抗反射表面金刚石车削的研究

发布时间：2017-09-04 17:51

  本文关键词：抗反射表面金刚石车削的研究

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【摘要】：对于抗反射表面加工,传统的微机电(MEMS)技术,各类基于激光、反应离子束制备技术以及相对前沿的纳米压印、化学生长合成等加工技术,往往存在设备成本较高,制备周期长,材料局限性高等问题,且不能有效控制在复杂面型基础上制备抗反射性能结构表面。本文一方面为打破上述局限性,另一方面考虑到现有研究结果表明非周期性的表面结构比阵列特征的表面结构具备更佳的抗反射性能,由此提出了一种三自由度伪随机车削方法,能够实现在多种材料、任意自由曲面面型下,以金刚石车削形式加工抗反射功能结构表面。该方法在保证目标表面面型精度和加工效率的前提下,主动控制金刚石刀具做空间三自由度伪随机运动,以此获得任意解析自由曲面面型基础上的非周期性残留结构特征表面。本文主要工作及贡献有：1.提出了三自由度伪随机刀具路径。通过分别对具有解析特征的待加工工件表面和金刚石刀具建立笛卡尔坐标系,采用等角度离散办法,以刀刃轮廓和目标表面相切为条件求解刀触点,从而生成自由曲面恒进给刀具路径。考虑实际工作时的金刚石刀具的运动约束,构建可调参数的二阶处理系统,将生成的具有平均分布特性的随机信号通过该系统处理最终生成驱动信号,最终生成三自由度伪随机刀具路径。2.提出了一种新型串并混联三自由度快速刀具伺服(Fast Tool servo, FTS)机构。与现有三自由度FTS机构以及微位移平台相比,本文机构具有较高的开环运动解耦性能。该机构利用差动原理实现x轴与z轴的运动,而y轴运动由串联部分独立产生。并在设计过程中分别以柔度矩阵算法和有限元软件进行了静力学和运动学分析与验证。进一步对该机构进行了开环离线测试,其沿x轴方向的行程为-8.43μm至12.38 gm,y轴方向的行程为12.2μm,z轴方向的行程可以达到23.1μm,且各轴运动耦合量均小于5%,相应运动分辨率分别为10nm,12nm与10nm；测得各轴固有频率分别为870 Hz,1030 Hz及840Hz,确保该机构能够具备300 Hz的工作带宽；此外,各轴的开环阶跃响应时间均较小,保证了其快速跟踪能力。3.进行了抗反射表面加工及性能对比实验。分别以6061铝、黄铜及紫铜为待加工材料,在不同参数条件下进行了实际伪随机车削实验,对获得工件表面在激光扫描显微镜下作了表面残高结构观察,具体分析了不同因素对工件表面残高特征的影响,验证本文提出的三自由度伪随机车削办法能够有效加工出非周期性表面残高结构。通过CCD激光分析仪和激光发射器搭建了抗反射性能测试系统,分别对不同加工参数下传统恒进给车削所获得的工件表面与伪随机车削的工件表面做了对比试验,实验结果很好地验证了本文三自由度伪随机金刚石车削条件下的非周期性表面结构具备更佳的抗反射效果。
【关键词】：抑制反射 伪随机车削 三自由度快速刀具伺服 柔性铰链 柔度矩阵 抗反射性能
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG51
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 研究背景及意义10-14
• 1.2 国内外研究现状14-19
• 1.2.1 抗反射表面非车削加工方法14-18
• 1.2.2 抗反射表面的车削研究18-19
• 1.3 研究目标和研究内容19-22
• 第2章 刀具路径规划22-38
• 2.1 金刚石刀具设计22-25
• 2.1.1 刀具前角的选取22-23
• 2.1.2 刀具后角的选取23
• 2.1.3 刀刃圆弧半径的选取23-25
• 2.1.4 刀尖夹角的选取25
• 2.2 伪随机刀具路径规划方法25-35
• 2.2.1 加工表面与刀具解析表征26-28
• 2.2.2 伪随机信号生成与处理28-30
• 2.2.3 三自由度伪随机路径生成30-35
• 2.3 本章小结35-38
• 第3章 一种三自由度运动解耦快速刀具伺服设计38-62
• 3.1 三自由度FTS机构设计38-44
• 3.1.1 驱动方式选择38-41
• 3.1.2 导向单元的选型41-42
• 3.1.3 机构构型设计42-43
• 3.1.4 FTS机构整体布局43-44
• 3.2 三自由度FTS运动原理44-47
• 3.2.1 机构x、z轴方向运动原理44-46
• 3.2.2 机构y轴方向运动原理46-47
• 3.3 三自由度FTS导向单元静力学分析47-54
• 3.3.1 直圆形导向单元静力学分析48-51
• 3.3.2 Z型导向单元静力学分析51-54
• 3.4 三自由度FTS整体力学特性分析54-59
• 3.4.1 三自由度FTS机构整体静力学分析54-58
• 3.4.2 三自由度FTS机构整体运动学分析58-59
• 3.5 本章小结59-62
• 第4章 机构性能测试与车削实验结果分析62-80
• 4.1 机构性能测试系统及环境62-64
• 4.1.1 测试实验系统构成62-64
• 4.1.2 实验环境噪声测试64
• 4.2 机构离线性能测试64-72
• 4.2.1 机构工作行程及耦合测试64-67
• 4.2.2 机构位移分辨率测试67-69
• 4.2.3 机构工作带宽测试69-70
• 4.2.4 机构阶跃响应测试70-72
• 4.3 机构车削实验及结果分析72-77
• 4.3.1 车削实验设备及材料72-73
• 4.3.2 机构车削实验73-74
• 4.3.3 工件表面形貌对比74-76
• 4.3.4 加工表面抗反射性能试验76-77
• 4.4 本章小结77-80
• 第5章 全文总结与展望80-84
• 5.1 全文总结80-81
• 5.2 展望81-84
• 参考文献84-90
• 附录90-92
• 致谢92-93

【二级参考文献】

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1 赵清亮;王义龙;于光;谢大纲;杨元华;卢猛;;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[J];机械工程学报;2010年09期

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本文编号：792982