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67500字博士毕业论文可变磁阻法向电磁力在并联二自由度快速刀具伺服技术中的应用

论文类型:博士毕业论文
论文字数:67500字
论点:曲面,光学,设计
论文概述:

本文设计的 2DOF-FTS 利用两个变磁阻法向电磁力电机驱动,使用碳纤维增强塑料为材料的并联机构传动,分别实现刀具的平动和转动。

论文正文:

第1章螺纹理论

1.1 课题研究背景和意义1.1.1 课题研究背景光学元件的发展也随着产品需求的变化和技术的进步,经历了从球面到非球面,再到非轴对称曲面,一直到无解析表达式的自由曲面。图 1.1 中简单列举了光学元件实际应用的几个例子。非轴对称曲面,包括自由曲面给光学应用的设计者带来了更多的设计自由。能把过去需要几个光学元件通过装配才能实现的复杂的光学系统通过在一个或几个元件上的功能集成大为简化。例如2CO 激光谐振腔的反射镜,过去需要几十个小镜片拼接组成。利用非轴对称的正弦曲面可以在一个镜面上加工出几十甚至几百个正弦波,大大减少了装配造成的误差和工作复杂程度。光学设计者现在也能将过去一些厚重的元件质量减轻、尺寸减小变薄。例如替代传统凸透镜的菲尼尔透镜在航空母舰的助降系统中的应用,我国新服役的第一艘航母“辽宁号”就使用了这种助降系统。又例如复眼结构可以将视野范围扩展到接近全景范围并对运动非常敏感,这种结构的光学透镜已经开始在机器人视觉、目标识别和空间遥测等领域开始应用[1]。还有如空间遥感光学技术中成像系统利用离轴曲面进行像差的校正与平衡。非轴对称光学曲面在民用领域也已经得到了广泛和不断拓展的应用。历史上第一个得到广泛应用的自由曲面应该是上世纪 70 年代宝丽来公司的 SX-70 相机反光板。现在的激光打印、激光复印等设备上利用 F-theta 透镜可以使无穷远处不同角度的平行入射光都能准确聚焦在感光层上,实现聚焦距离和入射角? 成正比(这也是 F-theta 透镜名称的由来),所以成像清晰度与色彩都能实现很高的质量。又例如利用离轴非对称光学曲面或自由光学曲面形式的棱镜制作而成的棱镜头盔显示器(HMD),一方面满足了对视场角等光学性能的要求,同时实现了光学系统的小型化[4,5]。还有例如用于增强亮度和控制反射的胶片、背投均光镜片、隐形眼镜模具、二维平面光栅、光盘读写头等。最常见的用于校正人眼散光的镜片也属于非轴对称光学曲面——环曲面。总之,无论在涉及国家战略的航空航天、军事等领域,还是和人们生活密切相关的日常生活中,非轴对称光学曲面正在快速进入应用时期并且不断推出更新的、更高水平的应用设计。非轴对称自由光学曲面的大量应用也深刻影响着光学元件的制造形式。从光学元件的设计到加工、再到检测,都需要随着技术进步而不断创新。以下简单介绍一些常用的自由光学曲面加工手段。(1) 磨削、研磨与抛光传统的光学元件或者模具的加工手段是通过磨削和研磨抛光实现的,这也是自由光学曲面的重要加工手段。图 1.2 中正在利用磨削技术加工光学元件。Polaroid 公司早期的 SX-70 相机偏光板的制作就是依靠近乎手工的打磨与抛光进行加工的。对于一些大尺寸的精密光学元件,磨削及抛光依然是首选加工手段[7,8]。近年来出现了一些新的研磨方法,例如超声波抛光、磁流变抛光等。但是这些方法都是从提高工件面型精度和表面质量的角度进行改进,并没有改变这些加工方法固有的难以在一个工序完成加工、加工周期长以及因此造成的精度较低、成本过高的问题。(2) 慢刀伺服慢刀伺服(SSS:SlowSlideServo,又称 S3)技术是在超精密数控金刚石车床上,使主轴转速下降到低于 50rpm 的速度,同时利用车床原 X 向和 Z 向导轨使刀具根据主轴转角同步运动,从而实现自由曲面光学镜面加工的一种加工技术。加工现场如图 1.3 所示。这种方法需要在主轴上增加测量主轴转角的编码器。慢刀伺服的最大优点在于被加工工件的非对称度仅受到机床滑板的行程限制,可以加工需要在机床 X 和 Z 轴方向同步于主轴转角进行长距离周期运动的工件,工件经过一次装夹就可以得到很好的面型精度和表面质量。和磨削方式一样,慢刀伺服的加工效率较低;机床本身的动静刚度、轨道精度等方面误差对工件质量影响较大。
 第2章 2DOF-FTS 的机构设计及动力学分析
 本章将进行 2DOF-FTS 的机构设计。首先根据 2DOF-FTS 的性能要求,分析串联结构和并联机构的优缺点,确定 2DOF-FTS 的并联机构基本形式;在第 2 节描述具体并联机构的设计思路和设计方案;第 3 节针对前一节中的设计方案,分别利用多刚体动力学和多柔体动力学方法,对所设计的机构进行了包括刚度、响应频率、谐振等静力学和动力学指标分析。最后确定所设计机构需要的做动器驱动力、功率等参数。
 第 3 章 2DOF-FTS伺服驱动单元开发.................493.1 法向电磁力驱动原理 ..........493.1.1 电机 X 方向的直流磁感应强度分量:...........503.1.2 电机 X 方向的交流磁感应强度分量:.............513.2 变磁阻法向电磁力驱动电机的设计和性能分析 ............ 533.2.1 设计参数的正则化.............533.2.2 变磁阻法向电磁力电机的设计原则 ..........553.3 变磁阻法向电磁力电机驱动伺服放大器 ............593.4 本章小结............. 72第 4 章 2DOF-FTS 车削的工件端面轨迹规划.................734.1 2DOF-FTS 刀具轨迹规划的目标和数学描述 ......... 734.2 其它非轴对称光学曲面的轨迹规划.................854.3 针对其它目标的 2DOF-FTS 刀具轨迹规划简述 ............994.4 本章小结...............100第 5 章 变磁阻法向电磁力 2DOF-FTS 控制系统 ..............1015.1 执行器的状态空间及分析..............1015.2 控制器描述................1045.3 控制算法.............1095.4 本章小结...........119
 总结
 本文设计的 2DOF-FTS 利用两个变磁阻法向电磁力电机驱动,使用碳纤维增强塑料为材料的并联机构传动,分别实现刀具的平动和转动。文章中简要介绍了碳纤维增强塑料的材料性质和柔性铰链的设计过程。分析了 2DOF-FTS 运动机构的静刚度,结果表明机构在机床 X、Y、Z 三个方向的静刚度都是大约 201N μm 。机构设计部分内容重点描述了并联机构的动力学分析过程。分别使用多刚体动力学和多柔体动力学对机构进行了动力学分析,并对结果进行了比对。结果表明,两种分析方法在机构低频运动时是一致的;机构在较高频率运动时,随着速度和加速度的增加,多刚体分析方法会由于忽略杆件变形而产生位移误差;由于杆件的固有频率基频远高于机构运动频率,分析表明杆件的谐振模态一般不会被激发。但如果未来继续缩减杆件的尺寸,就必须注意避免对这些杆件谐振模态的激发。为 2DOF-FTS 机械部分设计制造了配套功率放大驱动电路。在详细分析变磁阻法向电磁力电机原理基础之上,给出了输出力、功率等电机参数的计算方法,计算了本文设计使用的驱动电路的各项参数;根据这些参数要求,具体设计并制造了伺服电压功率放大控制电路板和电流控制电路板。对于本文中电路设计的各个环节的参数进行了计算,详细分析了电路驱动系统的整体性能并给出了多路耦合感性负载的解耦方法和驱动方案。分析了 2DOF-FTS 的刀具运动空间,描述了 2DOF-FTS 刀具切削轨迹规划的独特性。利用本文设计的 2DOF-FTS 针对斜面、环曲面和微阵列等几种具有代表性的自由曲面光学元件给出了具体的刀具切削轨迹规划。揭示了相对单自由度 FTS,本文设计的 2DOF-FTS 在刀具切削轨迹规划方面具有很大的灵活性,可以很大程度提高 FTS 的加工能力,同时刀具规划的复杂性也大为增加。在论文前面几章的基础上,建立了 2DOF-FTS 的状态空间表达式,为控制系统的设计建立了基础。利用所建立的状态空间表达式,选择了具体控制方案,设计了控制算法。详细描述了本文使用的智能模糊自适应滑膜变结构控制方法,对滑膜超曲面的建立、趋近律的选择和模糊自适应方法对切换函数的影响等进行了详细分析。对 2DOF-FTS 的机械部分和电气部分分别进行了系统辨识和测试,验证了机械系统建模的准确性,检验了伺服控制电路的性能指标;然后分别根据本文设计的控制规律以及其它经典控制方法,对 2DOF-FTS 系统的正弦波输出进行了控制仿真并对使用其它控制方法的正弦波输出进行了控制效果比对。验证了系统设计的正确。
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