磁力微进给系统设计论文.doc

1 前言 1.1 课题研究背景及意义 随着制造技术及机械行业的不断迅速发展，为达到被加工工件的加工尺寸精度和表面质量，微进给装置被广泛应用于精密加工及超精密加工中。例如，在超精密车削中，氮化硼或金刚石刀具的切深要保证在微米级的精度；在轴类零件的非圆加工中，要保证工件的尺寸及形状要求；在超精密磨削中，砂轮的微进给量要求达到几微米甚至百分之微米；在超精密机床的误差补偿进给装置中，位移精度要求更高。因此，在精密加工，特别是超精密加工中，微进给装置起着至关重要的地位 另外，为了满足高精度、高速度的加工要求，微进给装置必须具有三个方面的特性：较高的位移精度，相对较大的程程范围，较高的频率响应。 1.2 微进给机构的发展现状 目前，英国、美国、日本和德国等国家在高频响大行程微进给系统研究方面已经有了许多专利。在我国，一些高等院校和科研单位致力于研究大行程高频响的微进给机构，长沙国防科技大学在1989年研制了一种高频响进给伺服机构，它采用电容传感器作精密位移监测软件，并且在C6250车床上进行了初步试验，当机床转速为700r/min、进给量为0.2mm/r时，加工误差为10um，此时该装置的截止频率可以达到150Hz。 清华大学精仪系机制教研室从1985年就开始研究用于非圆截面加工的高频响伺服进给系统，在实验的基础上相继研发了10N50N200N的推力的高频响微进给机构及其控制系统。该机构的工作原理就是用电磁力直接驱动刀具运动， 目前，在制造加工中的微进给机构装置有：弹性变形式微进给装置，机械微进给机构，流体膜变形式微进给装置及场致变形式微进给装置等。利用闭环控制系统使机构获得很高的微进给精度。 弹性式微进给装置的工作原理是依靠机构装置的弹性变形来驱动执行部件实现微小位移的。这种装置若不受外界摩擦的影响，能实现微小的位移实现微进给。利用片弹簧的变形位移机构，可以实现最小为0.2um的微进给量，但这种装置的不足是运动刚度差。 机械式微进给装置具有较大的运动范围，但是分辨率比较低，其运动刚度取决于设计参数。该类微进给装置的自动控制进给过程比较复杂麻烦，响应速度比较低，难以用于精密加工中。 流体膜变形式微进给装置的工作原理主要是利用流体膜在供给压力或节流阻力在变化时所引起的变化来实现微进给位移的，其位移分辨率和重复可以达到0.05um，但是运动范围十分有限，而且当膜的厚度变化时，流体膜的特性也随之变化。 场致变形式微进给装置是利用场（温度场、磁场、电场）的变化使参数或结构发生变化产生驱动力来驱动执行部件完成微进给的装置。现在市场上存在的有磁致伸缩微进给装置，热变形微进给装置等。这类微进给装置可以达到很高的分辨率和较高的频率响应，但是行程范围很小。 上面几种装置都不能满足大行程、高频响、高精度三个方面的要求，但是结合各自的优缺点，我们可以利用电磁驱动机构，通过采取合理的设计及控制方法，使该机构达到频响、精度、行程三个方面的要求。 2 机械部分设计 2.1 磁力微进给设计的综述 2.1.1磁力微进给系统主要性能指标 （1）位移精度：≤1um （2）行程范围：10mm （3）截止频率：≥250Hz （4）驱动力:2000N （5）刚度：kx≥150N/ um，ky≥60N/ um，kz≥150N/um 2.1.2进给结构方案设计 磁力微进给机构的工作原理是：利用电磁推力来驱动执行部件产生直线位移，执行部件在驱动力的作用下只在轴线方向往复运动，而其他方向由运动导轨予以约束，并具有较高的支撑刚度，执行部件沿驱动轴线放行的承载能力将由电磁驱动装置来控制。 要使微进给装置获得较大的行程，较高的频率响应以及较高的运动精度，必须使该装置满足以下方面的要求：结构刚性高，传动环节刚性好；传动链短；避免使用回转直线运动转换装置，最好由电磁驱动直接输出直线驱动；电磁转换能量大，转换率高；控制方便。 对应这些要求，由此可以确定：微进给装置由四部分组成:第一部分是力和运动的发生装置（磁路部分），第二部分是刀架及支撑导轨结构，第三部分是力与运动的控制系统，第四部分是电路部分。其中，直线型电磁装置来产生所需的驱动力和直线运动，在X、Z方向的切削力由刀架通过进给机构的径向支撑及导轨承受，进给位移的精度与驱动力的大小均由控制系统来调节。 2.2 力与运动发生装置设计—磁路设计 磁力微进给系统的力与运动的发生装置，即磁路部分，的设计主要包括以下几个方面的内容:①确定励磁方式②选择磁性材料③确定磁路结构形式④计算确定电磁元件结构及尺寸。 2.2.1 励磁方式的确定 根据励磁方式来分，励磁方式可分为电磁式和永磁式两类。 电磁式励磁方式需要配置相应的定子绕组和转子绕组，体积大，质量大，而且存在着大的铜耗。在直线型电磁机构中，为了防止定子和转子间的相互摩擦，电极和磁极