超精密研抛机床转摆机构的优化.pdf

2 0 1 4年 8月 第 4 2卷 第 1 5期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I CS Au g ． 2 01 4 V0 1 ． 4 2 No ．1 5 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 5 ． 0 3 2 超精密研抛机床转摆机构的优化 林 洁琼 ，罗亮亮 ，谷 岩 ，冯丽 长春工业大学机 电工程学院，吉林长春 1 3 0 0 1 2 摘要为了实现复杂光学曲面的研抛加工 ，自行研制 了一台转摆联动的五轴超精密研抛机床，并对其关键组成机 构转摆联动装置进行了优化设计。利用 A N S Y S Wo r k b e n c h软件对摆台的静力学特性进行了分析；同时以滑块位姿变化 过程 中摆 台变形最小 为优化 目标 ，对摆台做了结构优化 。基于动力学分析方法对气浮转 台进行合 理简化 ，利用 A B A Q U S对 转台的转动部分模态分析。结果表明优化后的机构在满足承重情况下的最大变形量明显减小，能够满足精密研抛加工的 要求 。 关键词光学曲面；转摆机构；超精密研抛机床 中图分类号 T P 3 9 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 51 2 55 Op t i mi z a t i o n o f Ro t a r y- s wi n g M e c ha n i s m o f Ul t r a- pr e c i s e Po l i s h i n g M a c h i n e L I N J i e q i o n g，L UO L i a n g l i a n g ，G U Ya n，F E NG L i S c h o o l o f Me c h a t r o n i c a l E n g i n e e r i n g ，C h a n g c h u n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，C h a n g c h u n J i l i n 1 3 0 0 1 2 ，C h i n a A b s t r a c t I n o r d e r t o p o l i s h i n g t h e c o m p l e x o p t i c a l s u rf a c e s ， a fi v e a x i s u l t r a p r e c i s e p o l i s h i n g m a c h i n e w i t h j o i n t m o v e m e n t o f r o t a r y s w i n g w a s d e v e l o p e d i n d i v i d u a l l y ．T h e r o t a ry s w i n g m e c h a n i s m w i t h j o i n t mo v e me n t a s i t s k e y c o m p o n e n t w a s o p t i mi z e d i n d e s i g n ． B y u s i n g AN S YS W o r k b e n c h s o f t wa r e，t h e s t a t i c s c h a r a c t e r i s t i c o f t h e p r e c i s e s wi n g s t a g e w a s a n a l y z e d；a t t h e s a me t i me，t h e s t r u c t u r e o f t h e s w i n g s e t s wa s o p t i mi z e d wi t h a t a r g e t o f t h e mi n i mu m d i s t o r t i o n d u r i n g t h e p r o c e s s o f c h a n g e p o s i t i o n p o s t u r e o f t h e s l i -- d e r ． Ba s e d on ki n e t i c a n a l ys i s me t h o d，a i r b e a r i n g r o t a ry s t a g e wa s s i mp l i fe d r e a s o n a b l y，a n d mo da l a n a l y s i s o f t he r o t a t i ng pa r t o f t u r n t a b l e w a s p e rf o r m e d b y u s i n g A B A Q U S ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t u n d e r t h i s c i r c u ms t a n c e o f m e e t i n g t h e b e a r i n g l o a d ， t h e o p t i mi z e d i ns t i t ut i o n s i g n i fic a n t l y r e du c e s t h e a mou n t o f ma x i mum de f o r ma t i o n，wh i c h me e t s t he r e q ui r e me n t s o f p r e c i s i o n p o l i s hi n g pr o c e s s ． Ke y wor dsOp t i c a l s urfa c e；Ro t a ry s wi n g me c ha n i s m ；Ul t r a pr e c i s e po l i s h i n g ma c hi ne 近年来 ，在航空航天 、医疗器械 、光 电子等工业 和 民用领域对光学成像 的要求越来越高 。非球面光学 零件具有校正相差、改善像质 、扩大视场等优 良特 性 ，应用 日益广泛 。由于非球 面光学零 件加工 的 复 杂性 ，传统 的加工方 法不能满 足高精度非球 面零 件 的加工要求 。本 文 作者 基 于非 球面 光 学零 件 的研 抛，设计了精密转摆机构 ，能够实现非球面光学零件 的精加工 。作为超精密研抛机床 的关键部件 ，精密转 摆机构的静态和动态性能对整台机床的加工精度和动 态性 能都 有着直接影响。通过对精密摆台的静态分析 和精密气浮转台的动态分析 ，找到了初始设 计 中存在 的不足之处 ，同时对转摆联动结构进行 了优化设计 。 1 精密摆台的静力分析与结构优化 精密摆台为上下式结构 ，由直流无刷直驱 电机和 蜗轮蜗杆机构构成 。摆台的基座为弧形滑道 ，与之相 匹配 的滑块可沿着滑道左右摆动 。滑块上表面通过螺 栓连接 固定一块连接板 ，称为摆动座 ，用于装配气浮 转 台 ；下表 面加工 与蜗杆 啮合 的轮齿 ，摆 台下端 的直 流无刷 电机驱动蜗杆转 动 ，从 而控制 滑块 的滑动。 如图 1 所示 ，利用 S o l i d w o r k s 建立精密摆台几何 模型 ，将 其 导入 A N S Y S Wo r k b e n c h中，选 择 材 料 属 性为 铝合 金 ，密 度 为 2 7 7 0 k g ／ m ，弹性 模 量 为 7 1 G P a ，泊松比为 0 ． 3 3 。采用正六面体单元占优的划分 方式对结构体进行 网格划分 ，如图 2 所示 。 图 1 精密摆 台三维模 型图 收稿 日期 2 0 1 3 0 6 2 1 基金项目吉林省科技发展计划项 目资助 2 0 0 8 0 3 5 2 ，2 0 1 0 0 3 7 0 作者简介林 洁琼 1 9 6 9 一 ，女，教授，研究方 向为智能 精 密加工 、微 纳精 密驱 动技术。Ema i l l i n j i e q i o n g ma i l ． c c u t ．e d u ．c n。 第 1 5期 林洁琼 等超精密研抛机床转摆机构的优化 1 2 9 从 计算结果来看 ，前六 阶模 态均 满足设计 要求 。 第二和第三阶 以及 第 五和第 六 阶 的模态 频率 间隔较 小，因此外界干扰频率有可能同时与二者接近，引起 气浮旋 台的共 振 。另 外 ，一 阶模 态 比较 贴 近实 际工 况，而第二阶及其以上阶次的频率值偏大，因为气浮 转台一般在低频下运行 。 研抛加工时，气浮电主轴抛光装卡在气浮转台上 的工件 ，可以看成气浮转 台的外界激振源 。气浮 电主 轴 的额定转速 为3 0 0 0 r ／ m i n ；同时 ，为了保证加工精 度 和安 全裕 度 ，气 浮转 台 的最 大转 速不 超过 3 0 0 r ／ m i n 。电机转速与频率 的关系公式为 6 o f n 一 p 2 其中n为电机转速， ． 厂 为频率，电机旋转磁场的极对 数 。已知 电主 轴 的极 对 数为 2 ，因此在 调速 范 围 内， 其工作频率范围为 0～ 5 0 H z 。气浮转台电机的极对 数 为 4 ，同理得到其 调速频 率 小于 2 0 H z 。 由表 3知 弹簧 刚度 1 0 0 N ／ m 时的一 阶 固有模 态频 率为 1 2 0 ． 7 3 H z ，避开了气浮电主轴的工作频率和转 台电机的调 速频率 ，因此从模态分 析来看结构 较为合 理。但 实际 应用 中发现气 浮转 台扭矩较低 ，不 能满 足加工 的实际 工况，因此增加转 台高度，延 长电机线 圈 的高度 如图 1 2 ，以增加 受力 面积 ，增 大扭 矩。将优 化后 的转 台模 型进行模态 分析 ，得 到前六 阶振 型 ，与之前 变化不大 ，说明优化后的结构也是合理的 ，并且大大 提高了转台的扭矩。 图 1 2 优化后三维模型 3结束语 通过对转摆联动机构 的摆 台进行静力学分析 ，找 出了结构设计存在 的缺 陷；建立 了滑块位姿变化过程 中摆 台变形 的 目标 函数 ，对摆 台进行 了结构优化 ，在 摆 台的摆动角 1 9 ／ ≤ 2 0 。 范 围 内，摆 台的最大 变形 和 最大应力变化幅度很小，满足超精密研抛加工精度； 通过对转 台转动部分简化并进行模态分析 ，找 出在转 台的最高转速一定的情况下 ，通过适当增加转台的高 度来增 大转 台扭矩 。 参考文献 [ 1 ]袁巨龙， 张飞虎 ， 戴一帆， 等． 超精密加工领域科学技术 发展研究[ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 1 0， 4 6 1 5 1 6 1 1 7 7 ． [ 2 ]L I N J i e q i o n g ， L U Mi n g mi n g ， Q I U L i w e i ． P a r a m e t e r O p t i m i z a t i o n o f A s p h e fi c O p t i c s P a r t s P o l i s h i n g T o o l s [ J ] ． A d v a n c e d Ma t e ri a l s Re s e a r c h， 2 01 1 ， 1 9 71 9 8， 1 1 5 1 1 9 ． [ 3 ]卢明明． 非球面光学零件抛光关键技术的研究[ D] ． 长 春 长春工业大学 ， 2 0 1 1 ． [ 4 ]董立立， 赵益萍 ， 粱林泉， 等． 机械优化设计理论方法研 究综述[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 ， 3 8 1 5 1 1 41 1 9 ． [ 5 ]姜衡 ， 管贻生 ， 邱志成， 等． 基于响应面法的立式加工中 心动静 态多 目标优 化 [ J ] 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