基于音圈电机的快速伺服刀具驱动装置研究

摘要

随着光电子学的发展，光学元件在航天、军事、医学、通讯等一系列科技领域中起到了关键甚至决定性的作用，非回转对称光学曲面(Non-Rotationally Symmetric Surface，简称 NRS曲面)元件已成为光电产品中不可替代的关键零部件。但是，现有制造加工NRS曲面的技术方法，加工时间长、成本高。因此，高效精密并且低成本的加工NRS元件成为制约光电子产业发展的关键。设计开发一种大行程的快速伺服刀架(Fast Tool Servo，简称FTS)，使用金刚石车削加工的方法加工NRS元件成为解决上诉问题的核心技术。本文从大行程FTS的设计理论入手，对大行程、高频响、高刚度的FTS系统进行设计研究，以渐进多焦点镜片的加工为应用背景。
　　本文针对快刀伺服加工的特点，分析了快刀伺服加工切削力及其影响因素，进行了大行程FTS的设计，并确定FTS的相关设计参数。通过对导轨布置、导轨截面、驱动装置、传感器、惯性平衡方案的规划和比较确定了大行程FTS总体方案。针对不同工况和使用要求，设计了两种类型的大行程FTS。
　　在大行程FTS-Ⅰ型装置设计过程中，通过拓扑优化的方法对滑台结构进行优化，得到了核心元件滑台的倒T形截面中空结构形式，并利用ANSYS有限元软件进行了动静态特性分析。设计了滑台紧固结构和气浮装置并进行校核，建立了系统结构的三维模型。通过热传导分析，建立电机线圈与滑台之间的热传递模型，并采用ANASYS有限元软件进行热传导和热-结构耦合分析，得到了FTS装置的温度场分布和变形，对隔热方案进行验证。
　　大行程FTS-Ⅱ型装置设计过程中，采用三角形中空结构形式，使得FTS整体尺寸减小，质量减轻。设计了一种弹簧音圈电机式平衡惯性装置，并对其平衡性能进行仿真分析，对平衡装置的可实施性进行验证。

目录

基于音圈电机的快速伺服刀具驱动装置研究

RESEARCH ON FAST TOOL SERVO DRIVES USING VOICE COIL MOTOR

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1课题研究的背景和意义

1.2国内外研究现状及分析

1.3主要研究内容

第2章 大行程FTS总体设计

2.1 重要设计参数

2.1.1 速度、加速度等参数

2.1.2 带宽分析

2.1.3 其它设计要求

2.2 快刀伺服加工的切削特点及其切削力分析

2.3 结构布局形式

2.3.1 导轨的布置方案

2.3.2 导轨截面设计

2.3.3 驱动装置

2.3.4 传感器

2.3.5 惯性平衡方案设计

2.4 本章小结

第3章 大行程FTS-Ⅰ设计与分析

3.1 大行程FTS设计目标

3.2 滑台结构设计与分析

3.2.1 滑台结构拓扑优化

3.2.2 滑台结构静力分析

3.2.3 滑台动态特性分析

3.3 滑台紧固结构设计

3.4 气浮装置设计

3.4.1 节流器的选择

3.4.2 导轨承载能力、刚度和气体流量的计算

3.5 刀架设计

3.6 整体结构图

3.7 本章小结

第4章 大行程FTS-Ⅰ型结构的热分析

4.1 电机传热温度场分析

4.2 电机发热分析

4.3 FTS结构散热系数

4.4 FTS滑台有限元热分析

4.4.1 建立几何模型

4.4.2 有限元模型建立

4.5 热—结构耦合分析

4.6 隔热板设计分析

4.7 本章小结

第5章 大行程FTS-Ⅱ型设计与分析

5.1 大行程FTS-Ⅱ方案规划

5.1.1 滑台截面设计与分析

5.1.2 滑台装配设计与分析

5.2 气室结构设计

5.3 电机平衡结构设计与分析

5.3.1 平衡结构设计

5.3.2 惯性平衡误差分析

5.4 本章小结

结 论

参考文献

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致谢