非共振型椭圆振动装置及运动控制研究

发布时间：2017-04-10 22:27

  本文关键词：非共振型椭圆振动装置及运动控制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：椭圆振动辅助加工(EVC)技术具有减少刀具的磨损、减小切削力、抑制毛刺、提高被加工表面的表面质量等优点。本文对非共振型椭圆振动装置的工作原理进行了分析和研究,设计出了两种非共振型椭圆振动装置(NT-EVC):用于激光加工的椭圆振动装置和用于车削的椭圆振动装置。提出了基于ABAQUS的NT-EVC装置设计方法,并用ABAQUS对装置的性能进行了有限元分析。对两个装置进行了离线性能测试,验证所设计装置具有良好的动力学性能和较高的运动精度。提出改进型椭圆振动切削(MEVC)方法,消除常规EVC引入的切削残高,来提高加工表面质量,并进行了切削实验进行了验证。具体工作如下:1.本文将压电驱动器和柔性铰链结构简化为具有粘性阻尼的二阶振动系统。针对该二阶振动系统,本文给出了其频率响应函数。进而得出该二阶振动系统在简谐输入情况下的稳态输出公式,进而分析了刚度对稳态输出的影响。对两个轴的运动耦合进行了研究,分析了两轴运动耦合率对合成椭圆运动精度的影响。2.基于ABAQUS有限元软件,本文了给出NT-EVC装置的通用设计方法,给出NT-EVC装置的具体设计思路和步骤,并用该方法设计出一套用于车削的高频EVC装置和一套用于辅助激光加工的椭圆振动装置。所提出设计方法主要包括以下内容:柔性铰链的选型、空间结构设计以及尺寸计算,压电驱动单元的设计,ABAQUS动力学和静力学有限元仿真。本文还基于ABAQUS对装置进行轻量化设计,对工作频率进行优化。3.所设计两中椭圆振动装置均引入了平行结构,目的在于减小两个运动轴之间的运动耦合以及减小两组压电叠堆的相互干扰。任意一组压电不受另一组压电剪切力的影响,减小了侧向运动对压电叠堆的损害。设计出用于激光加工的椭圆振动装置的实测耦合率为1.6%和2.5%。4.完成所设计两个装置的离线性能测试,验证了本文中椭圆振动装置设计方案的可行性和良好的实际工作性能。激光用椭圆振动装置在X轴和Y轴的最大行程均为7.6μm,运动分辨率均达到了10nm;工作频率可以达到600Hz。用于车削的装置实现椭圆振动的最大长轴可以达到4μm;最大的工作频率为1600Hz。这些性能指标均已经满足所设计装置对行程、运动精度和工作频率的要求。5.对于激光用椭圆振动装置,测试了其生成高精度椭圆运动的能力。本文分别在开环控制和闭环控制两种工作方式下实现对椭圆振动装置的运动控制。所设计闭环控制的控制器为PID型,整定参数后的系统具有良好的动力学性能。该装置实现椭圆运动长轴的范围为20nm到7.8μm。除了对椭圆运动尺度范围进行测试外,还对不同纵横轴比的椭圆运动进行测试,均达到了较高的运动精度。6.对于车削用椭圆振动装置,本文利用该装置生成改进型椭圆振动。论文首先从微观几何角度分析了EVC形成切削残高的机理,提出了改进型椭圆振动加工(MEVC)。用MEVC方式在1000Hz工作频率下,对黄铜棒料进行了端面车削。用显微镜对加工后表面进行观察,实验结果表明,椭圆运动轨迹改进可以提高加工表面质量。
【关键词】：椭圆振动 装置设计方法 ABAQUS 切削残高 MEVC 运动解耦
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG502.3
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 课题研究背景和研究意义10-13
• 1.2 椭圆振动辅助加工的国内外研究现状13-21
• 1.2.1 振动辅助加工的发展历史13-15
• 1.2.2 共振型EVC装置的国内外研究现状15-18
• 1.2.3 非共振型EVC装置的国内外研究现状18-21
• 1.3 研究目的和研究内容21-22
• 第2章 椭圆振动的工作原理22-34
• 2.1 二维并联型椭圆振动装置数学原理22-27
• 2.2 激光加工对椭圆振动装置性能参数要求27-29
• 2.3 改进型椭圆运动辅助切削29-33
• 2.3.1 EVC加工残高的构成29-31
• 2.3.2 EVC加工残高的去除31-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第3章 椭圆振动装置的设计和分析34-62
• 3.1 柔性铰链类型选型和尺寸估算35-45
• 3.2 压电叠堆驱动单元的研究45-51
• 3.3 椭圆振动装置的总体设计51-53
• 3.3.1 用于激光加工的椭圆振动辅助加工装置51-52
• 3.3.2 用于车削加工的椭圆振动辅助加工装置52-53
• 3.4 柔性装置性能参数有限元分析及优化53-61
• 3.4.1 静力学分析结果57-60
• 3.4.2 模态分析结果60-61
• 3.5 本章小结61-62
• 第4章 椭圆振动装置性能测试62-76
• 4.1 椭圆振动装置静力学性能测试64-68
• 4.1.1 静力学性能-刚度64-65
• 4.1.2 静力学性能-最大行程65-66
• 4.1.3 静力学性能-运动分辨率66-67
• 4.1.4 静力学性能-运动耦合率67-68
• 4.2 椭圆振动装置动力学性能分析68-75
• 4.2.1 动力学性能-幅频特性69-73
• 4.2.2 动力学性能-闭环系统阶跃响应的测试73-75
• 4.3 本章小结75-76
• 第5章 椭圆运动控制和车削试验76-90
• 5.1 激光加工用椭圆振动装置运动的精确控制76-82
• 5.1.1 开环椭圆运动控制和监控76-77
• 5.1.2 闭环椭圆运动控制和测量77-82
• 5.2 车削用椭圆振动装置的运动改进和切削实验82-88
• 5.2.1 改进型椭圆振动生成和测量82-84
• 5.2.2 改进型椭圆振动切削实验84-88
• 5.3 本章小结88-90
• 第6章 总结90-92
• 参考文献92-98
• 作者简介及硕士期间的学术成果98-100
• 1.作者简介98
• 2.学术成果98-100
• 致谢100-101

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本文编号：297671