁基合金和镍基合金等。采用激光技术在有送粉器的 2kW CO2 激光器上 , 对 4Cr5MoV1Si 钢基体表面涂覆一层由镍基高温合金和 WC + W2C 粒子组成的高温耐磨合金粉末 ,在激光功率 P = 1 500W ,送粉量为 10g/ min ,工件移动速度为 2～3mm/ s 条件下 ,获得多道搭接的大面积高温耐磨合金。 在试验温度为 600℃ 时 ,硬度为 550～580HV0 .2 ; 在温度为 950℃时 , 硬度为100～200HV0 .2。 可见在 1 000℃ 左右高温下 ,涂覆层仍有很高的强硬性 , 是较理想的高温模具耐磨合金。另外 , 采用激光涂覆方法来修复已磨损的冲模及拉伸模等 ,可大大延长模具的使用寿命 ,降低模具的使用成本。3. 3 激光堆焊对于一些汽车覆盖件冲裁修边模具 , 为提高使用寿命 ,节省优质模具材料 ,刃口往往采用在较差的基体材料上堆焊一层性能优异的合金。 过去 ,堆焊大多采用人工氧 — 乙炔火焰堆焊法 ,这种方法虽然设备《模具工业》2001. No . 4 总 242 42费用低 ,但功率密度不高(102～103W/ cm 2) ,且难以进行精确控制 , 因而堆焊质量和生产率都较低。70年代以来 , 开发成功了等离子粉末堆焊技术 , 由于其具有较高的功率密度且控制性能也较好 , 因而得到了广泛的应用。但等离子堆焊存在着电极寿命短、 堆焊层母材稀释率较高等问题。80年代以来出现的激光堆焊法与使用同一材料的氧 —乙炔火焰堆焊法相比 ,激光堆焊层组织细微、 致密 ,不良品率仅为前者的 1/ 10。激光堆焊的速度快 ,生产率比氧— 乙炔火焰堆焊高 1. 75倍 , 而堆焊的材料使用量仅为其 1/ 2。而且激光堆焊层的室温硬度比氧 — 乙炔火焰堆焊的高 50HV 左右。 激光堆焊质量与激光的光束模式、 功率及堆焊速度等因素有关。4 激光加工替代模具冲压加工4. 1 激光切割替代薄板件的冲裁模激光切割替代钣金件及汽车车身制造中的冲裁修边模大有可为。三维激光切割技术 , 由于其本身具有加工灵活和保证质量的特性 , 在 80 年代就开始在汽车车身制造中应用。切割时只需用平直的支撑块来支撑工件 , 因此夹具的制作不仅成本低而且快速。由于与 CAD/ CAM 技术相结合 ,切割过程易于控制 , 可实现连续生产和并行加工 , 从而实现高效率的切割生产。切割板材所使用的激光器主要有两大类 , 即CO2 激光器和 Nd : YA G激光器 ,功率为 100～1 500W , 因为功率小于 1 500W 的激光器其振动模式为单模 , 切缝宽度为 0. 1～0. 2mm , 切割面也很整洁 ,而输出功率大于 1 500W 时激光器的振动模式为多模 , 割缝宽度近 1mm , 切割面质量较差。因 Nd :YA G的激光可通过光导纤维输送 , 比较灵活方便 ,适用于机器人手执激光喷嘴配程序控制进行精确操作 , 因此在三维切割时大多采用。影响激光切割工件质量的主要因素有切割速度、焦点位置、辅助气体压力、 激光输出功率及模式。美国福特和通用汽车公司以及日本的丰田、日产等汽车公司 , 在汽车生产线上普遍采用激光切割技术 , 它不必采用各种规格的金属模具 , 除了快速方便地切割各种不同形状的坯料外 , 还用来大量切割加工因规格不同需要更改的零件安装孔位置 , 如汽车标志灯、 车架、 车身两侧装饰线等。通用汽车公司生产的卡车仅车门就有直径为 <2. 8～<39mm 的20种孔 , 公司采用 Rofin- Sinar 的 500W 激光器通过光纤连接到装在机械手的焊头上 , 用以切割这些孔 ,1min 就完成一扇门开孔的加工 ,孔边缘光滑 ,背面平整 。<2. 8mm 孔的公差为 0. 03～0. 08mm ,<12mm 孔的公差为 - 0. 25mm～ + 0. 03mm。该公司生产的卡车和客车有 89 种孔径和孔位配置不同的底盘 ,经过优化设计 ,现在只需要冲压 5种不同的底盘 ,然后再由激光切割出配置不同的孔 ,简化了工艺 ,提高了效率 ,降低了成本。我国自然科学基金委在 1997 年把大功率 CO2及 YA G激光三维焊接和切割理论与技术作为重点项目进行资助 , 国家产学研激光技术中心的课题组成员对此进行了系统的研究 , 为在我国汽车车身制造业中应用三维激光立体加工技术做出了很大贡献。该中心为一汽轿车公司、宝山钢铁公司等国有大型企业的技术改造开展了重大工程项目攻关 , 其中开发红旗加长型轿车覆盖件的三维激光制造工艺技术 , 在我国轿车生产中是首次采用。在汽车用薄厚钢板激光大拼板拼接工艺试验研究中首次采用了激光切割替代精裁工艺技术 , 取得了较好的技术经济效果。三维激光切割在车身装配后的加工也十分有用 ,例如开行李架固定孔、 顶盖滑轨孔、 天线安装孔、修改车轮挡泥板形状等。在新车试制中用于切割轮廓和修正 ,既缩短了试制周期又节省了模具 ,充分体现出采用激光切割加工的优点。4. 2 激光打标替代冲模打标企业在其生产的零部件上常常需要打上企业自己的标志或特定的符号与数字 , 以往的方法是使用冲模打标或用铸模成型 , 打标质量不高。采用数控激光机打标不仅速度快 , 而且克服了冲模打标中常见的毛边、尖锐的边缘和畸变。由于采用计算机控制 , 因此可以打出任意复杂的图案 , 省去了模具设计、 制造及调试等环节 ,大大缩短了产品的开发制造周期 , 同时也降低了成本。因激光打标机所需功率小 ,成本低 ,打出的标记美观、 漂亮 ,现已为大多数企业所采用。4. 3 激光成形替代弯曲模成形金属板料的激光成形技术是一种利用聚焦光束以一定的速度扫描金属板料表面 (扫描速度应足够快以防止表面熔化) ,使热作用区内的材料产生明显的温度梯度 ,导致非均匀分布的热应力 ,从而使板料塑性变形的方法。与常规成形方法相比 , 激光成形《模具工业》2001. No . 4 总 242 43具有许多优点: ① 属于无模成形 ,生产周期短 ,柔性大 , 可不受加工环境限制 , 通过优化激光加工工艺参数 , 精确控制热作用区域以及热应力的分布 , 将板料无模成形; ② 因其是一种仅靠热应力而不用模具使板料变形的塑性加工方法 , 因此属无外力成形; ③ 为非接触式成形 ,所以不存在模具制作、 磨损和润滑等问题 ,也不存在贴模、 回弹现象 ,成形精度高; ④ 可使板料通过复合成形得到形状复杂的异形件(如球形件、 锥形件和抛物形件等) 。激光成形机理的实质就是弯曲机理。当激光加热板料时 , 一方面在激光作用区及其周围产生热应力 , 同时降低了被加热区域板料的屈服极根 , 从而使热应力作用区的热态材料产生非均匀的塑性变形 ,实现板料的弯曲成形。试验表明 ,激光每扫描一道次 ,金属板料可弯曲 1° ～5° ,不同的扫描轨迹和工艺参数组合能够产生不同的成形效果和不同程度的变形量 , 即可得到各种复杂形状的工件。图 2表示在工艺参数为激光速功率 1. 5kW , 激光束直径5. 4mm , 材料 SUS304 , 厚 1mm , 碳涂覆面的条件下 ,激光扫面速度与材料弯曲角之间的变化关系。图 2 激光扫描速度对弯曲角的影响现在世界上许多国家都投入较大的人力、物力对激光成形技术进行专项研究 , 在某些领域现已开始了初步的工业应用。波兰基础技术研究所的HFrackiewicz 教授利用激光成形先后制造出了筒形件、 球形件、 波纹管和金属管的扩口缩口、 弯曲成形等;德国学者 MGeiger 等将激光成形与其他加工工序复合运用于汽车制造业 , 进行了汽车覆盖件的柔性校平和其他成形件的成形 , 而且对弯曲成形过程进行计算机闭环控制 , 提高了成形精度。德国Trumpf 公司于 1997 年开发了商品化激光成形多用机床 Trumat ic L 3030。 相信随着研究的不断深入以及其他相关技术的发展 , 激光成形技术将逐趋成熟 ,进入实用化阶段。5 结束语激光加工技术作为一种先进的加工工艺 , 在国外各行业已得到了广泛的应用 ,我国机械行业在 “九五”期间也将其作为十大技术之一。国家自然科学基金委也把激光加工工艺和激光加工设备的研究作为重点研究项目进行资助 , 并明确指出其主要应用领域应该在汽车制造业。模具作为一种工具 , 其生产周期、质量和成本直接影响产品的制造过程和销售。而激光作为一种万能加工工具 , 在减少模具制造装备 ,缩短模具制造周期 ,降低制造成本和保证模具质量等方面具有很大的优势。如何在实际生产中应用激光加工技术来优化模具制造工艺 , 对传统的模具制造工艺进行改进和组合 , 需要我们做出不断的努力。参 考 文 献1 陈大明 ,徐有容 . 模具钢表面激光熔覆硬面合金层改性研究.金属热处理 ,1998 , (1)2 李懦荀 ,平雪良.连续激光强化模具刃口的工艺研究.电加工 ,1995 , (6)3 孙中发 . 我国激光产业发展对策.上海交通大学学报 ,1997 , (10)4 曹 能 ,冯 梅.激光加工技术在汽车工业中的应用 ,宝钢技术 ,1998 , (3)5 管延锦 ,孙升.激光快速成形与制造技术及其在汽车工业中的应用.汽车工艺与材料 ,1999 , (9)6 A Domenico . 加工汽车车身部件的三维激光切割技术 .机电信息 ,1999 , (6)7 周建忠 ,袁国定.应用激光强化技术提高覆盖件模具寿命.模具工业 ,2000 , (4)8 胡晓峰 . 基于数控激光切割的快速制模方法研究 . 江苏理工大学硕士论文 , M Geiger ,F Voll tert sen. 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激光引导搬运机器人是一种能够通过激光雷达实现自主导航和定位的机器人，具有以下意义：1. 提高生产效率：激光引导搬运机器人可以自主规划路径和避开障碍物，实现自动化搬运和运输，从而提高生产效率和降低劳动成本。2. 降低人工操作风险：激光引导搬运机器人可以代替人工进行危险、繁琐、重复性的操作，避免工人在作业过程中受到伤害和疲劳，提高工作安全性。3. 提高产品质量：激光引导搬运机器人可以实现高精度的定位和搬运，避免了人工操作中出现的误差和偏差，从而提高产品质量。4. 降低能源消耗：激光引导搬运机器人可以根据实际需要进行路径规划和控制，避免了不必要的能源浪费和资源浪费，从而实现了能源的节约和环保。综上所述，激光引导搬运机器人的意义在于提高生产效率、降低人工操作风险、提高产品质量、降低能源消耗等方面，具有广泛的应用前景和发展潜力。
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数字化家庭是未来智能小区系统的基本单元。所谓“数字化家庭”就是基于家庭内部提供覆盖整个家庭的智能化服务，包括数据通信、家庭娱乐和信息家电控制功能。 数字化家庭设计的一项主要内容是通信功能的实现，包括家庭与外界的通信及家庭内部相关设施之间的通信。从现在的发展来看，外部的通信主要通过宽带接入。intenet，而家庭内部的通信，笔者采用目前比较具有竞争力的蓝牙(bluetootlh)无线接入技术。 传统的数字化家庭采用pc进行总体控制，缺乏人性化。笔者根据人工情感的思想设计一种配备多种外部传感器的智能机器人，将此智能机器人视作家庭成员，通过它实现对数字化家庭的控制。 本文主要就智能机器人在数字化家庭医疗保健方面的应用进行模型设计，在智能机器人与医疗仪器和控制pc的通信采用蓝牙技术。整个系统的成本较低，功能较为全面，扩展应用非常广阔，具有极大的市场潜力。2 智能机器人的总体设计 2．1 智能机器人的多传感器系统 机器人智能技术中最为重要的相关领域是机器人的多感觉系统和多传感信息的集成与融合[1]，统称为智能系统的硬件和软件部分。视觉、听觉、力觉、触觉等外部传感器和机器人各关节的内部传感器信息融合使用，可使机器人完成实时图像传输、语音识别、景物辨别、定位、自动避障、目标物探测等重要功能；给机器人加上相关的医疗模块(ccd、camera、立体麦克风、图像采集卡等)和专用医疗传感器部件，再加上医疗专家系统就可以实现医疗保健和远程医疗监护功能。智能机器人的多传感器系统框图如图1所示。 2．2 智能机器人控制系统 机器人控制系统包含2部分：一是上位机，一般采用pc，它完成机器人的运动轨迹规划、传感器信息融合控制算法、视觉处理、人机接口及远程处理等任务；二是下位机，一般采用多单片机系统或dsp等作为控制器的核心部件，完成电机伺服控制、反馈处理、图像处理、语音识别和通信接口等功能。 如果采用多单片机系统作为下位机，每个处理器完成单一任务，通过信息交换和相互协调完成总体系统功能，但其在信号处理能力上明显有所欠缺。由于dsp擅长对信号的处理，而且对此智能机器人来说经常需要信号处理、图像处理和语音识别，所以采用dsp作为智能机器人控制系统的控制器[2]。 控制系统以dsp(tms320c54x)为核心部件，由蓝牙无线通信、gsm无线通信(支持gprs)、电机驱动、数字罗盘、感觉功能传感器(视觉和听觉等)、医疗传感器和多选一串口通信(rs-232)模块等组成，控制系统框图如图2所示。 (1)系统通过驱动电机和转向电机控制机器人的运动，转向电机利用数字罗盘的信息作为反馈量进行pid控制。 (2)采用爱立信(ericsson)公司的rokl01007型电路作为蓝牙无线通信模块，实现智能机器人与上位机pc的通信和与其他基于蓝牙模块的医疗保健仪器的通信。 (3)支持gprs的gsm无线通信模块支持数据、语音、短信息和传真服务，采用手机通信方式与远端医疗监控中心通信。 (4)由于tms320c54x只有1个串行口，而蓝牙模块、gsm无线模块、数字罗盘和视觉听觉等感觉功能传感器模块都是采用rs一232异步串行通信，所以必须设计1个多选一串口通信模块进行转换处理。当tms320c54x需要蓝牙无线通信模块的数据时通过电路选通；当t~ms320c54x需要某个传感器模块的数据时，关断上次无线通信模块的选通，同时选通该次传感器模块。这样，各个模块就完成了与1~ms320c54x的串口通信。3 主要医疗保健功能的实现 智能机器人对于数字化家庭的医疗保健可以提供如下的服务： (1)医疗监护 通过集成有蓝牙模块的医疗传感器对家庭成员的主要生理参数如心电、血压、体温、呼吸和血氧饱和度等进行实时检测，通过机器人的处理系统提供本地结果。 (2)远程诊断和会诊 通过机器人的视觉和听觉等感觉功能，将采集的视频、音频等数据结合各项生理参数数据传给远程医疗中心，由医疗中心的专家进行远程监控，结合医疗专家系统对家庭成员的健康状况进行会诊，即提供望(视频)、闻、问(音频)、切(各项生理参数)的服务[3]。 3．1机器人视觉与视频信号的传输 机器人采集的视频信号有2种作用：提供机器人视觉；将采集到的家庭成员的静态图像和动态画面传给远程医疗中心。 机器人视觉的作用是从3维环境图像中获得所需的信息并构造出环境对象的明确而有意义的描述。视觉包括3个过程： (1)图像获取。通过视觉传感器(立体影像的ccd camera)将3维环境图像转换为电信号。 (2)图像处理。图像到图像的变换，如特征提取。 (3)图像理解。在处理的基础上给出环境描述。 通过视频信号的传输，远程医疗中心的医生可以实时了解家庭成员的身体状况和精神状态。智能机器人根据医生的需要捕捉适合医疗保健和诊断需求的图像，有选择地传输高分辨率和低分辨率的图像。在医疗保健的过程中，对于图像传送有2种不同条件的需求： (1)医生观察家庭成员的皮肤、嘴唇、舌面、指甲和面部表情的颜色时，需要传送静态高清晰度彩色图像；采用的方法是间隔一段时间(例如5分钟)传送1幅高清晰度静态图像。 (2)医生借助动态画面查看家庭成员的身体移动能力时，可以传送分辨率较低和尺寸较小的图像，采用的方法是进行合理的压缩和恢复以保证实时性。 3．2机器人听觉与音频信号的传输 机器人采集的音频信号也有2种作用：一是提供机器人听觉；二是借助于音频信号，家庭成员可以和医生进行沟通，医生可以了解家庭成员的健康状况和心态。音频信号的传输为医生对家庭成员进行医疗保健提供了语言交流的途径。 机器人听觉是语音识别技术，医疗保健智能机器人带有各种声交互系统，能够按照家庭成员的命令进行医疗测试和监护，还可以按照家庭成员的命令做家务、控制数字化家电和照看病人等。 声音的获取采用多个立体麦克风。由于声音的频率范围大约是300hz一3400hz，过高或过低频率的声音在一般情况下是不需要传输的，所以只用传送频率范围在1000hz-3000hz的声音，医生和家庭成员就可以进行正常的交流，从而可以降低传输音频信号所占用的带宽，再采用合适的通信音频压缩协议即可满足实时音频的要求。智能机器人的听觉系统如图3所示。3．3各项生理信息的采集与传输 传统检测设备通过有线方式连到人体上进行生理信息的采集，各种连线容易使病人心情紧张，从而导致检测到的数据不准确。使用蓝牙技术可以很好地解决这个问题，带有蓝牙模块的医疗微型传感器安置在家庭成员身上，尽量使其不对人体正常活动产生干扰，再通过蓝牙技术将采集的数据传输到接收设备并对其进行处理。 在智能机器人上安装1个带有蓝牙模块的探测器作为接收设备，各种医疗传感器将采集到的生理信息数据通过蓝牙模块传输到探测器，探测器有2种工作方式：一是将数据交给智能机器人处理，提供本地结果；二是与internet连接(也可以通过gsm无线模块直接发回)，通过将数据传输到远程医疗中心，达到医疗保健与远程监护的目的。视频和音频数据的传输也采用这种方式。智能机器人的数据传输系统如图4所示。 4 蓝牙模块的应用 4．1蓝牙技术概况 蓝牙技术[4]是用于替代电缆或连线的短距离无线通信技术。它的载波选用全球公用的2．4ghz(实际射频通道为f=2402 k×1mhz，k=0，1，2，…，78)ism频带，并采用跳频方式来扩展频带，跳频速率为1600跳/s。可得到79个1mhz带宽的信道。蓝牙设备采用gfsk调制技术，通信速率为1mbit/s，实际有效速率最高可达721kbit/s，通信距离为10m，发射功率为1mw；当发射功率为100mw时，通信距离可达100m，可以满足数字化家庭的需要。 4．2蓝牙模块 rokl01007型蓝牙模块[5]是爱立信公司推出的适合于短距离通信的无线基带模块。它的集成度高、功耗小(射频功率为1mw)，支持所有的蓝牙协议，可嵌入任何需要蓝牙功能的设备中。该模块包括基带控制器、无线收发器、闪存、电源管理模块和时钟5个功能模块，可提供高至hci(主机控制接口)层的功能。单个蓝牙模块的结构如图5所示。 4．3主，从设备硬件组成 蓝牙技术支持点到点ppp(point-t0-point pro-tocol)和点对多点的通信，用无线方式将若干蓝牙设备连接成1个微微网[6]。每个微微网由1个主设备(master)和若干个从设备(slave)组成，从设备最多为7台。主设备负责通信协议的动作，mac地址用3位来表示，即在1个微微网内可寻址8个设备(互联的设备数量实际是没有限制的，只不过在同一时刻只能激活8个，其中1个为主，7个为从)。从设备受控于主设备。所有设备单元均采用同一跳频序列。 将带有蓝牙模块的微型医疗传感器作为从设备，将智能机器人上的带有蓝牙模块的探测器作为主设备。主从设备的硬件主要包括天线单元、功率放大模块、蓝牙模块、嵌入式微处理器系统、接口电路及一些辅助电路。主设备是整个蓝牙的核心部分，要完成各种不同通信协议之间的转换和信息共享，以及同外部通信之间的数据交换功能，同时还负责对各个从设备的管理和控制。 5 结束语 随着社会的进步，经济的发展和人民生活水平的提高，越来越多的人需要家庭医疗保健服务。文中提出的应用于数字化家庭医疗保健服务的智能机器人系统的功能较为全面，且在家用智能机器人、基于蓝牙技术的智能家居和数字化医院等方面的拓展应用非常广阔，具有极大的市场潜力。 更多论文请到文秘杂烩网 采纳哦
基于CPLD/FPGA的汽车 信号灯控制器设计 基于单片机的多功能数字电子钟设计 这两个还可以，基于单片机是数字钟用来做毕业设计还是可以，楼主若想在个人能力上有更大提高，可以在此同时 尝试下做 不用单片机的数字钟，采用74系列的芯片搭载。
随着社会的进步,工业的发展,我国机械制造业得到了巨大的发展。下文是我为大家整理的关于机械设计方面毕业论文例文参考的内容，欢迎大家阅读参考!
浅析大型机械驾驶室减振设计
摘要：本文概述了工程机械减振技术的发展概况，并以大型机械的驾驶室减振设计为背景，探讨了发动机悬置设计的基本原则，并对发动机减振的布置的力学特性进行分析，最后提出了以驾驶室模态试验为基础来检验现有类型的驾驶室的结构弱点检验和构件加强的方法。
关键词：机械 驾驶室 减振设计
1、概述
工程机械在水利工程、道路施工、矿山等场合得到大量的使用，其性能的可靠性直接影响到工程建设的正常开展。这类机械的设计时通常采用静态设计，设计理念上更多的是考虑机械的强度、耐久性等和机械的工作性质直接相关因素。但从实际使用情况来看，国产的大型工程机械普遍存在着施工过程中振动过大的问题，这将间接影响设备的抗疲劳特性和操作人员的舒适性和操作的稳定性。
由于工程机械的工作环境恶劣，车体结构的振动问题更加明显，直接影响到驾驶员的舒适性和驾驶的安全性。因此对于大型工程机械而言，控制车体振动尤其是驾驶室的振动，寻求有效的减震设计方法，对于提高驾驶员的舒适度和车体驾驶室构件的疲劳寿命都是有重要意义的。大型工程机械的振动控制问题是个非常复杂的问题，本文将这一问题缩小到驾驶室的减振设计上，主要通过发动机悬置位置的优化设计，以及基于模态分析和被动隔振理论来降低驾驶室的振动效应。
早期的汽车发动机减振方法是利用硫化橡胶，但硫化橡胶在耐油和耐高温方面表现不够理想。20世纪40年代设计出了液压悬置装置来降低发动机的振幅，并取得了较好的使用效果。但液压悬置减振装置在高频激励下会出现动态硬化的问题，已经逐渐不适应汽车发动机减振的要求。
上述几类减振方式都属于被动减振技术，在此基础上，随着发动机减振技术的进步，半主动减振技术开始应用到发动机减振中，这类减振技术的代表作是半主动控制式液压悬置装置，这类减振技术的应用最为广泛。尽管后来又出现了由被动减振器、激振器等所构成的主动减振技术，这一技术能够较好的实现降噪性能，但结构非常复杂，在恶劣工作环境下的工程车辆较少使用。
在工程车辆驾驶室的舒适度设计方面，主要所依据的是动态舒适性理论，用以评价驾驶人员在驾驶室振动的条件下对主观舒适程度。从驾驶员所承受的振动来源来看，主要是受发动机的周期性振动和来自于路面的随机激励。其传递机理较为复杂，跟发动机、驾驶室、座椅等的减振都有关系。因此为便于分析，本文中只针对驾驶室的减振问题展开研究。
2、大型工程机械驾驶室的减振设计
如前文所述，驾驶室的振源激励主要来自于路面和发动机及其传动机构。来自于路面的振源激励具有很大的随机性，要进行理论分析非常困难。加之在需要使用大型工程机械的场合机械的运动速度一般都较慢，随之产生的路面激振频率较低。因此相比之下，大型机械的发动机在运行时一直都处在高速运转状态，由此产生的激振频率很高，也更容易导致构件的疲劳损坏，实践证明发动机及其附件的疲劳损坏主要是由发动机周期激振力产生的交变应力引起的。从物理背景来看，工程机械的驾驶室所受到的振动激励主要来从车架传递到台架，驾驶室的振动行为属于被动响应。为了便于分析，将驾驶室的隔振系统进行简化，以单自由度弹簧阻尼系统来对驾驶室受到振动激励过程进行分析。
发动机的悬置设计
发动机在工作过程中的振动原因主要是不平衡力和力矩，这类振动不仅会引起车架的的振动，也会形成较强烈的噪声，不仅会影响到构件的使用寿命也会影响驾驶员的舒适度。要缓解发动机振动所造成的负面影响，采用悬置的设计方式是比较有效的途径，其实现方式是在动力总成和车架之间加入弹性支承元件。悬置设计方式的理论基础是发动机解耦理论，通过解除发动机六个自由度解耦，改变发动机的支撑位置，从而实现发动机自由度间振动耦合的解除。
此外，需要配合使用解除耦合后的各自由度方向的刚度与相应的阻尼系数，但应注意在解耦之后振动最强的自由度方向的共振控制，可应用主动隔振理论来确定减震器的刚度和阻尼系数。采用合适的刚度和阻尼系数的目的在于控制发动机悬置系统的减振区域。
具体到悬置设计的细节方面，主要是确定发动机支撑的数目和相应的布置位置。在考虑发动机动力总成悬置系统的支撑数目时，考虑的因素包括承重量和激振力两大类。在设计时通常都会依据车辆类型的不同选择三点或者四点支撑方式。对于大型机械而言，在实践中一般都会采用四点支撑的方式，本文中作为算例的发动机属于某型重型挖掘机的发动机。因此采用经典的四点支撑。其支撑位置选择在飞轮端和风扇端，上述两个位置分别设置两个对称的支撑点，采用支撑对称的目的在于后期解耦方便。从布置的方式上看，主要有平置、汇聚和斜置三种典型布置方式，具体采用哪种方式取决于发动机周围附属配件的布局方式以及车架所能提供的空间有关。本文中不重点讨论减振支撑的布置方式，因此仍然采用平置式的减振布置方式。
悬置系统的动力学分析
为减少研究成本，在支撑的材料上选用橡胶减振器。由前节所述，由于采用的是四个平置式的橡胶减震器，因此可以在进行力学分析时将其简化为三个互相垂直的弹簧阻尼系统，从而可以构建一个发动机主动隔振的力学模型。
驾驶室模态试验
在上述基本力学分析的基础上，进一步采用驾驶室模态试验的方法来检验整个驾驶室的减振效果，其目的在于掌握驾驶室的动态特性和找出驾驶室结构上的薄弱部位，同时以试验为基础还可以调整驾驶室减震器的系数匹配，减小驾驶室的整体振动响应。在试验时以快速傅里叶变换为以及，测量激振力和振动响应之间的关系，从而得到二者之间的传递函数，而模态分析的目的是通过实现来实现传递函数的曲线拟合和确定结构的模态参数。本试验中采用LMS模态测试分析软件，驾驶室所受的激振用力锤激振器来模拟。
在试验时用力锤敲击驾驶室从而制造出1-200HZ脉冲信号。通过记录下在不同激振频率下驾驶室结构的反应来确定驾驶室各个构件的强度，以及应该避免的激振频率。在得到这些基础数据后可为后续的驾驶室减振设计的选择悬置系统的减振区域的临界值，使得驾驶室所有构件的固有频率都能够位于减振器的减振区域内，从而起到抑制驾驶室结构的振动响应。
参考文献
[1]司爱国.轮式装载机行驶稳定系统开发与研究[D].北京：北京科技大学硕士学位论文.
[2]王敏.轻卡动力总成悬置系统的隔振性能[D].合肥：合肥工业大学硕士学位论文.
浅谈机械的可靠性设计
【摘要】本文主要叙述机械可靠性设计的一些基本内容，在此基础上进一步的分析了机械可靠性的优化设计，以及重点的分析了机械可靠性设计的稳健设计，希望能够对我国的机械可靠性设计发展有所帮助。
【关键词】机械可靠性设计;发展沿革;优化设计;稳健设计
引言：20世纪40年代的时候出现了可靠性设计思想，这种思想主要是将安全度作为主题所研究的可靠性理论，这项技术出现后在理论学术界以及实际工程界都有了很大的关注度，相关的理论以及方式也是不断的出现。比如：M onte C arlo 模拟法 、矩方法和以矩方法为基础的可靠性理论、响应面法、支持向量机法 、最大熵方法、随机有限元法和非概率分析方法等这些理论设计到了静强设计、疲劳强度设计、有限寿命设计的各个方面，对于结构系统、机构系统、震动系统等有这可靠性的研究。
1.机械可靠性设计的概述
在产品质量中可靠性是其最为主要的指标以及最重要的技术指标，工程界对于这一点也是越来越重视。在产品的设计、研制、装配、调试等各个环节中可靠性都有着一定的关联性，所以说在概率统计理论的基础上要加大其的推广认识，这样对于原本传统的相关问题能够很好的解决点，同时将产品质量提升上去而且使得产品成本有所降低。经过多年的发展，可靠性技术的不断发展，使得机械可靠性以及设计方式出现了很好的种类，但是就具体的实质来说，大致的分为数学模型法以及物流原因方式两种。
数学模型法就是通过某种实验数据所得概率统计为基础，逐渐的划分为两点，第一点为时间范畴中所涉及的量是可靠性质的，也是就是说因为依据某种规律在时间变动下，疲劳寿命以及耗损失都是在一定的范围之内的;第二种为，将某种偶然因素所发生结果所表现的可靠性，主要是因为不定期所出现的偶然因素所波动的，都是通过概率可靠性对于随机事件计算的，也会发展为两个方面：第一种是对模型法或者相关扩展方式，这样的方式主要是对于产品实效原因产生与产品上应力大于产品本身的强度，所以说应力概率是低于可靠度强度的，第二种为随即过程中或者是随机场不超出规定水准的概率。
2.可靠性优化设计
可靠性优化设计的基本理论
无论是什么样的机械产品，在最开始的方案构建到后期的生产制造实施，都是需要经过一个设计过程的，但是现在计算不断发展，新的知识、新的材料、新的手工艺、新的会计不断的出现，使得机械产品日益在完善，这就是所谓的知识成就了技术、技术成就了产品时间。使得研究的时间越来越短，但是结构确实越来越复杂，这样的情况下顾客对于产品功能、性能、质量、或者是相关服务都有着很大的要求。
这样的趋势下，对于设计整个过程要加大进度，设计周期要缩短。同时需要注意的是，对于设计是不是能够完善来说，产品的力学性能或者是使用价值、制造成本都是有着一定行的影响的，但是对于产品企业的工作质量或者是仅仅效果也是有着相对影响的，所以说，如何将设计质量提升上去，设计理论怎么发展下去，设计技术怎么做到更好，设计过程怎么才能加快嫉妒，都是现在机械设计中所研究的重要问题。
60年代的时候是机械优化设计发展最为迅速的时候，将数学规划以及计算机技术这两种结合在一起。所谓的数学规划理念在现在已经是不断的成熟起来，计算机技术也是高速的发展和广泛的使用中，在工程设计中为最普遍使用优化设计提供相关理论以及方式。
国家能源以及相关资源的是否被合理使用都受到了产品最佳、最可靠性的问题影响，通过使用最佳或者是最可靠性设计能够得到小体积、轻质量、节能材料的产品，同时这样产品有着一定的可靠性，机械产品所进行优化设计的主要目标就是根据一定的预期点或者是安全需要，通过一种最优化的形式将产品展示处理，在进行设计的同时需要将各种载荷随机性考虑到位，同时不能忽略的是结构参数的随机性，这两点对于产品都有着一定性能的影响。
所谓的可靠性优化设计是指质量、成本、可靠度这三方面的，将产品的总体可靠度进行一定的性能约束优化，将所出现的问题合理安全性的相结合，这样也是在结构布局或者是产品质量有保证情况，使得产品有了最大化的可靠度。
近年来可靠性优化设计发展
最近的30年内，机械设计领域中，因为科技的融入使得现代化设计方式以及相关的科学方式不断的出现，在可靠性设计或者是优化设计方面一定有着很高的水准，但是就单方面来说，无论是可靠性设计或者是优化设计，都不能很好的将其所具备的巨大潜力展示出来。一点是因为可靠性设计和优化设计是不相同的，在机械产品经过可靠性设计之后，不能将其工作性能或者是参数达到最为优秀的一点，还有一点是因为优化设计所包含的不是可靠性设计，机械产品要是在不可靠性情况下所进行的优化设计，不能保证产品在一定的条件下或者是时间内，能够将所规定的功能很好的完成，有的时候也许会出现一定的事故，这样直接都有着经济损失。
除此之外，因为机械产品有着很多的设计参数，要是对于多个设计参数进行确定的时候，单纯的可靠性设计就不是这样有地位了，所以在进行可靠性优化设计研究的前提下，要将机械产品可靠性要求先保证，同时保证所运行的环境是最佳的工作性能以及参数，将可靠性或者是优化性设计很好的结合在一起，然后在发展研究设计，才能得出最为优秀的设计方式。
关于可靠性的稳健设计
产品质量是企业赢得用户的关键因素 。任何一种产品，它的总体质量一般可分为用户质量if't-部质量)和技术质量(内部质量)。前者是指用户所能感受到、见到、触到或听到的体现产品优劣的一些质量特性 ;后者是指产品在优良的设计和制造质量下达到理想功能 的稳健性。稳健设计作为一种低成本和高质量的设计思想和方法，对产 品性能、质量和成本综合考虑，选择出最佳设计，不仅可以提高产品的质量，而且可以降低成本。在机械产 品设计中，正确地应用稳健设计的理论与方法可以使产品在制造和使用中，或是在规定的寿命期 问内当设计因素发生微小变化时都能保证产品质量的稳定 。
结束语：总而言之，对于机械的可靠性设计而言，设计人员应该根据实际，做出最优的设计，只有这样的设计才能将可靠性或者是优化设计巨大潜力发挥出来，将两点所具有的优势已近特长全部发挥出来，才能达到产品最佳以及最可靠点，这样的设计有着最为先进和最实用的设计特点，才能最好的达到预定的目标，和保证在设计中的机械产品的质量以及经济效益。
【参考文献】
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[4]张义民，刘巧伶.多随机参数结构可靠性分析的随机有限元法[J] 东北工学院学报，2012，13(增刊)：
[5] 金雅娟，张义民，张艳林，等.任意分布参数的涡轮盘裂纹扩展寿命可靠性分析[J].工程设计学报，2009，l6(3)：196-199 .
第六课 激光的基础知识相信激光这名词对大家来说一点也不陌生。在日常生活中，我们常常接触到激光，例如在课堂上我们所用的激光指示器，与及在计算机或音响组合中用来读取光盘资料的光驱等等。在工业上，激光常用于切割或微细加工。在军事上，激光被用来拦截导弹。科学家也利用激光非常准确地测量了地球和月球的距离，涉及的误差只有几厘米。激光的用途那么广泛，究竟它有哪些特点，又是如何产生的呢？以下我们将会阐释激光的基本特点和基本原理。激光的特性高亮度、高方向性、高单色性和高相干性是激光的四大特性。（1）激光的高亮度：固体激光器的亮度更可高达 1011W/cn2Sr 。不仅如此，具有高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其可能可加工几乎所有的材料。（2）激光的高方向性：激光的高方向性使其能在有效地传递较长距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度，这两点都是激光加工的重要条件。（3）激光的高单色性：由于激光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。（4）激光的高相干性：相干性主要描述光波各个部分的相位关系。正是激光具有如上所述的奇异特性因此在生活、工业加工、军事、科研等领域中得到了广泛地应用。激光产生原理激光的发展有很长的历史，它的原理早在 1917 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。激光英文名是 Laser，即 Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation 的缩写。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。但在阐释这个过程之前，我们必先了解物质的结构，与及光的辐射和吸收的原理。物质由原子组成。图一是一个碳原子的示意图。原子的中心是原子核，由质子和中子组成。质子带有正电荷，中子则不带电。原子的外围布满着带负电的电子，绕着原子核运动。有趣的是，电子在原子中的能量并不是任意的。描述微观世界的量子力学告诉我们，这些电子会处于一些固定的「能级」，不同的能级对应于不同的电子能量。为了简单起见，我们可以如图一所示，把这些能级想象成一些绕着原子核的轨道，距离原子核越远的轨道能量越高。此外，不同轨道最多可容纳的电子数目也不同，例如最低的轨道 (也是最近原子核的轨道) 最多只可容纳 2 个电子，较高的轨道则可容纳 8 个电子等等。事实上，这个过份简化了的模型并不是完全正确的 [1]，但它足以帮助我们说明激光的基本原理。电子可以透过吸收或释放能量从一个能级跃迁至另一个能级。例如当电子吸收了一个光子 [2] 时，它便可能从一个较低的能级跃迁至一个较高的能级 (图二 a)。同样地，一个位于高能级的电子也会透过发射一个光子而跃迁至较低的能级 (图二 b)。在这些过程中，电子吸收或释放的光子能量总是与这两能级的能量差相等。由于光子能量决定了光的波长，因此，吸收或释放的光具有固定的颜色。当原子内所有电子处于可能的最低能阶时，整个原子的能量最低，我们称原子处于基态。图一显示了碳原子处于基态时电子的排列状况。当一个或多个电子处于较高的能阶时，我们称原子处于受激态。前面说过，电子可透过吸收或释放在能阶之间跃迁。跃迁又可分为三种形式：(1)自发吸收 - 电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶 (图二 a)。(2)自发辐射 - 电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶 (图二 b)。(3)受激辐射 - 光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相，此波长对应于两个能阶的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，最后就变成两个相同的光子 (图二 c)。激光基本上就是由第三种跃迁机制所产生的。产生激光还有一个巧妙之处，就是要实现所谓粒子数反转的状态。以红宝石激光为例 (图三)，原子首先吸收能量，跃迁至受激态。原子处于受激态的时间非常短，大约 10-7秒后，它便会落到一个称为亚稳态的中间状态。原子停留在亚稳态的时间很长，大约是 10-3秒或更长的时间。电子长时间留在亚稳态，导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目，此现象称为粒子数反转。粒子数反转是产生激光的关键，因为它使透过受激辐射由亚稳态回到基态的原子，比透过自发吸收由基态跃迁至亚稳态的原子为多，从而保证了介质内的光子可以增多，以输出激光。激光器的结构激光器一般包括三个部分。1、激光工作介质激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转世非常有利的。现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外道远红外，非常广泛。2、激励源为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。3、谐振腔有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射，一块光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜子一端输出。下面以红宝石激光器为例来说明激光的形成。工作物质是一根红宝石棒。红宝石是掺入少许3价铬离子的三氧化二铝晶体。实际是掺入质量比约为的氧化铬。由于铬离子吸收白光中的绿光和蓝光，所以宝石呈粉红色。1960年梅曼发明的激光器所产用的红宝石是一根直径、长约8cm的圆棒。两端面是一对平行平面镜，一端镀上全反射膜，一端有10%的透射率，可让激光透出。红宝石激光器中，用高压氙灯作“泵浦”，利用氙灯所发出的强光激发铬离子到达激发态E3，被抽运到E3上的电子很快（～10-8s）通过无辐射跃迁到E2。E2是亚稳态能级，E2到E1的自发辐射几率很小，寿命长达10-3s，即允许粒子停留较长时间。于是，粒子就在E2上积聚起来，实现E2和E1两能级上的粒子数反转。从E2到E1受激发射的波长是的红色激光。由脉冲氙灯得到的是脉冲激光，每一个光脉冲的持续时间不到1ms，每个光脉冲能量在10J以上；也就是说，每个脉冲激光的功率可超过10kW的数量级。注意到上述铬离子从激发到发出激光的过程中涉及到三条能级，故称为三能级系统。由于在三能级系统中，下能级E1是基态，通常情况下积聚大量原子，所以要达到粒子数反转，要有相当强的激励才行。从上面的叙述中我们注意到，激光器要工作必须具备三个基本条件，即激光物质、光谐振器和泵浦源，其基本结构如图四所示。通过泵浦源将能量输入激光物质，使其实现粒子数反转，由自发辐射产生的微弱的光在激光物质中得以放大，由于激光物质两端放置了反射镜，有一部分符合条件的光就能够反馈回来再 参加激励，这时被激励的光就产生振荡，经过多次激励，从右端反射镜中投射出来的光就是单色性、方向性、相干性都很好的高亮度的激光。不同类型的激光器在发光物质、反射镜以及泵浦源等方面所用材料有所区别，下文提到的各种激光器也正是基于这些不同进行分类的。激光器的种类对激光器有不同的分类方法，一般按工作介质的不同来分类，在可以分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。1、固体激光器一般讲，固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。这种激光器的工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子，除了前面介绍用红宝石和玻璃外，常用的还有钇铝石榴石（YAG）晶体中掺入三价钕离子的激光器，它发射1060nm的近红外激光。固体激光器一般连续功率可达100W以上，脉冲峰值功率可达109W。2、气体激光器气体激光器具有结构简单、造价低；操作方便；工作介质均匀，光束质量好；以及能长时间较稳定地连续工作的有点。这也是目前品种最多、应用广泛的一类激光器，占有市场达60％左右。其中，氦－氖激光器是最常用的一种。3、半导体激光器半导体激光器是以半导体材料作为工作介质的。目前较成熟的是砷化镓激光器，发射840nm的激光。另有掺铝的砷化镓、硫化铬硫化锌等激光器。激励方式有光泵浦、电激励等。这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固，特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上用。在70年代末期，由于光纤通讯和光盘技术的发展大大推动了半导体激光器的发展。4、液体激光器常用的是染料激光器，采用有机染料为工作介质。大多数情况是把有机染料溶于溶剂中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸气状态工作的。利用不同染料可获得不同波长激光（在可见光范围）。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氩离子激光器等。液体激光器工作原理比较复杂。输出波长连续可调，且覆盖面宽是它的优点，使它也得到广泛应用。激光简史和我国的激光技术自爱因斯坦1917年提出受激辐射概念后，足足经过了40年，直到1958年，美国两位微波领域的科学家汤斯（）和肖洛（）才打破了沉寂的局面，发表了著名论文《红外与光学激射器》，指出了受激辐射为主的发光的可能性，以及必要条件事实现“粒子数反转”。他们的论文史在光学领域工作的科学家马上兴奋起来，纷纷提出各种实现粒子数反转的实验方案，从此开辟了崭新的激光研究领域。同年苏联科学家巴索夫和普罗霍罗夫发表了《实现三能级粒子数反转和半导体激光器建议》论文，1959年9月汤斯又提出了制造红宝石激光器的建议……1960年5月15日加州休斯实验室的梅曼（）制成了世界上第一台红宝石激光器，获得了波长为的激光。梅曼是利用红宝石进体做发光材料，用发光密度很高的脉冲氙灯做激发光源（如图所示），实际他的研究早在1957年就开始了，多年的努力终于活动了历史上第一束激光。1964年，汤斯、巴索夫和普罗霍夫由于对激光研究的贡献分享了诺贝尔物理学奖。中国第一台红宝石激光器于1961年8月在中国科学院长春光学精密机械研究所研制成功。这台激光器在结构上比梅曼所设计的有了新的改进，尤其是在当时我国工业水平比美国低得多，研制条件十分困难，全靠研究人员自己设计、动手制造。在这以后，我国的激光技术也得到了迅速发展，并在各个领域得到了广泛应用。1987年6月，1012W的大功率脉冲激光系统——神光装置，在中国科学院上海光学精密机械研究所研制成功，多年来为我国的激光聚变研究作出了很好的贡献。思考题：1、激光和我们生活中普通光有什么区别？2、请列举你生活中用到激光的地方。第二章 光学谐振腔本章主要讲授光学谐振腔的构成和作用；光学谐振腔的模式；光学谐振腔的几何分析方法和衍射理论分析方法；平行平面腔模的迭代解法；稳定球面镜共焦腔；一般稳定球面腔及等价共焦腔；非稳定谐振腔。重点：学会写一些光学系统的传播矩阵；能判断一个腔是否稳定；掌握实现多纵模、单纵模振荡的方法；选择单模的方法如FP法、复合腔法、并能给出相应的模间距；弄清开腔模建立过程。难点：孔阑传输线概念。一、光学谐振腔的构成最简单的光学谐振腔是在激活介质两端恰当地放置两个镀有高反射率的反射镜构成。常用的基本概念：光轴：光学谐振腔中间垂直与镜面的轴线孔径：光学谐振腔中起着限制光束大小、形状的元件，大多数情况下，孔径是激活物质的两个端面，但一些激光器中会另外放置元件以限制光束为理想的形状。二、光学谐振腔的种类谐振腔的开放程度，闭腔、开腔、气体波导腔开放式光学谐振腔(开腔)通常可以分为稳定腔、非稳定腔反射镜形状，球面腔与非球面腔，端面反射腔与分布反馈腔反射镜的多少，两镜腔与多镜腔，简单腔与复合腔三、光学谐振腔的作用提供光学正反馈作用 ：使得振荡光束在腔内行进一次时，除了由腔内损耗和通过反射镜输出激光束等因素引起的光束能量减少外，还能保证有足够能量的光束在腔内多次往返经受激活介质的受激辐射放大而维持继续振荡。影响谐振腔的光学反馈作用的两个因素：组成腔的两个反射镜面的反射率；反射镜的几何形状以及它们之间的组合方式。产生对振荡光束的控制作用：有效地控制腔内实际振荡的模式数目，获得单色性好、方向性强的相干光，可以直接控制激光束的横向分布特性、光斑大小、谐振频率及光束发散角，可以控制腔内光束的损耗，在增益一定的情况下能控制激光束的输出功率。四、光学谐振腔的模式(波型)1. 纵模-纵向的稳定场分布，激光器中出现的纵模数有两个因素决定，工作原子自发辐射的荧光线宽越大，可能出现的纵模数越多；激光器腔长越大，相邻纵模的频率间隔越小，同样的荧光谱线线宽内可以容纳的纵模数越多。2. 横模-横向X-Y面内的稳定场分布。横模(自再现模): 在腔反射镜面上经过一次往返传播后能“自再现”的稳定场分布。3. 激光模式的测量方法。横模的测量方法：在光路中放置一个光屏；拍照；小孔或刀口扫描方法获得激光束的强度分布，确定激光横模的分布形状。纵模的测量方法：法卜里－珀洛F-P扫描干涉仪测量，实验中利用球面扫描干涉仪。五、平行平面腔Fox-Li数值迭代法平行平面腔的优点是：光束方向性好，模体积大，容易获得单模模振荡，缺点是：谐振腔调整精度要求高，衍射损耗和几何损耗都比较大，其稳定性介于稳定腔与非稳定腔之间，不适用于小增益器件，在中等以上功率的激光器中仍普遍应用。谐振腔的迭代解法的思路：1. 假设在某一镜面上存在一个初始场分布，将它代入迭代公式，计算在腔内经第一次渡越而在第二个镜面上生成的场；2. 利用(1)所得到的代入迭代公式，计算在腔内经第二次渡越而在第一个镜上生成的场；3. 如此反复运算多次后，观察是否形成稳态场分布。对称矩形(方形镜)平行平面镜腔是指谐振腔镜面是平行的，并且在垂直与光轴方向上的尺度有限。条形镜平行平面腔是指镜面在某一方向上的尺度有限，而另一方向上的尺度是无限的。分析对称矩形、条形镜平行平面腔、圆形镜平行平面腔、平行平面腔的迭代解法。六、共焦腔与平行平面腔之不同1. 镜面上基模场的分布：平行平面腔基模分布在整个镜面上，呈偶对称性分布，镜面中心处振幅最大，向镜边缘振幅逐渐降低；共焦腔基模在镜面上的分布在厄米-高斯近似下，与镜的横向几何尺寸无关，仅由腔长决定；一般共焦腔模集中在镜面中心附近；2. 相位分布平行平面腔的反射镜不是等相面；而共焦腔的反射镜为等相面；3. 单程损耗平行平面腔衍射损耗远高于共焦腔的衍射损耗；4. 单程相移与谐振频率平行平面腔中横模阶次m、n的变化引起的频率改变远远小于纵模阶次q的改变对谐振频率的改变；在共焦腔中， m、n的变化或q的改变对谐振频率的影响具有相同的数量级。七、圆形镜对称共焦腔镜面模的振幅和相位分布基模在镜面上的振幅分布是高斯型的，整个镜面上没有节线在镜面中心处（r=0） 处，振幅最大。基模在镜面上的光斑半径(当基模振幅下降到中心值的1/e处与镜面中心的距离)：对于高阶模，在沿辐角方向有节线，数目为p；沿半径方向有节圆，节圆数为l；p、l增加，模的光斑半径增大，并且光斑半径随着l的增大比随着 p增大来的更快；高阶模的光斑半径：振幅降低至最外面的极大值的1/e处的点与镜面中心的距离；圆形共焦镜面本身也是等相位面。八、一般稳定球面镜腔一般球面镜腔：由两个曲率半径不同的球面镜按照任意间距组成的腔一般稳定球面镜腔的模式理论：可以从光腔的衍射积分方程出发严格建立，以共焦腔的模式理论为基础，等价共焦腔的方法。一般稳定球面腔与共焦腔的等价性：根据共焦腔模式理论，任何一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价；而任何一个稳定球面镜腔唯一地等价于一个共焦腔。一般稳定球面腔与共焦腔的等价性:指它们具有相同的行波场。九、非稳定谐振腔非稳定腔的优点：1. 大的可控模体积，通过扩大反射镜的尺寸，扩大模的横向尺寸；2. 可控的衍射耦合输出，输出耦合率与腔的几何参数g有关；3. 容易鉴别和控制横模；4. 易于得到单端输出和准直的平行光束。非稳定腔的缺点：1. 输出光束截面呈环状；2.光束强度分布是不均匀的，显示出某种衍射环。十、选模技术激光的优点在于它具有良好的单色性、方向性和相干性。理想的激光器输出光束应该只有一个模式，但是对于实际的激光器，如果不采取模式选择，它们的工作状态往往是多模的。含有高阶模式横模的激光束光强分布不均匀，光束发散角大。含有多纵模及多横模的激光器单色性及相干性差。在激光准直、激光加工、非线性光学、激光远程测距等领域都需要基横模激光束。在精密干涉测量，光通讯及大面积全息照相等应用中更要求激光是单横模和单纵模光束。因此，设计和改进激光器的谐振腔以获得单模输出是一个重要课题。横模的选择：在稳定腔中，基模的衍射损耗最小，随着横模阶次的增高，衍射损耗将迅速增加。谐振腔中不同的横模具有不同的衍射损耗是横模选择的物理基础。为了提高模式的鉴别能力，应该尽量增大高阶模式和基模的衍射损耗比，同时，还应该尽量增大衍射损耗在总损耗中占有的比例；衍射损耗的大小及模鉴别能力的值与谐振腔的腔型及菲涅耳系数有关。纵模的选择：一般的谐振腔中，不同的纵模具有相同的损耗，因而进行模式鉴别和选择时应可以利用不同纵模的不同增益。同时，也可以引入人为的损耗差。腔内插入F-P标准具法：调整F-P标准具的参数，使得在增益线宽 范围内，只有一个透射峰，同时在一个透射峰谱线宽度范围内只有一个模式起振，则可以实现单纵模工作。即选模条件为：1. 选择合适的标准具光学长度，使标准具的自由光谱范围与激光器的增益线宽相当。使在增益线宽内，避免存在两个或多个标准具的透过峰。2. 选择合适的标准具界面反射率，使得被选纵模的相邻纵模由于透过率低，损耗大而被抑制。光学谐振腔的种类及功能作者:opticsky 日期:2006-09-16字体大小: 小 中 大光学谐振腔由两个或两个以上光学反射镜面组成、能提供光学正反馈作用的光学装置。两个反射镜可以是平面镜或球面镜，置于激光工作物质两端。两块反射镜之间的距离为腔长。其中一个镜面反射率接近100%，称为全反镜；另一个镜面反射率稍低些，激光由此镜输出，故称输出镜。两者有时也分别称为高反镜和低反镜。种类 按组成谐振腔的两块反射镜的形状以及它们的相对位置，可将光学谐振腔区分为：平行平面腔，平凹腔，对称凹面腔，凸面腔等。平凹腔中如果凹面镜的焦点正好落在平面镜上，则称为半共焦腔；如果凹面镜的球心落在平面镜上，便构成半共心腔。对称凹面腔中两块反射球面镜的曲率半径相同。如果反射镜焦点都位于腔的中点，便称为对称共焦腔。如果两球面镜的球心在腔的中心，称为共心腔。如果光束在腔内传播任意长时间而不会逸出腔外，则称该腔为稳定腔，否则称为不稳定腔。上述列举的谐振腔都属稳定腔。用两块凸面镜组成的谐振腔为不稳定腔。平凹腔中如腔长太长，使凹球面的球心落在腔内，则腔中除沿光轴的光线外，其它方向光束经多次反射后必然会逸出腔外，故也为不稳定腔。对称凹面腔中，如腔长太长，使两球面球心分别落在腔中心点靠近自身一侧，也是一种不稳定腔。稳定腔 光学谐振腔中任一束傍轴光束离光轴的距离，如果在它来回反射过程中不会无限增加，则这种腔必定是稳定腔。若用L代表腔长，R1、R2分别为两球面反射镜的曲率半径，则稳定腔应满足如下条件：从第一个不等式看，只有R1、R2同时大于腔长或同时小于腔长时，才能形成稳定腔。从第二个不等式看，R1和R2必须比腔长小，也不能小得太多。
激光加工就是利用其所具有的输出光线的高指向性和高能量，进行微小孔及狭缝等的精密加工、切割、微细焊接等。下面是我整理了激光加工技术论文，有兴趣的亲可以来阅读一下!
谈机械制造激光加工技术
摘要：激光加工就是利用其所具有的输出光线的高指向性和高能量，进行微小孔及狭缝等的精密加工、切割、微细焊接等。激光有固体激光、液体激光和气体激光等。目前，作为加工用的以固体激光为最好。
关键词：机械 制造 激光 加工 技术
激光是通过入射光子使亚稳态高能级的原子、离子或分子跃迁到低能级受激幅射(不是自发幅射)时发出的光，也可解释为“光受激幅射后发射加强”。它是由于受激发射的发光放大现象。激光具有单色性好、方向性强、能量高度集中等特性，因此在军事、工农业生产和科学研究的很多领域中得到了广泛应用。激光加工就是利用其所具有的输出光线的高指向性和高能量，进行微小孔及狭缝等的精密加工、切割、微细焊接等。激光有固体激光、液体激光和气体激光等。目前，作为加工用的以固体激光为最好。
激光加工具有以下特点：激光加工不需要加工工具，所以不存在工具损耗问题,很适宜自动化连续操作，可以在大气中进行。功率密度高，几乎能加工所有的材料，如果是透明材料(如玻璃)，只要采取一些色化和打毛 措施 ，仍可加工。加工速度快，效率高，热影响区小。因不需要工具，又能聚焦成极细的光束，所以能加工深而小的微孔和窄缝(直径可小至几微米，深径比可达10以上)，适合于精微加工。可通过透明材料(如玻璃)对工件进行加工。
1、激光器
气体激光器
通常用二氧化碳激光器。
二氧化碳激光器的激光管内充有二氧化碳，同时加进一些辅助气体，这些辅助气体有助于提高激光器输出功率。二氧化碳激光器是目前气体激光器中连续输出功率最大、能量转换效率最高的一种激光器，能以大功率连续输出波长的激光，而且方向性、单色性及相干性好，能聚焦成很小的光斑。缺点是设备体积大，输出瞬时功率小，而且是看不见的红外光，调整光束位置不方便。
固体激光器
包括红宝石激光器、钇铝石榴石激光器、钕玻璃(掺钕的盐酸玻璃)激光器等。固体激光器的特点是体轵小，输出能量大，可以打较大较深的孔;但其能量转换效率低，制造较难,成本高。而二氧化碳激光器则具有造价低,结构简单,工作效率高，打孔质量好等优点;不足是体积大，占地面积大。
2、影响激光加工的因素
激光主要用于各种材料的小孔、窄缝等微型加工，虽然也有生产率和表面粗糙度的要求，但主要是加工精度问题，如孔和窄缝大小、深度和几何形状等。因工艺对象的最小尺寸只有几十微米，所以加工误差一般为微米级。为此，除保证光学系统和机械方面精度外，还有光的特殊影响。
输出功率与照射时间
激光输出功率大，照射时间长，工件所获得能量大。当焦点位置一定时，激光能量越大， 加工孔就大而深，锥度小。照射时间一般为几分之一至几毫秒。激光能量一定时，照射时间太长会使热量传散到非加工区;时间太短则因能量密度过大，蚀除物的高温气体喷出，也会使激光使用效率降低。
焦距与发散角
发散角小的激光束，经短焦距的聚焦物镜以后,在焦面上可以获得更小的光斑及更高的功率密度。光斑直径小，打的孔也小,且由于功率密度大，打出的孔不仅深，而且锥度小。
焦点位置
焦点位置低，透过工件表面的光斑面积大，不仅会产生喇叭口，而且因能量密度减小而影响加工深度。焦点位置太高，同样，工作表面尖斑大，进入工件后越来越大，甚至无法继续加工。激光的实际焦点在工件表面或略低于工件表面为宜。
光斑内的能量分布
激光束经聚焦后，在焦面上的光点实际上是一个直径为d的光斑，光斑内能量分布不均。中心点的光强最大，离开中心点迅速减弱，能量以焦点为轴心对称分布，这种光束加工出来的孔是正圆形的。若激光束能量分布不对称，打出的孔也不对称。
激光的多次照射
激光照射一次，加工孔的深度大约是孔径的五倍左右，且锥度较大。激光多次照射，深度将大大增加，锥度减小，孔径几乎不变。但是，孔加工到一定深度后，由于孔内壁的反射、透射以及激光的散射或吸收及抛出力减小，排屑困难等原因，使孔前端的能量密度不断减小，加工量逐渐减少，以致不能继续加工。
第一次照射后打出一个不太深而且带锥度的孔;第二次照射后，聚焦光在第一次照射所打的孔内发散，由于光管效应，发散的光在孔壁上反射的下深入孔内，因此第二次照射后所打出的孔是原来孔形的延伸，孔径基本上不变。多次照射的焦点位置固定在工件表面，不向下移动。
工件材料
各种工件材料的吸收光谱不同，经透镜聚焦到工件上的激光能量不可能全部被吸收，有相当一部分能量被反射或透射散失，吸收效率与工件材料吸收光谱及激光波长有关。在生产实践中，应根据工件材料的性能(吸收光谱)选择激光器。对于高反射和透射率的工件表面应作打毛或黑化处理,增大对激光的吸收效率。
3、激光加工的应用
激光打孔
利用激光打微型小孔，目前已应用于火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴加工、化学纤维喷丝头打孔、钟表及仪表的宝石轴承打孔、金刚石拉丝模加工等方面。
激光打孔不需要工具，适合于自动化连续打孔。采用超声调制的激光打孔，是把超声振动的作用与激光加工复合起来。把激光谐振腔的全反射镜安装在超声换能器变幅杆的端面上作超声振动，使输出的激光尖锋波形由不规则变为较平坦排列，调制成多个尖锋激光脉冲。由此可以增加打孔深度，改善孔壁粗糙度和提高打孔效率。
激光切割
激光切割具有如下特点：(1)可以用来切割各种高硬度、高熔点的金属或非金属材料。(2)切缝窄，可以节省贵重材料(如半导体材料等)。(3)速度快，成品率高，质量好。目前，激光切割已成功应用于半导体材料、钛板、石英、陶瓷等材料的切割加工中。
激光焊接激光焊接与激光打孔的原理稍有不同
焊接时不需要那么髙的能量密度，使工件材料气化、蚀除，只需将工件加工区烧熔粘合在一起。因此，激光焊接所需的能量密度较低，通常可用减小激光输出功率来实现。
脉冲输出的红宝石激光器和钕玻璃激光器适合于点焊;而连续输出的二氧化碳激光器和YAG激光器适合于缝焊。
激光焊接过程迅速，被焊材料不氧化，热影响区小，适合于热敏感元件焊接。
参考文献
[1]哈尔滨工业大学,上海工业大学.机床夹具设计(第二版).上海:上海科学技术出版社,1989.
[2]刘文剑等.夹具工程师手册.哈尔滨：黑龙江科学技术出版社,1992.
[3]李庆寿.机床夹具设计.北京:机械工业出版社,1984.
[4]孔巴德.机床夹具图册.北京:机械工业出版社,1984.
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稀土掺杂氟化物多波长红外显示材料的研究摘 要本文简单介绍了稀土发光原理、上转换发光材料的大致发展史、红外上转换发光材料的应用以及当前研究现状。以PbF2为基质材料，ErF3为激活剂，YbF3为敏化剂，采用高温固相反应法制备了PbF2: Er,Yb上转换发光材料。重点讨论了制备过程中，制备工艺中的烧结时间、烧结温度对红外激光显示材料发光效果的影响。研究了Er3+/Yb3+发光系统在1064nm激光激发下的荧光光谱和上转换发光的性质。实验表明，在1064nm激光激发下，材料可以发射出绿色和红色荧光，是一种新型的红外激光显示材料。关键字：1064nm 上转换 红外激光显示 Er3+/Yb3+AbstractThis paper simply described the rare earth luminescence mechanism, the development of up-conversion materials and their applications were systematically explained. Present situation of the research on infrared up-conversion luminescence is also presented. PbF2 as matrix, ErY3 as activator and YbF3 as sensitizer were adopted to synthesize PbF2: Er,Yb up-conversion material with high temperature solid-phase reaction. A great emphasize was paid on the factors that effect on the luminescence properties of infrared laser displayed materials such as sinter temperature, time of sinter. The luminescence system of Er3+/Yb3+, their fluorescence spectrum and their character of up-conversion with 1064nm LD as an excitation source were studied. The experimental results that intense green and wed up-conversion emissions were observed under 1064nm LD excitation, which is a new type of infrared laser displayed Words: 1064nm Up-conversion Infrared laser displayed materials Er3+/Yb3+目 录摘要Abstract第一章 绪论 稀土元素的光谱理论简介 稀土元素简介 稀土离子能级 晶体场理论 基质晶格的影响 上转换发光材料的发展概况 上转换发光的基本理论 激发态吸收 光子雪崩上转换 能量传递上转换 敏化机制与掺杂方式 敏化机制 掺杂方式 上转换发光材料的应用 本论文研究目的及内容 8第二章 红外激光显示材料的合成与表征 红外激光显示材料的合成 实验药品 实验仪器 样品的制备 红外激光显示材料的表征 XRD 荧光光谱 12第三章 结果与讨论 基质材料的确定 助熔剂的选择 烧结时间的确定 烧结温度的确定 掺杂浓度的确定 17结 论 21参考文献 22致 谢 23第一章 绪论 稀土元素的光谱理论简介 稀土元素简介稀土元素是指周期表中IIIB族，原子序数为21的钪（Sc）：39的钇（Y）和原子序数57至71的镧系中的镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu），共17个元素[1]。稀土元素的原子具有未充满的受到外界屏蔽的4f和5d电子组态，因此具有丰富的电子能级和长寿命激发态，能级跃迁通道多达20余万个，可以产生多种多样的辐射吸收和发射。稀土化合物发光是基于它们的4f电子在f-f组态之内或f-d组态之间的跃迁。稀土发光材料具有许多优点：（1）与一般元素相比，稀土元素4f电子层构型的特点，使其化合物具有多种荧光特性；（2）稀土元素由于4f电子处于内存轨道，受外层s和P轨道的有效屏蔽，很难受到外部环境的干扰，4f能级差极小，f-f跃迁呈现尖锐的线状光谱，发光的色纯度高；（3）荧光寿命跨越从纳秒到毫秒6个数量级；（4）吸收激发能量的能力强，转换效率高；（5）物理化学性质稳定，可承受大功率的电子束、高能辐射和强紫外光的作用。稀土离子能级稀土离子具有4f电子壳层，但在原子和自由离子的状态由于宇称禁戒，不能发生f-f电子跃迁[3&7]。在固体中由于奇次晶场项的作用宇称禁戒被解除，可以产生f-f跃迁，4f轨道的主量子数是4，轨道量子数是3，比其他的s，p，d轨道量子数都大，能级较多。除f-f跃迁外，还有4f-5d，4f-6s，4f-6p电子跃迁。由于5d，6s，6p能级处于更高的能级位置，所以跃迁波长较短，除个别离子外，大多数都在真空紫外区域。由于4f壳层受到5s2，5p6壳层的屏蔽作用，对外场作用的反应不敏感，所以在固体中其能级和光谱都具有原子状态特征。因此，f-f跃迁的光谱为锐线，4f壳层到其他组态的跃迁是带状光谱，因为其他组态是外壳层，受环境影响较大。稀土离子在化合物中一般出现三价状态，在可见和红外光区观察的光谱大都属于4fN组态内的跃迁，在给定组态后确定光谱项的一般方法是利用角动量耦合和泡利原理选出合理的光谱项，但这种方法在电子数多，量子数大时，相当麻烦且容易出错。所以，对稀土离子不太适合。利用群论方法，采用U7>R7>G2>R3群链的分支规则可以方便地给出4fN组态的全部正确的光谱项，通常用大写的英文字母表示光谱项的总轨道角动量的量子数的数目，如S，P，D，F，G，H，I，K，L，M，N，O，Q……分别表示总轨道角动量的量子数为0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，……，25+l表示光谱项的多重性，S是总自旋量子数。在光谱学中，用符号2S+1L表示光谱项。 晶体场理论晶体场理论认为，当稀土离子掺入到晶体中，受到周围晶格离子的影响时，其能级不同自由离子的情况。这个影响主要来自周围离子产生的静电场，通常称为晶体场[2]。晶体场使离子的能级劈裂和跃迁几率发生变化。稀土离子在固体中形成典型的分立发光中心。在分立发光中心中，参与发光跃迁的电子是形成中心离子本身的电子，电子的跃迁发生在离子本身的能级之间。中心的发光性质主要取决于离子本身，而基质晶格的影响是次要的。稀土离子的4f电子能量比5s，5p轨道高，但是5s，5p轨道在4f轨道的外面，因而5s，5p轨道上的电子对晶体场起屏蔽作用，使4f电子受到晶体场的影响大大减小。稀土离子4f电子受到晶体场的作用远远小于电子之间的库仑作用，也远远小于4f电子的自旋—轨道作用。考虑到电子之间的库仑作用和自旋—轨道作用，4f电子能级用2J+I LJ表示。晶体场将使具有总角动量量子数J的能级分裂，分裂的形式和大小取决于晶体场的强度和对称性。稀土离子4f能级的这种分裂，对周围环境（配位情况、晶场强度、对称性）非常敏感，可作为探针来研究晶体、非晶态材料、有机分子和生物分子中稀土离子所在局部环境的结构，且2J+I LJ能级重心在不同的晶体中大致相同，稀土离子4f电子发光有特征性，因而很容易根据谱线位置辨认是什么稀土离子在发光。 基质晶格的影响基质晶格对f→d跃迁的光谱位置有着强烈的影响，另外其对f→f跃迁的影响表现在三个方面：（1）可改变三价稀土离子在晶体场所处位置的对称性，使不同跃迁的谱强度发生明显的变化；（2）可影响某些能级的分裂；（3）某些基质的阴离子团可吸收激发能量并传递给稀土离子而使其发光，即基质中的阴离子团起敏化中心的作用。特别是阴离子团的中心离子（Me）和介于中间的氧离子O2-以及取代基质中阳离子位置的稀土离子（RE）形成一直线，即Me-O-RE接近180°时，基质阴离子团对稀土离子的能量传递最有效。 上转换发光材料的发展概况发光是物体内部以某种方式吸收的能量转换为光辐射的过程。发光学的内容包括物体发光的条件、过程和规律，发光材料与器件的设计原理、制备方法和应用，以及光和物质的相互作用等基本物理现象。发光物理及其材料科学在信息、能源、材料、航天航空、生命科学和环境科学技术中的应用必将促进光电子产业的迅猛发展，这对全球的信息高速公路的建设以及国家经济和科技的发展起着举足轻重的推动作用。三价镧系稀土离子具有极丰富的电子能谱，因为稀土元素原子的电子构型中存在4f轨道，为多种能级跃迁创造了条件，在适当波长的激光的激发下可以产生众多的激光谱线，可从红外光谱区扩展到紫外光谱区。因此，稀土离子发光研究一直备受人们的关注。60年代末，Auzel在钨酸镱钠玻璃中意外发现，当基质材料中掺入Yb3+离子时，Er3+、Ho3+和Tm3+稀土离子在红外光激发下可发出可见光，并提出了“上转换发光”的观点[5&4]。所谓的上转换材料就是指受到光激发时，可以发射比激发波长短的荧光的材料。其特点是激发光光子能量低于发射光子的能量，这是违反Stokes定律的。因此上转换发光又称为“反Stokes发光”。从七十年代开始，上转换的研究转移到单频激光上转换。到了八十年代由于半导体激光器泵浦源的发展及开发可见光激光器的需求，使其得到快速发展。特别是近年来随着激光技术和激光材料的进一步发展，频率上转换在紧凑型可见激光器、光纤放大器等领域的巨大应用潜力更激起广大科学工作者的兴趣，把上转换发光的研究推向高潮，并取得了突破性实用化的进展。随着频率上转换材料研究的深入和激光技术的发展，人们在考虑拓宽其应用领域和将已有的研究成果转换成高科技产品。1996年在CLEO会议上，Downing与Macfarlanc等人合作提出了三色三维显示方法，双频上转换三维立体显示被评为1996年物理学最新成就之一，这种显示方法不仅可以再现各种实物的立体图像，而且可以随心所欲的显示各类经计算机处理的高速动态立体图像，具有全固化、实物化、高分辨、可靠性高、运行速度快等优点[15]。上转换发光材料的另一项很有意义的应用就是荧光防伪或安全识别，这是一个应用前景极其广阔的新兴研究方向。由于在一种红外光激发下，发出多条可见光谱线且各条谱线的相对强度比较灵敏地依赖于上转换材料的基质材料与材料的制作工艺，因而仿造难、保密强、防伪效果非常可靠。目前，研究的稀土离子主要集中在Nd3+，Er3+，Ho3+，Tm3+和Pr3+等三价阳离子。Yb3+离子由于其特有的能级特性，是一种最常用的敏化离子。一般来说，要制备高效的上转换材料，首先要寻找合适的基质材料，当前研究的上转换材料多达上百种，有玻璃、陶瓷、多晶粉末和单晶。其化合物可分为：（1）氟化物；（2）氧化物；（3）卤氧化物；（4）硫氧化物；（5）硫化物等。迄今为止，上转换发光研究取得了很大的进展，人们已在氟化物玻璃、氟氧化物玻璃及多种晶体中得到了不同掺杂稀土离子的蓝绿上转换荧光。 上转换发光的基本理论通过多光子机制把长波辐射转换成短波辐射称为上转换，其特点是吸收光子的能量低于发射光子的能量[2&8]。稀土离子上转换发光是基于稀土离子4f电子能级间的跃迁产生的。由于4f外壳层电子对4f电子的屏蔽作用，使得4f电子态间的跃迁受基质的影响很小，每种稀土离子都有其确定的能级位置，不同稀土离子的上转换发光过程不同。目前可以把上转过程归结于三种形式：激发态吸收、光子雪崩和能量传递上转换。激发态吸收激发态吸收（Excited Stated Absorption简写为ESA）是上转换发光中的最基本过程，如图1-1所示。首先，发光中心处于基态能级E0的电子吸收一个ω1的光子，跃迁到中间亚稳态E1上，E1上的电子又吸收一个ω2光子，跃迁到高能级E2上，当处于能级E2上的电子向基态跃迁时，就发射一个高能光子。图1-1 上转换的激发态吸收过程 光子雪崩上转换光子雪崩上转换发光于1979年在LaCl3∶Pr3+材料中首次发现。1997年，N. Rakov等报道了在掺Er3+氟化物玻璃中也出现了雪崩上转换。由于它可以作为上转换激光器的激发机制，而引起了人们的广泛的注意。“光子雪崩”过程是激发态吸收和能量传输相结合的过程，如图1-2所示，一个四能级系统，Mo、M1、M2分别为基态和中间亚稳态，E为发射光子的高能级。激发光对应于M1→E的共振吸收。虽然激发光光子能量同基态吸收不共振，但总会有少量的基态电子被激发到E与M2之间，而后弛豫到M2上。M2上的电子和其他离子的基态电子发生能量传输I，产生两个位于M1的电子。一个M1的电子在吸收一个ω1的光子后激发到高能级E。而E能级的电子又与其他离子的基态相互作用，产生能量传输II，则产生三个为位于M1的电子，如此循环，E能级上的电子数量像雪崩一样急剧地增加。当E能级的电子向基态跃迁时，就发出能量为ω的高能光子。此过程就为上转换的“光子雪崩”过程。图1-2 光子雪崩上转换能量传递上转换能量转移（Energy Transfer，简写成ET）是两个能量相近的激发态离子通过非辐射过程藕合，一个回到低能态，把能量转移给另一个离子，使之跃迁到更高的能态。图1-3列出了发生能量传递的几种可能途径：（a）是最普通的一种能量传递方式，处于激发态的施主离子把能量传给处于激发态的受主离子，使受主离子跃迁到更高的激发态去；（b）过程称为多步连续能量传递，在这一过程中，只有施主离子可以吸收入射光子的能量，处于激发态的施主离子与处于基态的受主离子间通过第一步能量传递，把受主离子跃迁到中间态，然后再通过第二步能量传递把受主离子激发到更高的激发态；（c）过程可命名为交叉弛豫能量传递（Cross Relaxation Up-conversion，简称CR），这种能量传递通常发生在相同离子间，在这个过程中，两个相同的离子通过能量传递，使一个离子跃迁到更高的激发态，而另一个离子弛豫到较低的激发态或基态上去；（d）过程为合作发光过程的原理图，两个激发态的稀土离子不通过第三个离子的参与而直接发光，他的一个明显的特征是没有与发射光子能量匹配的能级，这是一种奇特的上转换发光现象；（e）过程为合作敏化上转换，两个处于激发态的稀土离子同时跃迁到基态，而使受主离子跃迁到较高的能态。（a）普通能量传递 （b）多步连续能量传递（c）交叉弛豫能量传递 （d）合作发光能量传递（e）合作敏化上转换能量传递图1-3 几种能量传递过程的示意图稀土离子的上转换发光都是多光子过程，在多光子过程中，激发光的强度与上转换荧光的强度有如下关系：Itamin ∝ Iexcitationn其中Itamin表示上转换荧光强度，Iexcitation表示激发光强度，在双对数坐标下，上转换荧光的强度与激发光的强度的曲线为一直线，其斜率即为上转换过程所需的光子数n，这个关系是确定上转换过程是几光子过程的有效方法。 敏化机制与掺杂方式 敏化机制通过敏化作用提高稀土离子上转换发光效率是常用的一种方法[9]。其实质是敏化离子吸收激发能并把能量传递给激活离子，实现激活离子高能级的粒子数布居，从而提高激活离子的转换效率，这个过程可以表述如下：Dexc+A→D+AexcD表示施主离子，A是受主离子，下标“exc”表示该离子处于激发态。Yb3+离子由于特有的能级结构，是最常用的也是最主要的一种敏化离子。（1）直接上转换敏化对与稀土激活中心（如Er3+，Tm3+，Ho3+）和敏化中心Yb3+共掺的发光材料，由于Yb3+的2F5/2能级在910-1000nm均有较强吸收，吸收波长与高功率红外半导体激光器的波长相匹配。若用激光直接激发敏化中心Yb3+，通过Yb3+离子对激活中心的多步能量传递，可再将稀土激活中心激发至高能级而产生上转换荧光，这类过程会导致上转换荧光明显增强，称之为直接上转换敏化。图1-4以Yb3+/Tm3+共掺杂为例给出了该激发过程的示意图。图1-4 直接上转换敏化（2）间接上转换敏化由于Yb3+离子对910-1000 nm间泵浦激光吸收很大，泵浦激光的穿透深度非常小，因此虽然在表面的直接上转换敏化能极大的提高上转换效率，但它却无法应用到上转换光纤系统中。针对这种情况，国际上与1995-1996年首次提出了“间接上转换敏化”方法[7]。间接上转换敏化的模型首先在Tm3+/Yb3+双掺杂体系中提出的：当激活中心为Tm3+时，如果激发波长与Tm3+的3H6→3H4吸收共振，激活中心Tm3+就被激发至3H4能级，随后处于3H4能级的Tm3+离子与位于2F5/2能级的Yb3+离子发生能量传递，使Yb3+离子的2F5/2能级上有一定的粒子数布居。然后处于激发态2F5/2的Yb3+离子再与Tm3+进行能量传递，实现Tm3+的1G4能级的粒子数布居，这样就通过Tm3+→Yb3+→Tm3+献的能量过程间接地把Tm3+离子激发到了更高能级1G4。从而导致了Tm3+离子的蓝色上转换荧光。图1-5给出了间接上转换敏化的示意图。考虑到稀土离子的敏化作用与前述的上转换机理，在实现上转换发光的掺杂方式通常要考虑如下几点：（1）敏化离子在激发波长处有较大的吸收截面和较高的掺杂浓度；（2）敏化离子与激活离子之间有较大的能量传递几率；（3）激活离子中间能级有较长的寿命。图1-5 间接上转换敏化 掺杂方式表1-1给出了当前研究比较多的掺杂体系，表中同时列出了某一掺杂体系对应的激发波长、基质材料、敏化机制等。表1-1 常见的掺杂体系稀土离子组合 激发波长 基质材料 敏化机制单掺杂 Er3+ 980nm ZrO2纳米晶体 —Nd3+ 576nm ZnO–SiO2–B2O3 —Tm3+ 660nm AlF3/CaF2/BaF2/YF3 —双掺杂 Yb3+：Er3+ 980nm Ca3Al2Ge3O12玻璃 直接敏化Yb3+：Ho3+ 980nm YVO4 直接敏化Yb3+：Tm3+ 800nm 氟氧化物玻璃 间接敏化Yb3+：Tb3+ 1064nm 硅sol–gel玻璃 合作敏化Yb3+：Eu3+ 973nm 硅sol–gel玻璃 合作敏化Yb3+：Pr3+ 1064nm LnF3/ZnF2/SrF2 BaF2/GaF2/NaF 直接敏化Nd3+：Pr3+ 796nm ZrF4基玻璃 直接敏化三掺杂 Yb3+： Nd3+ ：Tm3+ 800nm ZrF4基玻璃 间接敏化Yb3+： Nd3+ ：Ho3+ 800nm ZrF4基玻璃 间接敏化Yb3+： Er3+ ：Tm3+ 980nm PbF2:CdF2玻璃 直接敏化 上转换发光材料的应用稀土掺杂的基质材料在波长较长的红外光激发下，可发出波长较短的红、绿、蓝、紫等可见光。通常情况下，上转换可见光包含多个波带，每个波带有多条光谱线，这些谱线的不同强度组合可合成不同颜色的可见光[7]。掺杂离子、基质材料、样品制备条件的改变，都会引起各荧光带的相对强度变化，不同样品具有独特的谱线强度分布与色比关系（我们定义上转换荧光光谱中各荧光波段中的峰值相对强度比称为色比，通常以某以一波段的峰值强度为标准）。因而上转换发光材料可应用到荧光防伪或安全识别上来。上转换发光材料在荧光防伪或安全识别应用上的一个研究重点是制备上转换效率高，具有特色的防伪材料，实现上转换荧光防伪材料能够以配比控制色比；也就是通过调整稀土离子种类、浓度以及基质材料的种类、结构和配比，达到控制色比关系。 本论文研究目的及内容Nd:YAG激光器发出1064nm的激光，在激光打孔、激光焊接、激光核聚变等领域具有广泛的应用价值，是最常用的激光波段。然而，由于人眼对1064nm的红外光不可见，因此，需要采用对1064nm激光响应的红外激光显示材料制备的显示卡进行调准和校正。本论文采用氟化物作为基质，掺杂稀土离子，通过配方和工艺研究，制备对1064nm响应的红外激光显示材料。研究组分配比、烧结温度、气氛和时间等对粉体性能的影响。并采用XRD和荧光光谱分析等测试手段对粉体进行表征。确定最佳烧结温度、组分配比，最终获得对1064nm具有优异红外转换性能的红外激光显示材料。第二章 红外激光显示材料的合成与表征经过多年研究，红外响应发光材料取得了很大进展，现已实现了氟化物玻璃、氟氧化物玻璃、及多种晶体中不同稀土离子掺杂的蓝绿上转换荧光。然而上转换荧光的效率距离实际实用还有很大的差距，尤其是蓝光，其效率更低。因此，寻找新的红外激光显示材料仍在研究之中，本文主要研究对1064nm响应的发光材料。本章研究了双掺杂Er3+/Yb3+不同基质材料的蓝绿上转换荧光，得到了发光效果较好的稀土掺杂氟化物的红外激光显示材料，得到了一些有意义的研究结果。 红外激光显示材料的合成 实验药品（1）合成材料所用的化学试剂主要有：LaF3，BaF2，Na2SiF6，NaF，氢氟酸，浓硝酸等。稀土化合物为Er2O3、Yb2O3，纯度在4N以上。（2）ErF3、YbF3的配制制备Yb3+/Er3+共掺氟化物的红外激光显示材料使用的ErF3，YbF3是在实验室合成的。实验采用稀土氧化物，称取适量的Er2O3，Yb2O3放在烧杯1和烧杯2中，滴加稍微过量的硝酸（浓度约为8mol/L），置于恒温加热磁力搅拌器上搅拌，直至烧杯1中出现粉红色溶液、烧杯2中出现无色溶液停止。其化学反应如下：Er2O3+6HNO3→2Er(NO3)3+3H2OYb2O3+6HNO3→2Yb(NO3)3+3H2O再往烧杯1和烧杯2中分别都加入氢氟酸，烧杯1中生成粉红色ErF3沉淀，烧杯2中生成白色絮状YbF3沉淀，其化学反应如下：Er(NO3)3+3HF→ErF3↓+3HNO3Yb(NO3)3+3HF→YbF3↓+3HNO3生成的ErF3、YbF3沉淀使用循环水式多用真空泵进行分离，并多次使用蒸馏水进行洗涤，将从溶液中分离得到的沉淀倒入烧杯放入电热恒温干燥箱，在100℃条件下保温12小时，得到了实验所需的ErF3、YbF3，装入广口瓶中备用。 实验仪器SH23-2恒温加热磁力搅拌器（上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司）PL 203电子分析天平（梅特勒一托多利仪器上海有限公司）202-0AB型电热恒温干燥箱（天津市泰斯特仪器有限公司）SHB-111型循环水式多用真空泵（郑州长城科工贸有限公司）WGY-10型荧光分光光度计（天津市港东科技发展有限公司）DXJ-2000型晶体分析仪（丹东方圆仪器有限公司）1064nm半导体激光器（长春新产业光电技术有限公司）4-13型箱式电阻炉（沈阳市节能电炉厂） 样品的制备（1）实验方法本实验样品制备方法是：以稀土化合物YbF3、ErF3，基质氟化物为原料，引入适量的助熔剂，采用高温固相法合成红外激光显示材料。高温固相法是将高纯度的发光基质和激活剂、辅助激活剂以及助熔剂一起，经微粉化后机械混合均匀，在较高温下进行固相反应，冷却后粉碎、筛分即得到样品[8]。这种固体原料混合物以固态形式直接参与反应的固相反应法是制备多晶粉末红外激光显示材料最为广泛使用的方法。在室温下固体一般并不相互反应，高温固相反应的过程分为产物成核和生长两部分，晶核的生成一般是比较困难的，因为在成核过程中，原料的晶格结构和原子排列必须作出很大调整，甚至重新排列。显然，这种调整和重排要消耗很多能量。因而，固相反应只能在高温下发生，而且一般情况下反应速度很慢。根据Wagner反应机理可知，影响固体反应速度的三种重要因素有：①反应固体之间的接触面积及其表面积；②产物相的成核速度；③离子通过各物相特别是通过产物相时的扩散速度。而任何固体的表面积均随其颗粒度的减小而急剧增加，因此，在固态反应中，将反应物充分研磨是非常必要的[6]。而同时由于在反应过程中在不同反应物与产物相之间的不同界面处可能形成的物相组成是不同的，因此可能导致产物组成的不均匀，所以固态反应需要进行多次研磨以使产物组成均匀。另外，如果体系存在气相和液相，往往能够帮助物质输运，在固相反应中起到重要作用，因此在固相反应法制备发光材料时往往加入适量助熔剂。在有助熔剂存在的情况下，高温固相反应的传质过程可通过蒸发-凝聚、扩散和粘滞流动等多种机制进行。（2）实验步骤根据配方中各组分的摩尔百分含量（表3-1，表3-2，表3-3中给出了实验所需主要样品的成分与掺杂稀土离子浓度），准确计算各试剂的质量，使用电子天平精确称量后，把原料置于玛瑙研钵中研磨均匀后装入陶瓷坩埚中（粉体敦实后大概占坩埚体积的1/3），再放入电阻炉中保温一段时间。冷却之后即得到了实验所述的红外激光显示材料样品。图2-1为实验流程图：图2-1 实验流程图 红外激光显示材料的表征 XRDX射线衍射分析是当今研究晶体精细结构、物相分析、晶粒集合和取向等问题的最有效的方法之一[10&9]。通常采用粉末状晶体或多晶体为试样的X射线衍射分析被称为粉末法X射线衍射分析。1967年，Hugo 鉴于计算机处理大量数据的能力，在粉末中子衍射结构分析中，提出了全粉末衍射图最小二乘拟合结构修正法。1977年，Malmros等人把这个方法引入X射线粉末衍射分析中，从此Rietveld分析法的研究开始迅速发展起来[16&10]。本实验采用丹东方圆仪器有限公司生产的DXJ-2000型晶体分析仪对粉末样品进行数据采集，主要测试参数为：Cu靶Kα线，管压45kV，管流35Ma，狭缝DSlmm、.、SS1 mm，扫描速度10度/min（普通扫描）、度/min（步进扫描），通过测试明确所制备的材料是否形成特定晶体结构的晶相，也可以简单判断随着掺杂量的增加，是否在基质中有第二相形成或者掺杂的物质同基质一起形成固溶体。
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摘要：本文对工程测量学重新进行了定义，指出了该学科的地位和研究应用领域；阐述了工程测量学领域通用和专用仪器的发展；在理论方法发展方面，重点对平差理论、工程网优化设计、变形观测数据处理方法进行了归纳和总结。扼要地叙述了大型特种精密工程测量在国内外的发展情况。结合科研和开发实践，简介了地面控制与施工测量工程内外业数据处理一体化自动化系统——科傻系统。最后展望了21世纪工程测量学若干发展方向。关键词：工程测量工业测量精密工程测量测量机器人工程网优化设计一、学科地位和研究应用领域学科定义工程测量学是研究地球空间中具体几何实体的测量描绘和抽象几何实体的测设实现的理论方法和技术的一门应用性学科。它主要以建筑工程、机器和设备为研究服务对象。学科地位测绘科学和技术是一门具有悠久历史和现代发展的一级学科。该学科无论怎样发展，服务领域无论怎样拓宽，与其他学科的交叉无论怎样增多或加强，学科无论出现怎样的综合和细分，学科名称无论怎样改变，学科的本质和特点都不会改变。总的来说，整个学科的二级学科仍应作如下划分：——大地测量学；——工程测量学；——航空摄影测量与遥感学；——地图制图学；——不动产地籍与土地整理。研究应用领域目前国内把工程建设有关的工程测量按勘测设计、施工建设和运行治理三个阶段划分；也有按行业划分成：线路工程测量、水利工程测量、桥隧工程测量、建筑工程测量、矿山测量、海洋工程测量、军事工程测量、3维工业测量等，几乎每一行业和工程测量都有相应的著书或教材。由Hennecke，Mueller，Werner3个德国人所编著的工程测量学，主要按下述内容进行划分和编写：①测量仪器和方法；②线路、铁路、公路建设测量；③高层建筑测量；④地下建筑测量；⑤安全监测；⑥机器和设备测量。由于工程测量的研究应用领域非常广泛，发展变化也很快，因此写书十分困难。目前国内外没有一本全面涉及工程测量学理论、技术、方法和实际应用的现代专著或教材。国际测量师联合会的第六委员会称作工程测量委员会，过去它下设4个工作组：测量方法和限差；土石方计算；变形测量；地下工程测量。此外还设了一个非凡组：变形分析与解释。现在，下设了6个工作组和2个专题组。6个工作组是：大型科学设备的高精度测量技术与方法；线路工程测量与优化；变形测量；工程测量信息系统；激光技术在工程测量中的应用；电子科技文献和网络。2个专题组是：工程和工业中的非凡测量仪器；工程测量标准。德国、瑞士、奥地利3个德语语系国家自50年代发起组织每3～4年举行一次的“工程测量国际学术讨论会”。过去把工程测量划分为以下几个专题：测量仪器和数据获取；数据解释、处理和应用；高层建筑和设备安装测量；地下和深层建筑测量；环境和工程建筑物变形监测。1992年第11届讨论会的专题是：测量理论与测量方案；测量技术和测量系统；信息系统和CAD；在建筑工程和工业中的应用。1996年的第12届讨论会的专题是：测量和数据处理系统；监测和控制；在工业和建筑工程中的质量问题；数据模型和信息系统；交叉学科的大型工程项目。从以上可见，工程测量学的研究领域既有相对的固定性，又是不断发展变化的。笔者认为，工程测量学主要包括以工程建筑为对象的工程测量和以设备与机器安装为对象的工业测量两大部分。在学科上可划分为普通工程测量和精密工程测量。工程测量学的主要任务是为各种工程建设提供测绘保障，满足工程所提出的要求。精密工程测量代表着工程测量学的发展方向，大型特种精密工程建设是促进工程测量学科发展的动力。二、工程测量仪器的发展工程测量仪器可分通用仪器和专用仪器。通用仪器中常规的光学经纬仪、光学水准仪和电磁波测距仪将逐渐被电子全测仪、电子水准仪所替代。电脑型全站仪配合丰富的软件，向全能型和智能化方向发展。带电动马达驱动和程序控制的全站仪结合激光、通讯及CCD技术，可实现测量的全自动化，被称作测量机器人。测量机器人可自动寻找并精确照准目标，在1s内完成一目标点的观测，像机器人一样对成百上千个目标作持续和重复观测，可广泛用于变形监测和施工测量。GPS接收机已逐渐成为一种通用的定位仪器在工程测量中得到广泛应用。将GPS接收机与电子全站仪或测量机器人连接在一起，称超全站仪或超测量机器人。它将GPS的实时动态定位技术与全站仪灵活的3维极坐标测量技术完美结合，可实现无控制网的各种工程测量。专用仪器是工程测量学仪器发展最活跃的，主要应用在精密工程测量领域。其中，包括机械式、光电式及光机电结合式的仪器或测量系统。主要特点是：高精度、自动化、遥测和持续观测。用于建立水平的或竖直的基准线或基准面，测量目标点相对于基准线的偏距，称为基准线测量或准直测量。这方面的仪器有正、倒锤与垂线观测仪，金属丝引张线，各种激光准直仪、铅直仪、自准直仪，以及尼龙丝或金属丝准直测量系统等。在距离测量方面，包括中长距离、短距离和微距离及其变化量的精密测量。以ME5000为代表的精密激光测距仪和TERRAMETERLDM2双频激光测距仪，中长距离测量精度可达亚毫米级；可喜的是，许多短距离、微距离测量都实现了测量数据采集的自动化，其中最典型的代表是铟瓦线尺测距仪DISTINVAR，应变仪DISTERMETERISETH，石英伸缩仪，各种光学应变计，位移与振动激光快速遥测仪等。采用多谱勒效应的双频激光干涉仪，能在数十米范围内达到μm的计量精度，成为重要的长度检校和精密测量设备；采用CCD线列传感器测量微距离可达到百分之几微米的精度，它们使距离测量精度从毫米、微米级进入到纳米级世界。高程测量方面，最显著的发展应数液体静力水准测量系统。这种系统通过各种类型的传感器测量容器的液面高度，可同时获取数十乃至数百个监测点的高程，具有高精度、遥测、自动化、可移动和持续测量等特点。两容器间的距离可达数十公里，如用于跨河与跨海峡的水准测量；通过一种压力传感器，答应两容器之间的高差从过去的数厘米达到数米。与高程测量有关的是倾斜测量，即确定被测对象在竖直平面内相对于水平或铅直基准线的挠度曲线。各种机械式测斜仪、电子测倾仪都向着数字显示、自动记录和灵活移动等方向发展，其精度达微米级。具有多种功能的混合测量系统是工程测量专用仪器发展的显著特点，采用多传感器的高速铁路轨道测量系统，用测量机器人自动跟踪沿铁路轨道前进的测量车，测量车上装有棱镜、斜倾传感器、长度传感器和微机，可用于测量轨道的3维坐标、轨道的宽度和倾角。液体静力水准测量与金属丝准直集成的混合测量系统在数百米长的基准线上可精确测量测点的高程和偏距。综上所述，工程测量专用仪器具有高精度、快速、遥测、无接触、可移动、连续、自动记录、微机控制等特点，可作精密定位和准直测量，可测量倾斜度、厚度、表面粗糙度和平直度，还可测振动频率以及物体的动态行为。 三、工程测量理论方法的发展测量平差理论最小二乘法广泛应用于测量平差。最小二乘配置包括了平差、滤波和推估。附有限制条件的条件平差模型被称为概括平差模型，它是各种经典的和现代平差模型的统一模型。测量误差理论主要表现在对模型误差的研究上，主要包括：平差中函数模型误差、随机模型误差的鉴别或诊断；模型误差对参数估计的影响，对参数和残差统计性质的影响；病态方程与控制网及其观测方案设计的关系。由于变形监测网参考点稳定性检验的需要，导致了自由网平差和拟稳平差的出现和发展。观测值粗差的研究促进了控制网可靠性理论，以及变形监测网变形和观测值粗差的可区分性理论的研究和发展。针对观测值存在粗差的客观实际，出现了稳健估计；针对法方程系数阵存在病态的可能，发展了有偏估计。与最小二乘估计相区别，稳健估计和有偏估计称为非最小二乘估计。巴尔达的数据探测法对观测值中只存在一个粗差时有效，稳健估计法具有反抗多个粗差影响的优点。建立改正数向量与观测值真误差向量之间的函数关系，可对多个粗差同时进行定位和定值，这种方法已在通用平差软件包中得到算法实现和应用。方差和协方差分量估计实质上是精化平差的随机模型，过去一直仅停留在理论的研究上。实际中，要求对多种观测量进行综合处理，因此，方差分量估计已成为测量平差的必备内容了。目前，通用平差软件包中已增加了该功能，但还需要在测量规范中明确提出来。需要指出的是：许多测量作业单位喜欢采用附合导线进行逐级加密，主要依据目前规范中有关一、二、三级导线和图根导线的规定。无疑附合导线具有许多优点，但由于多余观测少，发现和反抗粗差的能力较弱，不宜滥用。建立一个区域的控制，首级网点采用GPS测量，下面最好用一个等级的导线网作全面加密。从测量平差理论来看，全面布设的导线网具有更好的图形强度，精密较均匀，可靠性也较高。工程控制网优化设计理论和方法网的优化设计方法有解析法和模拟法两种。解析法是基于优化设计理论构造目标函数和约束条件，解求目标函数的极大值或极小值。一般将网的质量指标作为目标函数或约束条件。网的质量指标主要有精度、可靠性和建网费用，对于变形监测网还包括网的灵敏度或可区分性。对于网的平差模型而言，按固定参数和待定参数的不同，网的优化设计又分为零类、一类、二类和三类优化设计，涉及到网的基准设计，网形、观测值精度以及观测方案的设计。在工程测量中，施工控制网、安装控制网和变形监测网都需要作优化设计。由于采用GPS定位技术和电磁波测距，网的几何图形概念与传统的测角网有很大的区别。除非凡的精密控制网可考虑用专门编写的解析法优化设计程序作网的优化设计外，其他的网都可用模拟法进行设计。模拟法优化设计的软件功能和进行优化设计的步骤主要是：根据设计资料和地图资料在图上选点布网，获取网点近似坐标。模拟观测方案，根据仪器确定观测值精度，可进一步模拟观测值。计算网的各种质量指标如精度、可靠性、灵敏度。精度应包括点位精度、相邻点位精度、任意两点间的相对精度、最弱点和最弱边精度、边长和方位角精度。进一步可计算坐标未知数的协方差阵或部分点坐标的协方差阵，协方差阵的主成份计算，特征值计算，点位误差椭圆、置信椭圆的计算等。可靠性包括每个观测值的多余观测分量和某一观测值的粗差界限值对平差坐标的影响。灵敏度包括灵敏度椭圆、在给定变形向量下的灵敏度指标以及观测值的灵敏度影响系数。将计算出的各质量指标与设计要求的指标比较，使之既满足设计要求，又不致于有太大的富余。通过改变观测值的精度或改变观测方案或局部改变网形等方法重新作上述设计计算，直到获取一个较好的结果。在实践中，总结出了下述优化设计策略：先固定观测值的精度，对选取的网点，观测所有可能的边和方向，计算网的质量的指标，若质量偏低，则必须提高观测值的精度。在某一组先验精度下，若网的质量指标偏高了，这时可按观测值的内部可靠性指标ri，删减观测值。ri太大，说明该观测值显得多余，应删去；若ri很小，则该观测值的精度不宜增加。这种根据ri大小来删除观测值的方法称为从“密”到“疏”，从“肥”到“瘦”的优化策略。从模拟法优化设计的整个过程来看，它是一种试算法，需要有一个好的软件。该软件除具有通用平差软件的功能外，在成果输出的多样性、直观性，在可视化以及人机交互界面设计方面都有更高要求。同时也要求设计者具有坚实的专业知识和丰富的经验。用模拟法可获得一个相对较优且切实可行的方案，可进一步用模拟观测值作网的平差计算，同时可模拟观测值粗差并计算对结果的影响。这种方法称为数学扭曲法或蒙特卡洛法。对于一个精度、可靠性以及灵敏度要求极高的监测网或精密控制网，作上述优化设计和精细计算是十分必要的。国内在这方面的应用道较少。多是为了安全起见，有较大的质量富余，建网费用偏高。网优化设计费用很少，所带来的效益较大，凡是较重要的工程控制网，都应作优化设计。变形观测数据处理工程建筑物及与工程有关的变形的监测、分析及预是工程测量学的重要研究内容。其中的变形分析和预涉及到变形观测数据处理。但变形分析和预的范畴更广，属于多学科的交叉。变形观测数据处理的几种典型方法
距离传感又称位移传感器，距离传感器是利用各种元件检测对象物的物理变化量，通过将该变化量换算为距离，来测量从传感器到对象物的距离位移的机器。根据使测量原理不同，分为超声波位移传感器、激光距离传感器等。最常见的应用就是手机距离传感器的使用。手机使用的距离传感器是利用测时间来实现距离测量的一种传感器. 红外脉冲传感器通过发射特别短的光脉冲，并测量此光脉冲从发射到被物体反射回来的时间，通过测时间来计算与物体之间的距离。
距离传感器的分类：
距离传感器按照测量原理的不同，分为激光距离传感器和超声波距离传感器。
激光测距传感器是距离传感器中应用比较广泛的类型，比如应用在出租车的计价器当中，在此发挥作用的就是激光测距传感器中的一种叫做传输时间激光距离传感器的传感器
传输时间激光距离传感器的工作原理
传输时间激光传感器工作时。传输时间激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快。要想使分辨率达到1mm，则传输时间测距传感器的电子电路必须能分辨出极短的时间，这是对电子技术提出的过高要求，实现起来造价太高。但是如今廉价的传输时间激光传感器巧妙地避开了这一障碍，利用一种简单的统计学原理，即平均法则实现了1mm的分辨率，并且能保证响应速度。
传输时间激光距离传感器的优点
传输时间激光距离传感器的发展激光在检测领域中的应用十分广泛，技术含量十分丰富，对社会生产和生活的影响也十分明显。利用激光传输时间来测量距离的基本原理是通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离。即：传输时间激光测距虽然原理简单、结构简单，但以前主要用于军事和科学研究方面，在工业自动化方面却很少见。因为激光测距传感器售价太高，一般在几千美元。实际上，所有工业用户都在寻找一种能在较远距离实现精密距离检测的传感器。因为许多情况下近距离安装传感器会受物理位置及生产环境的限制，如今的传输时间激光测距传感器将为这类场合的工程师排忧解难。
超声波距离传感器的工作原理
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频 率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。
超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。
距离传感器在检测领域中的应用十分广泛，技术含量十分丰富，对社会生产和生活的影响也十分明显。激光测距和超声波测距是距离传感器最常见的应用。
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