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三维悬线式蓝光光学头力矩器的特性研究及优化

作　者: 胡盛勇
导　师: 郑津津
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 光存储光学头三悬线式力矩器力学特性参数有限元分析磁场分析模态分析谐响应分析正交试验
分类号: TP333.4
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本论文对一种悬线带5°夹角的三维悬线式蓝光光学头力矩器进行了磁场分析、模态和谐响应分析,通过与实验对比建立三维悬线式蓝光光学头力矩器的磁场、低频特性参数的仿真计算模型,同时对力矩器等效刚度模型和灵敏度方面等参数进行理论探讨和优化。首先介绍光学头系统组成以及力矩器实现聚焦运动和循迹运动的控制原理。力矩器作为光存储读取系统光学头中最重要的部件之一,其性能的好坏决定着整个读取头的好坏。随着光存储的发展,特别是蓝光存储的出现传统的二维悬线式力矩器已经不能满足需要,三维悬线式力矩器则成为新的发展方向。在国内对于力矩器的研究还停留着二维力矩器上,而新的三维悬线式力矩器则国内还处于空白。三维悬线式力矩器相对于二维力矩器具有更复杂的结构和更高的灵敏度,其结构尺寸也越来越小,因此具有很高的研究价值。力矩器的两个主要运动:聚焦运动和循迹运动是力矩器最主要的方向上的参数,两个方向上的特性参数和实验测试方法以及光学光学头实现聚焦运动和循迹运动的原理都进行了测量和介绍。利用有限元软件ANSYS的磁场分析模块,建立了三维悬线式蓝光光学头力矩器的磁场分析模型。三维悬线式力矩器实现聚焦运动、聚焦运动和倾斜补偿运动是通过磁场中的通电线圈受力来实现的。对力矩器的磁场分布建立理论模型,永磁铁磁场模型采用磁极化理论来建立,而毕奥-萨伐尔定律来建立通电线圈的磁场模型。利用有限元软件ANSYS中的电磁场模块,对线圈实体建模,并把电流源以电流密度的方式输入,用矢量单元SOLID97代替标量单元,用MVP的方法求解得到力矩器线圈上的磁场分布和有效受力。建立了三维悬线式蓝光光学头力矩器的低频特性仿真分析模型。三维悬线式力矩器主要由可动部件和不可动部件组成,其中不可动部件主要包括磁铁和轭铁为磁场的主要组成部分,可动部件包括物镜架、物镜、五组线圈和六根悬线。三维悬线式力矩器在工作的时候是始终处于一种振动状态。三维悬线式力矩器的力学特性参数如一阶共振频率、一阶共振峰值、5Hz灵敏度和200Hz灵敏度等是体现力矩器性能的主要参数。利用ANSYS中的模态分析模块提取力矩器可动部件的模态。可动部件的低频区域主要为聚焦方向、循迹方向和倾斜方向上的固有频率分别50.5Hz,54.8Hz,205.2Hz,三种模态模拟结果与实验对比误差小于1%;可动部件的高频区域模态主要是物镜架组件的弹性共振,且二阶共振频率均大于20kHz。采用ANSYS软件中的谐响应模块对力矩器的特性参数进行模拟,而力矩器中的阻尼胶效应则使用等效阻尼系统来模拟,通过与实验对比仿真结果误差在5%以内。利用材料力学建立了三维悬线式蓝光光学头力矩器的等效刚度模型。根据振动原理知道六根悬线都作为理想的悬臂梁结构处理且这六根悬线为并联的方式。对每根悬线进行受力分析,采用材料力学中梁的挠度原理求解得到力矩三个方向的等效刚度模型,通过与实验结果对比误差在5%以内。并对悬线的长度、半径、夹角、不同截面以及六根悬线截面的进行不同设计为力矩器的频率优化提供设计方案。采用正交试验设计做为分析方法,提取力矩器磁场的七个磁场因子对力矩器的灵敏度进行优化。对力矩器磁场因子提取七个因子,利用三水平七因子的正交表分析,发现永磁铁的位置和其磁极方向对力矩器的灵敏度有较大的影响可以提高接近40%,为力矩器的灵敏度设计提供了设计基础。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-14
图表目录  14-18
第1章绪论  18-27
  1.1 选题背景  18-21
  1.2 光学头系统简介  21
  1.3 力矩器介绍  21-24
  1.4 课题目标及主要难题  24-25
  1.5 本文的主要内容  25-27
第2章光学头和力矩器的工作原理  27-40
  2.1 光学头和力矩器的工作原理  27-28
  2.2 光学头系统聚焦原理和循迹原理  28-31
    2.2.1 非点收差法  28-29
    2.2.2 三光束法  29-30
    2.2.3 差动相位检测法  30-31
  2.3 力矩器的传统力学模型  31-33
  2.4 力矩器的力学特性参数  33-35
  2.5 力矩器的实验测试  35-38
    2.5.1 力矩器实验测试原理  35-37
    2.5.2 本文研究的力矩器的实验测试结果  37-38
  2.6 本章小结  38-40
第3章三维悬线式力矩器的磁场分析  40-66
  3.1 三维悬线式力矩器的组成  40-43
    3.1.1 三维悬线式力矩器的组成  40-41
    3.1.2 力矩器运动分析  41-43
  3.2 力矩器电磁场理论模型  43-50
    3.2.1 永磁铁的磁场空间分布  43-45
    3.2.2 聚焦线圈的空间磁场分布  45-47
    3.2.3 循迹线圈的磁场空间分布  47-48
    3.2.4 倾斜补偿线圈的磁场空间分布  48-49
    3.2.5 力矩器磁场空间总的磁场分布  49
    3.2.6 电磁力和力矩  49-50
  3.3 电磁场有限元介绍  50-55
    3.3.1 电磁场有限元分析的原理  50-51
    3.3.2 ANSYS 电磁场分析的算法  51
    3.3.3 ANSYS 电磁场分析的单元  51-52
    3.3.4 ANSYS 电磁场分析的材料  52-54
    3.3.5 ANSYS 电磁场中边界条件和施加的载荷  54-55
  3.4 力矩器的静态磁场有限元分析  55-61
    3.4.1 永磁铁分析  55-57
    3.4.2 线圈分析  57-60
    3.4.3 力矩器总磁场  60-61
  3.5 力矩器的受力分析  61-65
    3.5.1 线圈上的有效磁场  62-63
    3.5.2 线圈的有效受力  63-65
  3.6 本章小结  65-66
第4章三维悬线式力矩器可动部件的模态分析  66-87
  4.1 三维悬线式力矩器的可动部件的结构  66-68
  4.2 有限元模态分析简介  68-71
    4.2.1 弹性力学基本方程  68-69
    4.2.2 模态提取算法  69-71
    4.2.3 模态分析的单元和约束载荷  71
  4.3 力矩器可动部件的建模和划分单元  71-75
    4.3.1 力矩器可动部件建模  71-73
    4.3.2 划分单元  73-75
  4.4 力矩器物镜架的静力分析  75-77
    4.4.1 聚焦方向的静力分析  75-76
    4.4.2 循迹方向的静力分析  76-77
  4.5 物镜架组件的模态分析  77-79
  4.6 力矩器可动部件的模态分析  79-86
    4.6.1 力矩器可动部件的约束  79-82
    4.6.2 可动部件的模态分析  82-86
  4.7 本章小结  86-87
第5章三维悬线式力矩器可动部件的谐响应分析  87-104
  5.1 谐响应分析目的  87-88
  5.2 ANSYS 谐响应分析简介  88-90
    5.2.1 谐响应分析原理  89-90
    5.2.2 ANSYS 谐响应分析求解算法  90
    5.2.3 ANSYS 谐响应分析的单元和载荷  90
  5.3 力矩器中阻尼胶作用及模拟方案  90-95
    5.3.1 阻尼胶的作用  91-92
    5.3.2 阻尼胶的模拟方案  92-95
  5.4 力矩器可动部件的中低频谐响应分析  95-98
    5.4.1 聚焦方向的低频分析  95-96
    5.4.2 循迹方向的低频分析  96-97
    5.4.3 倾斜转动的低频分析  97
    5.4.4 力矩器低频参数  97-98
  5.5 力矩器可动部件的高频分析  98-103
    5.5.1 聚焦方向的高频分析  98-100
    5.5.2 循迹方向的高频分析  100-101
    5.5.3 聚焦方向和循迹方向的幅频图和相频图  101-103
  5.6 本章小结  103-104
第6章三维悬线式力矩器的特性参数优化  104-129
  6.1 力矩器特性参数优化的原则  104-105
  6.2 力矩器的等效刚度模型  105-115
    6.2.1 聚焦方向的等效刚度  105-110
    6.2.2 循迹方向的等效刚度  110
    6.2.3 倾斜运动的等效刚度  110-114
    6.2.4 等效刚度的验证  114-115
  6.3 悬线几何参数对固有频率的影响  115-121
    6.3.1 悬线的夹角  115-116
    6.3.2 悬线的长度  116-117
    6.3.3 悬线的半径  117
    6.3.4 悬线的不同截面  117-120
    6.3.5 六根悬线的不同设计  120-121
  6.4 三维悬线式力矩器的灵敏度优化  121-128
    6.4.1 灵敏度的概念  121-122
    6.4.2 灵敏度优化参数  122-124
    6.4.3 灵敏度优化目标  124-125
    6.4.4 灵敏度优化结果  125-128
  6.5 本章小结  128-129
第7章总结与展望  129-131
  7.1 工作总结  129-130
  7.2 展望  130-131
参考文献  131-137
致谢  137-138
在读期间发表的学术论文  138-139

三维悬线式蓝光光学头力矩器的特性研究及优化

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