自由曲面车削三自由度FTS装置的设计研究

【摘要】自由曲面光学元件具有改善光学性能、优化产品结构、实现轻量化等显著优点。随着现代科技发展的日新月异，自由曲面光学元件的应用领域逐步扩大，不仅包括航空、航天、国防、军事等核心技术领域，同时也涉及到普通民用、办公等日常生活方面。在医用光学相机、扫描仪、红外夜视仪等领域也有着广泛的应用。其中，利用快速刀具伺服（FTS）技术进行自由曲面光学元件的加工被认为是最有发展前途的加工方法。FTS经历了从单自由度到多自由度的发展，鉴于单自由度FTS加工的局限性；即只能进行单方向的往复运动和单方向运动轴误差校正，仅能满足恒进给的刀具路径，对于一些复杂的曲面就束手无策了。因此在单自由度FTS的基础上需要研制多自由度FTS来满足复杂曲面的快速伺服加工。多自由度FTS可以实现多方向主动切削加工和多方向位移补偿，能够解决切削力扰动，实现机床主轴与FTS装置的同步性和协调性，克服单自由度FTS加工中存在的问题，拓展基于NRS曲面加工的FTS金刚石车削加工领域和加工能力。因此多自由度FTS装置的研究意义重大。本文研制了一套用于自由曲面光学元件车削的新型大行程三自由度直线式快速刀具伺服装置。该装置可实现X向、Y向和Z向的快速伺服加工。本文的主要工作内容如下：对三自由度FTS装置进行总体布局设计，从装置的工作原理和组成结构上进行了阐述，对装置的驱动装置和检测装置进行了选型设计；研究分析了柔性铰链的铰链尺寸参数对导向机构和解耦机构的性能影响程度，进而对FTS装置的导向机构和解耦机构进行了尺寸参数设计；设计了一套刀具位置调整机构并对装置的装配及其与机床的连接进行了说明。对FTS装置进行了静力学特性、耦合特性和动力学特性分析，分析结果表明，其各项性能均满足设计要求，且耦合影响较小。在此基础上，对该FTS装置进行了进一步尺寸优化设计，最终设计出了满足设计指标且性能更优的FTS装置，X向、Y向和Z向的行程分别为0.50119mm、0.51092mm和0.53196mm，装置的一阶固有频率达到86HZ以上。利用MATLAB对三自由度FTS装置进行了三输入三输出的模型辨识，最终求解出该FTS装置的控制模型矩阵。经模型检验，三个方向的辨识精度均达到了95%以上，辨识效果良好。从模型相对增益角度再一次对FTS的耦合影响进行了分析，得知耦合影响很小，可将该FTS三个方向的运动看做是三个独立的运动系统进行研究。同时，在对控制模型进行阶跃响应和稳定性分析的基础上，对该FTS装置进行了控制器设计，包括PID控制器、前馈+PID反馈控制器和MRAC+PID控制器；最后，利用阶跃信号、正弦信号和扫频信号对上述三种控制算法下的FTS进行了跟踪测试和分析，结果表明前馈+PID反馈控制算法更适用于本文所研制的FTS系统。论文的研究成果对快速刀具伺服自由曲面车削加工在生产实际中的应用具有一定的指导意义。
【作者】姚建宁；
【导师】邹青；
【作者基本信息】吉林大学，机械制造及其自动化，2014，硕士
【关键词】三自由度；FTS；耦合分析；模型辨识；尺寸优化；

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