超精密加工伺服振动对微透镜阵列创成影响研究

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微透镜阵列表面是一种广泛应用于光学的微结构功能表面。其由尺寸为亚微米级的透镜组成阵列结构,除具有传统透镜基本功能外,还呈现传统透镜不具备的特殊功能,尤其具备轻量化、小型化、集成化等优点。因此在许多新型光学系统中,微透镜阵列有着广泛的应用。目前,相较于其他加工方式,超精密加工是一种具有高精度以及高效率的确定性成形方法。然而,现阶段对超精密加工过程中伺服振动对微透镜阵列创成影响的理论与实验研究还不够深入。为此,本论文主要研究在超精密加工微透镜阵列中慢刀伺服振动内在机理,分析其对微透镜阵列创成的影响机制。主要内容为:(1)针对慢刀伺服系统,分析系统运动部分及驱动部分。将机械传动及执行机构简化为二阶弹簧——阻尼系统,经过拉普拉斯变换得到其特征方程,从而得知理论位移与实际位移的关系。研究永磁同步直线电机在各坐标系下的数学模型,选择能够实现各轴向分量解耦的模型,利用矢量控制原理保证系统能够平稳运行。在Simulink环境下对各部分进行仿真,并联合建立起伺服系统振动模型。(2)根据微透镜阵列车削加工表面成形原理,给出阵列类表面刀具轨迹计算方法。针对传统补偿方法会引入X向高频分量的问题,提出既能保证形状精度又能减少高频分量的补偿方法。根据表面残留高度的计算,考虑主轴转速、进给速度以及刀尖半径等因素对表面形状的影响,得到微透镜阵列车削表面生成模型。(3)结合以上提出的模型,对比分析使用伺服振动模型前后的路径和表面,讨论伺服振动对微透镜阵列创成的影响。针对由振动所引起的波动和偏移现象,分别提出相应解决办法,利用所建立的模型验证其有效性。(4)采用不同加工参数与方法,利用慢刀伺服进行相应微透镜阵列加工实验,并测量形貌。对比仿真与实验结果,验证了所建立伺服振动模型的正确性;对比各加工方法实验结果,证明了所提出解决方法的有用性;对比各加工参数实验结果,讨论了加工参数对伺服振动的影响。
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