（测试计量技术及仪器专业论文）快速电磁伺服刀具系统的马达设计与研究.pdf

中文摘要 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j o t 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a n s y s 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。 关键词：自由曲面加工金刚石车削电磁驱动马达能量损耗a n s y s a b s t r a c t n o w ，f r e e f o r mo p t i c sc o m p o n e n tb e c o m e sa ni n d i s p e n s a b i l i t yp a r to fh i g h t e c h f i e l d b e c a u s eo ft h ec o m p o n e n tf r a m e sc o m p l e x i t y ，t h em a c h i n i n go ft h i sb e c o m e s a ni m p o r t a n tt a s ko fm a c h i n i n gf i e l da l s o a c t u a l l y , t h e r e r et h r e ec o m m o nm e t h o d s o f m a c h i n i n g t h e y r ec o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o lr u b b i n g & p o l i s h i n gt e c h n i q u e ，f o c u s i o nb e a mm a c h i n i n gt e c h n i q u ea n dc o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o ls i n g l e - p o i n td i a m o n d t u r n i n gt e c h n i q u e b e c a u s eo ft h eh i g hp r o d u c ee f f i c i e n c y , h i g hm a c h i n i n gp r e c i s i o n ， r e p e a t a b i li t y , a d a p t i n gt ob a t c hp r o d u c ea n dt h ec h e a pc o s t ，t h ec o m p u t e rn u m e r i c a l c o n t r o ls i n g l e p o i n td i a m o n dt u r n i n gt e c h n i q u eg e ta b r o a dr e c o g n i t i o n t h ef a s tt o o l s e i v o ( f t s ) o ft h i st e c h n i q u ei sak e y o fp a r t , b e c a u s ei tm a k e st o o lt o a n d - f r ot u m i n g w i t hh i g hs p e e d ，h i g hf r e q u e n c ya n dh i g ha c c u r a c y t h ef a s tt o o ls e l w oi sm a i n l y b a s e do nf o u rp r i n c i p l e sw h i c hi n c l u d ep i e z o e l e c t r i cf t s ，m a g n e t o s t r i c t i v ef t s ， l o r e n t zf o r c ef t s ，n o r m a l s t r e s se l e c t r o m a g n e t i c a l l y - d r i v e nf t s t h ef i r s t t h r e e m e t h o d sa r es t u d i e dm u c h h o m ea n da b r o a d ，b u tt h el a s t o n eh a sm u c hb e t t e r i n t e g r a t e dp e r f o r m a n c e ，s oi t b e c o m e san e wd i r e c t i o no fm a c h i n i n gi nr e c e n ty e a r s t h et h e o r y , m a t h e m a t i c a lm o d e la n ds i m u l a t i o no f t h en o r m a l - s t r e s se l e c t r o m a g n e t i c a l l y - d r i v e nf t sa r ea n a l y z e di nt h ea r t i c l e ，a n dw eh o p ei t c a l lg u i d et h ep r o d u c t i o no f t h i sf a s tt o o ls e r - v oa n dd i a m o n dp r e c i s i o nl a t h e t h ew o r kw eh a v e d o n ei n c l u d e sf i v ep a r t s ： 1 w ea n a l y z et h ee x i s t e n tf o u rp r i n c i p l eo ff a s tt o o ls e r v o ，r e v i e wa n dc o m p a r e t h e i r a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s a n da c t u a lt e c h n i q u ei n d e x ，a n dc o n f i r m n o r m a l s t r e s se l e c t r o m a g n e t i c a l l y - d r i v e nf t sb e i n go u rs t u d y i n go b j e c t 2 w ec o n c r e t e l ya n a l y z et h ee x i s t e n tb a s i ct h e o r yo fn o r m a l - s t r e s se l e c t r o m a g 。 n e t i c a l l y d r i v e nf t s ，s t r e s sa n a l y z i n gt h en o n l i n e a r i t ya n dl i n e a r i t yo f d r i v ef o r c e a n de x c i t a t i o nc u r r e n t a n dp r e s e n tt h ea d o p t i v ed r i v em o d e lu l t i m a t e l y 3 w i t ht h ep o i n to fv i e wo fm a g n e tc i r c u i tw h i c hi n c l u d e ss t a t i cm a g n e tc i r c u i t ， h a r m o n i cm a g n e tc i r c u i ta n di n s t a n t a n e o u sm a g n e tc i r c u i to ft h ed r i v em o d e l ，w e o b t a i ni d e am o d e lo fd r i v ef o r c ee q u a t i o nf i n a l l ya n d t h ea r m a t u r em o v e m e n te q u a t i o n b e s i d e st h a t w ea l s op r e s e n tt h r e ea n a l y s i s e so fh e a tl o s sw h i c hi n c l u d e se d d yc u r r e n t l o s s ，h y s t e r e s i sl o s sa n d c o ilh e a tl o s s 4 b a s e do nt h ef r o n ti d e aa n a l y s i s ，w ea n a l y z ea n dm a c h i n et h i sf t s a n df i n i s h a s s e m b l v m o r e o v e r , w ed i s c u s st h em a t e r i a lw h i c he a c hp a r tn e e da n dt h ep r o b l e m w h i c hw em e ti nt h em a c h i n i n gp r o c e s s 5 w eb u i l dt h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h i sf t sb ys i m u l a t i o ns o f t w a r ea n s y s 10 0 ，a n a l y z em a g n e t i cf o r c ed i s t r i b u t i n gc o n d i t i o ni ns t a t i cm a g n e tc i r c u i ta n d a r m a t u r ed r i v ef o r c ec h a n g ew i t ht h ea r m a t u r el o c a t i o n ，a n dc o m p a r et h e mw i t ht h e i d e ac o n d i t i o n w ea l s oa n a l y z ea r m a t u r eh e a tl o s sw i t he x c i t a t i o nc u r r e n t ，i t s f r e q u e n c ya n ds o f tm a g n e tm a t e r i a lr e s i s t i v i t yc h a n g e k e yw o r d s ：f r e e f o r mm a c h i n i n g ，d i a m o n dt u r n i n g ，e l e c t r o m a g n e t i c a l l y d r i v e n f t s ，e n e r g yl o s s ，a n s y s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：赢奇锐签字日期：秒。7 年彳月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘叠盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫叠盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 磁韵麦 签字日期：加。) 年彳月日 导师签 签字日期秽7 年罗月日 第章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了自由曲面加工的背景及日前国内外的发展情况之后详细论 述了自由曲面加工的几种方法和单点金刚石车削技术的各种驱动方法及比较，最 后提出本课题研究的意义及丰要任务。 1 1 自由曲面加工 1 1 1 自由曲面加工的背景 如今，光学技术在现代的高科技领域内，占有举足轻重的地位。无论在民用 还是军用都可以显著的提高产品的性能。2 0 世纪6 0 年代研制成功的激光，开创 了光纤通信、高密度光盘、能源以及激光手术等领域的新纪元。在近十几年中， 光学技术更是成为信息技术、远距离通信、医疗保健、生物工程、加工制造业等 领域的新的有力武器1 1 】。 光学系统是光学技术中最重要的组成部分，各种镜面更是光学系统不可或缺 的组成部分。光学系统早期主要使用的是球面镜，其加工方法简单，并且加工精 度高。但是球面镜存在一个重要的问题就是球面镜存在像差，即通过球面镜的光 线不能成为同心光线，所以用的时候往往使用多块球面镜的组合才能克服像差， 达到高精度的要求。而自由曲面的光学元件，也就是俗称的非球面的光学元件， 由于其曲率随着孔径高度变化而变化，所以可以有效地消除像差( 如图l - i ) ，并 且可咀依靠使用更少的元件摘起到简化结构、减少光能损失、降低成本的作用。 正是自由曲面光学元件具有的非常优良的特点，它在民用军用中都有着r 泛的应 用( 如图1 2 ) 。 圈ii 球嘲透镜与非球面透镜聚焦能山比较 筇帝绪沧 i ； ( a ) 汽乍车灯用白i 曲面( b 1 锥形镜 圈l - 2 自由曲面的应用 自由曲l 自1 特殊的儿何形状决定了无论是在制造难度还是制造成本方面都远 远高于球面光学元件。起初的制造工艺大多采用传统研磨、抛光等技术，井且手 上完成，效率低f 日精度低。凼外从上世纪6 0 年代开始，借助计算机的发展， 探索和研究行之有效的、趋于自动化的加工方法，以提高工作效率和元件的精度 并降低成奉。上世纪8 0 年代以后，各种新型超精密加工方法层出币穷，并且从 科学研究走向了实际牛产应用阶段。h 前国际上常用的技术主要包括超精密数控 研抛加上技术、聚焦离了束l l i 技术、计算机数控金剐石单点车削技术。根据加 工的材料形状以及加工精度和口径的分类采取不吲的方法。如对于易于切削加 工的铜、铝等软质有色金属材料，采用金刚石单点车削方法进行加t ，而对于难 于切削的光学玻璃、陶瓷等高硬度脆性材料，只有通过超精密磨削、研磨和抛光 方法进行加工。国外许多公司现已将超精密车削、磨削、研磨以及抛光加工集成 为体研制出超精密复合加工系统，使得加工方法更加的灵活。而我国对超精 密加工技术研究起步比较晚，主要生产还停留在传统的研磨抛光的方法。这种方 法很大程度上依赖于_ 人的经验技术，很难加工出高精度的工件，效率低、成本 高、重复性差劳动强度高，这种生产模式显然不利于产品的市场化，因此无法 满足当今自由曲面上件市场的巨大需求。k 世纪8 0 年代末9 0 年代初，我国开始 研究训算机控制小工具抛光技术，并有了一定的成果，但在其他方法的研究上还 比较落后，因此研制精度更高，成本更低效率也更高的白血出面的加上方法势 必将成为今后我目光学领域发展的一个程点。 1 1 2 自由曲面加工的发展 前咖介绍丁d 山曲面加工的背景，并且提到r 同际r 常用的三种加工技术 下面分别介绍j 种办法的简要情况。 第一章绪论 计算机数控研磨和抛光技术是一种由计算机控制的精密机床将工件表面磨 削成所需要的面形，然后用柔性抛光模抛光，使工件在不改变精磨面形精度的条 件下达到镜面光洁度的光学零件制造技术。该技术主要用来加工中、大尺寸的非 球面光学零件。加工零件时，磨削工具受计算机控制，在工件表面进行磨削去除 加t 。磨削，t 具根据工件的不同加工余量，在工件表面停留不同的时问来实现非 球面加工。工件加工精度主要取决于测量精度和所采用的误差校正方、法l 引。 聚焦离子束加工，是在真空的条件下先南电子枪产生电子束，再引入已抽成 真空且允满惰性气体之电离室中使低压惰性气体离子化。由负极引出阳离子又经 加速、集束等步骤，最后射入工件表面。它主要应用在离子束蚀刻、反应离子束 蚀刻、离子束沉积薄膜、显微成像、离子注入、无掩模曝光、微区分析等。聚焦 离子束系统是微加工领域中的有力工具之一，对材料几乎无选择性，分辨率很高， 且可实现无掩模加工，但其加工速率相对其它要慢得多，而且设备昂贵。 而计算机数控单点金刚石车削技术，是在超精密数控车床上，采用天然单晶 金刚石刀具，在对机床和加工环境进行精确控制条件下，直接利用金刚石刀具单 点车削加工出符合光学质量要求的非球面光学零件。该技术主要用于加工中小尺 寸、中等批量的红外晶体和金属材料的光学零件，其特点是生产效率高、加工精 度高、重复性好、适合批量生产、加工成本比传统的加工技术明显降低。例如加 工一个直径1 0 0 m m 的9 0 0 离轴抛物面镜，若用传统的研磨抛光工艺方法加工，面 形精度最高达到3 m m ，加工时间需要1 2 个月，每一个抛物面镜的加工成本为5 万美元。而采用金刚石车削方法，3 个星期就能完成，加工成本只有0 4 万美元， 面形精度可达o 6 9 m t 2 j 。 可见，单点金刚石车削技术更适合批量生产中小尺寸，且效率高，精度高， 是本文的讨论重点。 1 1 3 单点金刚石车削技术 金刚石车削基本原理分为以下几种，z 一0 、r 一0 、直线法。其中z 一伊法 是快速马达在z 轴高速往复运动，而前端刀头在小幅度快速的摆动，通过控制z 轴进给量和前端刀头摆动角度来实现自由曲面的车削。r 一0 法是快速马达尾端 固定，并绕端点小幅度摆动，同时刀头高速伸缩，通过控制快速马达摇摆的角度 和刀头伸缩量来车削。 第一章绪论 ( a ) 金刚石车削直线法示意图 ( b ) 直线法原理图 图1 3 金刚石车削直线法原理和示意图 而直线法( 图1 3 ) 的基本原理是：因为对于自由曲面上各点对其几何轴线 是不对称的，其轴向尺寸z 不仅是其径向尺寸z 的函数，而且是转角9 的函数， 即z = y ( x ，曰) 。因此加工自由曲面时，要求在主轴回转和刀架横向进给的同时， 刀具能够随径向尺寸和转角的变化在轴向作高速伸缩运动。在某一瞬时，计算机 根据测得的转角信号和刀架横向位移信号，按一定的数学模型计算出表面上该点 的轴向坐标值，经过d a 转换、放大电路以及驱动电源控制刀架伸缩，使车刀在 轴向作微量位移，从而车出自由曲面i 引。 目前，采用金刚石车削技术可以加工的材料有：有色金属、锗、塑料、红外 光学晶体( 碲镉汞、锑化镉等) 无电镍、铍铜、锗基硫族化合物玻璃等。上述材 料均可直接达到光学表面质量要求。此技术还可加工玻璃、钛、钨等材料，但是 目前还不能直接达到光学表面质量要求，需要进一部研磨抛光。计算机数控单点 金刚石车削技术除了可以用来直接加工球面、非球面光学零件外，还可以用来加 工各种光学零件的成型模具和光学零件机体，例如加工玻璃模压成型模具、复制 模具、光学塑料注射成型模具和加工复制环氧树脂光学零件用的机体等。该技术 与离子束抛光技术相结合，可以加工高精度非球面光学零件；与镀硬碳膜工艺和 环氧树脂复制技术相结合，可生产较为便宜的精密非球面反射镜和透镜。假若在 金刚石车床上增加磨削附件或采用陶瓷刀具、安装精密夹具和采用在一1 0 0 0 c 低 温进行金刚石切削等措施，此项技术的应用范围将可进一步扩大j 。 单点金刚石车削技术的实现要依托于金刚石车床，而目前已商业化的金刚石 车床有以下几种：莫尔m 1 8 非球面加工机、普奈莫m s g 一3 2 5 型金刚石车床、 u l g 1 0 0 a ( h ) 型超精密非球面金刚石车床等机型。这些机床属于高精密机床，机 床的主轴精度和溜板运动精度比一般的机床要高出几个数量级，主轴轴承和溜板 导轨通常采用空气轴承和油压静力支承结构，机床运动部件的相对位置采用激光 第章绪论 位移测量装置测定。在工件加工的整个过程中，采用激光干涉仪测量工件的面形 误差。车床上装有反馈装置，可以补偿运动误差1 2 】o 金刚石车削技术的表现形式是刀具的高速切削，而刀具则依赖于马达的驱 动，因而对金刚石车削研究重点就在于研制出运动频率更高，驱动力更人，工作 行程更长，定位精度更精确的快速t 具马达。 1 2 ，陕速工具马达的发展 为了使刀具可以往复移动的频率更快捷，运动的位移更精确，改进刀具的驱 动方式成为重中之重。而目前的驱动都是依赖于快速工具马达，因此对快速工具 马达的研究必不可少，而我们采用的是直线快速工具马达。 目前已经诞生了多种多样的快速工具马达，根据其工作原理，可以大致分为 四种：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。当然也可 以根据工作行程来分类，小行程为小于1 0 0 微米，中行程在1 0 0 微米和l 毫米之 间，大行程为大于1 毫米。 1 2 1 压电类快速工具马达 压电效应是某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会 产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后， 它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时， 电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质 也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应， 或称为电致伸缩现象。也就是说压电类快速工具马达用的是逆压电效应的原理， 在电场中，电介质高速运动。 大多数的小行程快速工具马达都是基于压电方法驱动，因为它有很多的优 点，比如响应快速，加速度大，微小位置非常精确，还具有很大的硬度。而压电 陶瓷更是可以在使频率达到几k h z ，同时分辨率达到纳米级。更重要的是，压电 驱动开环稳定，易于控制。 当然压电类快速工具马达也有些缺点，比如压电陶瓷材料张力很有限，遭遇 磁滞现象的变形时导致机械和电的能量损失，不仅仅是非线性的表现影响刀具的 行进轨迹，而且使得大量能量以热的形式放了出来。高频时的有效行程也是急剧 减小。驱动电源往往也需要人功率的才能驱动这些设备。 第一章绪论 表l l 文献中记录的一些压电驱动的统i f 序号行程精度频率硬度研制者 l 6 5 1 a m 10 n m7 0 h z 3 0 0 n h m k o u n o 2 2 5 t a m 6 6 0h zp a t t e r s o na n dm a g r a b 3 2 0 9 m 2 k h zf a u i t e ra n dd o w 415 9 m2n m2 5k h zo k a z a k i 5 3 7 p r o 2 k h zh a r a 6 5 0 p m 2 0 0h zr a s m u s s e na n dt s a o 7 4 0 0 p r o 6 0 0h zf a l t e ra n dy o u d e n 8 1 0 0 p m 10 0h zc u t t i n o 9 3 6 p m 5 0h z 3 7 0 n l a i n ai t i n t a s 上表是压电驱动的快速工具马达的一些记录，总的来说，历史上使用压电驱 动马达的非常多，行程都不是太大，而频率的限制，不利于产生高频高加速度以 及高分辨率，使得使用范围偏窄。 国内对压电马达研究的相对比较多也比较早。在8 0 年代中后期，四川压电 与声光技术研究所的王大春、刘一声等人就将日本有关压电马达的研究情况介绍 到国内【 l 。清华大学材料科学与工程系的李龙土院士于1 9 8 9 年研制出国内第一 个直线微动压马达。而哈尔滨船舶学院的李东林在1 9 9 1 年研制了一台圆环轮廓 振动行波压电马达i m l l j 。 压电超声马达是国# i - a 十年代发展起来的一种没有电磁绕组和磁路，不以电 磁的相互作用来传递能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应产生超声振动，将材 料的微变形通过共振放大，靠振动部分和移动部分之间的摩擦力来驱动的新型电 机，工作频率可达2 0 k h z 以上。目前世界上主要致力于压电超声马达的研究，我 国目前在这方面也有了一些成果，如上海工业大学研制出尺蠖型压电马达【l 引，天 津大学研制出高稳定超微动匀速压电马达i l 引，清华大学研制出超声振子钳位压电 直线马达i m l 5 j 。这些都属于压电微致动直线型超声马达，都是基于自然界爬虫 类爬行的原理研制而成的。又如。吉林工业大学研制出矩形板压电振子型马达1 1 6 1 ， 陕西师范大学研制出模式转换型超声马达i l7 1 ，这两种马达都属于驻波型压电超声 马达。清华大学和南京航空航天大学都研制出旋转型行波压电超声马达i h 2 。 南京航空航天大学还研制出直线型行波超声马达的原理性样机i z 3 1 。中国科学院长 春光学精密机械研究所研制出巾1 0 m m 压电微马达i 删。 第一章结论 1 2 2 磁致伸缩类快速工具马达 磁致伸缩是指铁磁体在被外磁场磁化时，其体积和长度将发生变化的现象。 磁致伸缩效应引起的体积和长度变化虽是微小的，但其长度的变化比体积变化大 得多，是人们研究应用的主要对象，又称之为线磁致伸缩。线磁致伸缩的变化量 级为1 0 1 0 - 6 。它是焦耳在1 8 4 2 年发现的，其逆效应是j 玉磁效应。与压电方 式在电场下工作不同，磁致伸缩方式工作于磁场中。 对比压电驱动，磁致伸缩材料具有更大的张力和更低的温度限制，但是从已 有文献得知磁致伸缩原理驱动的快速工具马达表现并不像宣称的那么好。 表l 一2 文献中记录的一些磁滞伸缩驱动的统计 序号行程频率备注研制者 l 2pm 没有介绍频率响应情况e d a 25 0um1 5 k h z 没有介绍闭环带宽l i u 等人 上表是磁致伸缩驱动的快速工具马达的一些记录，从中看出应用的人比较 少，理论结果远好于实际表现是一个重要原因。 1 2 3 洛仑兹力类陕速工具马达 表1 3 文献中记录的一些洛仑兹力驱动的统计 序号行程精度频率加速度研制者 1 5 0 0l am 1 0 0 h z d o u g l a s s 20 4 m m 0 1 i t m w a n g 36 m m1 0 0 h zg r e e n ea n ds h i n s t o c k 41 m m2 0 h zt o d da n dc u t t i n o 53 c m微米级2 0 0 h z5 0 gl u d w i c ka n dt r u m p e r 65 0um2 k h z2 0 gm o n t e s a n t i 洛仑兹力是运动电荷在磁场中所受的力。带电粒子在磁场中运动时，会发生 运动轨迹偏移的情况，这就是洛仑兹力的表现。可以将带电粒子的运动看成是电 流的体现，有电流，有磁场，就有安培力，因此洛仑兹力的宏观表现就是通电导 线在磁场中受安培力运动。利用通电导线在磁场中受到力的作用产生加速度，来 达到快速工具马达得驱动作用。 第章绪论 总的来说，洛仑兹力类快速工具马达具有比压电类快速工具马达更大的行 程。但是通电导线在磁场中运动放出大量的热限制了可能达到的最大加速度，文 献中记载这种驱动方式的最大加速度还不到1 0 0 g 1 4 1 。 表1 3 是洛仑兹力驱动的快速工具马达的一些记录。因为行程比较人，所以 能够满足较大型元器件的使用，所以使用者比较多，从中也可以看出，频率和加 速度都比较小，所以不利于更加精密的系统使用。 1 2 4 正应力电磁驱动类快速工具马达 正应力电磁驱动的原理是，利用通电导线在电枢与定子之间产生磁场，通过 麦克斯韦应力张量原理可知电枢与定子之间产生了力的作用。通过使用交流电， 不停的改变电流方向，从而受力方向不停改变，使得电枢在一定范围内往复运动， 达到驱动的效果。 这种驱动方式产生的力和加速度以及频率远大于前面介绍的洛仑兹力驱动 方式。但是由于传统的螺线管的特性，使得受力和电流的平方成正比关系，而不 是成线性关系，使得控制起来难度很大。为了解决这个问题，先后有两种方法问 世，一种采取软件方式，包括限制电枢运动范围达到的的线性化，与增加位置反 馈系统两种方法。这两种方法都有自己的局限性，并且使用不是很方便，线性化 效果不是太好。于是有了硬件方式的线性化。这个方法是在没有改变驱动原理的 基础上，改变了基本结构，线性化效果还很好，于是这种方法成为了目前的主流， 也是本文详述的重点。 表1 - 4 文献中记录的一些正应力电磁驱动的统计 序号行程 精度频率加速度研制者 l 8 0 0um 2 0 0 h zs t a n c i lg u t i r r e za n dr o 2 5 0um 1 4 n m1 0 l 州z 1 6 0 gl ua n dt r u m p e t 3 7 0um 1 0 k h z8 7 0 gm o n t e s a n t i 4 3 0um 2 3 k h z5 0 0 g l ua n dt r u m p e r 上表是正应力电磁驱动的快速工具马达的一些记录。从表中可以看出除了序 号一的是早期做的，并没有利用好正应力电磁驱动大加速度的特点外，都使最大 加速度上了1 0 0 g ，最大的达到了8 7 0 g ，谐振频率也达到了1 0 k h z 以上。可以说 对于小行程驱动来说，只要解决好线性化的问题，正应力电磁驱动可以做的非常 好。 目前在这方面做得比较好的是m i t 的d a v i dl t r u m p e r 教授领导的科研小组 第一章绪论 在近2 0 年里一直致力于这个领域的研究和发展，在电磁驱动式直线和旋转的快 速马达上都有很深的造诣表1 4 中后三个都是他们实验室的成果，下面两张图 分别是表1 4 中3 和4 的照片。而他的学牛x i a o d o n gl u 的0 5 年的博十毕业论 文e l e c t r o m a g n e t i c a l l y d r i v e nu l t r a f a s tt o o ls e r v o sf o rd i a m o n dt u m i n g 基本上代 表了目前正应力电磁驱动发展的虽高水平。 a ) l o k h z 旋转快速工具马达( b ) 2 3 k h z 直线快速t 具马达 幽1 4d a v i dlt m p e r 科研小组的成果 1 2 5 驱动方式的比较 i i n * r n z i 图i - 5 三种驱动方式的结果比较 图l 一5 是三类驱动方式的比较，因为磁致伸缩类做的井不理想因此没有列 入比较。从中可以看出洛仑兹力类的行程普遍比另两种大， 日谐振频章远不如正 应力电磁类，与压电类差不多：压电类在行程上不如洛仑兹力类在谐振频率上 ” d “ ” 第。章绪论 小如正应力电磁类，但作为一种最传统的方式，应用难度比较低，而日新兴的超 声屿达前景发展迅猛，所以应用的还是比较广泛。而谐振频率和最人加速度都非 常大的正应力电磁类有待进一步的发展。因为从主轴转动角度来讲，刀具伸缩频 率告定要远快于转速，否则根本不可能达到太高的精度，而提高刀具伸缩频率难 度很大，所以提高正应力电磁驱动谐振频率的工作任重而道远。 1 3 课题的意义与任务 1 3 1 课题的意义 自由曲面应用的前景非常广泛，而表面形状的复杂性给加工提出了更高更为 苛刻的要求。传统的手工制作方法不仅成本高，而且效率低，重复性差。而目前 已经研究出的加工方法，以计算机数控金刚石单点车削技术最适合力n - r d , 型元器 件。本课题即围绕这种加工方法的刀具驱动方式展开研究。在我国，目前在快速 工具马达用的正应力电磁驱动这一块尚无报导，所以本文希望通过对快速工具马 达做一些基础性的研究工作，为今后金刚石单点车削技术乃至金刚石精密车床起 到一定的指导作用。 1 3 2 课题的任务 ： 通过对文献中已经存在的方法进行调研，结合目前的实验情况，提出了以结 构设计和模拟仿真为主的研究方法，建立模型，利用单因素分析法分析模型的各 种情况，得到快速刀具马达的理想结构和合适的工作条件，具体完成的工作有： 1 研究快速刀具马达的基本原理。文中通过一整章的篇幅研究文献中已经 提出过的各种驱动方式，分析四种驱动方式，最后确定以正应力电磁法来驱动快 速刀具马达。并通过偏磁通磁轴承的方法来解决驱动力与励磁电流之间非线性的 关系，最后采用_ 种可以使电枢表面尽量多的面积受到驱动力作用的驱动马达模 型。 2 理论分析模型的各种因素。确定模型后，定性分析它是否可以完全的满 足要求。先是通过磁路分析，得出了电枢与定子间空隙的磁场的磁感应强度，通 过麦克斯韦应力张量理论得到了电枢受力的公式，确认了驱动力与励磁电流之间 的线性关系。之后根据受力方程给出了位移、速度与加速度的方程。最后简要分 析马达能量损耗的问题。 3 根据所建的模型，设计了快速马达的机械结构。先将机械部分分成三个 第一章绪论 部分，包括电磁驱动部分、外壳支撑部分、运动部分与其它。其中电枢作为系统 的核心，一方面受到驱动给予的力的作用，一方面将力传导给刀具。陶瓷管与弹 簧片作为传动部分，连接着外面振动的刀具。电磁驱动部分中定予与电枢共同组 成了闭合磁路，而中间的永磁铁是使驱动力和励磁电流线性化的关键，两边的同 交流电的线圈产牛交变磁场。最外面支撑部分的不锈钢壳保证着内部磁路的稳 定，磁力线不外泄。 4 a n s y s 分析理论模型。用模拟仿真的方法，分析静态时的受力分析与谐 波分析时的磁场情况与能量损失情况，得到了理论与实际不同的地方，并对原因 进行了分析。 第_ 章快速电磁驱动马达的基本原理 第二章快速电磁驱动马达的基本原理 这一章中，首先分析了快速马达的最基本驱动原理，移动导线法和正应力法， 由于后者对于前者在最人加速度上有很大优势，因此选用了后者的驱动方式。之 后介绍了螺线管等几种常见马达结构，并根据驱动力与励磁电流的关系将这些马 达分成2 类：非线性的和线性的，最终引出本文采用的线性的直线快速马达。 2 1 最基本的电磁原理 目前可以达到较大加速度的电磁驱动的常用方式一共有2 种，分别是移动导 线法和正应力法，下面分别介绍这2 种方法并予以比较。 2 1 1 移动导线法 移动导线法的基本模型是通电导线在磁场中受到洛仑兹力而产生的运动。这 个驱动的模型见图2 1 。 导线密度：p 电流密度；， 图2 1 移动导线法示意图 设导线所在磁场的磁感应强度为b ，导线的密度为p ，长度为三，横截面积 为a ，导线中的电流密度为，。这样根据洛仑兹力的公式，可以得到导线在磁场 中的受力为： 第_ 二章快速电磁驱动马达的基本原理 f = b i l = b j a l( 2 1 ) 在忽略其他负载的情况下，只有导线本身的质量这一个负载，其质量为： ， = p v = p l a 这样的话，导线在磁场中可以达到的加速度为： fb j a lb j 口= 一= 一= 一，”p l ap ( 2 2 ) ( 2 3 ) 也就是说，在负载只有导线本身的情况下，导线可以达到的加速度，只与所 在磁场的磁场强度b ，导线的电流密度，以及导线的密度p 有关，其中与前两 个变量成正比，与最后一个成反比。 铜和铝是常见的制作导线的导体材料，不妨将它们做一下比较。考虑到两种 导线材质不同，导致的散热情况的不同，根据经验假设铜导线中的电流密度为 2 8 a m m 2 ，铝导线中电流密度为2 5a m m 2 ，这也是两种材料导线可以承受的电 流密度的极限，而所在的磁场的磁感应强度均为1 2 t ，那样就可以得到下表： 表2 1铜、铝导线移动导线法驱动结果比较 线圈材料p ( c c ) ，( a m m 2 )b ( t )口( g ) c u8 62 81 23 9 1 a l2 72 51 2ll l 这也基本是这种方法可以达到的加速度的极限。 2 1 2 正应力法 比移动导线法更加常见的驱动方法是正应力法，如图2 2 所示。 图2 2 正应力法示意图 第= 章快速电磁驱动马达的基本原理 图2 2 中励磁电流i 穿过定子，存定子两端和电枢之间产生磁场，产生的磁 感应强度为b ，这个磁场在电枢的上下两端产生正应力盯。马达中电枢的受力情 况由图2 3 表示。 图2 3 电枢受力情况 = 著 假设电枢密度为p ，厚度为t ，励磁电流产生的磁场的磁感应强度为b ，真 空磁导率为鳓，并假设b 完全垂直于电枢表面，王g z , 根据麦克斯韦应力张量理 论，可知电枢受到的压强计算公式为： 厂= 丢 4 ， 相应的加速度即为： a ：! ：上：二-( 一2 - 3 一) = 一= 二= 一 kj m , a t2 f l o 磷 从式2 5 中可以看出，加速度a 与磁场的磁感应强度b 的平方成正比，和电 枢材料的密度p 、电枢厚度f 成反比。因为磁场的磁感应强度与电流以及定子外 形结构有关，而电枢材料密度与电枢材料属性有关，因此如果想得到更大的加速 度，最好的方法是减小电枢的厚度。假设空隙处的磁场的磁感应强度b 为1 2 t ， 电枢所用的铁材料密度为7 8g c c ，厚度为3 m m ，那么电枢的加速度可以达到 2 0 0 0 g 以上，远远强于2 1 1 中铜和铝导线的表现。因此，后面的马达都是基于 这种原理。 2 2 现有马达的结构 这一节中，将看到目前各类文献中已经提及的马达结构，并根据它们的特点， 将其分为软件线性化马达，以及硬件线性化马达。 第一章快速电磁驱动马达的基本原理 2 2 1 螺线管 在现有的马达结构中，用的最“泛的就是螺线管了。螺线管的最基本结构为 u - j 类型。u 为定子部分，i 为电枢部分，定子的两端靠近电枢的两端，通电线 圈穿过定子中间，于是在定子和电枢之间的卒隙处产生磁场，于是正应力会作用 于电枢两端，引发电枢的运动。其结构如图2 - 4 。 定子电枢 图2 - 4 螺线管结构及受力分布 三口 圭口 分解电枢 在图2 - 4 中通过将电枢分解成三部分，可以很明显的看出电枢只有上端表面 和下端表面受到正应力的作用，中间很大一部分没有受到正应力的作用，不仅如 此，还相当于增加了电枢的负载。假设l = 4 w ，可以计算出电枢受到的最大的 正应力以及可以得到的最大的加速度为： l ：罢肚，b 22 w d z 鳓z 鳓 ( 2 6 ) 2 生m2 瓦b 2 而2 w d2 蒜 亿7 ) 其中，b 为电枢与定子窄隙间磁场的磁感应强度，彳为电枢的受力面积，d 为电枢的厚度，p 为电枢材料的密度。因此，电枢受到的最大加速度与电枢宽度 成反比，而最大作用力与电枢宽度成正比，因此，不能根据的变化，同 时满足加速度和驱动力的增大。 为了使加速度最大化，就需要电枢厚度尽可能的小，并且其密度也尽可能的 小。但是考虑到马达还要受到一些阻力，所以不顾驱动力的减小而随意增大加速 度，所以不可以将电枢厚度无限减小。为了避免加速度与驱动力这对矛盾，于是 引出了多极螺线管这个概念。 第_ 章快速电磁驱动马达的基本原理 2 2 2 多极螺线管 单极螺线管无法满足加速度与驱动力的同时增大，于是引出了多极螺线管的 概念，先看以下这两种螺线管的对比，如图2 5 。 定子 电枢 ( a ) u i 型螺线管 定子 电枢 ( b ) e l 型螺线管 图2 5u i 型螺线管和e l 型螺线管的结构比较 图2 5 ( a ) 是前面介绍过的u i 型螺线管。而图2 5 ( b ) 是一个e i 型的螺线 管，其中电枢宽度形相比图2 5 ( a ) 减小一半，并且定子有3 个极，通电导线 从两个极中间穿进后从另两极中间穿出。 可以认为e l 型螺线管相当于2 个小u i 型螺线管并排在一起，只不过每个小 l 玎型螺线管的极的宽度和电枢的厚度都相对于原来的u l 型螺线管减半。由公式 2 - 6 、2 - 7 可以得知，对于每个小u l 型螺线管来说，驱动力都减半，加速度都翻 倍。而把两个连在一起看待时，则加速度和单个是一样的，但驱动力是两个小 u i 型螺线管驱动力的和，也就是说最终e i 型相对u l 型的变化是加速度加倍， 驱动力不变。因此，可以得到以下结论：多个小的u l 螺线管并排使用可以在不 损失驱动力的情况下成倍增加加速度，而电枢的厚度也可以相应减小。这样就解 决了2 2 1 中的矛盾。 根据这个结论，还可以做出环形的具有更多极的螺线管驱动器，并且可以达 到更大的加速度。 2 2 3 非线性磁轴承 上节中分析的螺线管是产生电磁驱动的基本体，因此