新型快刀伺服器结构动态设计与误差补偿技术

发布时间：2017-08-23 00:18

  本文关键词：新型快刀伺服器结构动态设计与误差补偿技术

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【摘要】：光学薄膜是LCD液晶显示器背光源模组中重要的零件,它通过具有光学微结构的导光板精密模具制造而成,这种光学微小拓扑结构,通常有微沟槽阵列、微锥形阵列以及微透镜阵列等。印刷法制作LCD导光板的辊筒需加工出上述非球面的微阵列结构,可以在超精密车床上安装快刀伺服器(Fast Tool Servo,FTS),根据辊筒微阵列结构的特点,通过控制快刀伺服器,实现刀具的宏微复合精密联动,达到亚微米的加工精度,制造出所需的精密模具。快刀伺服器主要由驱动器、柔性铰链刀架和控制器等构成,其中压电陶瓷驱动的快刀伺服器具有响应频率高,加速度高等优点。采用杠杆式放大机构、压曲以及Scott-Russell机构等能使微位移放大。压电陶瓷的位移精度高、响应速度快、输出功率大,同时也存在蠕变性、迟滞性和非线性等缺点,常用Preisach模型、Prandtl- Ishlinskii模型、Duhem算子、广义Maxwell模型等描述。上述特点带来一些问题：压电陶瓷驱动的快刀伺服器频率越高,产生的微位移越小；位移放大机构产生的位移越大,运动过程中的与主运动方向相垂直的耦合位移也越大；Preisach模型离散化数值法不能反映擦除特性,广义Maxwell模型由于求解过于复杂带来了大量的计算量。本文通过设计出具有位移放大功能的桥式柔性铰链,使快刀伺服器在高频率下获得较大的位移量,通过对称的桥式柔性铰链结构,有效消除运动过程的垂直轴向运动耦合。结合动力学模型,建立快刀伺服器在动态过程中的最优拓朴结构参数,获得最优的动态特性。构建压电陶瓷的电压、压力和位移等的ECNLP模型后,结合多源误差分析,提出前置补偿算法,改善快刀伺服器的迟滞非线性。最后通过刚度实验、加工不同微阵列结构的实验等,验证上述工作的有效性。1.设计新型快刀伺服器的结构。利用大于45度倾斜放置的连杆两端位移差异大的原理,设计了微小位移放大机构。建立放大倍数的数学模型,设计具有对称结构的桥式柔性铰链,解决压电陶瓷驱动的快刀伺服器随着频率高则行程短的矛盾,消除与主运动垂直的耦合位移。建立等效平面机构的运动学方程,推导出广义坐标系下的桥式柔性铰链的动力学方程。采用绝对坐标的笛卡尔方法,获得快刀伺服器整体动力学的数学模型。充分考虑快刀伺服器各零件的材料、质量等属性后,对桥式柔性铰链的拓朴结构进行了优化设计,获得快刀伺服器较优的结构尺寸。2.探索结构参数对动态特性的影响规律。分析桥式柔性铰链的特点,揭示不同结构尺寸参数对刚度、固有频率等动态特性的影响规律。通过常用材料的弹性模量、泊松比、密度等的对比分析,确定最适合桥式柔性铰链的材料。建立快刀伺服器多体动力学仿真模型,揭示它们对刚度和固有频率等动态特性的影响规律,以及相应的敏感程度。3.建立快刀伺服器的控制策略。通过分析压电陶瓷的主要特性,合理选择压电陶瓷,建立机械性能、电气性能、机械—电气性能对压电陶瓷的电容、电量、电场、位移、压力、电压等影响的关系模型,确定应变和电场强度、压力与电压、压力与微位移等之间的数学关系。借助机电耦合非线性集总参数(ECNLP)动力学模型,建立桥式柔性铰链的惯性力、弹性力与电压之间的关系。在此基础上,通过PID控制原理和Preisach模型,将满程电压划为等分为15个级别,用线性插值法实现拟合,测得不同电压变化下的实验数据,获得理想输出的理论电压与实验电压的误差值,为误差补偿策略提供了理论依据。4.构建多源误差的补偿算法。分析影响快刀伺服器刀尖位移的误差源,包括桥式柔性铰链敏感尺寸的制造误差、环境温度变化引起快刀伺服器的结构尺寸误差等,建立它们与刀尖位移误差的关系模型。根据电压、力、位移的关系模型,提出补偿桥式柔性铰链角度、宽度制造误差的策略,获得基于RBF的温度误差模型的位移误差值,考虑快刀伺服器的惯性力、弹性力、制造误差及温度变化对压电陶瓷位移的影响,利用压电陶瓷的PID控制模型和迟滞非线性模型,提出了前置误差补偿的驱动电压补偿算法,减少多源误差对刀尖位移精度影响。最后,介绍快刀伺服器的测试平台和测量工具,通过刚度测试,验证了快刀伺服器具有3.5倍的放大位移,能消除运动过程与主运动相垂直的运动耦合。测试快刀伺服器的迟滞非线性的程度,对压电陶瓷的驱动电压进行补偿,通过前置补偿前后结果的对比,验证新型快刀伺服器的控制补偿算法的有效性。加工了不同微阵列的结构,对比表面粗糙度和切削精度,证实新型快刀伺服器具有较大位移的功能,有加工较深微阵列结构的能力,达到亚微米级的尺寸精度。
【关键词】：快刀伺服器 桥式柔性铰链 动力学 迟滞性 补偿
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN873.93
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第一章 绪论14-28
• 1.1 课题的背景及意义14-16
• 1.1.1 课题的背景14-15
• 1.1.2 课题的研究意义15-16
• 1.2 快刀伺服器研究现状16-25
• 1.2.1 快刀伺服器的结构类型16-20
• 1.2.2 快刀伺服器建模分析技术20-22
• 1.2.3 快刀伺服器的控制与补偿技术22-25
• 1.2.4 综述总结与问题提出25
• 1.3 课题的来源和主要研究内容25-28
• 1.3.1 课题的来源25
• 1.3.2 主要研究内容25-28
• 第二章 桥式柔性铰链的快刀伺服器结构设计28-49
• 2.1 桥式柔性铰链的快刀伺服器结构模型28-33
• 2.1.1 桥式柔性铰链的放大结构28-30
• 2.1.2 快刀伺服器的整体结构30-33
• 2.2 桥式柔性铰链的运动学方程33-39
• 2.2.1 单元运动微分方程33-37
• 2.2.2 等效结构运动学分析37-39
• 2.3 快刀伺服器的多体动力学方程39-46
• 2.3.1 快刀伺服器的刚性动力学方程39-40
• 2.3.2 快刀伺服器的动力学总体方程40-46
• 2.4 桥式柔性铰链的动态设计46-48
• 2.5 本章小结48-49
• 第三章 结构参数对快刀伺服器动态性能的影响49-62
• 3.1 铰链几何尺寸对结构刚度的影响49-56
• 3.1.1 铰链的材料及结构形式对刚度模型的关联程度49-52
• 3.1.2 宽度对刚度模型的影响52-54
• 3.1.3 厚度对刚度模型的影响54-56
• 3.2 快刀伺服器关键参数与结构固有频率的关系56-61
• 3.2.1 桥式柔性铰链固有频率的变化规律56-59
• 3.2.2 快刀伺服器动态特性仿真59-61
• 3.3 本章小结61-62
• 第四章 快刀伺服器的控制策略62-77
• 4.1 实测的非线性修正模型62-67
• 4.1.1 压电陶瓷驱动器的性能62-64
• 4.1.2 基于ECNLP的迟滞非线性模型64-66
• 4.1.3 压电陶瓷驱动快刀伺服器的动态模型66-67
• 4.2 压电陶瓷的迟滞性控制策略67-76
• 4.2.1 基于PID控制算法的迟滞性控制策略67-68
• 4.2.2 基于Preisach模型的迟滞性控制策略68-72
• 4.2.3 仿真实验和结果分析72-76
• 4.3 本章小结76-77
• 第五章 多源误差建模及补偿技术77-86
• 5.1 桥式柔性铰链的几何误差建模77-79
• 5.1.1 角度误差对位移的影响77-78
• 5.1.2 宽度和厚度误差对位移的影响78-79
• 5.1.3 长度误差对位移的影响79
• 5.2 快刀伺服系统的热误差模型79-81
• 5.2.1 桥式柔性铰链热应力模型79-80
• 5.2.2 环境温度与位移的变化规律80-81
• 5.3 快刀伺服器补偿策略研究81-84
• 5.3.1 压电迟滞非线性的前置补偿策略81-83
• 5.3.2 快刀伺服器误差控制与补偿策略83-84
• 5.4 小结84-86
• 第六章 快刀伺服器实验平台研究86-115
• 6.1 快刀伺服器的构成及测试方案86-90
• 6.1.1 实验平台的设计和搭建86-87
• 6.1.2 快刀伺服器测试平台87-90
• 6.2 快刀伺服器控制实验90-100
• 6.2.1 快刀伺服器的动态特性实验90-93
• 6.2.2 误差补偿实验方案的设计93-96
• 6.2.3 补偿前后实验数据对比分析96-99
• 6.2.4 误差补偿的显性结论99-100
• 6.3 微阵列结构切削实验100-113
• 6.3.1 周向单个微阵列结构加工100-106
• 6.3.2 周向和径向多微阵列结构加工106-111
• 6.3.3 周向均分三微阵列结构加工111-113
• 6.4 本章小结113-115
• 总结与展望115-118
• 参考文献118-128
• 攻读学位期间发表论文128-131
• 致谢

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本文编号：721892