【《利用快速刀具伺服加工FTS装置的设计案例》3900字】

利用快速刀具伺服加工FTS装置的设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u23379利用快速刀具伺服加工FTS装置的设计案例 1152001.1导向机构的设计 1170511.1.1导向机构的选择 1107381.1.2柔性铰链的设计 2254151.1.3柔性铰链的计算 3301821.1.2共振频率计算 472021.2驱动器的选取 43441.1.1常用的FTS驱动器 4131551.1.2选用的驱动器类型 5317241.1.3音圈电机的选取 5151731.3直线光栅的选取及安装 9213831.3.1直线光栅的选取 9256781.3.2光栅的安装 91.1导向机构的设计1.1.1导向机构的选择本课题所需的FTS行程为0.5mm，使用气浮导轨以及柔性铰链结构均能满足行程要求。气浮导轨的突出特点就是几乎无摩擦，精度高，往往在高精与超精机构中使用较多。柔性铰链机构由于设计巧妙无摩擦副，也没有摩擦，往往在加工过程中采取一体式结构，装配上的误差相对较小，成本上比气浮导轨低很多。考虑到虽然气浮导轨的精度高、阻尼小，但是其造价较高，从经济性的角度出发最终决定选用柔性铰链。1.1.2柔性铰链的设计上世纪六十年代左右，由于航空工业的发展，需要一种小范围内的偏转支撑结构，由于生产的需求，学者们提出了柔性铰链这一概念。之后众多学者对柔性铰链进行了多方面的探索及研究。如果从传递运动和能量的方向进行分类，可以将其分为单轴柔性铰链、双轴柔性铰链、万向轴柔性铰链。虽然多轴铰链可以实现较多的自由度，但是，这就使得这种铰链在受力之后的变形量比较大，刚度相对较低。显然，单轴柔性铰链往往结构较多轴柔性铰链简单，且刚度较大，能承受较大的力，所以在设计当中选用单轴柔性铰链REF_Ref71812982\r\h[21]。单轴对称柔性铰链还可细分为直梁型、直圆型、双曲线型以及椭圆形等，随着变形程度的增加，由直梁型至直圆型其刚度逐渐变大。按现有的文献数据表明，直梁型柔性铰链不需要特别大的力即可产生所需的位移，而且由于结构简单，现有的文献当中对这类铰链的实验数据较多，计算相对其他几种更加简便，计算的误差更小，所以本设计采取的是直梁型柔性铰链REF_Ref71812998\r\h[22]，图1.1为单轴柔性铰链类型图。图1.1单轴柔性铰链1.1.3柔性铰链的计算根据单点金刚石刀具在切削过程中的受力情况分析，在切削过程中需要承受x、y、z三个方向的力，这三向力之中，y向和z向切削力较大，由于FTS的z向为运动方向，所以切削力会被FTS的控制过程消除掉，这时就需要保证柔性铰链除z向之外的其余方向均有较高的刚度。本文采用的为Y型柔性铰链，如图1.2所示，边框为圆形铰链部分呈现Y型结构，保证了除z向以外的其余方向均有较高的刚度，使得切削过程的受力变形不会影响切削。图1.2柔性铰链示意图图示中，l是铰链部分的长度，b是铰链部分的宽度，h为铰链的厚度，为了便于计算，将Y型铰链部分视为刚体，这样可由下式得到z向刚度REF_Ref71813009\r\h[23]：K式中，E为材料的弹性模量。铰链与支座为一体式结构，材料为45号钢，热处理工艺为淬火并调质处理，提升材料的韧性，使之能较好的承受交变载荷。材料的力学性能如表1.1所示。表1.1材料力学性能参数材料许用应力泊松比弹性模量密度45钢600MPa0.3206GPa7850柔性铰链的尺寸及刚度计算结果如表1.2所示。表1.2柔性铰链结构参数lbhK柔性铰链27.5120.9259.91.1.2共振频率计算FTS装置在切削加工的过程中，z向刀具的频率变化范围大，这时就必须考虑FTS装置的固有频率，因为一旦引起共振，刀具在加工过程中将会丧失精度，严重的甚至直接破坏所加工工件的表面。在进行FTS装置设计的过程中，应当充分考虑FTS装置的固有频率。对于一般的弹性系统，固有频率f可由下式求解：f=上式中的k为弹性部分刚度，m为运动部分质量。由于装置在运动时，仅有柔性铰链部分以及连接杆部分运动，所以仅需考虑这部分的质量，304L不锈钢材质的连接杆质量为105g，柔性铰链部分仅需考虑大约三分之二的质量，约为100g，加之刀架和光栅台的质量共530g。根据计算的结果，FYS装置的z向固有频率为352Hz,远高于FYS装置的工作频率，所以共振这一情况不会对加工造成影响。1.2驱动器的选取使用FTS装置加工NRS曲面时，由于FTS装置与机床主轴需要保持联动，故需要装置有着较好的跟踪精度，之后则需要考虑驱动器所能传递的力以及位移。1.1.1常用的FTS驱动器（1）压电叠堆式FTS：可再细分为低频、高频、超高频压电装置，相应的越高频率的压电叠堆行程越短、产生的驱动力也就越小。往往需要采用杠杆等物理结构进行位移的放大。一般在放大位移后仅有数百微米的行程REF_Ref71813030\r\h[24]。（2）洛伦兹力型FTS：洛伦兹力型FTS的工作原理即是利用洛伦兹力，力的大小与电流的大小及磁通量成正比，所以比较易于控制，可以提供较大的驱动力与位移REF_Ref71813038\r\h[25]。由于可以提供较大位移，所以其导向装置也有多种选择，较为常见的是柔性铰链结构，精度更高价格更高的还有气浮导轨。（3）麦克斯韦力型FTS：由于依据麦克斯韦力的原理，其控制的运动部件往往质量较小，所以能够产生比较高的位移频率，在几种FTS装置里属于频响最高的一种。但是由于麦克斯韦力的产生原理，其力是非线性的力，所以在控制位移的过程中需要外加其他方式使产生的力线性化REF_Ref71813049\r\h[26]。（4）磁致伸缩型FTS：磁致伸缩型FTS需要依靠磁致伸缩材料，这种材料在不同的磁场状态下会沿着磁化方向进行微小的形变，由于对材料的特殊要求，一般都是由铁基合金或是铁氧体等构成。这种电机可以产生较大的位移和较大的驱动力，但也存在着十分明显的缺点，即该种材料对物理场的变化比较敏感，如温度的变化会导致该种材料变形较大，想要有较高精度需要控制环境温度。1.1.2选用的驱动器类型在单点金刚石车削中0-0.1mm属于短行程，0.1-1mm属于长行程，大于1mm则属于超长行程。本研究需要的位移大致为0.5mm，为长行程的FTS装置。根据上述各种FTS装置的优缺点，考虑到本项目的装置不需要极高精度的需求，综合经济性以及制造难度等角度的考虑，最终选用洛伦兹力型FTS装置，并考虑使用音圈电机作为项目的驱动装置。1.1.3音圈电机的选取FTS装置的刀具位移过程可以简化为正弦曲线，这样既可以简便计算，也不会造成较大误差。所以可以假设运动轨迹的幅值为A，频率为f，那么音圈电机的运动轨迹可以用下式表示：x式中的ω为角速度，ω=2πf。电机的速度可用下式表示：vt=A∙ω∙cosω∙t;加速度为：atF=−A∙m∙按照上式可得，最大值Fmax=A∙m∙ω可以根据上式算出的力大小初选电机大致型号，但是具体分析时还需要考虑电机驱动的柔性铰链以及中间的连接杆的质量，以及它们所具有的加速度和驱动的最大位移，即需要完善上述的方程：F=k∙xk为柔性铰链的刚度，带入加速度的公式后，可以将上式化为：F=k∙A∙同理可以求得力的最大值以及均方值力：FF本研究所计算出的FTS装置刚度为259.9Nmm，运动部分包括两个柔性铰链、刀架、光栅台以及中间部分的连接杆。当应用材料为Iron时，根据CATIA软件中的测量，最大的运动部分质量和为530g。幅值A的大小为0.5mm，频率f为20Hz，根据计算需要电机的最大力为125.76N，均方根力为88.03N。需要考虑电机的尺寸以适应FTS装置，再者就是当电机产生位移后所产生的力应当无衰减，或是衰减的程度在实验可忽略的范围内。综上考虑，选用BEIKIMCOMAGNETICSDIVISIONSANMARCOS的LA28-22-000A型号电机。该型号的电机尺寸不大，满足FTS装置的特点，产生的力足够大，能够驱动上述的柔性铰链产生足够大小的位移，该电机的中间部分是空心的，动子部分的塑料外壳可以再加工。音圈电机的照片如图1.3所示。图1.4为LA28-22-000A型号电机在单向运动中的力敏感度，根据图1.4靠近中间部分的曲线变化可以看出，在靠近0点区域向电机的“-”行程方向上运动时（电机的“-”行程方向如图1.5所示），即0.000→−1.144mm的过程中力敏感系数几乎不变，可以认为此时的电机输出的力的大小与电流呈线性关系。图1.6为音圈电机的所有参数。图1.7列写了较为重要的电机相关参数，详细参数可参见BEIKIMCO公司的技术手册。图1.3音圈电机图示图1.4音圈电机的力敏感系数及其方向图示图1.5电机的行程方向图示图1.6音圈电机相关参数图1.7较为重要的电机参数1.3直线光栅的选取及安装1.3.1直线光栅的选取目前商用的使用比较广泛的直线光栅的厂家有HEIDENHAIN（海德汉）和RENISHAW（雷尼绍）两家。海德汉提供封闭式光栅尺与敞开式光栅尺两类供选取，封闭式光栅尺可防尘、防切屑、防飞溅的切削液REF_Ref70627534\r\h[27]。敞开式直线光栅尺设计用于对测量精度要求极高的机床和系统。但是其品牌的光栅尺大多是玻璃基体，或是钢带光栅尺需要穿入铝壳中固定，不易于安装和裁剪，在较小行程内不是很适用。本研究采用的光栅尺是雷尼绍的配有RGSZ20直线光栅尺的TONIC增量式光栅系统。TONIC系统是雷尼绍的超小型非接触式光栅系统，速度可达10ms，安装公差带要求不高，所以其安装较为简便。RGSZ20光栅尺是一种轻薄的柔性钢带制作的带状光栅尺，栅距为20μm,可以通过背部自带的胶固定到金属基体上，可以随意裁剪，比较适用于本研究所设计的长度测量系统。光栅读数头的尺寸(L×W×H)为35mm×13.5mm×10mm，分辨率为10nm，可采用单双限位开关，系统的工作温度范围为0℃-70℃。图1.8为选用的光栅读数头以及TD双分辨率接口REF_Ref70627746\r\h[28]。（a）光栅尺及读数头（b）TD双分辨率接口图1.8选用的直线光栅1.3.2光栅的安装由于装置沿z向移动，所以将光栅尺及其读数头沿z向安装，将读数