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数控车床复合进给系统的研究 硕士生t 王晨导师t 王兴松 东南大学机镶工程学院 摘要 在麓密租超麓密觚工技术的研究和发展过程中，精密和超糖密机床起着决定性的作用传统的 超精密机床的精度主要是靠机床的基准元件的精度达劐的，然而，依靠提高超精密机床部件的精度 来继续提高加工精度已十分困难。而且一些加工中产生的误差很难清除因此，可以采用徽量进给 机构实现刀具的精确微小位移，并在加工过程中对加工误差做出相应补偿 稀土超磁致伸缩材料是一种新型的功能材料，具有磁致伸缩应变大、磁机耦合系数高、能量密 度高等优点，已经在徽位移驱动方面展现出广目的应用前景本课题以超磁致伸缩材料为基础，在 分析磁致伸缩原理的基础上t 设计了超磁致伸缩致动器的机援结构。电磁结构以及预紧机构和沮控 装置 在本谋忍中还根据超磁致伸缩致动嚣的特点以及实际加工中的需要设计出= 维徽避给刀架 徽进给刀架采用柔性铰链机构和弹性徽位移机构。文章对柔性铰链机构和弹性位移机构进行了深入 的理论分析为了更好的研究徽进给刀架的静态和动态性能，本文建立t - - 维的微位移刀架的有限 元模型，分别进行了有限元静力分析和动力分折通过静力分析得到了徽迸给刀槊在静力作用下的 变形和应力分布。通过模态分析得到了徽进给刀架前五阶的固有频率和模态振型 本课题还编写了相应的数控驱动程序，可利用m c x 3 1 4 运动控制器对设计的徽进给刀絮进行控 麓t 所编写的程序模块可添如到已有的开放式数控系统中去 关键诃，超磁致仲缩材料- - 维徽进给刀架柔性铰链有限元分析数控驱动程序 d e v e l o p m e n to fn cl 棚e c o m b i n e df e e ds y s t e m w h g c h s u p a v i 赋h o 晰w n gx i n g s o n s s c h o o lo f m c c l a n n i c a l 脚勤帕响量s a u t l l c u ti j n i v c i l i t y d u r i n g 出cs 岫母m a d 幽w 幻弹嘣吐弘榴o f 弘咄i o n 越u h 弘劬妇m 锄删h 嘲啦t t c i = o l o s y 曲eu l 帅o c i s i o nm 岫t o o lp i 碍s - c r u c i a lr o l e r h e 啪c yo ft r a d i t i o n a lu l n a - p t c c i s i m h 址 t o o l 出岫砸t h e l 3 t c e i s i o a o f bc f i 惦嘲c o m p o a e 啦1 t o w c _ , e r , i t i s d l t t l c u i t 幻h e i g 虹瞰t h e p l e e i s i o n i , y 蛔m 吨岫c o m p o l l t so f 恤蛐t o o l s 删i ：l j l n j n a kt h ea r o rd m i n gm a e l l i n i a g a n da m i c r o - f c e d i n l i 出稍c o t l hb ej l 节l i e dt o 面驴k 喇t h e 冀a 咄m k 托凼p i 啪喊o f 缸c u t l t a , a n d a m 单a 1 5 蹴t l e r r o r d u r i n g m a d a i n i n g r a r ee a r t hg i a n tm 哪c 哪舸甜wm 咖由i s ( m n i i san c wk i n do fs t o m a 啦血id e v e l o o e di n r e q n t ”绷f s ，w h i c hh a ss e v e r a li n h e r e n to 撇c mp q x r t i ，s i 妯鹤l a l 窖el n a g n e t m i c 6 v e 曲咖峨h i g h c o 哪, l i n gc o c l r i c k - a t , h i g h e l 哥如i - yn n d o n n di th a sw i d ea l p i p l i c n t j o nf 弘ni nf i e i d so f m i c r o d i s p l a c c m c n t , s t m t i n l gw i t h 缸gm c c h a l l i m io fm a g n c t o s t r i e t i o n , t h i s i p 口d 目i g n s - ( 3 i x n t m a l g n e t o s t 曲i v ea 曲i l 栅i ；m a xi n c l u d i n g 协em 蛔n i c a l 蛐_ ；n m | t l a co k 曲埘i l 哪芦e 妇柚m 曲雠，恤e 钾皿p 苜越i 玎oc o 曲m ls y s t 蜘a 鹪w e n a2 0 dm i c r o f e e dt o o l - p o s ti sa l s ob e e nd 璐i g n e d , a c c o r d 咄t o 也ec h 砸矗o o 订i s t co f 恤eg m aa n df i l e 印墒c 他q i l i l 锄棚她d u r i n gt h em a c h i n i n gp r o c e s s a n dt h et o o l - p o s ti sb a s e d 饥t h er i g h ta n g l cf k x 哦 h i n g es 自t l l c t u r e 雒dt h e1 1 8 5 t i cm i e r o - d i s o l a e c m ts t l m c t t 鹏a l t e r 畦侍s 譬t w os l r t l e t u r e 瓣a m l l y z e d t h e o r e t i c a l l y , f i n i t ee l e m e n tm c l t l o d ( r m , oj sa l ，p l i c dt ot b ea n s l ) b i $ 柚dt oi m i l do f l h em o d b lt o 聃i l 由t l a c s t a t i ca n d 由咀a m i cc h a r a e t c r i s t i c so fm em 胁f 醐i n gt o o l - p o s ts y s t e m s t a t i cn l u d y s i sa a d 由砸锄k 姐时y s i 3 矾弭r f 撕n e 正t h cs t i f f n e s s 锄ds n 獬d i s t n b u t i o no ft h em i c r o - f 呶l i n gt o o l - p o s ta 伸o t 慨i 埘硪 t h l - o u g hs t a t i ca t t a l y s i s 1 1 ”m 赋f o u rn l o d a l s 锄d1 1 8 t u l 铂f i e q u e n c , jo f t l a om i c r o - f c c d i t l gt o o l o f o o ts y s t e m mo b t n i l l i h r o u e , hd y m l m i ca z u f l y s i s 1 i l l en 而ic o n t t o l 邮妒脚o fd a i v et h eg m ai sa l s of i n i s h e di nt h c 硎精，w h i c hm a k e s 船 m i c m - t e “lt o o l l , o s tb ec o n t r o l l e db yt h em c x 3 1 4n l o t l o l lc o n l t o l l e r a n dn 凼m o d u l ec 姐b e s 埘r i d d e d t ot l a co p e na t c h i t c a u r cn cs y s t e mw h i c hh 越a l r e a d yb 嘲d c v c i o l 毗 i k e y w o 川s ：鲫蝴掣蚓 d ：由鼬m 1 2 - dm i e r o - f 嘲lt o o r p o s t , g h l 柚g l e 日a l 琳峥， l = i n i t ce k m m nm e t a o dm l y s i s , i 1 1 i c a lc o l x t r o lp r o g r a m s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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 研究生签名：堑煎日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全都或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 i 复- f f 进g - 系统的背景和研究现状 精密和超壤密加工技术作为高科技领域中的基础技术，不论是在军用工业，还是在田民经济建 设中都发挥着重要的作用，是尖端技术产品开发中不可缺少的关键手段 j 同时，它又推动着半导 律技术、光电技术、材辩科学及翻量技术等相关领域的发展因此，精密和超糟密加工技术是国家 辩学技术发展的重要支撑技术，也是衡量一个国家科学技术水平的重要标志刚其最大的特点是在 综合应用机械发展的新成就( 新型轴承，导轨、传动装置、徽位移技术等) 以及现代电子、嗣量、 计算机等新技术的基础上大幅度提高机城加工的精度和水平，向机械加工麓度的极限纳米级承 早拂娩，它已经成为机械加工技术发展的重要方向之一j 目艄实现糟密加工和超精密加工的方法主要有；超麓密切嘲( 知超麓密金刚石刀具) ，镜面 车酎、憧削和铣刖等，超精密磨削，研磨和抛光，超精密徽细加工( 电子柬、离子柬、激光束加工 以及硅徽嚣件的加工技术等) 在糖密和超麓密加工技术研究和发展的过程中，糖密和超麓密机床起着决定性的作用印在超 精密车削中金刚石刀具的切深微调要保证在亚徽米级的精度；在超精密磨削中，砂轮的徽进给量 要求达到百分之几徽米l 用于超精密机床的误差补偿徽量进给机构，其位移精度要求更高目前教 控麓密车床蕾追只能达到1 u m 的进给分辨率，教控精密内外圈磨床等装备加工的圜度和圆柱废糟度 为2 - 5 j 珊。远不能满足高精度加工要求采用非传统加工方法虽然有时可以得劐较高的加工糖度 和表面粗糙度要求，但由于受到使用条件和加工成本等因素的影响，使其应用受到很大局限 如何提高基于传统加工方法加工糟度和表面粗糙度。是制造业急切关注的问最要提高机床的 知工精度，可通过提高机床的基准元部件的糟度、改进机床控镅系统、提高机床材科性能等来实现， 但是以上方法会大幅提高机床的成本和开发难度。而且一些加工中产生的误差仍然难消除” 2 0 世纪7 0 年代，美国和日本学者提出采用微进给的方法来改进和提高机床的进给精度，为提 高机床加工精度提供了新的思路和方法采用徽量进给机构实现刀具的精确微小位移，并在加工过 程中对加工误差做出相应补偿是保证零件尺寸加工精度、实现精密、超精密切削加工的必要手段 同时，各种功能幸李瓣的不断涌现，加工与翻造工艺的不断完善，也为新墅徽位移和徽定位装置的研 究和设计提供了条件徽位移技术已成为精密和超精密加工的关键技术之一，被广泛应用于超精密 加工中，以调整工具、保证工件的加工尺寸精度和表面质量。 近年来，一维徽进给刀架系统在超精密机床已得到了广泛的应用，但是在加工一些其有复杂形 执的高穗密产晶( 如精密髑体的锥面等) 时，非常需要能够实现二维误差朴偿的微量进给装置因 此，二维微进缭装置显得尤为重要r q 。徽位移执行器及其驱动技术的发展已经能很好的满足二维徽 迸给的要隶目前，纳来级徽位移技术已广泛运用于微机电系统、超精密加工，扫描探溯显徽镜 集成电路舒造，光学调整，生物工程、医疗科学等诸多前沿技术 4 2 超磁致伸缩材料的概述 1 2 1 磁致伸缩现象及其原理 铁蠢体在外磁场中磁他时，其长度及体积均发生变化，这个现象称为磷致伸缩现象或磁致伸缩 效应它是焦耳( j ej 砌c ) 在i s 4 2 年发现的，馥亦称焦耳教应随后，维拉里( e v f i l a r d 又发 东南大学硕士学位论文 现了磁致伸缩的逆效应。即铁磁体发生变形或受到应力的作用时会引起材科磁场发生变化的现象 磁致伸缩的逆效应也称为铁磁体的压磁性现象，表明铁磁体的形变与磁化有密切的关系 铁磁体的戳致伸缩可分为以下两种形式唧： 一种为线般伸缩，表现为铁磁体在磁化过程中具有线度的仲长或缩短，如图l - l 所示线磁 致伸缩或线磁致伸缩系数通常用a 表示，2 ；o 其中，o 为铁磁体的长度，厶，为铁磁体长度，方 o 。 向上的伸长量当且 o 时，为正线磁致伸缩，它表示铁磁体沿磁场方向伸长。而垂直于磁场方向 缩短l 当五o 对。为负线磁系伸缩。表示洽磁场方向缩短，在垂直于磁场方向伸长 圈l - l 铁磁体的线磁致伸缩示意圈 另一种为体誓致伸缩表现为铁磁体在磁化过程中发生体积的膨胀或收缩伴氍致伸缩或体磁 象伸缩系数用口表示，西。乞名。其中v 为铰磁体的原始体积a v 为铁碟体磁化后的体积变化 ， 当 o 时，为正体磁致伸缩，它表示铁磁体在磁化过程中发生膨胀；当m o 时。为负体磁致伸 缩，表示铁磁体在磁化过程发生收缩：体磁致伸缩的量很小，所以可由应变张量s 的分量表示 = 墨。+ + 由于铁磋体的体氆致伸缩通常很小大量的研究工作和磁致伸缩材科的应甩主要集中在线磁致伸缩 镁域，所以撤致伸缩一词常指线磁致伸缩 铁磁体在井磁场的作用下，通过磁化导致磁致伸缩，引起物体的几何尺寸发生变化反过来， 通过对材料麓加拉应力或压应力。也能引起铁磁体的磁性能发生变化，这就是磁致伸缩逆效摩。 磁致伸缩现象是材车车中电子自麓与轨道运动耦合能和材料的晶格弹往能趋于平衡过程的外在表 现是满足能量最小条件的必然结果产生磁致伸缩的原因有三方面； 1 自发磁致伸缩( 自发形变) 磁体由高温时的顺磁状态冷却经过居里温度后变为铁磁态。由于交换作用使其自发磁化形 成磁畴该过程伴随者体积和形状的变化 2 磁场磁化过程中的融致伸缩( 场致形变) 铁磁体存磁场的作用下会发生形状和体积的变化，并随着所加磁场的大小不同，形变也可 以不同当磁场比饱和磁化场日。小时，样品的形变主要是长度的改变( 线磁致伸缩) ，而体积 几乎不变l 当磁化场大于饱和磁场月；时，样品的形变主要是体积的改变，即体积磁致伸缩 体磁致伸缩是交换作用引起的，而线磁致伸缩则与磁化过程有关。线氆致伸缩由两方面作用叠 加引起：一方面电子轨道平面受晶格场的作用；另一方面电子的轨道运动与自旋运动之同存在 耦合作用由于电子自麓轨道运动耦合作用与晶向有关，赦线磁致伸缩是各向异性的 3 形状效应 设一个球形的单畴样品，想象它的内部没有交换作用和自旋一轨道的耦合作用，而只有退磁 能，为了降低退磁能，样品的体积y 要缩小。并且在磁化方向要伸长以减小退磁因子，这便是 形状效应，其磁致伸缩较前两者小 2 第一章绪论 1 2 2 稀土超磁致伸缩材料的特点和研究状况 黛羲伸缩材辩( m 叼喊叫嘲i 怫m s m i a l m m ) 是擂具有曩致仲缩效应，印在可变磁场作用下 其尺寸和体积可震生相应改变的麓( 电) 机械能转换材辑它的饱和磁致伸缩系教五般为l o 数量级超磁致伸缩材辩( 锄m 昭晴妇嘣硝”m m e r i a l 。g m m ) 是指具有大的饱和磁致伸缩系敷 的一类黻伸缩材料。其奎一般大予3 0 x l 旷。 加世纪6 0 年代。美田的a m 町ec l 翻【等人发现，在低温下铽( t b ) ，镝( d y ) 筹稀金属单 晶物质在磁场作用下能产生巨大的磁致伸缩但是稀土金属居里温度较低，不能够在室温下直接应 用为了提高材辩的居里温度，在常温下得到稳定的磁致伸缩，研究者们采用合金化，改变元素组 台和赋子量，开始探索有实用意义的稀土超磁致佛材料在1 9 7 2 年。找到了两种在常温下有巨大磁 致伸缩的= 元立方晶l a v e s 相化合物 r b f e 2 和d y f e 2 ，进而于1 9 7 4 年开发成功了在常沮下显示巨大 磁致伸缩而各向异性常数k 近乎为霉的三元稀土合佥材料t b - d y - f e 并拇其推向实用化。 稀土超磁系伸缩材料其有许多孳稀土材科所不具备的基本物理特性与传统压麓材辩相比，有 以下优点”， l 。鼍致伸缩系效厶走，线性范匿大 稀土超磁致伸缩材料的磁致伸缩系数比传统材料高教十倍甚至上百倍在一定的磁场作用 下更大的磁致伸缩系数可产生更大的输出位移，使其在实际中应用成为可能目前制备的稀 土超磁致伸缩材料的线性范匿最佳值可达l o x l o 较大的线性范围有利于磁致伸缩量的准 确控箭。可用于精密蘑床给进和月九控制，翱度可达纳米级 2 机电糯台系数k 离 稀土超磁致伸缩毒手科的机电耦合系蠡可达到0 7 - 0 7 5 ，比压电冉瓷( p z r ) 高6 - 3 0 倍这 使其称为实现电磁机械能量转换的优异的功鸵材辩 3 输出应力大 稀土超磁致伸缩材料能够承受大于2 0 m p a 的压应力。而压电陶瓷承受压应力仅为4 m p a 在外加预应力时，在低磁场下材丰 的磁致伸缩随磁场产生“跳跃”式增加。其磁化率也随之变 化，这一效应对于实际应用具有重要意义因为产生巨大磁致伸缩应变所需的磁场很容易达到， 可以便器件的结构简单紧凑 4 能量密度大 稀土超磁致伸缩材料能量密度可达1 4 j v ，月，2 5 u ，矿。是压电陶瓷的i o - 2 5 倍，鳃量 转换效率也高得多，输出功率比压电陶瓷高教十倍可用来制作大功宰超声擞撂潭，用于工程 地质勘探和超声加工及声纳系统 ，机械响应速度快 稀土超黛致伸缩材辩响应速度可达l ，甜级基于稀土超磁致伸缩材料的换舷器结构简单。 响应取决于激磁线的激磁时问。一般小于l m s ，最快可以达l p 埘可用于直线马达的快速行 进，弱甩这特性，既两以甩作机械功率源知声发射源，也可以用作力侍摩嚣鲡声接收嚣 6 频率特性好、频带宽 稀土超磁致伸缩材料可以在低频几十赫下工作。从而可应用于错作水声换能嚣也可用于 高频环境，如超声加工，超声诊断等 3 末南大学硕士学位论文 7 居里温度高 稀土超磁致伸缩材料的居里温度高达3 8 0 c ，工作温度可达2 。适用子高溢环境 具有v i i l a r i 效应，叩逆磁致伸缩现象 在一定的磁场中，稀土超磁致伸缩材料受力后其磁化蟊度发生变化，利用这种现象可以嗣 作压力传感器 稀土超磁致伸缩材辩也存在若干缺点， 如由于其电阻率低，会产生涡流损耗导致高频特性差；抗拉强度低，不能承受较大的拉力# 材 质硬但较脆易碎，机械加工困难i 制造工艺复杂成本较高这些缺点在一定程度上传l 约了该材料 的推广应用 针对这些问题日前已经提出了一些解决方法并付诸实赡，如为了控制线发热导致磁致伸缩棒 膨胀而影响纳米、埃米级超蒋密定位精度，研制了用在棒与螺线管之间的恒温水冷却管使强制水 冷却控温精度达0 l 0 1 ，系统位移效率高于4 0 对于涡流效应可采用多层绝缘尊片粘结成棒 形。减小涡损粉末冶金法可以在压制成型过程中镧成所需的不复杂的形状 1 1 年以来因材辩制备工艺方面的突破。材科的制鲁与应用研究进入快速发展阶段 t e l 1 9 8 9 年。美国e d 薛t e c h a o k , g i 公司开始生产牌号为t e r f e l t o i - d 的稀土超磁致伸缩材料，随后瑞典f e g e d y a a b 公司也开始生产，销售稀土超磁致伸缩材料牌号为m m 铝8 6 ，日本、英国等国家也进行了 相关研究取得良好成果u 幔1 2 1 据美目e d g e t e c h n o k , g i e l 公司统计，全世界t e r f e a o l - d 台金产量1 9 1 9 年仅为1 0 0 1 q g ，1 9 9 3 年约1 0 0 0 k s 。1 9 9 5 年达到1 0 吨，而到1 9 9 7 年已达到7 0 吨最近几年来，t t g f e a o l - d 的市场年增长率为1 0 0 。 我国作为稀大曩，开晨这方面的研究较晚。但进展较为迅速几个重要的研究单位于9 0 年代 前后相继开始研究t b - d y - v e 晶体磁致伸缩材科。如北京科技大学、北京有色金属研究总院、包头稀 土研究院、中目科学院物理研究所、金属所，中田科学院上海冶金研究所和辽宁新城稀土压磁材料 有限公司等单位部在从事该材料的研究。产品主妥性能指标都已接近或达到国际同类产晶水平 1 3 课题任务和内容 致控车床作为一种自动化的加工设备被广泛采用目前，许多高精度、低粗糙度的小尺寸轴、 盘类回转体零件，要求一次加工成功这就对数控车床的速度、精度和刚度提出了报高的要求 本课题将在深入研究超磁致伸缩微动刀架的基础上建立适合精密车床开放式数控系统的复合位 置伺服系统。所谓复合伺服系统就是在普通车床的基础上安装徽位移进给系统，能够在原有的进给 装置上实现二次迸给，以提高车刖的精度 本课题研究的主要内容包括： 1 复合进给系统的总体设计 包括复台进给的方案设计，徽进给机构实现方法，控制系统的方案设计，位移传蓐嚣韵选 用的等。 2 徽进给刀架机械部分的设计 由于徽进给装置在工作过程中。除了在输出精确的直线运动以外，还要求承受切削力，因 此对徽进给刀架的机械结构应要求要高于用于定位的徽位移系统的结构这一部分内容包括对 秉性铰链机构和弹性位移机构进行分析，设计出合适的徽进给机构后，建立相应的有限元模壁， 进行准确的分析对于实际加工出的徽位移刀架结构，进行检测 3 超磁致伸缩致动嚣的设计 包括对超磁致伸缩致动器工作原理的学习，设计准财的介绍，超磁致伸缩棒豹选用，超磁 致伸缩致动器电磁结构的设计，以及预紧机构，量控装置等辅助机构的设计 4 对复合进给系统控制部分的设计 包括开放式数控系统的研究主要内容为复合驱动模块敦控程序的缩写复合驱动模块在 第一章绪论 加工过程中，可以自动控制两个进给系统的配合运动，而无需单独编制徽进给系统得相关程序 这一部分我们将针对这一复合驱动系统设计新的软件驱动模块。并添加到现有的开放式数控系 统中 1 4 本文结构 全文论述结构如下： 第一章阐述课题的研究背景和意义，田内外相关领域的研究概况，并提出了本谭愿的预期目标 第二章进行复合进给系统方案设计阐述了复合进给系统的总体结构、各部分的组成原理 第三章设计徽进给刀架的位移转换机构结构，包括柔性铰链结构和弹性徽位移结构，做出有限 元分析，并对加工出来的刀架进行测试 第四章设计相关的超磁致伸缩致动嚣包括分析致动器的工作原理，计算相关参数，设计致动 嚣结构等 第五章设计复合避给系统的控锚系统，包括所使用的致控系统介绍，超磁致伸缩致动嚣的控错 方式。复合驱动模块的编写原理与实现方式 第六章全文总结分析了所设计的徽进给刀架和超磁致伸缩致动嚣的特点和不足提出了解决 方法 东南大学硬士学位论文 第二章复合进给系统方案分析 2 1 复合进给系统的总体结构与原理 由于本课题研究内容为复合进给系统，因此首先考虑刭的是在敦控车床的工程应用目置。我们 经过技术可行性和经济性分析后决定采用= 次进给的方式来实现机床徽进给的应用车床复合进 给系统方寰见圈2 - 1 i 主轴糟披向避给伺服电机3 - 床身械冉扳箱5 - z 向材援箱 ，徽动刀絮7 - i 件g - z 向进给伺服电机如主轴伺服电机 田2 - 1 复台进给系统方案示意田 课题设计的复合迸给系统包括四根驱动轴，分为的x z ，y ，u 。其中x 轴和z 轴即为一般的 数控车床进给轴相同，作为径向和轴向大尺寸定位，其技术指标要求达到位移分辨率 o 0 2 m m 。导 孰直线度全程误差co 0 2 z m y 轴和u 轴分别作为径向和轴向的徽位移补偿，和用超磁致伸缩徽 位移给进刀架完成车刀的精密进给，主要通遍磷致伸缩致动元件和徽位移传蓐嚣实现闭环控制系统， 并在软件上实现对磁致伸缩滞后等因素进行补偿。 超磁致伸缩微位移给进刀架是机械与自动控制相结合产物机械部分负责为超磁致伸缩异形活 塞刀架提供良好的结构避免共振以及为超磁致伸缩材料提供预压应力l 自动控制部分负责控制车删 过程中的徽位移避给以及徽迸给监涮与反馈 2 2 徽进给机构的实现方法8 2 2 1 常用徽进给方式及其特点 随着压电、电致、磁致及静电等徽动执行元件的出现和发展，极大地摊动了徽避给技术的发展 目前常见的锻进给机构一般是利用机械传动，弹性变形、直线电机、电热效应，电磁力和智能材料 6 第二章复合进蛤j c 统方案分析 压电一瓷、电致伸缩、蠢致伸缩) 等实现徽进给 1 机械传动徽位移机构 机械传动徽位移机拇包括齿轮机构，襄块、凸轮机构，缸杆机构，精密丝杠等捌甩机辘 传动方式实现直线徽进给，常用的传动方式为。丝杠+ 螺母“习，其基本功能是将主动件( 如 滚珠丝杠) 的回转运动转抉为从动件( 如螺母) 的直线运动，或将螺母的回转运动变为丝杠的 直线运动该神传动的特点是：降这比大，在转角很大的情况下，可得到很小的直线位移量i 可获得较高的定位精度，空回误差很小可以控制甚至消除，具有增力作用主动件上转矩很 小时，从动件能产生很大的轴向力 由于机槭传动式徽位移枫构存在伺踩、传动误差、摩擦损耗以及爬行现象簪，其运动灵敏 度、糟度都很难达到截朱级精度，且自动控制进绘过程比较复杂，响应速度低，故只适用于中 每精度柏微位移系统i l 卅 乏弹性式强进给机鞫 弹性式徽进培的工作原理是利用传动弹簧与平行板弹簧的刚度差，将输出位移相对于输入 位穆的大幅度缩小后作为输出，以提高输出位移的分辨率进给范围为几十徽米至十几纳米 弹性式徽避给的输出位移相对于输入位移是唯一确定的不受初始条件的影响，故可获得稳定 的高分辨率和运动精度而且，由于传动弹簧的刚度远小于平行板弹簧的刷度因此该机构可 以获得缩小眈缀大的警出位移但是，由于实现方式为机禳手动式难于实瑰自动化i “ 3 直线电机微进鲈咐 直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种变形。可看作是一台麓转电机沿其径向羽 开，然后拉平演变而成。直线电弧有如下几个优点； 1 ) 结构简单，由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置。因爵使得系统 奉身的结构大为简化，其重量和体积大大地下降； 定位籀度高，在需要直线运动的地方。直线电机可以实现直接传动，因而避免了由于 中间环节的弹性变形、问隙、磨损和发热等因素带来的运动误差。放定位精度商，如 采用微机控制，则还可以大大地提高整个系统的定位精度； 势反应速度侠、灵敏度亮，随动 生好直线电机容易傲到其动予用磁悬浮支捧，因而使 得动子相定子之同始终保持一定的空气骧而不接触这就消除了定、动子问的接触摩 擦阻力因而大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性； ) 工作安全可靠、寿命长直线电机可以实现无接触传递力，机械摩擦损耗几乎为零， 所以故障少。免维修。因而工作安全可靠、寿命长 直线电机存在的主要问题是成本较高、控制系统比较复杂和隔磁防磁闩题。控制系统中的 各种放大嚣可能受烈环缝的干扰，从而降低加工糟度，在运行过程中绕组线叠产生的热量大 大影响列系统的性能 4 电热式徽进给机构 电热式徽位移是利用物体的热膨胀原理来实现微位移的这种机构结构简单，撮作方便 但由于传动秆与周围介质之问有热交欹，从而影响位移精度由于热惯性的存在，不适于高速 位移 5 电磁铁驱动徽进给机构 电磁铁驱动徽进给机构利用电磁原理通过控制线圈中的电流大小来控制电磁力的大小， 使具有弹性支承的工作台产生麓密微位移它的缺点是电磁绞中始终要通过一定的电流，结果 由于发热而影响精度一般设计上只能到几个徽米的定位精度此外，这种机构的位移阶跃响应 存在瞬间的振荡，灵敏度高时系统难于稳定 矗 记忆合金徽进给机构i ” 所谓形状记忆台金效应是指材料会记忆它在高温相状态下的形伏哪它在低温相状态下不 警鲡何变形，只要加热到一定温度就会立翔恢复刭鬣来在高量状态下的形伏具有这种效应的 台金叫形状记忆合金( s h a p em e m o r ya l l o y , s m a ) 。形状记忆合金的最大优点是其应变灵敏度 7 东南大学硕士学位论文 较高( 高达携) 可导致原结构变形达0 0 其主要缺点是响应速度慢，赡以用于动杏控翻 7 压电驱动锻进给机构 压电陶瓷徽进给机构是目前应用最广的徽进给机构压电陶瓷致动嚣的工作原理是利用压 电囊瓷的逆压电效应吼”，压电陶瓷片在直流电场的作用下产生的应变与电场强度的平方成正 比其优点为体积小( 几立方毫米一几十立方毫米) ，位移分辨率高，响应速度快( 几十微秒) ， 输出力大( 可达4 5 0 0 n ) 、换能效率高( s 0 ) 、不发热、采用相对简单的控铡方式、位移重复 性好，且对温度不敏感但是一般压电材料的压屯系数都报小，对于一个实用的压电作动元件， 既要有一定的位移输出量，又要承受一定的载荷，特别在低频范围内工作时，足够的输出位移 量更是磐要的因此单个压电体。无论如何选取几何形状，在一定的驱动电压下，都很难满足 实际要琅为了增加位移输出量，需采用多组压电片在力学上串联，电学上并联的镪计思想 构成压电堆，使各压电片产生的位移量可以叠加输出 超磁致伸缩锻进给机构 超磁致伸缩徽位移机构是利用稀土超磁致伸缩材辩在磁场的作用下产生徽仲长运动来实现 徽位移的，是一种理想的徽位移驱动材料具有许多非稀土材料所不具备的基本物理特性它 具有磁致伸缩大、响应速度快，磁机械耦合系数大，磁滞小等优点超磁致伸缩精密驱动器是 改变现有自动控审i 技术现状简化设备设计和提高产品精确度及反应速度的新一代驱致动器刚 其位移可达到0 1 , - , 0 5 衄，精确度可达判纳米级，响应速度侠。输出力大，工作电压怔，只需 几伏至几十伏，设计相对简单i z l l 2 2 2 机床迸给系统对徽进绘机构的要求 在糖密和超精密加工中为使机床微位移的分辨率迸一步提高l 为进行机床和加工误差的在线 补偿，以提高加工的形状精度：为进行某些持昧的非轴对称表面的加工，都需要使用徽量进给装置 高精度徽量进给装置已经成为糖密和超精密机床的一个重要的关键装置，重要的机床附件现在毫 糟度徽量进给装置分辨率可选o l 0 0 1 p r o 这对实现超薄切削、高精度尺寸加工和实现在线误 差补偿是十分有用的 一维徽进给刀架系统在超精密机床已得到了广泛的应用。但是在加工一些具有复杂形状的高糟 密产品时二维徽进给显得尤为重要。因此，我们希望能够设计出一种的二维的徽迸给机构。 由于徽进给机构直接应用于数控机床，在工作过程中除了要求能够输出精确的直线位移以外， 还要求能够承受切削力，因此，对微进给刀架的机械结构提出了以下几方面的要求： 1 保证有较高的直线运动精度和较大的迸给范围： 2 徽进给和粗进给应分开，以提高徽进给的精度、分辨宰和稳定性 3 运动部分必须是低摩擦和高稳定废的以便实现很高的重复精度t 4 - 末级传动元件必须有很高的刚度，即装夹刀具处必须是高刚度的i 5 徽量进绘机构内部联接必须是可靠联接，尽量采用整体结构或刚性联接，否划进给机构很 难实现很高的重复精度； 6 工艺性好，容易制造，与现有机床配套。兼容性好便于刀具装夹l 7 徽进给机构应具有好的动态特性，即具有高的频率响应特性i i 徽量避绘机构应鳝实现微进绘的自动控髑 2 2 3 徽进给机构的确定 我们对现有的精密机库的性能进行了相关地调查，在单个驱动轴上选劐徽进给功能，其驱动行 程在3 0 , u r n 一5 0 j u m 范围内。进给分辨率达到o 2 肿左右 经以上分析超戳致伸缩徽迸给机构能够很好的满足机床徽避绘的要求我们决定采用超磁致伸 8 第二章复合进给系统方寨分析 缩致动嚣作为徽进给的输出源 由于希望能够在两个方向上对刀具进行徽位移的控翻，我们还需要设计出二维的位移转换机构， 能够同时在两个相互垂直的方向产生位移输出并且不发生干涉对于二维位移转换机构我们准备 从柔性铰链机构和弹性交形机构两种形式进行分析设计 2 3 控锚系统设计 7 3 1 复合避给系统的控制方案 本课置l 对上述复合进给系统的方案设计了如田2 - 2 所示的控翻方案 啊2 2 复合进蛤系统控翻原理用 复合进给系统采用闭环控翻系统由计算机根据输入位移t ，自控锚运动控翻器发出指令，运 动控制器分别控制伺服电机进行大位移进给和超磁致伸缩致动器做小位移进给实际位移输出量由 位移传感器检测并将信号反馈至计算机 2 3 2 徽进给刀架的控制方寨 由于数控车床已经有了一套比较成熟的控制系统，对于复合进绘系统的研究主要着力于徽位移 系统的控制系统设计 徽进给刀架要实现精确的定位，需要具有良好的控制系统，我们采用开环和闭环两种控制方式 对徽进给刀架系统进行控制分析 1 徽进给刀架开环控制方案 开环控制系统结构简单，容易构造、工作稳定图2 - 3 为徽位移刀架开环控制系统原理图 在徽进给刀架采用超磁致伸缩致动器直接驱动的情况下，由于减少了中问的传递环节，徽迸给 刀架的输出位移完全被输入位移所约束。这样，对于一个确定的输入就有一个与之对应的输出 位移。因而徽进给系统可以采用开环控钳 9 东膏大学爱士掌位论文 圈2 - 3 开环控制系统原理图 z徽迸给系统的伢j 环控翻 闭环控制的基本原理就是：通过位移传感器检测出徽进给工作台的实际位移量并反馈给计 算机，计算机根据微进给刀架的实际位移和理想位移的差值对徽进给工作台的位移进行补偿。 闭环控箭不器要准确描述超磁致伸缩致动器迟游园线的数学模型，主要依靠传摩嚣反馈回来的 位移信号进行控制，这在一定程度上可以消除由于超磁致伸缩致动器自身物理特性引起的滞后 误差和由于切削力等因素引起的沿进给方向的误差理论上可以达到很高的定位精度 图2 4 为徽进给刀架的朗环控钼框图与开环控翻相比较。闭环控制增加了一个位移反馈 环节。将徽进给刀架的实际输出位移k 和l 乙，反馈给计算机，并分剔与理想位移值z ，y 比较后，计算机根据它们的差值驱动相应的超磁致伸缩致动嚣对徽进给刀架的位移进行补偿， 从而实现精确定位 圈2 _ 4 闭环控制系统原理圈 由于复合迸给系统为闭环控制，对于微进给刀架系统我们将采用开环控制，以简化结构，提高 工作效率 2 4 位移检测方案设计 2 4 1 常用位移检测传感器介绍 由于机床加工误差归根结底表现为刀具与工件位置的相对变化，位移量的襄l 量是壤少误差的一 个重要因素在徽位移控制过程中执行机构的动作是否和指令值一样，误差有多大，与系统中的驱 动装置及传动机构的糖度和检铡装置的性能有关，但检测装置的性能是起主要作用或决定性作用 因此徽位移传感器的选用对徽进绘控翻系统设计至关重要，不仅可以提高系统的分辨率和綮度，而 且可以起到简化控制系统的目的 目前常用的位移检测传感嚣有：电阻应变式，电痦式、电容式，霍尔式，黼和激光测量等 1 电阻应变式位移传感器 电阻应交式位移传感嚣有电阻匿变片、弹性交化元件和酒量电路等部分组成用来蔫量物体的受 1 0 第二章复合进给系统方案分析 力状态和机械变形具有线性好、精度高、稳定性好，体积小、成本低，潮量电路简单等优点比 较适合集成在徽进给机构上，便于实现结构紧凑的定位系统网缺点是灵敏系数小，粘贴后传感嚣 的质量和稳定性受基赢、粘贴剂、防护j l ! i 的老化以及牯贴过程中的手工作业质量影响。容易出现长 期漂移。质量不稳定，温度影响较大，灵敏度受到限制 2 电蓐式位移传感器 电尊传感罂是一种建立在电磁摩应基础上。利用线的自感或互感变化碌理来实现非电量电嚣 的传感器传感器探头检测到被测物体的位移，通过测杆带动衔铁产生移动。从而使线圈的电感或 互摩系数发生变化，电感或互感信号再通过引线接入测量电路进行测量常见的有启感式传感器 ( 姗) 、差动式传感霉( l v d t ) 和电锅流传感器三种 岛摩式传感器首先把被涮量的变化转化为自感l 的变化，自蓐l 接入不同的测量电路就可以转 换威电信号输出自感l 又称电感，人们习惯上称谓的电感式传感嚣( l v d i ) 就是特指这一种当 甩互痞原理对，主要的一种常破成差动变压器形式，运时一嚣线圈要用固定电源激磁，它与两个： 次侧线一问互感m 的变化可导致二次侧线圈产生电压信号输出因为它具有差动变压嚣的形式，故 习惯上称为差动变压嚣式传感嚣( l v i y r ) 电涡流传感器将被涮量的变化转变为线圈阻抗或电感 变化。阻抗可以利用电桥渭量电感可以利用谐振电路进行测量 l v i x r 有性能优越，价格低的特点，发展初期其信号处理电路由分离元件组成，体积较大并 且精度、稳定性较差，无法满足徽位移检测的要求随着一些集成式信号调理芯片的出现，使得l v d t 的检嗣精度达到0 0 3 , a m ，稳定性等得到了很大的提高。可以蔫足徽位移检翱的要求电感式位移 传感誊具有嗣量范围大、，l 度较膏，稳定性好、安装方便等优点。但受鼠理所限，缓响低 3 电容式位移传感嚣 用电容传感器是将被测量的位移变化转化成为电容量变化的一种传感嚣。实际上其本身就是一 个可变电容电容式位移传蓐器实现非接触穗量以极板伺的电场力代替了探头与被测件的表面接 麓，由于极板问的电场力极其微弱，不会产生迟滞和变形。消除了接触式测量由于表面应力给测量 带来的不利影响，在纳米级检灏加工领域得到了广泛的应用 电容式传黪器其有精度高、分辨率高、频响高等优点，不仅适合静态潮量更适合于动态测量 同电阻应变片相比电容传感器的定位精度和定位分辨率高，且因极同介质损耗极小而温度稳定 性极好电容传基器组成在1 0 , u m 的行程范禺内。定位麓度达到l o 聊，定位分辨宰达豺2 栅 但是采用电容传感器时，徽进给控制系统的结构较复杂。另外，电容传感器成本高，对安装、 调整机构捕度要求高，检测电路复杂。对测量环境要求苛刻，测量范围小，容易受寄生电容和外界 的干抗 2 4 1 2 位移传感器的选用 检铡装置的性能主要反应在其静态特性和动态特性上静态特性包括精度，分辨事、灵敏度、 铡量范围和量程、迟滞、零漂及温漂动态性能主要指检测装置的输出量对随时问变化的输入量的 响应特性为适应微位移控制的定位精度，要求检测装置工作可靠、抗干扰能力强；满足分辨精度， 速度和测量范围的要求；使用维护方便l 易于实现高速的动态潮量和处理l 易于实现自动化l 成本 低等 下面将所选用的测量微进给刀架机构的位移传感器及其检测原理做一介绍 目前徽位移测量的传痘器主要有电感式，电容式、电涡流式、激光干涉式、电阻应变式等，它 钔各有优缺点及适用的场合本谭置研锚的复合进给系统采用的是差动式电癌式中的螺管插铁型电 感传感嚣该传感器具有曩量精度较高、频率响应特性好，且结构简单、尺寸小、重量轻、易于实 现小登化、整体化等优点 垂直( 水平) 两个位移传感嚣相同，都是差动式电蓐式中的曩管插铁塑电摩传感嚣”由两个 n 东南大学硕士学位论文 完全相同的单个线圈的电感传感器合用一个活动衔铁便构成了差动电感式传感器，如图2 - 5 所示。 1 - 线i2 - 线圈i i3 - 衔铁 ( t )( b ) 圈2 - 5 差动电感式位移传感嚣机构原理图 为说明差动电感式位移传感器的结构原理，先介绍一下单个线圈的电感传感器如图2 - 5 ( a ) 中，假设只有线圈2 ，且螺管内的磁场强度是均匀的，衔铁插入的深度k 小于螺管长度，此时有 一4 - ”r 2 w 2l 工r 2 + ( 一1 ) 幻。2 】 ( 2 1 ) 或 m 卜叫蝌】 眩z ， 式中l 单个线圈的电感量日 k 空心螺管线圈的电感量，厶一4 , i r 2 w 广2 w 单个线圈的匝数 r 线圈的平均半径( m m ) 柱形衔铁的半径( 坍小) 单个螺管线圈长度似加) t 柱形衔铁插入到单个螺管内的长度( 小m ) ，i 铁芯的有效磁导率o f ) 从式2 2 可看出，当螺管结构确定后，r ，矽，工，和，l ，均为定值，而且t 实际上为衔铁 第二章复合进给系统方案分析 的位移量由此可见，曩管插铁型电感器的电痘量工与位移量工( ) 有线性关系若衔铁上输入位 移，捌螺譬线曩电摩的变化量为矗= 一上b ，把此式带入巍式2 2 中可得， 等= p ) 毒( 万 ， 由式2 3 表明曩管插铁式电感传感器的电感量 4 0 0 謇座口脯 9 2 0 一电2 5 2超磁致伸缩，i 主要工作参数的确定 稀土超磁致伸缩材料的主要特性参教有磁致伸缩系数五，动态磁致伸缩系敦蟊、磁导事 机电辆合