微结构光学元件快速伺服刀架加工技术研究

微结构光学元件是一种微小的拓扑元件,通常分为微沟槽列阵、锥形列阵以及微透镜列阵等,这些微结构光学元件能在一些手持装置(例如手机)的平板显示器上得到先进的光学应用.由于产品微型化的需求越来越紧迫,传统的刻蚀方法不再适用于加工高质量的光学微结构产品,为此,提出了一种新型的加工高质量光学微结构元件的技术,该技术以快速伺服刀架加工系统为基础,并结合新开发的刀具轨迹生成器,该刀具路径生成器主要是针对快速伺服刀架加工系统而开发的,它可以根据光学微结构元件的设计直接生成加工所需的刀具轨迹,而不需要进行任何的后续处理,最后,通过加工实例证明了上述加工系统的可行性并得到了符合要求的加工效果。

基于快速伺服刀架技术的菲涅尔微结构金刚石超精密加工及其控制技术

微结构功能表面的金刚石超精密加工技术是近年来国外兴起的一项新技术,国内在这一研究领域处于起步阶段。并且由于受加工设备所限,使得该技术在国内的开展显得异常艰难,为了克服这一困难,自行设计带有快速伺服刀架(Fasttoolservo,FTS)的超精密加工机床,提出按照自适应指数趋近律来设计滑动模态控制律,并将滑膜变结构控制策略引入FTS的控制中,同时,将FTS的PID控制策略和滑膜变结构控制策略进行试验对比,试验结果显示,在滑模变结构控制策略下,FTS的响应时间与PID控制相近,但滑模变结构控制算法下几乎无超调,稳态精度高,正弦跟踪控制效果优于常规PID控制算法;最后,根据滑膜变结构控制策略对菲涅尔微结构表面进行金刚石超精密车削加工试验,成功地加工出半径5mm,浮雕深度10μm,表面粗糙度约35nm的菲涅尔微结构。

基于柔性铰链的新型快速伺服刀架设计

针对目前用于非圆精密加工的快速伺服刀架只能提供单向驱动力的问题,设计了一种基于柔性铰链的新型快速伺服刀架。建立了刀具放大结构的力学模型,利用理论力学的知识推导出刀具的放大率、刚度和固有频率解析式,并对实验刀具进行有限元分析。为了验证理论计算和有限元分析结果的准确性,对刀具进行实验测试。测试结果显示,理论计算结果与实验结果的最大误差为14.87%,平均误差为12.635%,有限元分析结果与实验结果的最大误差为6.54%,平均误差为5.925%,表明理论计算和有限元分析的准确性。最后提出了一种快速伺服刀架参数的初选流程,为快速伺服刀架的研究提供一定的理论基础。

微结构表面金刚石车削加工过程中快速伺服刀架的控制

微结构表面金刚石车削加工过程中由于切削深度突变而易于引起切削力干扰,采用滑模变结构控制算法来解决这一问题。研制了用于微结构表面加工的快速伺服刀架,建立了快速伺服刀架动力学模型,并设计了基于连续时域模型的滑模变结构控制器,它与系统的参数变化及扰动无关,因此在切削过程中具有很好的鲁棒性。另外,滑模变结构控制系统快速性好,无超调,计算量小,实时性强,很适合于加工控制。针对滑模变结构控制算法与常规PID控制算法进行了阶跃响应对比实验,结果表明滑模变结构控制算法比常规PID控制算法的超调小,稳态误差小于20nm。最后以微菲涅耳透镜作为微结构表面的实例进行加工实验,实验结果进一步验证了滑模变结构控制算法的有效性。

双柔性支撑板快速伺服刀架优化设计及测试

设计了一种基于双柔性支承板的快速伺服刀架用于金刚石车削加工非回转对称微结构表面,并对其性能进行了测试。根据约束条件推导了刀架柔性支承板的刚度解析表达式,同时给出了柔性板上最大Von Mises应力的计算公式。根据快速伺服刀架设计指标,优化了柔性支承板的结构参数,并根据上述结构参数,加工得到了快速伺服刀架。最后,搭建了快速伺服刀架控制系统,测试了它的静态及动态特性。测试结果表明,设计的快速伺服刀架的刚度为53N/μm,最小运动分辨率为3nm,工作行程可达20μm。另外,它的稳态跟踪误差小于4nm,开环带宽为2kHz,一阶固有频率可达3kHz。测试结果不仅验证了所述设计方法的正确性,也表明采用双柔性支承板结构是设计高刚度、高精度微位移机构的一种有效方法。

快速伺服刀架迟滞特性的Preisach建模(英文)

使用压电陶瓷作驱动元部件的快速伺服刀架是一种新的加工手段。本文介绍了基于Preisach模型的快速伺服刀架迟滞特性建模方法。作为快速伺服刀架的驱动元部件,压电陶瓷微位移器自身的迟滞、蠕变等非线性特性严重影响了快速伺服刀架的动态性能。为了精确建立快速伺服刀架的迟滞模型,给出了Preisach模型的数字表达方式,通过一系列实验测得的数据证明快速伺服刀架系统具有一致特性与擦除特性,满足Preisach模型的两个必要条件,最后在实验数据的基础上建立了基于Preisach模型的迟滞特性模型。实验表明,该迟滞模型可以很好地预测快速伺服刀架的迟滞位移曲线,其预测误差不超过0.65μm。

面向快速伺服刀架的柔性铰链结构优化设计

在机械超精密加工中,以压电陶瓷驱动柔性铰链的快速伺服刀架系统是保证加工精度和效率的关键系统之一。根据柔性铰链在该系统工作过程中频率高、加速度高的特点,分析选择其缺口形式的原则,设计柔性铰链对称的拓扑结构,建立柔性铰链的动态数学模型,利用解析方程求解符合满足加工要求的放大倍数。最后根据柔性铰链要求有较好的热稳定性及柔度等特性,借助Ansys仿真出压电陶瓷的驱动力与柔性铰链的微位移之间的关系。

基于RBF神经网络的快速伺服刀架迟滞特性建模

为了减小压电陶瓷固有的迟滞非线性特点对快速伺服刀架(FTS)控制精度的影响,提出了一种基于RBF神经网络的快速伺服刀架迟滞特性建模方法.利用拓展输入空间法建立了FTS迟滞系统的RBF神经网络模型,通过引入指数型迟滞算子,将FTS系统的输入与迟滞算子的输出一起作为RBF神经网络的输入向量,实现了FTS迟滞系统由多值映射到单值映射的转换,进而利用神经网络对其进行建模.为了更精确地跟踪快速伺服刀架的迟滞位移曲线,通过增加调整系数σ来对迟滞算子进行改进.实验表明,该迟滞模型可以很好地预测快速伺服刀架的迟滞位移曲线,模型的验证均方差MSE=5.163 3×10-6.

双向二维快速伺服刀架的前馈控制研究

以压电陶瓷驱动器作为动力输入的快速伺服刀架具有输出力大和高频率响应的优点。压电陶瓷驱动器固有的迟滞现象严重影响了快速伺服刀架的输出定位精度。为解决此问题,通过引入归一化Bouc-Wen模型建立前馈控制补偿器,归一化Bouc-Wen模型解决了经典Bouc-Wen模型中存在的参数冗余问题。获得模型参数后,基于其逆模型搭建了前馈补偿器,并在搭建的实验平台上进行了单/双自由度轨迹跟踪性能测试。实验结果表明,对于等幅正弦波信号,经前馈控制环节补偿下快速伺服刀架的最大轨迹跟踪误差为1.18%,最大轨迹跟踪偏差为2.61%,证明该文所提出的前馈控制补偿器能提高快速伺服刀架的定位精度。

双向压电驱动的二维快速伺服刀架

快速伺服刀架能够提供精确、快速的微纳米级运动。为了获得双向和二维运动,该文研制了一种双向压电驱动的二维快速伺服刀架。该刀架采用对称结构设计,结合柔顺放大机构和位移解耦机构,末端执行机构实现较大的输出位移,同时减小耦合位移。基于伪刚体模型,建立快速伺服刀架的静力学和动力学模型,得到机构的输出位移、输出耦合比、最大应力和固有频率。通过有限元仿真验证了模型的正确性。最后,采用电火花线切割加工快速伺服刀架原型样机,并搭建了实验测试系统。实验结果表明,快速伺服刀架在x、y方向的位移放大率分别为3.56和3.57;输出耦合误差分别为1.26%和1.00%,装配压电陶瓷驱动器后系统在x、y方向的一阶固有频率均是270 Hz,系统动态性能良好。

基于压电陶瓷驱动的新型快速伺服刀架设计

快刀伺服技术被广泛应用在军事、医学等领域,可实现微透镜阵列等复杂面型零件的加工。针对快速伺服装置中直圆型柔性铰链易疲劳的问题,引入平面柔性铰链设计了一种基于压电陶瓷驱动的新型快速伺服刀架。结合设计要求,利用理论知识对平面柔性铰链进行参数设计。对刀架结构进行有限元分析,验证参数选用的合理性。分析结果显示,基于参数设计的快速伺服刀架达到了加工要求,为刀架的后续研究提供了一定的理论基础。

三种二维快速伺服刀架仿真分析

基于压电堆栈驱动器和三种S形平面弹簧设计新型压电式二维快速伺服刀架(FST)。根据直梁形、倒角形和圆弧形FST的特点建立有限元模型,对FST的静态和模态性能进行分析。结果表明:相比直梁形和圆弧形FTS,倒角形FST的x向和y向行程均为最大。此研究内容可为二维FST的设计提供理论基础。

三种一维快速伺服刀架的仿真分析

利用卡氏第二定理推导了S形平面弹簧x向柔度解析式,设计了基于压电堆栈驱动和S形平面弹簧为定位机构的新型一维快速伺服刀架。基于倒角S形、直梁S形和圆弧S形快速伺服刀架的特点建立有限元模型分析这三种快速伺服刀架的静态和模态性能。结果表明:相比直梁S形和圆弧S形快速伺服刀架,倒角S形快速伺服刀架的行程最大。此研究内容为快速伺服刀架的工程设计提供理论基础。

快速伺服刀架神经网络自适应PID控制

为了提高快速伺服刀架的控制性能,减小跟踪误差,实现正弦网格表面精密加工,提出了基于RBF和BP神经网络的自适应PID控制策略。由仿真结果可以看出,采用基于神经网络的自适应控制算法,使跟踪误差的最大值降低为1.37μm,跟踪误差的绝对均值降低为0.52μm。这两项指标相对与传统PID控制分别降低了28%和40%。

高频响伺服刀架的建模与控制

考虑目前应用压电陶瓷驱动器的伺服刀架只能提供单向驱动力,设计了一种基于双压电陶瓷驱动器的快速伺服刀架。涉及的两个压电陶瓷驱动器分别为刀具的进给和回复提供驱动力,其呈对称布置,用于有效提高刀架的整体刚度。为了对两个压电陶瓷驱动器进行联动协调控制,建立了PI迟滞模型和其逆模型,并设计了相应的联动协调控制方法。利用PI逆模型作为PID反馈控制的前馈环节构成复合控制用于调节快速伺服刀架的输出位移。实验验证了新型快速伺服刀架的响应频率、响应时间、位移响应特性和定位精度。结果显示:新型快速伺服刀架的响应频率为871.86 Hz,响应时间为0.000 45s;三角波信号的最大定位误差为3.366 1μm,误差百分数为7.63%,平均绝对误差为0.698 0μm,误差百分数为1.58%;正弦波信号的最大定位误差为3.244 4μm,误差百分数为7.67%,平均绝对误差为0.930 9μm,误差百分数为2.20%。

台式超精密车床关键部件结构设计

随着系统小型化已不断的成为一种趋势,微小精密零部件在很多领域都显示出越来越广阔的应用前景。目前,多数微小精密零部件都是由大型超精密机床加工的,由于大型超精密机床成本高,并难以控制其外界环境,使得其加工成本很高,因此,研制了台式超精密车床。本文介绍了该车床关键部件的设计,包括空气主轴、进给机构、快速伺服刀架等。该机床精度达亚微米级,不仅促进了微小型产品的制造与研究,而且加速了制造业的发展。

UMAC时基控制原理及其在非轴对称微结构表面切削中的应用

针对非轴对称微结构表面加工的实时性要求,采用压电陶瓷驱动的快速伺服刀架(FTS)作为微进给机构,实现刀具沿z向高频响、短行程的快速精密进刀运动,并构建了基于UMAC多轴运动控制器的微结构车削数控系统。应用UMAC的时基控制功能实现快速伺服刀架(FTS)进给与主轴转角θ的同步,来完成非轴对称微结构表面的加工。

基于FTS的非轴对称微结构表面超精密切削系统研究

介绍了基于快速伺服刀架(FTS)的微结构表面超精密金刚石车削加工系统,并利用该系统成功实现了典型非轴对称结构正弦网格表面的加工。作为FTS的驱动元部件,压电陶瓷微位移驱动器的迟滞、蠕变非线性特性大大影响了系统的动态性能与加工精度。因此,建立了基于拓展输入空间法的FTS神经网络逆模型,并结合PID反馈控制,实现了FTS的闭环控制。实验结果表明,该控制策略可以有效提高FTS的动态性能,其跟踪误差小于150nm,为微结构表面的加工提供了可靠的保证。

基于BP神经网络的FTS输出控制

针对压电伺服刀架系统存在着固有的灵敏度低和加工过程中的一系列振动等问题,采用神经网络优化算法,提出了一种新型压电伺服刀架位移输出控制技术。获得系统传递函数,探究其内部联系,输出PID闭环阶跃响应曲线。借助于PID控制器,采用BP神经网络算法实现对于该系统的闭环控制。实验结果表明:传统PID控制系统对刀架平台进行控制后,刀架平台输出位移误差降低,平均误差为0.174 3μm,达到稳态值时的响应时间为0.36 s。而BP神经网络PID控制技术可以将平均误差缩小至0.112 6μm,响应时间大幅度减少为0.15 s,相对于传统控制技术的响应速度、超调量等性能进行了显著改善,同时,综合考虑了具体控制过程中的可靠性。

微结构表面车削多轴联动数控系统的研究

微结构表面是指具有特定微小拓扑形状的功能表面,在民用和军用工业领域有着广泛的应用。利用快速伺服刀架(FTS)作为精密微位移加工模块来车削加工微结构表面的方法已经成为微结构表面切削加工的一种主流技术,建立相应的多轴联动数控系统是实现非回转对称微结构表面加工的前提条件。利用PC机及基于DSP的运动控制器(UMAC)构成双CPU的开放式数控系统,设计并搭建用于非回转对称微结构表面加工的多轴联动数控系统,利用UMAC控制器的时基触发控制功能实现了快速伺服刀架与主轴转角及X轴进给的精确同步功能。利用该多轴联动数控系统成功实现了复杂微结构表面的超精密车削加工,所加工正弦网格微结构表面的粗糙度达到了8.6 nm。