45500字硕士毕业论文大行程双轴速度刀具超精密车削伺服装置的设计与研究

论文类型：硕士毕业论文

论文字数：45500字

论点：装置,曲面,本文

论文概述：

本文研究工作依托吉林大学承办的吉林省科技厅高新重点项目“自由曲面光学零件高效精密切削关键技术及工艺装置开发的研究”。在查阅大量文献的基础上，本文分析研究了光学自由曲面创成

论文正文：

第1章导言

1.1 研究背景和意义基于 FTS 的金刚石车削被国际学术界和工业界普遍认为是一种最有发展前途的光学自由曲面创成方法。然而，基于 FTS 的金刚石车削迄今为止还存在着一些关键问题有待研究解决。这些亟待解决的关键问题主要包括：刀刃接触点的非均匀变化是影响加工表面质量的主要因素之一，但迄今为止还没有行之有效的解决方法；现有的 FTS 大都是单自由度的直线 FTS 或者摆动 FTS，无法实现“非等参数”刀具路径规划；未见有人针对基于 FTS 的金刚石车削提出表面形貌的预测方法，从而无法实现评价切削工艺参数对表面形貌的影响。针对目前基于 FTS 的金刚石车削存在的一些关键问题，本课题致力于研制一种两轴直线式大行程 FTS 工艺装置，以期将该两自由度 FTS 装置作为辅助运动轴安装在一台精密数控机床上，采用两个直线式音圈电机驱动，带动刀具实现 X 轴和 Z 轴方向伺服运动；并采用高精度电容直线位移传感器作为位移检测反馈元件，测量 X和 Z 方向刀具的位移。
 1.2 国内外研究现状及发展趋势 1.2.1 自由曲面创成方法评述复制成型 又称为模具成型（如图 1.1 所示），属于材料非去除加工方法，该方法集光学设计技术、材料技术、化工技术等技术于一体，在复杂光学零件创成领域有着举足轻重的作用。复制成型法创成光学自由曲面的优点在于：加工设备简单，仅需一套母模即可实现；加工效率高，对于一般要求光学表面无需进行抛光处理；重复精度高，复制件可采用一套母模完成；适用于大批量生产。该方法也存在明显不足：它将自由曲面创成的困难转移到了母模的制造，也就是说创成精度要求越高，母模制造精度就要求越高，当精度达到一定程度时，母模的制造将非常困难，甚至不能实现；同时由于采用母模创成光学零件，故对加工材料也有限制[11-13]。磨削/研磨/抛光 该方法主要用于加工包括有机玻璃在内的脆性材料，大大提高产品的表面质量，并且在多轴超精密 CNC 机床上可以实现精密创成光学自由曲面（磨削加工示意图如图 1.2 所示）。磨削加工时半精加工工序，可以改善待加工工件的尺寸精度，其特点是发热少、散热好、加工效率高、质量好，可用于包括光学自由曲面在内的复杂曲面创成。抛光加工为精加工工序，特点是可以改善待加工工件的表面质量，使工件表面光泽，但是与磨削不一样的是它不能提高工件的尺寸精度。研磨抛光可以实现亚克力抛光，从而提高工件的表面质量以及使用寿命，改善抛光环境，提高抛光效率。但是磨削/研磨/抛光技术同样存在不足，主要表现为：该方法是一种多工艺的时间密集型加工方法，加工周期长、成本高；该方法为多工艺加工方法，为了提高加工质量，通常需要不断维护生产设备；抛光工艺容易导致工件形状误差，故工件表面形状越复杂、不对称度越高，加工越困难，这是限制该方法在光学自由曲面创成应用的主要因素；当工件或砂轮惯性大时，为了提高加工质量，必须降低工件回转速度；当工件或砂轮较小时，砂轮线速度较低，这会加速砂轮磨损，从而难以保证工件的形状精度[14-19]。
 第 2 章 大行程两轴 FTS 装置结构设计
 本文对大行程两轴 FTS 装置的设计主要从以下三个方面进行：在研究现有 FTS驱动器的优缺点的基础上，进行 FTS 装置驱动器及检测元件的选择设计；对 FTS 装置进行总体布局设计，并对其工作原理进行阐述；在 FTS 装置总体设计的基础上，本文对 FTS 装置主要零部件进行了结构设计，从而实现了对整个 FTS 装置的研制。根据项目要求，本文研制的 FTS 装置需达到如下技术指标：（1）实现 FTS 装置在 X 轴和 Z 轴上的直线式位移输出；（2）实现 FTS 装置在 X 轴和 Z 轴的有效行程达到 1mm；（3）实现 FTS 装置的高分辨率，实现 FTS 装置精度达到 0.05μm；（4）实现 FTS 装置的高频响应，实现 FTS 装置频率达到 20Hz 以上。
 第 3 章 大行程两轴 FTS 力学特性分析.............333.1 FTS 装置有限元分析模型的建立................... 333.2 FTS 装置静力学特性分析...............373.3 FTS 装置的动力学特性分析..................433.4 本章小结.............48第 4 章 FTS 装置的结构优化设计....................494.1 FTS 装置设计参数的相关性分析.......................494.2 FTS 装置的响应曲面仿真................584.3 基于目标驱动 FTS 装置优化设计...............614.4 本章小结.................67第 5 章 FTS 装置的系统辨识.....................695.1 系统辨识............695.2 FTS 装置的辨识试验研究....................735.3 FTS 装置的系统辨识.....................775.4 本章小结..............80
 总结
 本文研究工作依托吉林大学承办的吉林省科技厅高新重点项目“自由曲面光学零件高效精密切削关键技术及工艺装置开发的研究”。在查阅大量文献的基础上，本文分析研究了光学自由曲面创成国内外发展现状，在此基础上进行本文的研究。根据项目需求以及对国内外现状的研究，本文设计一款了新型的两自由度大行程直线式 FTS装置，该装置以柔性铰链为导向和支撑，实现了 X 轴和 Z 轴两个方向的直线自由度。在完成 FTS 装置结构设计后，本文利用现代有限元设计理论以及有限元工程软件对FTS 装置的静力学特性和动力学特性进行了分析，结果显示 FTS 装置在 X 轴和 Z 轴的有效行程均不小于 1mm，且由于装置采用柔性铰链作为导向和支撑结构进行运动和能量的传递，实现了精度为 0.05μm 的分辨率。通过对 FTS 装置的结构优化设计工作，最终实现了其一阶固有频率大于要求的 20Hz，达到了 39.608Hz。本文的创新点主要体现在两个方面：一是本文创新性实现了两自由度直线式 FTS装置且可以实现毫米级的有效行程；二是本文利用现代设计理论，实现了 FTS 装置的结构优化设计，并取得了很好的优化效果。通过本文的研究工作，为 FTS 装置的开发工作提供了重要的指导与参考作用，同时为光学自由曲面的高效精密创成具有重要的参考意义。本文的主要研究内容及相关结论如下：（1）通过查阅大量文献资料，研究分析了国内外光学自由曲面创成发展现状以及 FTS 金刚石车削发展现状，在此基础上提出了本文的主要研究目标以及研究意义。（2）本文采用直线式音圈电机作为 FTS 装置的驱动器，选取电容式位移传感器作为 FTS 装置的位移检测元件。然后本文完成了 FTS 装置总体布局设计并阐述了本文研制的 FTS 装置的组成及工作原理。最终实现了 FTS 装置在 X 轴和 Z 轴两个方向的直线自由度。（3）对本文设计的 FTS 装置的静力学分析结果表明，该 FTS 装置可以很好的实现两个自由度方向的解耦，并且装置在 X 轴方向和 Z 轴方向的有效行程均不小于1mm，达到了行程设计指标；当两个音圈电机以工作直线推力进行加载时，FTS 装置承受的最大等效应力 495.74MPa，低于材料许用应力 631MPa，满足强度条件；对 FTS装置的模态分析结果显示装置一阶固有频率为 31.718Hz，高于 20Hz，满足频率响应要求；对 FTS 装置的谐响应分析结果显示 0Hz～100Hz 频段内 FTS 装置在一阶固有频率处产生的位移与最大等效应力最大，且最大值均满足设计要求。（4）在 FTS 装置的参数化建模基础上，本文对 FTS 装置的设计参数进行相关性分析试验，分析得出了 FTS 装置的结构参数与性能参数的相关性系数矩阵并对其进行了响应曲面仿真和结构优化设计，通过优化设计使得 FTS 装置的一阶固有频率提高 24.875%，同时强度条件也提高了 13.883%，提高了其结构安全性和可靠性。（5）通过对 FTS 装置辨识试验输入信号以及采样频率的确定，本文对 FTS 装置进行了辨识试验，在分析试验所得输入输出数据的基础上，本文采用传递函数模型对FTS 装置进行了系统辨识，得到了 FTS 装置的系统传递函数模型。
 参考文献:[1] Stefan Rakuff, James F.Cuttino.Design and testing of a long-range precision fast toolservo system for diamond turning [J].Precision Engineering, 2009, 8(33):18-25. C.F. Cheung, K. Hu，X.Q. Jiang,L.B. Kong.Characterization of surface defects in fasttool servo machining of microlens array using a pattern recognition and analysismethod[J].Measurement,2010,11(43):1240-1249. L.B. Kong,C.F. Cheung，S.To,W.B.Lee.An investigation into surface generation inultra-precision raster milling[J].Journal of Materials Processing Technology,2009,10(209):4178-4185. 杨辉.光学自由曲面的制造技术[C].中国重要会议论文全文数据库.2006. 丁毅，顾培夫.实现均匀照明的自由曲面反射[J].光学学报，2007，27（3）：540-544. 李荣彬，杜雪，张志辉等.光学自由曲面的超精密加工技术及应用[C].中国机械工程学会 2003 年会，制造技术与机床，2004，1（4）：17-19. 蒋金波，杜雪，李荣彬.自由曲面的 LED 路灯透镜的设计[J].液晶与显示，2008，23（5）：589-593. 朱维涛，陈祥熙，施伟彬.自由曲面汽车车灯仿真设计与制造[J].系统仿真学报，2002，14（10）：1384-1389. Z.Q. Yin，Y.F. Dai,S.Y. Li,C.L. Guan，G.P. Tie.Fabrication of off-axis aspheric surfacesusing a slow tool servo[J].International Journal of Machine Tools &Manufacture,2011(51):404-410.[10] Ho-Sang Kim，Kwang-11 Lee，Kyoung-Min Lee，Young-Bong Bang，Fabrication offree-form surfaces using a long-stroke fast tool servo and corrective figuring withon-machine measurement[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture,2009(49):991-997.