PAGE4 第一章緒論 31.1研究的背景及意義 31.1.1研究的背景 3表1.1拋光應(yīng)用領(lǐng)域?qū)嵗?4圖1.1工程機(jī)械拋光裝置 51.1.2研究的意義 61.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 7圖1.5T.H?nsel等人自主研發(fā)的離子束拋光系統(tǒng) 81.3論文主要工作 8第二章滾型振動(dòng)輔助拋光原理及裝置設(shè)計(jì) 102.1振動(dòng)軌跡分析 10圖2.1壓電疊堆a(bǔ)，b正交放置示意圖 10圖2.2生成的橢圓軌跡 112.2滾型振動(dòng)輔助拋光裝置組成 11圖2.3滾型振動(dòng)輔助拋光裝置示意圖 122.3滾型振動(dòng)輔助拋光原理分析 12圖2.4滾形振動(dòng)輔助拋光裝置的簡易示意圖 132.3.1輔助拋光機(jī)構(gòu)振動(dòng)軌跡 132.3.2幅度對(duì)輔助拋光機(jī)構(gòu)振動(dòng)軌跡的影響 13圖2.5不同幅度下輔助拋光機(jī)構(gòu)振動(dòng)軌跡 142.3.3相位差對(duì)輔助拋光機(jī)構(gòu)振動(dòng)軌跡的影響 14圖2.6不同相位差下的輔助拋光機(jī)構(gòu)振動(dòng)軌跡 152.3.4滾形振動(dòng)輔助拋光裝置的拋光路徑 15圖2.7a）滾形振動(dòng)輔助拋光原理b）滾形振動(dòng)輔助拋光中的空間螺旋曲線 15圖2.8a)滾形振動(dòng)輔助拋光中的空間螺旋曲線b)xz平面上的蘑粒P路徑c)xy平面中的蘑粒P運(yùn)動(dòng)路徑 162.4相關(guān)軟件介紹 172.5本章小結(jié) 17第三章輔助拋光機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 183.1輔助拋光機(jī)構(gòu)組成結(jié)構(gòu) 183.1.1輔助拋光機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 18圖3.1杠桿放大器示意圖 18圖3.2并聯(lián)結(jié)構(gòu) 19圖3.3復(fù)合并聯(lián)四桿機(jī)構(gòu) 19圖3.4輔助拋光機(jī)構(gòu) 203.1.2基于矩陣法的動(dòng)力學(xué)分析 20圖3.5輔助拋光機(jī)構(gòu)圖 21圖3.6右圓柔性鉸鏈簡化圖 22圖3.7柔度模型 253.1.3機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化 263.1.4輔助拋光機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)分析 26圖3.8劃分網(wǎng)格圖 27圖3.10100N時(shí)x方向輔助拋光機(jī)構(gòu)Mises云圖 28圖3.9100N時(shí)x方向輔助拋光機(jī)構(gòu)應(yīng)變?cè)茍D 28圖3.11100N時(shí)y方向輔助拋光機(jī)構(gòu)應(yīng)變?cè)茍D 28圖3.12100N時(shí)y方向輔助拋光機(jī)構(gòu)Mises云圖 28圖3.14200N時(shí)x方向輔助拋光機(jī)構(gòu)Mises云圖 28圖3.13200N時(shí)x方向輔助拋光機(jī)構(gòu)應(yīng)變?cè)茍D 283.1.5輔助拋光機(jī)構(gòu)的剛度和放大比分析 29圖3.16200N時(shí)y方向輔助拋光機(jī)構(gòu)Mises云圖 29圖3.15200N時(shí)y方向輔助拋光機(jī)構(gòu)應(yīng)變?cè)茍D 29圖3.17a）x方向輸入力與輸入位移關(guān)系圖b）x方向輸入力與杠桿位移關(guān)系圖 30圖3.18a）y方向輸入力與輸入位移關(guān)系圖b）y方向輸入力與杠桿位移關(guān)系圖 31圖3.19x方向輸入位移與輸出位移關(guān)系圖 31圖3.20y方向輸入位移與輸出位移關(guān)系圖 323.1.6輔助拋光機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析 32圖3.21輔助拋光機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析 323.2輔助拋光機(jī)構(gòu)整體布局 33a、b-壓電疊堆，c-擺臺(tái)，d-支撐塊，e-預(yù)緊螺釘，f-緊固螺釘，g-工件，h-并聯(lián)式柔性鉸鏈機(jī)構(gòu) 33圖3.22輔助拋光機(jī)構(gòu)示意圖 333.3輔助拋光機(jī)構(gòu)加工 33圖3.23輔助拋光機(jī)構(gòu)示意圖 343.4本章小結(jié) 34第四章立式Y(jié)、Z向運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)設(shè)計(jì) 354.1滑臺(tái)滾珠絲杠的設(shè)計(jì) 354.1.1滾珠絲杠設(shè)計(jì) 354.1.2計(jì)算載荷Fc 354.1.3額定動(dòng)載荷Ca的計(jì)算 354.1.4穩(wěn)定性驗(yàn)算 364.1.5剛度驗(yàn)算 374.1.6效率驗(yàn)算 374.1.7電機(jī)的選擇 374.2立式Y(jié)、Z向運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)整體布局 38圖4.1立式Y(jié)、Z向運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)整體布局 384.3加工 38圖4.2立式Y(jié)、Z向運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)實(shí)物圖 384.4本章小結(jié) 39第五章拋光滾平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 405.1拋光滾的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 40r-拋光滾，r1-拋光紙，r2-聚氨酯層，r3-內(nèi)滾 40圖5.1拋光滾的結(jié)構(gòu) 405.1.1拋光滾的結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析 40圖5.2拋光滾的結(jié)構(gòu) 41圖5.3拋光滾的應(yīng)變分析 415.1.1拋光滾的結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析 41如圖5.4拋光滾的模態(tài)分析 425.2主要部件的選取 425.3拋光滾平臺(tái)整體布局 42u-伺服電機(jī)，q-固定螺釘，w-彈性聯(lián)軸器，r-拋光滾 43t-軸承座，p-底板，o-預(yù)緊螺釘，i-機(jī)座 43圖5.5拋光滾平臺(tái)的結(jié)構(gòu) 435.4加工 43圖5.6拋光滾平臺(tái)實(shí)物圖 435.5本章小結(jié) 44第六章電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) 456.1PCI-1245L控制卡 456.1.1軟件功能 456.1.2PCI-1245LI/O接口針腳定義 46圖6.1I/O接口圖 47圖6.2緊急停止輸入信號(hào)的電路圖 49圖6.3限位輸入信號(hào)電路圖 496.2多軸運(yùn)動(dòng)模式 50圖6.5“通用運(yùn)動(dòng)架構(gòu)”圖 50圖6.6多軸操作流程圖 51圖6.7多軸操作軟件界面 52第七章總結(jié)和展望 537.1總結(jié) 53第一章緒論1.1研究的背景及意義1.1.1研究的背景隨著科技的迅猛發(fā)展，中國的先進(jìn)制造行業(yè)、軍工行業(yè)、重型制造業(yè)等領(lǐng)域都在逐步的向高精尖的模式轉(zhuǎn)換，諸多工件都在朝著“微”“小”的方向發(fā)展，但先進(jìn)制造行業(yè)對(duì)元器件的要求極高，尤其是對(duì)表面精度的要求很多都在納米級(jí)別，完成這類元器件都會(huì)需要拋光加工這種加工方法[1]。迄今，拋光加工方法已經(jīng)在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用如，手機(jī)通訊、能源、國防、醫(yī)療器械、汽車制造、航天航海、科學(xué)儀器等領(lǐng)域。拋光加工都扮演著重要的角色。表1.1拋光應(yīng)用領(lǐng)域?qū)嵗龖?yīng)用領(lǐng)域?qū)嵗謾C(jī)通訊如：手機(jī)顯示屏，背殼等能源如：LED照明工件，儲(chǔ)能工件，太陽能光伏工件等。航天航海如：薄壁材料，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡鏡頭，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴，無人機(jī)鏡頭，航天相機(jī)反射鏡等。醫(yī)療器械如：人造假肢，內(nèi)窺鏡零件，生物顯微鏡零件，眼鏡鏡片等。如表1.1所示，拋光加工已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域占據(jù)著重要的地位，隨之，帶來的是對(duì)于拋光加工方法的探究，近年來學(xué)術(shù)界已經(jīng)提出了諸多拋光加工的方法，其形式也多種多樣，涉及的領(lǐng)域越來越多，從開始的工程機(jī)械拋光，逐步增加比如：電場(chǎng)，磁場(chǎng)，超聲波等等外部能量場(chǎng)。拋光加工的新方法也就隨之產(chǎn)生了，如磁流變拋光，磁磨粒拋光，磁場(chǎng)輔助拋光，雙自由度超聲振動(dòng)輔助拋光，電流變拋光輔助拋光，離子束拋光、氣囊拋光技術(shù)、激光拋光技術(shù)等。對(duì)于上述的拋光加工技術(shù)是目前比較常見的加工技術(shù)手段，且基本都能達(dá)到加工要求。下面對(duì)其中部分進(jìn)行加工技術(shù)進(jìn)行闡述：工程機(jī)械拋光：工程機(jī)械拋光是通過拋光粉、拋光膏中拋光磨粒（拋光粒一般為金剛石顆粒，直徑有0.5um，2.5um等諸多型號(hào)）對(duì)工件表面進(jìn)行的滾壓、磨削作用，進(jìn)而對(duì)工件表面進(jìn)行去除，從而達(dá)到加工要求。工程機(jī)械拋光分為粗拋，中拋，精拋。如果拋光前工件有較深的裂痕，會(huì)根據(jù)情況優(yōu)先選擇不同的拋光等級(jí)，拋光膏也會(huì)大直徑的磨粒，少數(shù)情況下機(jī)械拋光難以去掉，會(huì)采用磨削加工，最后一步在進(jìn)行拋光[2]。但是在長時(shí)間的拋光力作用下，金屬工件的表面金屬會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)和擾動(dòng)，進(jìn)而致使合金中的晶象變形脫落，這種現(xiàn)象在硬度低的金屬上更為明顯，如鋁合金，這使得工件表面的氧化層變厚，影響工件的加工精度，所以在拋光后的工件上只允許存在單一方向的拋光痕跡。工程機(jī)械拋光裝置如圖1.1所示。圖1.1工程機(jī)械拋光裝置超聲振動(dòng)輔助拋光：超聲振動(dòng)輔助拋光是將超聲波的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的一種加工方式。如圖1.2所示，超聲波通過超聲換能器將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)即位移，再用過變幅桿將位移放大，放大后的位移傳遞給拋光頭，進(jìn)而帶動(dòng)金剛石磨料在工件表面做振動(dòng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行材料去除[3]。一般的超聲波信號(hào)的頻率為16～30kHz，磨料一般為氧化鋁、金剛石，碳化硼等微粒，一般的直徑取為200～2000W，通常來說直徑越小，拋光效果越好，超聲振動(dòng)輔助拋光的方法在目前來說是比較理想的拋光加工方式，在一些領(lǐng)域應(yīng)用前景很大。圖1.2超聲振動(dòng)輔助拋光示意圖但是拋光加工仍有其不可避免的問題存在，如鈴木浩文教授等人自主研發(fā)的雙自由度超聲振動(dòng)輔助拋光方法[4]，可使拋光工具獲得20kHz及以上的回轉(zhuǎn)頻率，這是就目前為止現(xiàn)行的其它子口徑拋光方法不能及的。但是現(xiàn)在的雙自由度超聲振動(dòng)輔助拋光方法，仍有其不可規(guī)避的缺點(diǎn)：（1）拋光工具在換能器和變幅桿的驅(qū)動(dòng)下做合成的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，拋光工件每次的去除微小，且一般的拋光工具與工件之間都為點(diǎn)接觸形式，導(dǎo)致加工效率難以提升，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的要求。（2）由于超聲換能器，變幅桿的結(jié)構(gòu)原因，其自身振動(dòng)頻率會(huì)致使其難以得到理想的振動(dòng)軌跡，加工的精度會(huì)受到影響。（3）另外在高階振動(dòng)的頻率下，不可避免的會(huì)產(chǎn)生耦合，影響拋光效果。針對(duì)于上述的缺陷，提出一種滾形振動(dòng)輔助拋光裝置。1.1.2研究的意義現(xiàn)有的拋光方式主要為單點(diǎn)金剛石車切和超精密磨削，而對(duì)于航空材料和硬脆性材料的加工，先有的加工方式很難達(dá)到其要求，現(xiàn)有研究表明，振動(dòng)輔助拋光對(duì)于碳化硅等硬脆性材料的拋光效果較好，其中以二維振動(dòng)輔助拋光效果最為顯著，另外在拋光加工中，拋光效率一直是學(xué)術(shù)界比較注重的問題，現(xiàn)有的拋光加工普遍是以點(diǎn)接觸的形式進(jìn)行加工，在以往的拋光加工過程中加工工件的時(shí)間是以天為單位，耗時(shí)嚴(yán)重，嚴(yán)重制約著生產(chǎn)率和產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)了一種滾型振動(dòng)輔助拋光裝置用以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足。滾型振動(dòng)輔助拋光裝置研究，其創(chuàng)新之處在于：（1）滾型振動(dòng)輔助拋光裝置中的輔助拋光機(jī)構(gòu)，采用了十字型對(duì)稱結(jié)構(gòu)，避免了裝置的耦合問題，而且可以通過改變激勵(lì)信號(hào)實(shí)時(shí)控制，可以獲得高速振動(dòng)，另外輔助拋光機(jī)構(gòu)具有較大的振動(dòng)幅度和頻率，以滿足不同工況下的加工；（2）滾型振動(dòng)輔助拋光裝置中的輔助拋光機(jī)構(gòu)，兩個(gè)獨(dú)立的壓電致動(dòng)器以非共振方式驅(qū)動(dòng)放大機(jī)構(gòu)分別產(chǎn)生沿各自軸向的振動(dòng)，不受共振模態(tài)的振動(dòng)頻率影響；（3）滾型振動(dòng)輔助拋光裝置避免了點(diǎn)接觸的形式，通過拋光滾平臺(tái)的拋光滾與在輔助拋光機(jī)構(gòu)上的工件表面形成的線接觸的形式拋光，大大提高拋光效率，此外水平的輔助拋光機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)與拋光滾逆運(yùn)動(dòng)，近一步增大拋光效率；（4）滾型振動(dòng)輔助拋光裝置空間4自由度運(yùn)動(dòng)，增加裝置靈活性；1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前，振動(dòng)輔助拋光加工方法歷經(jīng)了數(shù)十載的發(fā)展，進(jìn)而取得了很大進(jìn)步，在各個(gè)精密制造領(lǐng)域中有著舉足輕重的作用。磁流變拋光是將工件放置在磁流變液體中，對(duì)磁流變液施加外界磁場(chǎng)，磁流變液收到磁場(chǎng)影響由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)，固態(tài)表面的顆粒物可完成拋光需求。圖1.3為遼寧科技大學(xué)等人設(shè)計(jì)的磁力拋光裝置，此裝置具有較好的拋光效果，表面粗糙度可以達(dá)到Ra0.12μm[5]。圖1.3遼寧科技大學(xué)的韓冰等人設(shè)計(jì)的磁力拋光裝置哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王云飛等人提出一種氣囊拋光機(jī)，并通過此裝置對(duì)玻璃進(jìn)行了拋光實(shí)驗(yàn)，最后獲得工件表面的極限誤差由6.913μm降至3.239μm，如圖1.4所示為王云飛等人設(shè)計(jì)的氣囊拋光機(jī)[6]。圖1.4王云飛等人設(shè)計(jì)的氣囊拋光機(jī)離子束拋光是比較新型的拋光技術(shù)，一方面是以等離子體為去除介質(zhì)的離子束拋光；另一方面工作條件必須為真空條件。德國的T.H?nsel等人利用自主開發(fā)的直徑10mm的聚焦的柵極離子提取系統(tǒng)[7]，并且使用頻率為13.56MHz的RF離子源，以此提供離子能量為1keV的8mmFWHM高斯離子束，下圖1.7為T.H?nsel等人自主研發(fā)的離子束拋光系統(tǒng)，對(duì)工件進(jìn)行加工，得到表面粗糙度為0.56nm，對(duì)比之前的4.5mm大大的提高表面的拋光質(zhì)量。圖1.5T.H?nsel等人自主研發(fā)的離子束拋光系統(tǒng)1.3論文主要工作本文的研究內(nèi)容是對(duì)滾型振動(dòng)輔助拋光裝置設(shè)計(jì)，主要針對(duì)裝置的設(shè)計(jì)、分析后處理、加工裝配進(jìn)行了描述，主要研究內(nèi)容如下：第一章闡述了本文的研究背景及研究意義和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以及現(xiàn)有的拋光加工的技術(shù)特點(diǎn)，種類等普遍存在的問題。第二章主要對(duì)滾型振動(dòng)輔助拋光裝置的理論進(jìn)行了分析，主要包括振動(dòng)軌跡分析，輔助拋光機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的原理以及滾型振動(dòng)輔助拋光裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡介，為以下章節(jié)做鋪墊。第三章主要是振動(dòng)輔助拋光裝置的設(shè)計(jì)，在本章節(jié)中設(shè)計(jì)了一種輔助拋光機(jī)構(gòu)，運(yùn)用CAE軟件進(jìn)行了靜力學(xué)和模態(tài)分析，同時(shí)通過理論計(jì)算對(duì)柔性鉸鏈的放大比，剛度進(jìn)行計(jì)算，通過理論和軟件來雙重確定數(shù)據(jù)，提高可靠度。第四章主要是對(duì)立式Y(jié)、Z向運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)進(jìn)行介紹，主要介紹了立式Y(jié)、Z向運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)的組成，以及其主要部件的計(jì)算分析，通過計(jì)算對(duì)主要部件進(jìn)行了加工。第五章主要對(duì)拋光滾平臺(tái)進(jìn)行了分析，對(duì)其中主要的部件拋光滾的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，以及模態(tài)分析，簡單的對(duì)其余部件進(jìn)行選取，并嘗試性的進(jìn)行了加工。第六章主要對(duì)裝置進(jìn)行電氣控制設(shè)計(jì)，使用PCI-1245L控制卡實(shí)現(xiàn)裝置的四軸聯(lián)動(dòng)，使裝置可以完成整個(gè)拋光過程。第七章為本文總結(jié)與展望，闡述了本文的所有工作以及需要接下來繼續(xù)鉆研的方向。

第二章滾型振動(dòng)輔助拋光原理及裝置設(shè)計(jì)目前，振動(dòng)輔助拋光超精密加工技術(shù)已經(jīng)日趨完善，并在國內(nèi)外得到了重視，本文創(chuàng)造性的將拋光滾用于振動(dòng)拋光領(lǐng)域，并設(shè)計(jì)研發(fā)裝置。本章節(jié)主要涉及振動(dòng)軌跡分析、滾型振動(dòng)輔助拋光原理分析、滾型振動(dòng)輔助拋光裝置組成，相關(guān)軟件介紹，下面對(duì)其逐一進(jìn)行簡介。2.1振動(dòng)軌跡分析本裝置采用上文提到的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)，并采用獨(dú)立的并聯(lián)式放大機(jī)構(gòu)進(jìn)行位移放大，并采用加工效果最顯著的水平擺放的方式進(jìn)行拋光加工[8]，壓電疊堆a(bǔ)，b正交放置，如圖2.1所示。圖2.1壓電疊堆a(bǔ)，b正交放置示意圖壓電疊堆a(bǔ)、b接收到外界激勵(lì)信號(hào)： y=Acosωt+θx=B上式中，A、B分別為振幅，t為時(shí)間，θ為相位差，取任意值時(shí)，振動(dòng)軌跡如下： Cx2D+E在同時(shí)施加激勵(lì)信號(hào)時(shí)，壓電疊堆a(bǔ)、b帶動(dòng)拋光頭完成規(guī)則的振動(dòng)軌跡，特別的，在相位差θ為π2時(shí)，其振動(dòng)軌跡變成標(biāo)準(zhǔn)的 x2A+ 運(yùn)用MATLAB繪制軌跡，如圖2.2：圖2.2生成的橢圓軌跡在輔助拋光機(jī)構(gòu)做振動(dòng)時(shí)，拋光滾下降，然后與高速振動(dòng)的工件相接觸，達(dá)到拋光的目的。2.2滾型振動(dòng)輔助拋光裝置組成滾型振動(dòng)輔助拋光裝置由整體由輔助拋光機(jī)構(gòu)，立式Y(jié)、Z向運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)，拋光滾平臺(tái)幾個(gè)大部分構(gòu)成，為了滿足對(duì)拋光加工的要求裝置整體4個(gè)自由度，輔助拋光機(jī)構(gòu)兩個(gè)自由度，立式Y(jié)、Z向運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)3個(gè)自由度，拋光滾平臺(tái)1個(gè)自由度，其中有3個(gè)重復(fù)自由度。其中輔助拋光機(jī)構(gòu)提供二維振動(dòng)，拋光滾平臺(tái)拋光工件，立式Y(jié)、Z向運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)提供拋光滾的空間運(yùn)動(dòng)，如圖2.3所示的滾型振動(dòng)輔助拋光裝置示意圖，接下來的章節(jié)將詳細(xì)對(duì)輔助拋光機(jī)構(gòu)，立式Y(jié)、Z向運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)，拋光滾平臺(tái)幾大部分從進(jìn)行闡述。圖2.3滾型振動(dòng)輔助拋光裝置示意圖2.3滾型振動(dòng)輔助拋光原理分析滾形振動(dòng)輔助拋光是通過拋光滾上的高速旋轉(zhuǎn)的包裹材料接觸到高速振動(dòng)的輔助拋光機(jī)構(gòu)時(shí)，磨料通過拋光力的作用，對(duì)工件表面進(jìn)行雙向去除的，一般的振動(dòng)去除，以二維橢圓振動(dòng)輔助拋光來說，是以單向的點(diǎn)接觸高速振動(dòng)達(dá)到去除工件表面金屬層的目的，并且在每次拋光后，都會(huì)出現(xiàn)表面殘高，降低加工質(zhì)量。在設(shè)計(jì)滾形振動(dòng)輔助拋光裝置時(shí)，為了最大限度地發(fā)揮它的拋光加工性能，滾形振動(dòng)輔助拋光裝置系統(tǒng)由一個(gè)輔助拋光機(jī)構(gòu)，一個(gè)拋光滾和兩個(gè)壓電疊堆組成。如圖2.4是滾形振動(dòng)輔助拋光裝置的簡易示意圖，工件位于工件安放臺(tái)上，拋光滾上纏有拋光紙和聚氨酯層防止高剛度的拋光滾在加工時(shí)影響工件表面質(zhì)量。拋光滾由航空鋁材制成一方面減少質(zhì)量另方面高剛度減少機(jī)械顫振。在輔助拋光機(jī)構(gòu)振動(dòng)的同時(shí)，拋光滾會(huì)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，起到雙向去除的效果，同時(shí)又由于滾形振動(dòng)輔助拋光是線接觸的拋光，因此避免了表面殘高的出現(xiàn)，減少往復(fù)拋光次數(shù)的同時(shí)增加表面光整度。圖2.4滾形振動(dòng)輔助拋光裝置的簡易示意圖2.3.1輔助拋光機(jī)構(gòu)振動(dòng)軌跡為了實(shí)現(xiàn)輔助拋光機(jī)構(gòu)在平面xoy中的中心點(diǎn)o以一定的頻率和時(shí)間振動(dòng)。根據(jù)基本振動(dòng)原理，可以推導(dǎo)出包括可變參數(shù)的二維微動(dòng)臺(tái)階振動(dòng)過程如下： （2.4）其中Ax和Ay是x和y方向上的信號(hào)幅度，f1和f2是x和y方向上信號(hào)的頻率，是x和y方向上初始相位的相位差。2.3.2幅度對(duì)輔助拋光機(jī)構(gòu)振動(dòng)軌跡的影響當(dāng)具有不同頻率的信號(hào)被應(yīng)用于x和y的方向時(shí)，xoy平面中的階段的軌跡是李薩如曲線。為方便觀察，令方程（1-1）中參數(shù)，，在不同的信號(hào)幅度下分析二維振動(dòng)幅度對(duì)平臺(tái)閉合軌跡運(yùn)動(dòng)的影響。如圖2.5所示，不同幅度下輔助拋光機(jī)構(gòu)振動(dòng)軌跡[9]：圖2.5不同幅度下輔助拋光機(jī)構(gòu)振動(dòng)軌跡圖2.5給出了該階段的閉合軌跡運(yùn)動(dòng)，從圖中可以看出，在相同的條件下，x和y方向上的振動(dòng)幅度將形成矩形運(yùn)動(dòng)軌跡區(qū)域。振幅的大小只影響軌跡面積的大小，而不影響利薩如數(shù)字的均勻性[10]，也就是在加工時(shí)不同的幅值情況都不會(huì)對(duì)加工質(zhì)量產(chǎn)生影響。2.3.3相位差對(duì)輔助拋光機(jī)構(gòu)振動(dòng)軌跡的影響同樣在控制具有相同頻率和幅度（f1=f2，Ax=Ay）情況下，在不同參數(shù)的相位差應(yīng)用于xoy平面中的x和y方向時(shí)，則該階段的軌跡是橢圓形，如圖2.6不同相位差下的輔助拋光機(jī)構(gòu)振動(dòng)軌跡。取相差值如表2.1所示。當(dāng)取如下值時(shí)，橢圓的位置會(huì)發(fā)生改變。表2.1相位差值相位差abcde0π/6π/4π/3π/2圖2.6不同相位差下的輔助拋光機(jī)構(gòu)振動(dòng)軌跡2.3.4滾形振動(dòng)輔助拋光裝置的拋光路徑 滾形振動(dòng)輔助拋光裝置拋光時(shí)的拋光路徑是在輔助拋光機(jī)構(gòu)和拋光滾運(yùn)動(dòng)的共同作用下帶動(dòng)工件和拋光滾之間的磨粒做去除運(yùn)動(dòng)進(jìn)行拋光的。故分析裝置的整體運(yùn)動(dòng)可以簡化成磨粒的運(yùn)動(dòng)，以便觀察。圖2.7（a）顯示了滾形振動(dòng)輔助拋光方法的拋光原理。圖2.7（b）顯示了磨粒對(duì)工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)路徑是滾形振動(dòng)輔助拋光中的空間（3D）螺旋曲線。通過在輔助拋光機(jī)構(gòu)上同時(shí)向兩個(gè)方向施加諧波信號(hào)共同做用于工件安防臺(tái)。在將拋光深度h施加給拋光滾，拋光滾以Vr的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并且以Vf的進(jìn)給速率運(yùn)動(dòng)，以此達(dá)到拋光去除的目的[11-13]。圖2.7a）滾形振動(dòng)輔助拋光原理b）滾形振動(dòng)輔助拋光中的空間螺旋曲線如圖2.7所示，空間坐標(biāo)系采取如下布置方式x軸沿拋光滾徑向，y軸沿拋光滾軸向，z軸垂直于工件安裝臺(tái)。在笛卡爾坐標(biāo)系下，橢圓振可以認(rèn)為是在拋光滾上而不是在工件上產(chǎn)生的。因此，假設(shè)在t時(shí)刻有一個(gè)磨粒P，其坐標(biāo)（x，y，z）可以用公式（1-2）推導(dǎo)出來。并且磨粒P必須滿足位于坐標(biāo)原點(diǎn)o的要求（t=0s）。根據(jù)Liang＆Wu（2010）在EUAG期間的磨粒模型[14]，公式（2.5）可描述如下： x=Rsin(2π 其中R是滾筒半徑，Vf是滾筒轉(zhuǎn)速，f是裝置的振動(dòng)頻率，Ax和Ay是臺(tái)架x和y方向上的信號(hào)幅度。通過等式（2.5）計(jì)算工件上磨粒P的運(yùn)動(dòng)路徑如圖5所示。從圖2.8（a）可以清楚地看到，磨粒P的拋光路徑是一個(gè)空間（3D）螺旋曲線。當(dāng)然，曲線將取決于拋光滾角速度，拋光滾進(jìn)給速率以及輔助拋光機(jī)構(gòu)振動(dòng)的幅度和頻率。在xz平面上的磨粒P路徑表明拋光的切削深度周期性地變化，如圖2.8（b）所示，xy平面中的磨粒P運(yùn)動(dòng)路徑近似為正弦曲線，如圖2.8（c）所示，拋光滾的拋光層表面的結(jié)構(gòu)可以容納不同直徑的磨粒，在拋光時(shí)可以改善工件表面粗糙度。(a)(a)(b)(c)圖2.8a)滾形振動(dòng)輔助拋光中的空間螺旋曲線b)xz平面上的蘑粒P路徑c)xy平面中的蘑粒P運(yùn)動(dòng)路徑2.4相關(guān)軟件介紹本文中使用CATIA作為三維建模軟件，其是由法國達(dá)索飛機(jī)公司開發(fā)的一款具有繪制二維圖，三維圖以及分析后處理能力的軟件。CATIA的最強(qiáng)大的是曲面繪制模塊，可以應(yīng)用到工程實(shí)例中如逆向工程，A面的制作等功能。主要的繪制過程在PRODUCT界面新建零件幾何體，進(jìn)入零件提界面，進(jìn)行草圖的繪制，實(shí)體特征的建立，此種方式免除裝配的步驟，簡化使用步驟。分析后處理軟件ABAQUSE，直接將零件導(dǎo)入，劃分網(wǎng)格，分析其靜力學(xué)特征。2.5本章小結(jié)首先，本章對(duì)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡的生成原理進(jìn)行了分析，得到了理論的軌跡，為下文輔助拋光機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)的控制提供理論基礎(chǔ)。其次，對(duì)滾型振動(dòng)輔助拋光原理分析，主要分析了振動(dòng)輔助拋光的去除機(jī)理與加入拋光滾后的去除現(xiàn)象，驗(yàn)證裝置設(shè)計(jì)初衷。最后，本章對(duì)滾型振動(dòng)輔助拋光裝置組成進(jìn)行了大致的描述，主要的部件的運(yùn)動(dòng)方式，擺放形式進(jìn)行初步的闡述，下文將依次對(duì)這幾部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，零件的選取等問題進(jìn)行詳盡的探討描述。

第三章輔助拋光機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)本章節(jié)主要介紹滾形振動(dòng)輔助拋光裝置中的輔助拋光機(jī)構(gòu)，其是由兩個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的由柔性鉸鏈構(gòu)成的輔助拋光機(jī)構(gòu)，本章就輔助拋光機(jī)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、平臺(tái)的工作原理、機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)分析和模態(tài)分析進(jìn)行了分別闡述。3.1輔助拋光機(jī)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)3.1.1輔助拋光機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)目前，柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)在精密，超精密的加工中已得到了非常廣泛應(yīng)用，一般的單一鉸鏈放大機(jī)構(gòu)則更為普及，應(yīng)用最多為直圓形鉸鏈結(jié)構(gòu)，但是其微動(dòng)效果不夠理想，也就是輸入位移對(duì)應(yīng)的輸出位移較小，即放大比較小[15]，經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，基于柔性鉸鏈的杠桿放大器具有放大率高，結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，杠桿放大器如圖3.1所示。圖3.1杠桿放大器示意圖根據(jù)力學(xué)原理，假設(shè)輸入端施加一個(gè)內(nèi)位移，對(duì)應(yīng)的是一個(gè)外變形位移?？紤]圖3.1，總的理論放大比可以寫成為了提高平臺(tái)的輸入剛度，采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)作為放大機(jī)構(gòu)放大輸入位移，如圖3.2所示。該機(jī)構(gòu)沿中心線完全對(duì)稱，由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的放大器并聯(lián)而成。該機(jī)構(gòu)輸入端對(duì)稱結(jié)構(gòu)可以指導(dǎo)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向，起到導(dǎo)向的作用。圖3.2并聯(lián)結(jié)構(gòu)為了消除末端執(zhí)行器的交叉耦合，在每個(gè)方向采用如圖3.3所示的復(fù)合并聯(lián)四桿機(jī)構(gòu)作為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。這是一種由兩個(gè)平行四桿機(jī)構(gòu)以對(duì)稱方式組合而成的過約束機(jī)構(gòu)，當(dāng)平臺(tái)沿X或Y方向移動(dòng)時(shí)，明顯限制了不需要的橫軸運(yùn)動(dòng)。圖3.3復(fù)合并聯(lián)四桿機(jī)構(gòu)經(jīng)過一系列精心設(shè)計(jì)，提出了輔助拋光機(jī)構(gòu)的二維模型，如圖3.4所示，輔助拋光機(jī)構(gòu)提供了運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入位移，然后位移放大器將輸入位移放大，最終得到結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性和四桿副四邊形，產(chǎn)生了振動(dòng)輔助拋光機(jī)構(gòu)的寄生運(yùn)動(dòng)。圖3.4輔助拋光機(jī)構(gòu)輔助拋光機(jī)構(gòu)采用x、y向布置的整體結(jié)構(gòu)，為了更好地對(duì)輔助拋光機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，運(yùn)用分析軟件ABAQUS對(duì)其進(jìn)行分析，主要包括三維模型的導(dǎo)入，平臺(tái)的網(wǎng)格劃分，施加載荷、邊界條件和輸出工作步和數(shù)據(jù)提取等幾大步驟。輔助拋光機(jī)構(gòu)選取放大效果好且更易加工的7075AL材料。3.1.2基于矩陣法的動(dòng)力學(xué)分析分析柔度機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能的建模方法有很多，如數(shù)值模型法、非線性建模法、偽剛體法和柔度矩陣模型法。本文采用PRB法和柔度矩陣模型法，對(duì)振動(dòng)輔助拋光機(jī)構(gòu)的放大比、輸入剛度、可達(dá)工作空間和固有頻率進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模分析[16-17]。（1）依從矩陣法微觀運(yùn)動(dòng)階段的所有運(yùn)動(dòng)都被認(rèn)為是撓性鉸鏈的彈性變形[18]，因?yàn)殒湱h(huán)比撓性鉸鏈具有更高的剛度。由于本文中輔助拋光機(jī)構(gòu)的平面和厚度足以獲得比平面外剛度小得多的面內(nèi)剛度。因此，一個(gè)簡化的3x3柔度矩陣模型其中只考慮了沿x和y方向的平移柔度以及圍繞z軸的旋轉(zhuǎn)柔度。圖3.5輔助拋光機(jī)構(gòu)圖如圖3.5所示，當(dāng)負(fù)載矢量F=[fxfymz]TD=COiF 其中COi是在其局部坐標(biāo)Oi基于彈性梁理論的撓性鉸與局部坐標(biāo)系的柔度矩陣可寫為：COi=ΔxF彎曲的柔量矩陣可以從其局部坐標(biāo)Oi-xy轉(zhuǎn)移到另一個(gè)坐標(biāo)OjCOj=其中變換矩陣TiTij其中矩陣Pij可以通過：Pi如果矩陣Rij圍繞x，y和z旋轉(zhuǎn)，則寫為 Rxj其中α，β和ε分別是x，y，z軸的旋轉(zhuǎn)角度。（2）放大比分析首先，通過PRB法和柔度矩陣模型法對(duì)機(jī)理的放大比進(jìn)行了分析。因?yàn)槠脚_(tái)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，以右圓柔性鉸鏈為例，右圓柔性鉸鏈可以看作扭轉(zhuǎn)彈簧，具有較低的扭轉(zhuǎn)剛度和較高的線性剛度。因此，當(dāng)在梁的自由端施加一個(gè)力時(shí)，主要的旋轉(zhuǎn)變形就發(fā)生了，圖3.6為右圓柔性鉸鏈簡化圖。圖3.6右圓柔性鉸鏈簡化圖如圖3.6所示，我們可以看到杠桿的局部坐標(biāo)系放大器。當(dāng)我們假設(shè)杠桿為剛體時(shí)，施加在杠桿末端的力與鉸鏈末端的力之間的關(guān)系可以表示為（3.7）其中為輸出端到旋轉(zhuǎn)中心的法向距離，為輸入端到的法向距離，為到的徑向距離。位移可以通過柔度乘以力來計(jì)算,根據(jù)方程式(3.1)、(3.7)可得(3.8)由于是杠桿的旋轉(zhuǎn)中心，需要考慮點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的影響，當(dāng)位移在點(diǎn)處產(chǎn)生位移時(shí)，由此產(chǎn)生的位移可表示為，（3.9）結(jié)合方程式3.10和3.11給出了影響下的柔度矩陣，（3.10）假設(shè)輸入力在處產(chǎn)生，則的柔度矩陣為，（3.11）由于輸入力的方向不同，放大比可表示為:（3.12）(3)輸出模型由于該機(jī)構(gòu)是一個(gè)對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，因此我們?nèi)⊙b置的四分之一進(jìn)行分析。其中為柔度矩陣（3.13）（3.14）（3.15）（3.16）其中為變換矩陣，為左半部分的柔度矩陣，為右半部分的柔度矩陣，為剛度矩陣。（3.17）（4）輸出模型為了得到X方向的輸入剛度，振動(dòng)輔助拋光機(jī)構(gòu)柔度模型如圖3.7所示。我們假設(shè)輸入的力作用于點(diǎn)?？紤]點(diǎn)O處的分支2、3、4并聯(lián)，則得到這三條鏈的整體柔度（3.18）它們串聯(lián)在分支1上，因此（3.19）圖3.7柔度模型由于力的作用點(diǎn)發(fā)生了變化，如圖所示，分支1的柔度可以表示為（3.20）（3.21）3.1.3機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化在確?，F(xiàn)有固有頻率的基礎(chǔ)上，大行程對(duì)于輔助拋光機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)是重要的。因此，需要高放大率.在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)械放大器的實(shí)際放大率小于理論值，這是由鉸鏈變形和杠桿臂彎曲的組合引起的，補(bǔ)償因子在優(yōu)化過程中用于重建模型。（1）優(yōu)化說明基于上述方程，靜態(tài)和模型的主要尺寸參數(shù)是，通過前面概述的考慮，可以如下建立該優(yōu)化工作1）要優(yōu)化的相關(guān)參數(shù)：2）限制條件：a）固有頻率：b）輸入剛度：c）放大比：d）尺寸范圍：在該優(yōu)化工作中不考慮參數(shù)b，因?yàn)橹圃斓牟牧系暮穸仁侵付ǖ模?2mm）。此外，鉸鏈彎曲部分的最薄部分不小于0.4mm，因?yàn)樵撾A段將通過線放電加工（WEDM）技術(shù)制造，該技術(shù)一旦厚度小于0.4mm就不能確保公差。（2）優(yōu)化結(jié)果灰狼優(yōu)化（GWO）是當(dāng)前采用的，因?yàn)樗哂锌焖偈諗康膬?yōu)越性，較少的計(jì)算時(shí)間和比其他方法更高的魯棒性，經(jīng)過多次迭代后，優(yōu)化維度為，，，，，和這樣就形成了一個(gè)最佳尺寸。3.1.4輔助拋光機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)分析輔助拋光機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)分析，運(yùn)用ABAQUS對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于輔助拋光機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用局部劃分網(wǎng)格的方式，網(wǎng)格為C3D10節(jié)點(diǎn)數(shù)為50164，單元為31686，劃分完成的網(wǎng)格，如下圖3.8所示，此外，最薄鉸鏈的最大應(yīng)力必須低于材料的許用應(yīng)力（262MPa），輸入剛度必須低于輸出剛度（40N/um），這是機(jī)制運(yùn)作的必要條件。圖3.8劃分網(wǎng)格圖對(duì)并聯(lián)式柔性鉸鏈的x、y方向放大平臺(tái)分析，并以施加100N，200N的力為例：分析結(jié)果如圖3.9，圖3.10，圖3.11，圖3.12所示，根據(jù)分析結(jié)果可以看到輔助拋光機(jī)構(gòu)在輸入100N時(shí)x方向的最大變形量是63.68um，y方向的最大變形量是66.19um，x方向的最大應(yīng)力為21.4MPa，y方向的最大應(yīng)力為24.7MPa均滿足要求；圖3.圖3.10100N時(shí)x方向輔助拋光機(jī)構(gòu)Mises云圖圖3.9100N時(shí)x方向輔助拋光機(jī)構(gòu)應(yīng)變?cè)茍D圖3.11100圖3.11100N時(shí)y方向輔助拋光機(jī)構(gòu)應(yīng)變?cè)茍D圖3.12100N時(shí)y方向輔助拋光機(jī)構(gòu)Mises云圖分析結(jié)果如圖3.13，圖3.14，圖3.15，圖3.16所示，根據(jù)分析結(jié)果可以看到輔助拋光機(jī)構(gòu)在輸入200N時(shí)x方向的最大變形量是127.5um，y方向的最大變形量是127.8um，x方向的最大應(yīng)力為42.79MPa，y方向的最大應(yīng)力為47.58MPa均滿足要求；圖3.1圖3.14200N時(shí)x方向輔助拋光機(jī)構(gòu)Mises云圖圖3.13200N時(shí)x方向輔助拋光機(jī)構(gòu)應(yīng)變?cè)茍D圖3.16200N時(shí)y方向輔助拋光機(jī)構(gòu)圖3.16200N時(shí)y方向輔助拋光機(jī)構(gòu)Mises云圖圖3.15200N時(shí)y方向輔助拋光機(jī)構(gòu)應(yīng)變?cè)茍D3.1.5輔助拋光機(jī)構(gòu)的剛度和放大比分析前文，在拋光加工時(shí)輔助拋光機(jī)構(gòu)會(huì)在壓電疊堆的驅(qū)動(dòng)下，做規(guī)則振動(dòng)軌跡，因此考慮輔助拋光機(jī)構(gòu)的剛度是必要的，如果平臺(tái)的剛度不夠?qū)o法完成加工，因此為了確保平臺(tái)剛度的精確，通過ABAQUS仿真軟件對(duì)平臺(tái)進(jìn)行分析，來獲得剛度，具體過程如下：運(yùn)用ABAQUS分析輔助拋光機(jī)構(gòu)，對(duì)輔助拋光機(jī)構(gòu)的X、Y兩個(gè)方向輸入30N，60N，90N，……300N,330N,360N共12組的合力，并記錄該方向輸入位移與輸出位移的數(shù)值（即杠桿的輸出位移）如下:X方向的輸入位移與輸出位移的數(shù)值如表3.1所示：表3.1X方向的輸入位移與輸出位移輸入力30N60N90N120N150N180N輸入端-0.00129-0.00258-0.00386-0.00515-0.00644-0.00773杠桿輸出-0.00191-0.00382-0.00573-0.00764-0.00955-0.01146輸入力210N240N270N300N330N360N輸入端-0.00901-0.0103-0.01159-0.01288-0.01416-0.01545杠桿輸出-0.01388-0.01529-0.0172-0.01911-0.02102-0.022932根據(jù)表3.1，繪制x方向輸入力與輸入、杠桿（輸出）位移的關(guān)系，如圖3.17a)、圖3.17b)所示：圖3.17a）x方向輸入力與輸入位移關(guān)系圖b）x方向輸入力與杠桿位移關(guān)系圖通過MATLAB的仿真數(shù)據(jù)得到x方向的輔助拋光機(jī)構(gòu)的輸入剛度為23.2N/um，輸出剛度為15.7N/umY方向的輸入位移與輸出位移的數(shù)值如表3.2所示。表3.2Y方向的輸入位移與輸出位移的數(shù)值輸入力30N60N90N120N150N180N輸入端-0.00129-0.00259-0.00387-0.00511-0.00644-0.00773杠桿輸出-0.00193-0.00382-0.00572-0.00763-0.00954-0.01145輸入力210N240N270N300N330N360N輸入端-0.00902-0.01031-0.0116-0.01288-0.01417-0.01546杠桿輸出-0.01335-0.015263-0.01718-0.01908-0.02099-0.02289根據(jù)表3.2，繪制y方向輸入力與輸入、杠桿（輸出）位移的關(guān)系，如圖3.18a）、圖3.3b）所示：圖3.18a）y方向輸入力與輸入位移關(guān)系圖b）y方向輸入力與杠桿位移關(guān)系圖通過MATLAB的仿真數(shù)據(jù)得到y(tǒng)方向的輔助拋光機(jī)構(gòu)的輸入剛度為23.2N/um，輸出剛度為15.7N/um。 運(yùn)用ABAQUS分析輔助拋光機(jī)構(gòu)，為了計(jì)算柔性鉸鏈放大平臺(tái)的放大系數(shù)，對(duì)上述的x、y方向輔助拋光機(jī)構(gòu)的輸出位移數(shù)據(jù)繪制圖像，并輸出放大比，如圖3.19x方向輸入位移與輸出位移關(guān)系圖得到x方向杠桿放大組的放大比為1.45。圖3.19x方向輸入位移與輸出位移關(guān)系圖如圖3.20y方向輸入位移與輸出位移關(guān)系圖得到y(tǒng)方向杠桿鉸鏈放大組的放大比為1.48，綜上，輔助拋光機(jī)構(gòu)將輸出位移放大了大約1.4倍，輔助拋光機(jī)構(gòu)將振動(dòng)幅度大幅度提高，增加了拋光速率，且在一定程度上提高了表面光整度。圖3.20y方向輸入位移與輸出位移關(guān)系圖3.1.6輔助拋光機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析模態(tài)分析可以分析出輔助拋光機(jī)構(gòu)的最小共振頻率，故模態(tài)分析在振動(dòng)加工的過程中有著重要的作用，模態(tài)分析的一般操作是：模型的導(dǎo)入，模型的材料賦予，網(wǎng)格劃分（方式同靜力學(xué)），邊界條件的施加，分析模型的可視化，模擬中使用的材料為7075Al，其彈性模量為71700Mpa，泊松比為0.33，密度為2810kg/m3,圖3.21是裝置的前四階模態(tài)分析，基于圖3.21，可以看出，前四階頻率分別為1290.7Hz、1304.5Hz、1376.1Hz和1953.2Hz，兩個(gè)平移振動(dòng)分別在頻率為1290.7Hz和1304.5Hz的第一和第二模態(tài)下發(fā)生，由于結(jié)構(gòu)相似，所以前兩階模態(tài)的振動(dòng)頻率幾乎相同，根據(jù)頻率可以看出在低速拋光的情況下并不會(huì)產(chǎn)生共振的現(xiàn)象。圖3.21輔助拋光機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析3.2輔助拋光機(jī)構(gòu)整體布局通過上述，確定了并聯(lián)式放大平臺(tái)的結(jié)構(gòu)，通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)輔助拋光機(jī)構(gòu)做整體布局，具體如下圖3.22所示：a、b-壓電疊堆，c-擺臺(tái)，d-支撐塊，e-預(yù)緊螺釘，f-緊固螺釘，g-工件，h-并聯(lián)式柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)圖3.22輔助拋光機(jī)構(gòu)示意圖擺臺(tái)c安裝在大理石板上，支撐塊d螺釘預(yù)緊在擺臺(tái)c上，并聯(lián)式柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)h預(yù)緊在支撐塊d上，并聯(lián)式柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)h上有預(yù)緊螺釘e預(yù)緊的壓電疊堆a(bǔ)、b，工件g放置在并聯(lián)式柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)h上，以上為裝置的整體布局方式。3.3輔助拋光機(jī)構(gòu)加工 根據(jù)柔性鉸鏈的使用要求，對(duì)其彈塑性有很高的要求，根據(jù)仿真分析與計(jì)算結(jié)果，材料選擇為6061L，并通過線切割加工技術(shù)，對(duì)6061AL作為工件電極，Mn絲作為工具電極，施加脈沖電壓后，開始進(jìn)行走絲，鉬絲與6061AL之間不斷地加入乳化液，在鉬絲與工件的距離達(dá)到特定值時(shí)，形成擊穿電壓，產(chǎn)生放電通道，進(jìn)行零件的加工，然后根據(jù)需要在零件上鉆孔，攻螺紋，其余的零件通過車削或者銑削進(jìn)行加工，實(shí)物如下圖3.23所示：圖3.23輔助拋光機(jī)構(gòu)示意圖 3.4本章小結(jié)本章節(jié)設(shè)計(jì)了一種輔助拋光機(jī)構(gòu)，闡述了平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方法，輔助拋光機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程，平臺(tái)整體布局等，最后利用線切割加工技術(shù)對(duì)輔助拋光機(jī)構(gòu)進(jìn)行了加工，并完成了組裝。

第四章立式Y(jié)、Z向運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)設(shè)計(jì)本章節(jié)主要介紹滾形振動(dòng)輔助拋光裝置中的立式Y(jié)、Z向運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)，其由兩個(gè)聯(lián)動(dòng)的z向直線滾珠絲杠導(dǎo)軌滑臺(tái)，提供拋光滾z向的運(yùn)動(dòng)，一個(gè)x向直線滾珠絲杠導(dǎo)軌滑臺(tái)提供拋光滾的y向運(yùn)動(dòng)，本章就立式Y(jié)、Z向運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)中滑臺(tái)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，電機(jī)的選擇等分別進(jìn)行闡述，如下：4.1滑臺(tái)滾珠絲杠的設(shè)計(jì)在立式Y(jié)、Z向運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)中，兩個(gè)直線滾珠絲杠導(dǎo)軌滑臺(tái)對(duì)稱放置在裝置兩側(cè)，故對(duì)其中一個(gè)直線滾珠絲杠導(dǎo)軌滑臺(tái)的絲杠進(jìn)行分析：4.1.1滾珠絲杠設(shè)計(jì)以直線滾珠絲杠導(dǎo)軌滑臺(tái)為例：工作載荷F=1000（N）,預(yù)計(jì)使用壽L=10000（h），滾珠絲杠的工作長度L=0.30（m）、滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速n平=100r/min，nmax=10000r/min，以及滾珠絲杠滾道硬度4.1.2計(jì)算載荷Fc Fc=K查表2-6取KF=1.2、查表2-7取KH=1.0、查表2-4取D級(jí)精度、查表4.1.3額定動(dòng)載荷Ca的計(jì)算 Ca=F根據(jù)Ca的值，選擇絲杠副，假定選用FC型號(hào)，按滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷等于或稍大于Ca的原則，查表2-9 FC1=2004-2.5，C FC2=2005-2.5綜合考量選用TH從表2-9查得滾珠絲杠絲杠副數(shù)據(jù)：滾珠絲杠公稱直徑：D0滾珠絲杠導(dǎo)程：P=6mm滾珠絲杠螺旋角：λ=滾珠直徑：根據(jù)表2-1計(jì)算滾道半徑R，偏心距e：滾道半徑R：偏心距e：e4.1.4穩(wěn)定性驗(yàn)算滾珠絲杠發(fā)生失穩(wěn)的最大臨界載荷Fcr Fcr=π其中，G：絲杠材料的彈性模量，對(duì)于航天鋁材G=72GPa；A為絲杠有效工作長度（m）；Ia為滾珠絲杠危險(xiǎn)截面的極慣性矩（m4）；U Ia=π取U=2 Fcr=2.1×10安全系數(shù)： S=FcrF由表2-10s=2.5-3.3，S由此，滾珠絲杠安全，不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。另外在高速的長滾珠絲杠絲杠工作時(shí)，由于高頻的振動(dòng)，可能會(huì)引發(fā)絲杠的共振，故，因此需要驗(yàn)算其不發(fā)生共振的轉(zhuǎn)速——臨界轉(zhuǎn)速nr nr=9910×fc其中：fc是臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，如表2-10，取f則: nr=15064.2r/nr>nmax=10000r/min,因此在另外，由于D0n值影響，要求D0n<7×104mmr4.1.5剛度驗(yàn)算滾珠絲杠在轉(zhuǎn)矩T(N?m）和工作負(fù)載下F(N）作用下，單個(gè)導(dǎo)程的變形量△ △L=±PFEB其中，B為滾珠絲杠橫截面積，B=14πd2=2.5×10-4m2，J Tr=Ft其中，Y為摩擦角，F(xiàn)t計(jì)算得： Tr=2.5N?取極端情況，即F= △L= ≈7.362×10-2μm滾珠絲杠的彈性變形導(dǎo)致的導(dǎo)程誤差為： △Lο=U要求的滾珠絲杠導(dǎo)程誤差△Lο應(yīng)該小于傳動(dòng)精度的的 △Lο≈14.7μm以上，滾珠絲杠的剛度滿足要求。4.1.6效率驗(yàn)算滾珠絲杠屬于高傳動(dòng)效率的傳動(dòng)副，一般的滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為： η=tanλη要求在90%--95%之間，故，該滾珠絲杠符合要求。以上，驗(yàn)證FC1=2004-2.5，符合所需，4.1.7電機(jī)的選擇電機(jī)選取精度更高的伺服電機(jī)，選取電機(jī)型號(hào)為60ST-M01330額定扭矩為1.3N.M，額定轉(zhuǎn)速3000r/s,額定功率400W，電機(jī)帶有驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為AASD-15A（220V）。4.2立式Y(jié)、Z向運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)整體布局本章節(jié)主要介紹滾形振動(dòng)輔助拋光裝置中的立式Y(jié)、Z向運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)，其由三個(gè)直線滾珠絲杠導(dǎo)軌滑臺(tái)聯(lián)動(dòng)，兩個(gè)提供拋光滾z向的運(yùn)動(dòng)，一個(gè)提供拋光滾的y向運(yùn)動(dòng)，本章就立式Y(jié)、Z向運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)中滑臺(tái)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，電機(jī)的選擇等分別進(jìn)行闡述，如下：圖4.1立式Y(jié)、Z向運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)整體布局4.3加工根據(jù)滾珠絲杠滑臺(tái)的使用要求結(jié)合上述計(jì)算，材料選擇為航空鋁，由于立式Y(jié)、Z向運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)總體是由滾珠絲杠滑臺(tái)組成，故對(duì)滾珠絲杠滑臺(tái)的結(jié)構(gòu)確定后，繪制加工圖紙，通過非標(biāo)公司定制滑臺(tái)，實(shí)物如下圖4.2所示：圖4.2立式Y(jié)、Z向運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)實(shí)物圖4.4本章小結(jié)本章節(jié)設(shè)計(jì)了一種立式Y(jié)、Z向運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)，闡述了立式Y(jié)、Z向運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方法，并且對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行選取，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。最后，繪制出滑臺(tái)的零件圖，由非標(biāo)公司加工，并完成了組裝。

第五章拋光滾平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拋光滾平臺(tái)位于立式Y(jié)、Z向運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)上，由螺釘緊固，其是由一個(gè)拋光滾，電機(jī)等組成，拋光滾在電機(jī)的帶動(dòng)下做高速旋轉(zhuǎn)，本章節(jié)主要介紹拋光滾的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及其他的基本部件的選取，下面分別進(jìn)行闡述：5.1拋光滾的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滾式振動(dòng)輔助平臺(tái)是由拋光滾進(jìn)行的拋光，由于裝置的結(jié)構(gòu)要求，所以滾的材料選取為航空鋁，其具有質(zhì)量小，形變小等特點(diǎn)，適合作為拋光滾的材料，但是在拋光滾接近工件時(shí)，高硬度的航空鋁材會(huì)影響拋光的精度，所以在航空鋁材料的內(nèi)滾外加上一層2mm厚的聚氨酯層，聚氨酯層是通過背膠粘貼在內(nèi)滾上，在聚氨酯層上粘貼拋光紙，進(jìn)行拋光，此時(shí)可以達(dá)到精密拋光的要求，如圖5.1拋光滾的結(jié)構(gòu)：r-拋光滾，r1-拋光紙，r2-聚氨酯層，圖5.1拋光滾的結(jié)構(gòu)5.1.1拋光滾的結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析由于拋光滾處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以需要對(duì)拋光滾進(jìn)行靜力學(xué)分析，運(yùn)用ABAQUS對(duì)拋光滾進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于拋光滾的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，故采用全局種子布置，四面體網(wǎng)格劃分,單元節(jié)點(diǎn),如圖5.2所示：圖5.2拋光滾的結(jié)構(gòu)由于拋光滾是由伺服電機(jī)帶動(dòng)，計(jì)算得拋光滾獲得最大扭矩是52N?m，因此對(duì)拋光滾輸入52N?m的載荷，拋光滾兩端固定z方向的旋轉(zhuǎn)的邊界條件，得到如圖5.3，從圖中可以看出拋光滾強(qiáng)度足夠。圖5.3拋光滾的應(yīng)變分析5.1.1拋光滾的結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析在進(jìn)行拋光加工的時(shí)候，機(jī)械振動(dòng)是不避免的，尤其在高速度振動(dòng)拋光輔助加工過程中，為了避免高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的共振現(xiàn)象，對(duì)拋光滾進(jìn)行模態(tài)分析，觀察拋光滾的前四階模態(tài)，如圖5.4，得到拋光滾的的共振最低模態(tài)為956.10HZ，故在振動(dòng)拋光裝置中，拋光滾不會(huì)發(fā)生共振的情況。如圖5.4拋光滾的模態(tài)分析5.2主要部件的選取拋光滾平臺(tái)的主要部件除拋光滾外，還有支撐拋光滾的軸承座，伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器，這里不做過多的贅述，最終的選型為：伺服電機(jī)型號(hào)為60ST-M01930額定扭矩為0.637N.M，額定轉(zhuǎn)速3000r/s，額定功率200W，電機(jī)法蘭60x60mm，軸徑14mm，電機(jī)帶有驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為AASD-15A(220V)。軸承選取用角接觸球軸承7202B，軸承座選用帶有軸向雙重固定的KP002型號(hào)的，5.3拋光滾平臺(tái)整體布局本章主要介紹了拋光滾平臺(tái)中的拋光滾的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及主要零件的選擇，拋光滾平臺(tái)在立式Y(jié)、Z向運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)的帶動(dòng)下，接觸工件，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行拋光運(yùn)動(dòng)，如圖5.5所示： u-伺服電機(jī)，q-固定螺釘，w-彈性聯(lián)軸器，r-t-軸承座，p-底板，o-預(yù)緊螺釘，i-機(jī)座圖5.5拋光滾平臺(tái)的結(jié)構(gòu)拋光滾r由預(yù)緊螺釘o安裝在底板p上，伺服電機(jī)u由固定螺釘q固定在機(jī)座i上通過彈性聯(lián)軸器w連接，機(jī)座i通過固定螺釘n連接到底板p上。伺服電機(jī)u傳動(dòng)轉(zhuǎn)速通過控制系統(tǒng)可以控制，通過彈性聯(lián)軸器w傳遞給拋光滾r進(jìn)行拋光加工。5.4加工根據(jù)分析結(jié)果以及上述計(jì)算，整體材料選擇為航空鋁，由于拋光滾的表面需要粘貼聚氨酯層以及拋光材料，故拋光滾的表面需要增加表面粗糙度，故對(duì)整體結(jié)構(gòu)確定后，繪制加工圖紙，拋光滾平臺(tái)通過非標(biāo)公司定制滑臺(tái)，實(shí)物如下圖5.6所示：圖5.6拋光滾平臺(tái)實(shí)物圖5.5本章小結(jié)本章節(jié)設(shè)計(jì)了一種拋光滾平臺(tái)，闡述了拋光滾平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方法，并且對(duì)拋光滾的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，有限元分析，以及其余部件的選取。最后，繪制出滑臺(tái)的零件圖，由非標(biāo)公司加工，并完成了組裝。

第六章電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)滾型振動(dòng)輔助拋光裝置為四軸聯(lián)動(dòng)裝置，故可以選用研華PCI-iMC2600P六軸運(yùn)動(dòng)控制卡或PCI-1245L四軸控制卡，PCI-iMC2600P六軸運(yùn)動(dòng)控制卡的主要特點(diǎn)如下[21]：（1）6軸獨(dú)立控制，每軸最大輸出脈沖頻率12.5MHz；（2）可任選2-6軸進(jìn)行插補(bǔ)；（3）可以使用S型或梯形曲線進(jìn)行加減速規(guī)劃；（4）支持雙坐標(biāo)系同時(shí)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的疊加運(yùn)動(dòng)；（5）6軸可同步啟停，安全性高；（6）擁有大容量儲(chǔ)存空間。PCI-1245L四軸控制卡的主要特點(diǎn)如下：（1）4xAB模式的編碼器輸入為10MHz，CW/CCW模式的編碼器輸入為2.5MHz；（2）脈沖輸出高達(dá)1Mpps，可經(jīng)由跳線設(shè)置成差動(dòng)輸出或是單端+5V輸出；（3）硬件緊急輸入；（4）看門狗定時(shí)器；（5）可編程中斷；（6）RDY專用輸入通道&SVON/ERC專用輸出通道可切換用于通用輸入和輸出。由于經(jīng)濟(jì)原因，故選用PCI-1245L四軸控制卡。6.1PCI-1245L控制卡PCI-1245L是一款四軸運(yùn)動(dòng)PCI總線控制器卡，專為電機(jī)自動(dòng)化和其他機(jī)器自動(dòng)化應(yīng)用中的各種應(yīng)用而設(shè)計(jì)，包括可以實(shí)現(xiàn)軌道和時(shí)間控制的軟運(yùn)動(dòng)算法，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡和時(shí)間控制，精確的完成用戶需要的操作[22]。6.1.1軟件功能PCI-1245L是4軸的SoftMotionPCI總線控制器卡。其具有的功能如下表所示。表6.1軟件功能表項(xiàng)目說明PCI-1245LI0單軸運(yùn)動(dòng)JOG功能（JOGMOVE）√手搖輪控制（MPG）√梯形與S型加減速曲線√可設(shè)定加減速功能√點(diǎn)對(duì)點(diǎn)功能√速度/位置重設(shè)√連續(xù)運(yùn)動(dòng)√背隙補(bǔ)償√停止√多軸運(yùn)動(dòng)（群組）群組設(shè)定2組群組線性補(bǔ)間2/3軸2/3軸圓弧插補(bǔ)2軸Pause/Reset√原點(diǎn)復(fù)歸16種模式√錯(cuò)誤檢測(cè)錯(cuò)誤狀態(tài)，看門狗√多軸同步啟停同步開始/停止√軸中斷事件通知功能軸停止√軸錯(cuò)誤√軸VH開始√軸VH停止√群組中斷事件通知功能群組停止√群組VH開始√群組VH停止√DAQDI016DI，16D06.1.2PCI-1245LI/O接口針腳定義PCI-1245L的I/O接口是一個(gè)100針接口，可通過PCL-101100M屏蔽電纜連接一個(gè)MTB-3956LIO端子板，圖6.1為PCI-1245LIO上100針I(yè)/O接口的針腳定義，表6.2為I/O接口信號(hào)說明：圖6.1I/O接口圖表6.2I/O接口信號(hào)表信號(hào)名稱參考方向說明VEX-輸入外部電源（12-24VDC）EMG-輸入緊急停止（適用于所有軸）LMT+-輸入+方向極限LMT--輸入-方向極限RDY-輸入伺服就緒ORG-輸入原點(diǎn)位置INP-輸入到位信號(hào)ALM-輸入伺服報(bào)警ECA+-輸入編碼器相位A+ECA--輸入編碼器相位A-EC