圆柱表面微结构超精密加工关键技术研究

发布时间：2017-08-20 01:11

  本文关键词：圆柱表面微结构超精密加工关键技术研究

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【摘要】：具有各种形式微结构的光学薄膜在液晶显示、LED照明、光学仪器等领域应用广泛,市场需求巨大。辊子是微结构光学薄膜模压制造的核心零件。在辊子上加工出高质量的光学微结构,如微球面阵列、菲涅尔结构阵列、棱镜阵列、金字塔阵列等,是光学薄膜制造的关键。辊子圆柱表面的微结构复杂,形状精度、表面粗糙度要求也极高,使得其加工制造成为难点,超精密车削成形是一种高效加工方式。然而,车削加工的可达性、海量微结构表面加工的一致性、伺服刀具动态特性的制约等方面是辊子微结构超精密加工需关注的关键问题。圆柱面微结构的加工不同于端面,其刀具路径为等直径的螺旋线。柱面是封闭曲面,微结构阵列由柱面到平面的展成方法、微结构单元沿圆周方向的衔接也成为技术难点。本文以圆柱表面微结构阵列加工为研究对象,在理论层面探讨了微结构阵列的统一表达形式,从刀具几何形状、伺服刀具动态特性制约等方面入手研究了微结构阵列的可加工性,建立了圆柱面微结构阵列车削加工的实验系统,并对典型柱面微结构进行了加工实验。论文主要内容如下:1、研究了微结构阵列的统一表征方法。采用经典拓扑表达模型描述微结构阵列单元之间的拓扑关系,在此基础上结合内部-边界-外部的方向关系以及距离关系,形成了任意形式微结构阵列空间关系的统一表达模型。对具有方程描述且形式简单的微结构阵列,采取了用矢量空间拓扑关系组合模型进行表达的方法。研究统一表达模型有助于规范设计过程、简化加工程序设计。2、探讨了圆柱表面微结构可加工性的制约规律。首先,从不发生几何干涉的角度,具体研究了金刚石刀具几何尺寸与微结构特征尺寸之间的制约关系,得到了刀具参数的设计依据;其次,从伺服刀具频域响应的角度,研究了伺服刀具动态性能与微结构阵列之间的制约关系,研究表明输入信号除基频外的频率成分对加工也可能会有一定影响;最后,综合考虑刀具几何尺寸、伺服刀具动态特性、机床性能等,形成了单因素或多因素耦合的微结构可加工性制约曲面,从而为工艺参数的选定提供指导。3、研究了微结构切深数据的生成算法。推导了适用于柱面微结构的刀具半径补偿算法,应用了最小二乘曲面拟合的方法进行离散数据的曲面拟合。得到了可用于离散数据的双线性插值算法,并以口径较小、深度较大的球面微结构为例进行检验。结果表明这种插值方法计算简单,误差较小。结合刀具半径补偿和数据插值解决了切深数据生成算法的编程问题。4、分析了影响微结构阵列加工精度的误差源,研究了加工精度的评价方法。分别分析了圆柱直径测量误差、刀具高度调整误差、刀具过切这三者对单个微结构轮廓精度的影响,得到了其中的影响规律。通过实验发现控制器计算频率对表面质量有重要影响。针对柱面微结构的特殊情况,研究了测量方法、抽样方法和微结构阵列的评价指标。5、开展了典型微结构阵列的加工实验。对球面、正弦网格、非球面及不规则分布的球面微结构分别进行了加工实验。利用超景深三维光学显微镜观察表面,通过对轮廓仪测量得到的数据进行分析,给出了评价结果。所加工的微结构阵列表面粗糙度(RMS)可控制到nm级,面形精度可达到亚微米。
【关键词】：圆柱面微结构阵列 超精密车削 快刀伺服系统 拓扑关系 刀具半径补偿
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH16
【目录】：

• 摘要10-12
• ABSTRACT12-14
• 第一章 绪论14-23
• 1.1 课题研究的背景与意义14-15
• 1.2 国内外研究现状15-21
• 1.2.1 国外研究现状15-20
• 1.2.2 国内研究现状20-21
• 1.3 本文研究的主要内容21-23
• 第二章 微结构阵列统一表征方法23-32
• 2.1 拓扑学基础23-24
• 2.2 微结构阵列的拓扑模型24-26
• 2.2.1 RCC模型24-25
• 2.2.2 4/9 交集模型25
• 2.2.3 矢量空间中拓扑关系组合推理模型25-26
• 2.3 微结构阵列的方向距离模型26-28
• 2.4 微结构阵列的统一表征28-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第三章 微结构阵列可加工性制约规律32-41
• 3.1 微结构加工数控系统总体结构32-34
• 3.1.1 超精密车床32-33
• 3.1.2 快刀装置33-34
• 3.1.3 快刀控制器34
• 3.2 刀具几何参数的制约34-36
• 3.3 快刀伺服系统动态性能的制约36-39
• 3.3.1 快刀伺服系统的动静态特性36-38
• 3.3.2 输入信号的频谱分析38-39
• 3.4 工艺参数的制约39-40
• 3.5 本章小结40-41
• 第四章 切深数据的生成算法41-47
• 4.1 刀具半径补偿算法41-43
• 4.1.1 有描述方程的刀具半径补偿算法41-42
• 4.1.2 离散数据的刀具半径补偿计算42-43
• 4.2 双线性插值算法43-45
• 4.2.1 双线性插值算法的定义43-44
• 4.2.2 算法举例44-45
• 4.3 算法编程实现45-46
• 4.4 本章小结46-47
• 第五章 微结构加工精度分析与评价47-56
• 5.1 圆柱表面微结构加工误差源对精度的影响47-52
• 5.1.1 圆柱直径测量误差47-48
• 5.1.2 刀具高度调整误差48-49
• 5.1.3 刀具过切影响49-51
• 5.1.4 控制器计算频率影响51-52
• 5.2 微结构阵列精度评价52-55
• 5.2.1 微结构阵列测量方法52-53
• 5.2.2 评价指标53-55
• 5.3 本章小结55-56
• 第六章 典型微结构阵列加工实验56-72
• 6.1 球面微结构阵列加工实验56-60
• 6.2 蜂窝微结构的加工实验60-64
• 6.2.1 蜂窝微结构的仿真及其网格划分60-61
• 6.2.2 刀尖圆弧半径对微结构面形的影响61-63
• 6.2.3 红铜蜂窝微结构的加工63-64
• 6.3 正弦网格微结构加工实验64-67
• 6.4 非球面微结构阵列加工实验67-69
• 6.5 不规则分布的微结构加工实验69-71
• 6.6 本章小结71-72
• 第七章 结论与展望72-74
• 7.1 全文总结72-73
• 7.2 研究展望73-74
• 致谢74-76
• 参考文献76-80
• 作者在学期间取得的学术成果80

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本文编号：703878