快速电磁伺服刀具系统的马达设计与研究

摘要

如今自由曲面的光学元件已经成为高科技研究中不可缺少的组成成分，其结构的复杂性，使得自由曲面加工成为加工领域的重要研究内容。当前有三种常用的加工方法：计算机数控研磨和抛光技术、聚焦离子束加工技术以及计算机数控单点金刚石车削技术，其中，单点金刚石车削技术以其生产效率高、加工精度高、重复性好、适合批量生产、加工成本低等特点受到了广泛的重视。在这项技术中，因为要使刀具可以高速度、高频率、高分辨率的往复切削运动，所以又以驱动刀具运动的马达最为关键。常用的驱动马达主要基于四个原理，分别是压电驱动，磁致伸缩驱动，洛仑兹力驱动以及正应力电磁驱动。其中前三种国内外研究得比较多，但最后一种正应力电磁驱动因具有更好的综合性能，成为近年来新的研究方向。本文重点分析了正应力电磁驱动法的原理、数学模型以及仿真情况，为研制金刚石精密车床用的快速刀具伺服系统起到指导作用。 论文的工作分为以下几个部分： 1.分析已有的四种驱动马达的原理，考察和比较它们在应用中的优缺点和目前的技术指标，确定了以正应力电磁驱动为研究对象。 2.具体分析正应力电磁驱动的基本原理，着重对驱动力与励磁电流的非线性与线性关系进行分析，并给出最终采用的驱动模型。 3.对采用的驱动模型从磁路的角度(包括静态磁路、谐波磁路与瞬时磁路)分析，最终得到理论的驱动力方程，并导出电枢运动方程。此外还给出了对其三种发热情况(包括涡流、磁滞以及线圈发热)的分析。 4.在前面理论分析的基础上，设计并加工了驱动马达的机械结构，并完成装配工作。此外，还就各部分所需材料和加工中遇到的问题进行了探讨。 5.用仿真软件ANSYS建立了该驱动马达的仿真模型，分析了静态磁路中磁力线在结构内的分布，以及电枢驱动力随电枢位置的变化情况，并与理论结果进行了比较；分析了交流谐波驱动下电枢内部能量损失随频率、驱动电流和电阻率的变化关系。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1自由曲面加工

1.1.1自由曲面加工的背景

1.1.2自由曲而加工的发展

1.1.3单点金刚石车削技术

1.2快速工具马达的发展

1.2.1压电类快速工具马达

1.2.2磁致伸缩类快速工具马达

1.2.3洛仑兹力类快速工具马达

1.2.4正应力电磁驱动类快速工具马达

1.2.5驱动方式的比较

1.3课题的意义与任务

1.3.1课题的意义

1.3.2课题的任务

第二章 快速电磁驱动马达的基本原理

2.1最基本的电磁原理

2.1.1移动导线法

2.1.2正应力法

2.2现有马达的结构

2.2.1螺线管

2.2.2多极螺线管

2.2.3非线性磁轴承

2.2.4偏磁通磁轴承

2.3典型的超快马达模型

2.3.1标准化超快马达

2.3.2线性超快马达

第三章 线性驱动马达的参数设计与分析

3.1磁路分析

3.1.1静态磁路

3.1.2谐波磁路

3.13瞬时磁路

3.2受力分析

3.3运动分析

3.4能量损失

3.4.1涡流损耗

3.4.2磁滞损耗

3.4.3线圈焦耳热

3.4.4总的发热情况

第四章 线性驱动马达的机械设计

4.1总体设计

4.2运动部分

4.2.1电枢

4.2.2陶瓷管

4.2.3弹簧片

4.3电磁驱动部分

4.3.1定子

4.3.2永磁铁

4.3.3线圈

4.4支撑部分

4.5装配

第五章 线性驱动马达的性能仿真

5.1建模

5.2静态分析及求解

5.2.1划分网格及求解

5.2.2受力分析

5.3谐波分析及求解

第六章 总结

参考文献

致谢