电磁驱动快速刀具伺服机构的研究

论文摘要

目前，超精密加工技术已成为发展现代高科技制造技术的重要支柱，应用非常广泛，并能够为高端产品提供关键技术支持，如非回转对称光学自由曲面类零件的加工，这些光学元件的表面形状复杂，且加工精度要求较高，传统的加工方法不能满足要求，而采用单点金刚石超精密车削的方法可以有效的加工此类元件。单点金刚石超精密车削技术的关键是具有快速响应能力的微进给刀具伺服机构(Fast tool servo，简称FTS)，本文是基于麦克斯韦力型快速刀具伺服机构的研究，它属于一种正应力电磁驱动的超高频响微进给机构，其主要研究内容如下：1.介绍了国内外超精密加工技术的发展状况及其应用，在研究用于加工光学元件的单点金刚石超精密车削技术中提出了快速刀具伺服机构，并分析了该种机构采用的四种不同驱动原理和各自的优缺点。2.分析麦克斯韦力型FTS的基本原理，提出麦克斯韦力型FTS中存在的关键性问题，并研究现有正应力电磁驱动器的机构模型，为本文建立新的机构模型奠定了基础。3.针对麦克斯韦力型FTS中存在的非线性问题、工作气隙和柔性铰链的设计问题展开了研究，首先着重研究了新型驱动机构模型的磁场分布情况，根据磁路设计原理从理论上分析驱动力线性化的可行性，并利用ANSYS有限元分析软件定量的分析驱动装置工作气隙的最优值，最后对机构的关键部件——柔性铰链进行了理论研究，并设计了平行板移动副铰链。4.根据以上的基础理论研究，给出了驱动机构的整体示意图，并设计出驱动机构各个部件的零件图，并分析了其加工和装配的过程。5.对十字板簧进行了模态分析，得到了其固有频率和各阶振型图，根据固有频率确定了驱动装置工作频率的范围，并通过实验测试得出了板簧的实际刚度；最后对驱动装置的电磁驱动力进行了动态仿真，定量的得到了驱动力与电流和位移的线性关系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 超精密加工技术的发展状况
• 1.1.2 非回转对称光学自由曲面介绍
• 1.2 快速刀具伺服机构的发展
• 1.2.1 快速刀具伺服机构的性能指标
• 1.2.2 快速刀具伺服机构的类型和特点
• 1.3 课题研究目的和意义
• 1.4 课题主要研究内容及章节安排
• 第2章 麦克斯韦力型 FTS 的基础理论
• 2.1 麦克斯韦力型 FTS 基本原理
• 2.2 麦克斯韦力型 FTS 存在的问题
• 2.2.1 非线性问题
• 2.2.2 工作气隙的设计问题
• 2.2.3 柔性铰链的设计问题
• 2.3 正应力电磁驱动器机构模型
• 2.3.1 螺线管制动器
• 2.3.2 多极螺线管制动器
• 2.3.3 非线性磁性驱动器
• 2.4 本章小结
• 第3章 麦克斯韦力型驱动装置的开发研究
• 3.1 电磁驱动力的线性化方法
• 3.2 初始工作气隙的设计分析
• 3.2.1 驱动装置模型的主要参数
• 3.2.2 励磁线圈单元的参数分析
• 3.2.3 ANSYS 实体建模和结果分析
• 3.3 柔性铰链的设计
• 3.3.1 柔性铰链的种类
• 3.3.2 柔性铰链的选材和设计原则[59,60]
• 3.3.3 柔性铰链刚度计算
• 3.4 铁芯的运动分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 驱动装置机械结构设计
• 4.1 整体结构设计
• 4.2 运动部件
• 4.2.1 动铁芯
• 4.2.2 运动轴
• 4.2.3 刀夹
• 4.3 驱动部件
• 4.3.1 定铁芯
• 4.3.2 永磁铁
• 4.3.3 励磁线圈
• 4.4 外壳体
• 4.4.1 前壳体
• 4.4.2 中壳体
• 4.4.3 后定铁芯
• 4.5 机构的装配
• 4.6 本章小结
• 第5章 仿真与实验分析
• 5.1 十字板簧的仿真与实验
• 5.1.1 十字板簧的模态分析
• 5.1.2 十字板簧的刚度测试
• 5.2 驱动机构动态仿真
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢