基于两轴快刀伺服平台的微结构表面加工控制与误差分析

摘要

微结构表面是指面形精度达到亚微米级且具有特定功能的微小表面，其主要的特征在于结构的功能性，如微结构表面光学元件的表面结构决定了对光线的反射、折射或衍射性能，便于优化光学系统，减轻重量，缩小体积，因此在国防科技领域和民用工业领域都体现出重要的应用价值和广阔应用前景。近年来，国内外对微结构表面制造技术的研究不断深入，其中基于快刀伺服(FTS)的超精密车削技术以其高频响、高定位精度和高加工精度等特点，逐渐成为微结构表面车削加工的主流技术之一。目前快刀伺服加工主要的研究方向是通过提高快刀伺服加工机床的运动精度来提高微结构表面加工精度，但是该方法对设备要求高、成本大，在现有制造技术水平条件下，基于机床特性的误差补偿方式对提高微结构表面加工精度更加可行且具有实际意义。因此，本文研究了基于两轴快刀伺服平台的微结构表面加工控制与误差补偿，主要内容如下:
　　1、快刀伺服平台的搭建:完成对快刀伺服刀架的设计，机床机械结构和电气结构的设计，对加工平台进行性能测试并加以优化，同时开发了集加工路径规划和加工控制于一体的典型微结构表面加工软件;
　　2、微结构面型加工路径规划:完成对透镜阵列、菲涅尔透镜以及正弦网格三种典型微结构的面型计算以及加工路径规划;
　　3、微结构面型加工实验:完成对透镜阵列、菲涅尔透镜和正弦网格三种典型微结构面型的实验加工，从而验证了本文所研究的典型微结构面型加工路径规划的正确性，并初步分析了快刀伺服平台所存在的误差;
　　4、机床运动误差补偿:分别从理论上和实验上完成了对快刀伺服平台所存在的各轴误差的分离，并将各轴误差补偿至透镜阵列加工程序中，使得透镜阵列的平均加工误差从40μm降到25μm左右，从而验证了机床运动误差理论性分离及误差补偿加工的可行性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 实现微结构表面车削加工的方式

1．2．1 飞切加工技术

1．2．2 慢刀伺服加工技术

1．2．3 快刀伺服加工技术

1．2．4 三种加工方式的特点比较

1．3 快刀伺服加工技术国内外研究现状

1．4 本文主要研究内容

第二章 两轴快刀伺服平台搭建

2．1 两轴快刀伺服平台总体方案

2．1．1 快刀伺服刀架设计

2．1．2 两轴伺服平台设计

2．1．3 电气设计

2．2 典型微结构表面加工控制软件开发

2．3 快刀伺服平台的调试及初步误差分析测试

2．3．1 移动进给轴性能分析

2．3．2 主轴性能分析

2．3．3 快刀轴性能分析

2．4 本章小结

第三章 典型微结构面型生成方法

3．1 透镜阵列

3．1．1 透镜阵列面型计算方法

3．1．2 透镜阵列加工刀具补偿

3．1．3 透镜阵列加工路径算例

3．2 菲涅尔透镜

3．2．1 菲涅尔透镜面型计算方法

3．2．2 菲涅尔透镜加工刀具补偿

3．2．3 菲涅尔透镜加工路径算例

3．3 正弦网格面型

3．3．1 正弦网格面型计算方法

3．3．2 正弦网格加工刀具补偿

3．3．3 正弦网格加工路径算倒

3．4 本章小结

第四章 微结构面型加工实验

4．1 透镜阵列面型加工

4．2 菲涅尔透镜面型加工

4．3 正弦网格微结构面型加工

4．4 实验结果分析

4．5 本章小结

第五章 机床运动误差分析及补偿加工

5．1 机床运动误差理论性分离

5．1．1 机床运动误差理论性分离原理

5．1．2 机床运动误差分离过程

5．2 机床运动误差实验性分离

5．2．1 滑轨不垂直度误差测量

5．2．2 主轴误差测量

5．2．3 快刀轴误差测量

5．3 误差补偿加工实验

5．4 本章小结

第六章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

硕士期间科研成果