基于力反馈的挠性接头细颈研磨关键技术研究

发布时间：2016-04-28 10:10

典型的挠性接头加工工艺过程如图 1-4 所示，经过粗车、精车和精镗工序后初步形成细颈结构，由于精镗工序极小的切深和进给量会导致加工后的表面形成变质层。挠性接头的材料为恒弹性合金，对于这种材料来说,即使采用超细粒度硬质合金刀具并经过仔细刃磨，使得刃口圆弧半径达到 3μm，加工后单面变质层厚度也会达到 5~10μm，而细颈厚度只有 45μm 左右，变质层的厚度达到了工作截面厚度的 20%-40%。这一层受挤压形成的材料内部晶粒结构遭到破坏，材料的力学性能与理论值发生不可预见的偏差，对疲劳强度、使用寿命以及武器装备的长期稳定性带来影响。挠性接头的细颈结构是由两个小孔的相邻孔壁构成的弧形薄片结构，，如图 1-5 所示，细颈厚度仅为 45μm 左右，圆孔直径一般为 2mm 至 3mm，细颈的加工就是对这两个小孔的加工。极薄的细颈结构在加工中容易产生变形，变形量可能超过尺寸公差要求[15]。并且镗削加工和手工研磨加工后在工件表面容易留下严重的加工痕迹，如图 1-6 所示。

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第 2 章 研磨装置总体设计

2.1 引言

挠性接头细颈对尺寸形状精度和表面质量的严格要求使得其加工难度非常高，国内尚没有对挠性接头进行精密研磨加工和测量的专用设备，研磨与测量分别在普通精度的设备上进行，难以保证一次加工后零件尺寸的一致性。将尺寸测量与加工功能集成到同一台设备上，可以避免重复装夹误差，是解决微小结构零部件精度控制问题的有效途径。本章基于上述集成化的思想，针对挠性接头的结构，设计研磨装置的整体布局及力反馈元件。

2.2 挠性接头细颈研磨方案设计

挠性接头的结构形式多种多样，可以分为组合式挠性接头和一体式挠性接头。如图 2-1 所示，其典型结构是沿圆周方向均匀分布的两对细颈，这两对细颈是挠性接头工作中主要的承载部分，不同种类的挠性接头其细颈的方向各不相同。组合式接头的内环与外环的细颈方向互相垂直，而整体式挠性接头不存在内外环的差别,只有一组沿一定角度的细颈结构。细颈由相邻的两个小孔的孔壁自然形成，因此，挠性接头细颈的研磨实质上就是对这两个小孔的孔壁在某一方向上的研磨加工。对于现有的接头，其小孔分为通孔和盲孔两种形式。挠性接头细颈的加工需要经过数道工序，首先在精密镗床上精镗内孔，并留有 10μm 左右的单边研磨余量，然后通过研磨的方式去除镗削引入的变质层并最终保证尺寸精度。要求研磨后细颈厚度均匀，尺寸保证在公差范围内，研磨过程中避免过大的研磨力，尽量减小加工后表面重新形成的变质层。

第3 章 控制系统的建立及控制算法设计............. 40

3.1 引言 ..................... 40
3.2 控制系统的建立 ................. 40
3.3 伺服控制算法设计 ............. 47
3.4 控制软件的开发 ............. 54
第4 章 挠性接头的研磨加工实验研究 ............... 58
4.1 引言 ........................... 58
4.2 挠性接头功能结构尺寸测量实验 ................... 58
4.3 研磨加工对尺寸及表面粗糙度的影响 ........ 64
结 论.............. 73

第 4 章 挠性接头的研磨加工实验研究

4.1 引言

挠性接头加工前尺寸和方位的准确测量是保证加工之后细颈精度的先决条件，测量精度要高于加工精度一个数量级以上才能够满足加工要求。挠性接头微米级的尺寸精度要求对研磨装置的位置测量增添了难度。本章将首先对测量过程中影响测量绝对精度的因素进行定量分析和补偿，然后通过对标准量具的测量实验，评价坐标位置测量的准确性。待测量的准确性得到保证后，将进行挠性接头研磨加工实验。为验证本课题所设计的挠性接头研磨装置的实际加工能力，有必要对研磨前后的接头细颈进行测量，分析研磨的加工效果，对后续工作提供指导意义。

4.2 挠性接头功能结构尺寸测量实验

测量系统的误差可以分为系统误差与随机误差两大类，其中系统误差是测量装置中具有特定规律的误差值,尽管该误差值可能随外界条件的变化而变化，但是其一般可以通过曲线的方式来表达。随机误差是在相同的测量条件下测量结果的波动性，误差的符号不可预测，因此也没有办法补偿。本课题中测量结果的系统误差主要来源于测头及传感器的变形、测头的直径误差、温度变化导致的传感器输出变化、热变形、运动精度等,其中系统变形量及测头直径等主要的误差来源可以通过标定的方式进行补偿。测量的随机误差与恒力控制的力精度有关，当实际力与目标力的差值小于一个阈值时就认为恒力完成，而实际上此时的接触力在小范围内波动。此外还有外界振动等对传感器电压的干扰导致的误判等。
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结 论

挠性接头在动力调谐陀螺中起到十分关键的作用，陀螺仪表的精度和长期稳定性与挠性接头细颈的尺寸精度及表面质量直接相关。当前挠性接头细颈的精加工依然依靠手工研磨的方式，难以对去除量进行定量控制，缺乏有效的尺寸检测手段，严重限制了陀螺仪表精度的提高。针对挠性接头细颈研磨的难题，本文提出了一种基于力反馈的挠性接头细颈研磨方式，将恒接触力二维坐标测量与研磨力的控制集成在同一套硬件装置上,并进行初步的研磨加工实验。本文主要完成以下工作：（1）针对挠性接头细颈的结构和尺寸精度要求,完成了五轴研磨系统运动部件的机械结构设计，实现运动分辨率 0.05μm 的 XY 精密运动。完成了用于力反馈的二维力传感器的设计、分析及标定，实现了 0.06%的测力分辨率，通过对弹性体的仿真分析选择贴片位置,获得了良好的输出线性度及小于 0.16%维间耦合。（2）建立了研磨系统的控制系统，包括控制系统硬件搭建和软件开发。提出了通过位置控制间接控制接触力的恒力控制策略，恒力控制稳态误差小于±5mN。在恒力控制的基础上，设计了针对细颈结构尺寸测量的测量策略。

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参考文献（略）

本文编号：37800