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非球面柔顺研抛工具系统虚拟样机研究

作　者: 吕必达
导　师: 郑堤
学　校: 宁波大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 非球面磁流变液力/位耦合柔顺控制力矩伺服
分类号: TG580.692
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 61次
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内容摘要

随着现代电子应用和光学技术的发展,非球面光学零件以其极佳的光学特性受到了研究者的广泛关注。非球面光学零件的表面精度是决定其应用价值的关键。现有的光学抛光加工是依赖于高精密器械,采用柔顺研抛的控制方式完成的。但高精密设备的价格昂贵,限制了非球面光学零件的广泛应用。为了降低非球面光学零件的加工成本,研究基于普通数控车床的非球面加工方法及工具系统,对非球面零件的精密加工和广泛应用无疑具有重要的理论意义和工程价值。普通数控车床在机床精度不高的情况下,可以通过安装附加工具,利用柔顺控制来实现研抛精加工。当前柔顺控制的瓶颈在于力/位混合控制中的力/位强耦合:研抛工具的位姿因工位而异,研抛力的大小和工位存在着直接的关系,给控制系统的研发带来极大的困难。为了降低力/位混合控制的难度,本文提出了力/位混合控制解耦的原理和方法,即通过采用合适的力控制装置,结合数控轨迹规划保证加工过程中研抛力的方向始终与工件表面法向一致,使研抛力的大小和方向不随加工位置变化而变化,实现力/位混合控制解耦。针对这一思路,本文提出了在普通NC数控车床上安装研抛工具系统,进行非球面柔顺研抛精加工原理和方法研究。工具系统的力伺服装置是由磁流变液(MRF)阻尼器与伺服电机组合而成的。传统的力伺服器一般采用电机或者液压机构,其主要特点是力与位移相伴而生,紧密耦合在一起,无法实现对力的单独控制。本文采用的MRF力矩伺服装置可以不依赖位移而对力矩实施控制,且具有快速响应和输出力矩无级可调的特性,是柔顺研抛加工中的一种比较理想的力伺服器。本文借助虚拟样机技术,运用运动学、动力学仿真软件ADAMS,建立了MRF阻尼器的仿真等效模型,在此基础上建立了工具系统整体虚拟样机。对研抛工具系统中的关键部件——自适应研抛头的结构进行了仿真分析与结构优化,并通过实验验证了仿真分析结果的正确性。接着,对工具系统的作业空间进行了数学建模及优化。通过对工具系统输出研抛力的稳定性仿真和实验研究发现,有必要设计控制系统以进一步提高工具系统输出稳定性。在建立系统的动力学模型的基础上,完成了控制系统的理论设计。ADAMS和MATLAB/SIMULINK联合仿真结果表明,增加控制环节后,工具系统的输出稳定性得到了有效的提高。

非球面柔顺研抛工具系统虚拟样机研究

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