两自由度快速刀具伺服加工技术研究
发布时间：2021-08-20 11:22
光学自由曲面、微结构功能表面和脆性材料由于其优异的机械,光学,物理和化学性能而广泛应用于精密工程,光学仪器,半导体,航空航天,汽车,医疗设备,国防和军事等领域。快速刀具伺服（Fast Tool Servo,FTS）金刚石车削技术由于其高精度、高灵活性和高效率等优点已经成为加工光学自由曲面、微结构功能表面和脆性材料的一种有前景的技术。这种加工技术已经引起了越来越多的关注,并在过去几十年中被大力研究。因此,本文针对FTS加工技术开展了深入的理论研究。首先开发了一种新型的FTS装置,提高了FTS切削系统的加工性能,从而扩展了FTS切削技术在生成光学自由曲面和在脆性材料上生成微结构表面的应用领域。然后结合本文所开发的FTS切削装置探究了脆性材料延性加工机理,并进行了单晶硅刻划加工实验,验证所开发FTS装置加工脆性材料的可行性。本文主要研究内容包括:（1）开发了一种具有高频率、低耦合的压电驱动两自由度FTS装置。主要结构包括柔性机构主体、压电驱动器、金刚石刀具、预紧楔形块、预紧螺钉。采用了一种高刚度的四杆机构来实现沿z轴方向的运动。另外,采用了柔性轴承铰链,并利用绕柔性轴承铰链的微旋转运动实现沿...
【文章来源】：长春工业大学吉林省
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
FTS车削加工原理示意图[4]
第1章绪论2光学效率。因此，该系统具有降低成本，简化系统结构，提高光学性能，扩大视野和提高分辨率的优势[6]。这些表面已被广泛用于民用，军事和太空探索领域[7][8]。图1.2显示了光学自由曲面的一些应用。这些自由曲面构成了光学表面的革命性一代，但是它们要求极高的加工制造精度。关于光学自由曲面的FTS车削加工技术已经成为多年来诸多学者的研究热点。（a）汽车尾灯[9]（b）宝丽来SX-70相机[10]（c）詹姆斯太空望远镜[11]（d）夜视头盔显示器（HMD）[12]图1.2光学自由曲面的应用微结构功能表面（Micro-StructuredFunctionalSurface，MSFS）具有高的空间频率和复杂性特征，空间结构尺度更小，特征尺寸一般在微米级或亚微米级。随着MSFS的应用领域越来越广泛，国内外诸多学者已经将FTS车削技术应用到MSFS的加工当中，尤其是微棱镜，微透镜阵列，正弦网格，复眼结构，衍射光学元件（DiffractiveOpticalElements，DOE），菲涅耳微结构，V形槽和F-θ透镜。近年来，例如光学玻璃，晶体硅，碳化钨（WC），锗，氮化硅，高级陶瓷和陶瓷基复合材料等脆性材料由于其高硬度，低密度，高热量，耐磨性好以及高化学稳定性等优越的性能而广泛应用于精密工程，光学仪器，半导体，航空航天，汽车，医疗设备，国防和军事等行业[13]。例如，由于优异的光学性能和高化学稳定性，光学玻璃是制造包括棱镜，透镜，反射镜和窗户在内的光学仪器关键部件的重要原材料。它也是信息技术的基础材料，因此在光传输，存储和显示领域得
第1章绪论3到了广泛的应用[14]。蓝宝石作为一种典型的高级陶瓷，由于具有高强度，良好的透光性和高抗风蚀性[15]，因此经常应用于许多高科技领域，例如红外夜视设备，高速整流罩的窗口，微电子基板等。此外，以SiC陶瓷为代表的陶瓷基复合材料已成为在核能，能源，军事，航空航天和运输行业等领域的战略性结构材料。陶瓷基复合材料具有优异的物理和机械性能，结合了高强度，硬度和耐热性的陶瓷特性以及由于纤维增强而具有的高韧性，从而提高了产品在冲击载荷下的安全系数[16]。在这些脆性材料中，由于其独特的光学功能，优异的光捕获性能和较高的光电转换效率，单晶硅微结构的制造引起了先进红外（IR）光学，太阳能电池和光电行业各种应用的广泛关注[17-19]。例如，与光滑表面相比，单晶硅的微结构化表面大大提高了太阳能电池的光电转换效率[20]。单晶硅的微透镜阵列可以实现先进红外光学系统的集成和最小化[21]。如图1.3展示了脆性材料的应用领域。（a）卡塞格林望远镜（b）夜视头盔显示器（c）单体碳化硅反射镜（d）太阳能电池板图1.3脆性材料的应用领域高科技的飞速发展对脆性材料的加工质量和加工效率提出了越来越高的要求[22]。然而，脆性材料具有高硬度、低断裂韧性和可加工性差等特点，这种固有的缺陷给在脆性材料上实现无裂纹、无损伤和高精度的加工制造带来了巨大的挑战。FTS金刚石切削技术由于其高精度、高灵活性和高效率等优点被广泛认为是能够在脆性材料上有效地生成微结构的一种有前景的技术[23-25]。目前诸多学者已经对FTS的金刚石车削技术做出了大量的研究，并且取得
【参考文献】：
博士论文
[1]利用快速刀具伺服车削光学自由曲面的研究[D]. 刘强.吉林大学 2012
硕士论文
[1]基于NI控制器的单自由度快速刀具伺服装置设计与控制[D]. 任万飞.长春工业大学 2017
[2]两自由度快速刀具伺服装置的服役性能研究[D]. 桂堂军.吉林大学 2017
[3]自由曲面伺服车削切削力测量及装置研制[D]. 谢晓麟.吉林大学 2015
[4]散射抑制车削新方法及装置研究[D]. 朱志伟.吉林大学 2013
[5]一种新型快速刀具伺服装置及其性能研究[D]. 刘强.吉林大学 2009
本文编号：3353410
【文章来源】：长春工业大学吉林省
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
FTS车削加工原理示意图[4]
第1章绪论2光学效率。因此，该系统具有降低成本，简化系统结构，提高光学性能，扩大视野和提高分辨率的优势[6]。这些表面已被广泛用于民用，军事和太空探索领域[7][8]。图1.2显示了光学自由曲面的一些应用。这些自由曲面构成了光学表面的革命性一代，但是它们要求极高的加工制造精度。关于光学自由曲面的FTS车削加工技术已经成为多年来诸多学者的研究热点。（a）汽车尾灯[9]（b）宝丽来SX-70相机[10]（c）詹姆斯太空望远镜[11]（d）夜视头盔显示器（HMD）[12]图1.2光学自由曲面的应用微结构功能表面（Micro-StructuredFunctionalSurface，MSFS）具有高的空间频率和复杂性特征，空间结构尺度更小，特征尺寸一般在微米级或亚微米级。随着MSFS的应用领域越来越广泛，国内外诸多学者已经将FTS车削技术应用到MSFS的加工当中，尤其是微棱镜，微透镜阵列，正弦网格，复眼结构，衍射光学元件（DiffractiveOpticalElements，DOE），菲涅耳微结构，V形槽和F-θ透镜。近年来，例如光学玻璃，晶体硅，碳化钨（WC），锗，氮化硅，高级陶瓷和陶瓷基复合材料等脆性材料由于其高硬度，低密度，高热量，耐磨性好以及高化学稳定性等优越的性能而广泛应用于精密工程，光学仪器，半导体，航空航天，汽车，医疗设备，国防和军事等行业[13]。例如，由于优异的光学性能和高化学稳定性，光学玻璃是制造包括棱镜，透镜，反射镜和窗户在内的光学仪器关键部件的重要原材料。它也是信息技术的基础材料，因此在光传输，存储和显示领域得
第1章绪论3到了广泛的应用[14]。蓝宝石作为一种典型的高级陶瓷，由于具有高强度，良好的透光性和高抗风蚀性[15]，因此经常应用于许多高科技领域，例如红外夜视设备，高速整流罩的窗口，微电子基板等。此外，以SiC陶瓷为代表的陶瓷基复合材料已成为在核能，能源，军事，航空航天和运输行业等领域的战略性结构材料。陶瓷基复合材料具有优异的物理和机械性能，结合了高强度，硬度和耐热性的陶瓷特性以及由于纤维增强而具有的高韧性，从而提高了产品在冲击载荷下的安全系数[16]。在这些脆性材料中，由于其独特的光学功能，优异的光捕获性能和较高的光电转换效率，单晶硅微结构的制造引起了先进红外（IR）光学，太阳能电池和光电行业各种应用的广泛关注[17-19]。例如，与光滑表面相比，单晶硅的微结构化表面大大提高了太阳能电池的光电转换效率[20]。单晶硅的微透镜阵列可以实现先进红外光学系统的集成和最小化[21]。如图1.3展示了脆性材料的应用领域。（a）卡塞格林望远镜（b）夜视头盔显示器（c）单体碳化硅反射镜（d）太阳能电池板图1.3脆性材料的应用领域高科技的飞速发展对脆性材料的加工质量和加工效率提出了越来越高的要求[22]。然而，脆性材料具有高硬度、低断裂韧性和可加工性差等特点，这种固有的缺陷给在脆性材料上实现无裂纹、无损伤和高精度的加工制造带来了巨大的挑战。FTS金刚石切削技术由于其高精度、高灵活性和高效率等优点被广泛认为是能够在脆性材料上有效地生成微结构的一种有前景的技术[23-25]。目前诸多学者已经对FTS的金刚石车削技术做出了大量的研究，并且取得
【参考文献】：
博士论文
[1]利用快速刀具伺服车削光学自由曲面的研究[D]. 刘强.吉林大学 2012
硕士论文
[1]基于NI控制器的单自由度快速刀具伺服装置设计与控制[D]. 任万飞.长春工业大学 2017
[2]两自由度快速刀具伺服装置的服役性能研究[D]. 桂堂军.吉林大学 2017
[3]自由曲面伺服车削切削力测量及装置研制[D]. 谢晓麟.吉林大学 2015
[4]散射抑制车削新方法及装置研究[D]. 朱志伟.吉林大学 2013
[5]一种新型快速刀具伺服装置及其性能研究[D]. 刘强.吉林大学 2009
本文编号：3353410
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