基于PMAC的微结构密集阵列加工机床数控系统的开发

发布时间：2017-09-29 05:36

  本文关键词：基于PMAC的微结构密集阵列加工机床数控系统的开发

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【摘要】：微结构功能表面是指具有特定微小拓扑形状的功能表面,由于其独特的光学性能,在光学系统领域有着广阔的应用前景,市场需求巨大。目前,微结构光学功能表面元件大批量高效率生产的主要途径是复制加工技术,但是在微结构光学元件的复制过程中,微结构表面模具的加工质量对最终的产品性能起着决定性的作用。因此,研究开发能够实现微结构表面模具加工的机床并满足加工需要的数控系统,对实现微结构光学功能元件低成本和大批量生产具有重要意义。本课题根据微结构密集阵列的加工工艺要求,采用压电陶瓷驱动的刀架装置作为微进给机构,实现金刚石刀具沿Z轴方向高频响、短行程的快速进给运动,并搭建基于IPC和PMAC的硬件平台,开发了微结构密集阵列数控系统。首先,根据微结构密集阵列的加工要求,确定加工机床的整体布局,选用加工系统的硬件,设计了刀架装置并分析其驱动原理,搭建了数控系统的电控系统,并确定输入输出信号的连接。利用Qt4.8,采用模块化设计思想开发了一套界面美观,易于操作的数控系统软件,并对数控系统软件关键问题和功能模块的实现进行了较为深入的探讨。其次,基于Balser和OpenCV开发了微点阵加工在位检测系统,实现对加工图像的采集和保存。采用标准件,对在位检测系统进行标定。对采集的图像进行预处理,采用基于9×9模板的三次样条曲线插值法进行亚像素边缘检测,利用最小二乘法对获取的轮廓进行圆的拟合,求得圆轮廓直径的像素尺寸,通过标定系数计算微结构直径的实际尺寸。最后,进行加工机床的参数调节与优化,通过对PID参数和速度、加速度、摩擦前馈参数的调节,改善了控制系统的稳态特性和动态特性。利用激光干涉仪测得各个进给轴的定位误差,并对各个轴进行定位误差的补偿,提高了加工机床的定位精度。其中,X轴在250mm工作行程上的定位误差范围从24.57μm降为2.155μm。介绍了微结构点阵的排列方式,利用开发的数控系统进行了四种类型的微结构密集阵列的加工,并利用白光干涉仪对加工的微点阵进行检测。加工实验结果与实际要求相符,表明了开发的数控系统是可行的,可满足微结构密集阵列的加工要求。综上所述,本课题在数控系统硬件平台的搭建、人机交互界面的设计、开放式数控系统的开发、机器视觉在位检测技术、控制系统PID调节以及加工验证实验等方面取得了研究成果,这些研究对其他类型微结构的加工机床数控系统的研制具有参考价值。
【关键词】：微结构功能表面 数控系统 压电陶瓷 刀架装置 在位检测 PID
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG659
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 绪论14-26
• 1.1 课题来源及课题的背景意义14-16
• 1.1.1 课题来源14
• 1.1.2 课题的背景及研究意义14-16
• 1.2 国内外研究现状16-23
• 1.2.1 微结构表面金刚石加工技术研究现状16-18
• 1.2.2 导光板微结构及新型导光板成型技术18-21
• 1.2.3 开放式数控系统的研究现状21-23
• 1.3 本文的主要研究内容23-26
• 第二章 微结构密集阵列加工机床数控系统的硬件设计26-35
• 2.1 微结构密集阵列加工机床的总体结构及技术要求26-27
• 2.2 数控系统的硬件结构27-28
• 2.3 微结构密集阵列数控系统的硬件组成28-30
• 2.3.1 IMAC400运动控制器及工控机28-29
• 2.3.2 直线电机及伺服驱动器29
• 2.3.3 光栅尺29
• 2.3.4 压电陶瓷及其驱动电源29-30
• 2.3.5 工业相机及光源的选择30
• 2.4 刀架装置及驱动原理30-31
• 2.5 数控系统电控系统的设计与搭建31-33
• 2.6 本章小结33-35
• 第三章 微结构密集阵列加工机床数控系统的软件开发35-46
• 3.1 数控系统的软件结构35-36
• 3.2 数控系统软件关键问题的研究36-42
• 3.2.1 IPC与IMAC400通讯的建立36
• 3.2.2 超大容量代码加载36-38
• 3.2.3 回零策略38-40
• 3.2.4 加工代码同步高亮显示40-41
• 3.2.5 G代码的解释程序41-42
• 3.3 人机交互界面的设计42-43
• 3.4 软件功能模块的实现43-45
• 3.5 本章小结45-46
• 第四章 微点阵加工在位检测关键技术研究46-61
• 4.1 在位检测系统实现具体流程46-49
• 4.2 亚像素边缘检测算法49-55
• 4.2.1 边缘的类型分析49-51
• 4.2.2 梯度方向的确定51-52
• 4.2.3 三次样条插值52-54
• 4.2.4 亚像素坐标的计算54-55
• 4.3 最小二乘法圆拟合算法研究55-57
• 4.4 检测系统标定57-58
• 4.5 在位检测实验及分析58-60
• 4.6 本章小结60-61
• 第五章 微结构密集阵列加工机床调试及加工实验61-81
• 5.1 加工机床的参数调节与优化61-68
• 5.1.1 Compax3驱动器的参数的配置及优化调节61-63
• 5.1.2 IMAC400的PID参数的调节63-68
• 5.2 加工机床定位精度检测及误差补偿68-73
• 5.2.1 激光干涉仪测量定位精度原理68-69
• 5.2.2 IMAC400误差补偿原理69-71
• 5.2.3 定位精度检测及误差补偿71-73
• 5.3 微结构密集阵列加工实验73-80
• 5.3.1 加工工艺分析及加工速度测试73-75
• 5.3.2 加工实验及检测75-80
• 5.4 本章小结80-81
• 总结与展望81-83
• 参考文献83-87
• 攻读硕士学位期间发表的论文87-89
• 致谢89

【参考文献】

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