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快刀伺服加工多通道滤光片阵列的间隔层模具

红外与激光工程 2022年第10期51卷 266-273页

作者：李世杰杨陈黄岳田梁海锋蔡长龙西安工业大学光电工程学院陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室陕西西安710021

在目标探测识别系统中,采用多通道滤光片可以提高目标与背景的信噪比,从而实现对目标信号的精准探测。基于纳米压印的阵列结构多通道滤光片制造技术,对滤光片间隔层硬模具的表面精度和结构精度具有较高的要求。根据多光谱滤光片的设计结... 详细信息

在目标探测识别系统中,采用多通道滤光片可以提高目标与背景的信噪比,从而实现对目标信号的精准探测。基于纳米压印的阵列结构多通道滤光片制造技术,对滤光片间隔层硬模具的表面精度和结构精度具有较高的要求。根据多光谱滤光片的设计结果,基于单点金刚石车床,采用快刀伺服加工方式,实现多通道滤光片间隔层模具的高精度制造。并采用白光干涉检测技术,对模具的表面形貌进行了检测。通过分析表明,对5×5阵列结构的多通道滤光片,其加工结果与设计值吻合良好,横向尺寸精度与纵向尺寸精度均优于5%,完全满足设计要求。该技术为多通道滤光片的大规模、批量化制造提供了技术支持,同时也为非周期阵列光学元件的制造提供一种有效的手段。

关键词：多通道滤光片阵列间隔层模具快刀伺服干涉拼接检测

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基于开环快刀伺服的微结构表面高速车削创成

中国科学：技术科学 2022年第6期52卷 871-881页

作者：朱紫辉周荣晶黄鹏朱利民朱志伟南京理工大学机械工程学院南京210094 上海交通大学机械与动力工程学院上海200240

提出了一种开环快刀伺服(Fast tool servo,FTS)系统实现方法,对微结构表面进行高速切削以提高微结构制造效率.针对宽频FTS系统设计,以压电叠堆和柔性铰链为驱动器和导向机构,借助解析模型优化设计了FTS装置参数并进行了有限元验证,实验... 详细信息

提出了一种开环快刀伺服(Fast tool servo,FTS)系统实现方法,对微结构表面进行高速切削以提高微结构制造效率.针对宽频FTS系统设计,以压电叠堆和柔性铰链为驱动器和导向机构,借助解析模型优化设计了FTS装置参数并进行了有限元验证,实验测试结果表明所设计的FTS获得了预期性能.针对宽频域轨迹跟踪,采用线性动力学模型级联静态Prandtl-Ishlinskii迟滞模型,构建并联合辨识获得了FTS输入与输出间的映射模型,并通过动态迟滞补偿实现了kHz级宽频域内一致性的建模精度和轨迹跟踪精度.最终,借助精密数控车床和FTS样机搭建了切削系统,以典型微结构表面切削创成验证了所提出开环FTS高速切削的可行性.

关键词：超精密车削快刀伺服高速车削微结构表面动态迟滞补偿

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高精度快刀伺服系统构建及其特性研究

制造技术与机床 2022年第1期 84-88页

作者：张敏吴祉群陈东生中国工程物理研究院机械制造工艺研究所四川绵阳621900

快刀伺服是实现自由曲面光学曲面加工的方式之一。文中基于压电陶瓷为致动元件、柔性铰链为传动元件构建了快刀伺服系统。测试结果表明,研制的快刀伺服系统定位精度为4 nm以下,重复定位精度为4 nm以下,最大输出位移达到50 nm,运动频响... 详细信息

快刀伺服是实现自由曲面光学曲面加工的方式之一。文中基于压电陶瓷为致动元件、柔性铰链为传动元件构建了快刀伺服系统。测试结果表明,研制的快刀伺服系统定位精度为4 nm以下,重复定位精度为4 nm以下,最大输出位移达到50 nm,运动频响在位移为20 nm时达到了150 Hz。为后续快刀系统在自由曲面光学零件加工领域应用奠定了基础。

关键词：快刀伺服压电陶瓷柔性铰链

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基于快刀伺服的辊筒模具微结构加工技术研究

基于快刀伺服的辊筒模具微结构加工技术研究

作者：陈威广东工业大学

学位级别：硕士

微结构表面是一类具有微观特征和宏观排布的功能表面,在精密测量、新能源和光学等领域具有广泛地应用。辊筒模压是一种低成本、高效率的微结构加工技术,该技术的关键是表面具有微结构的辊筒模具加工。其中,快刀伺服加工技术能够在辊筒... 详细信息

微结构表面是一类具有微观特征和宏观排布的功能表面,在精密测量、新能源和光学等领域具有广泛地应用。辊筒模压是一种低成本、高效率的微结构加工技术,该技术的关键是表面具有微结构的辊筒模具加工。其中,快刀伺服加工技术能够在辊筒模具表面高效地加工出微结构,已经成为了各国的研究热点。本文对辊筒模具微结构快刀伺服加工技术进行研究,开展了数控系统硬件设计和软件开发的工作、进行了辊筒模具微结构加工刀具轨迹规划的研究,最后通过实验,验证了本文所开发的数控系统能够满足辊筒模具微结构快刀伺服加工的要求。具体研究内容如下:（1）控制系统设计。根据辊筒模具微结构快刀伺服加工的控制要求,设计了由辊筒机床数控系统和快刀伺服系统两部分组成的控制系统。确定了控制器、伺服驱动系统、快刀伺服装置等关键部件,并完成了电控回路的设计,为后续的加工实验提供了硬件基础。（2）数控软件开发。以Qt5.12为开发工具,开发出了适合辊筒模具微结构加工的数控软件。所开发的软件具有轴状态显示、运动控制、程序运行等功能,能够将辊筒机床的运动与快刀伺服装置的运动相结合,用于辊筒模具微结构的加工。（3）刀具轨迹规划研究。分别研究了具有公式描述的微结构表面和阵列类微结构表面的加工特点,给出了对应的刀具轨迹计算方法。针对快刀伺服加工的特点,对传统的刀具圆弧半径补偿方法进行了改进,从而保证了微结构表面加工的形状精度。（4）系统调试与加工实验。为保证微结构的加工精度,对辊筒机床主轴和直线轴的伺服环路参数进行调试优化,确保了各轴都具有良好的控制精度。对快刀伺服系统的性能进行测试,验证了其性能能够达到加工要求。在此基础上,分别进行了辊筒模具表面切削,正弦波表面和球面微结构阵列加工实验。对加工结果进行检测,辊筒模具表面粗糙度为Ra 6.4nm,正弦波表面平均表面粗糙度为Ra 28.3nm,轮廓精度PV优于0.62μm,球面微结构平均表面粗糙度为Ra 43nm,轮廓精度PV优于0.75μm。

关键词：辊筒模具微结构快刀伺服数控系统刀具轨迹规划

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同轴双压电陶瓷快刀伺服系统关键技术研究

同轴双压电陶瓷快刀伺服系统关键技术研究

作者：罗天聪国防科技大学

学位级别：硕士

微结构光学阵列以及光学自由曲面的加工需求,对快刀伺服系统(Fast Tool Servo,FTS)技术提出了更高的要求。传统的单压电陶瓷FTS由于其运动方式和结构形式的限制,行程和工作频率等指标无法同时达到应用需求。本文提出一种新型同轴双压电... 详细信息

微结构光学阵列以及光学自由曲面的加工需求,对快刀伺服系统(Fast Tool Servo,FTS)技术提出了更高的要求。传统的单压电陶瓷FTS由于其运动方式和结构形式的限制,行程和工作频率等指标无法同时达到应用需求。本文提出一种新型同轴双压电陶瓷对向驱动的FTS,以克服传统单压电陶瓷FTS的局限性。开展了新型双压电陶瓷FTS系统的原理分析、结构设计、伺服控制、性能测试和加工实验等方面的研究。突破了小进给刚度、大离轴刚度的柔性铰链设计、双压电陶瓷协同伺服控制、典型微结构光学阵列加工等关键技术。实现了高性能FTS装置研制,为微结构光学阵列和光学自由曲面的加工提供有效技术支撑手段。主要研究内容:(1)同轴双压电陶瓷FTS的结构设计与分析。研究了该新型FTS的工作原理和运动模型;突破了小进给刚度、大离轴刚度柔性铰链设计的关键技术,建立了柔性铰链的刚度计算模型;研制出进给刚度小于3N/μm、离轴刚度大于88 N/μm的FTS机械结构。(2)同轴双压电陶瓷FTS的伺服控制。分析了同轴双压电陶瓷FTS伺服控制面临的非线性效应、幅值衰减、相位延迟以及协同运动等方面问题;研究了修正Bouc-Wen模型、修正Prandtl-Ishlinskii模型、频率相关迟滞模型和修正粒子群算法;采用基于修正Prandtl-Ishlinskii逆模型的PID伺服控制方法,实现了对压电陶瓷迟滞非线性误差的补偿,其相对迟滞误差减少为0.1%;采用零相位控制器补偿了压电陶瓷的幅值衰减、相位延迟;采用交叉耦合控制器抑制了双压电陶瓷的同步性误差;最终在上述复合算法的控制下,实现了双压电陶瓷协同运动(频率1～200Hz、幅值15μm)的误差小于5.093%。(3)同轴双压电陶瓷FTS的性能评价。设计了同轴双压电陶瓷FTS固有频率、线性度测试方案,测得该新型FTS的一阶固有频率大于850Hz、线性度优于0.436%;完成了该新型FTS加工典型微结构光学阵列的实验,其中加工正弦射线、二维正弦波面形的粗糙度Ra分别为6.83nm、7.49nm,实际测量面形PV值误差分别为4.91%和3.95%,验证了该新型FTS系统的加工能力。

关键词：快刀伺服双压电陶瓷柔性铰链伺服控制微结构光学阵列加工

基于三维桥式机构的大行程高频响快刀伺服系统的设计与分析

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基于三维桥式机构的大行程高频响快刀伺服系统的设计与分析

作者：周奎勇齐鲁工业大学

学位级别：硕士

超精密加工零件被广泛应用在光电子信息、先进工业制造、航空航天、天文观测以及民生等诸多应用领域,因为该类零件不仅在光学特性方面具有显著的优势而且还具有独特的物理、化学性能,其中最具代表性的零件当属光学自由曲面和微结构功能... 详细信息

超精密加工零件被广泛应用在光电子信息、先进工业制造、航空航天、天文观测以及民生等诸多应用领域,因为该类零件不仅在光学特性方面具有显著的优势而且还具有独特的物理、化学性能,其中最具代表性的零件当属光学自由曲面和微结构功能曲面。受加工成本和生产效率等因素的限制,传统的加工技术已不能满足这类零件在加工精度、表面质量等性能方面的需求。一次完成复杂微结构高表面精度的加工,并且具有髙频响、高效率性能的快刀伺服车削加工技术,被认为是最有发展前途的超精密加工技术。目前快刀伺服系统——Fast Tool Servo(FTS),根据驱动方式的不同,可以分为压电陶瓷型、磁致伸缩型、洛伦兹力型和麦克斯韦力型四种。经过对比,压电陶瓷驱动的FTS具有响应速度快、工作带宽高等优点,因此,该驱动形式的FTS在自由曲面超精密零件的加工中具有无可比拟的优势,从而得到了广泛的研究和关注。需要指出的是,虽然压电陶瓷驱动器具有频响高、精度高等一系列优点,但其有限的行程极大地限制了压电驱动型FTS在光学自由曲面和微结构功能表面等大曲率零件加工中的应用。针对这一应用需求,本文设计了一种基于三维桥式机构的压电驱动型快刀伺服装置,基于空间垂直交叉的串联结构和输入输出约束设计,在保证系统运动精度、提高运动刚度的基础上,有效实现了大行程的设计需求。本文主要围绕位移放大机构的设计、理论建模、有限元仿真及性能测试等方面展开研究,具体工作如下:(1)面向大行程的加工对快刀伺服系统柔性机构性能的需求,分析了常用柔性位移放大机构-桥式放大机构的性能,并对影响其放大比性能的关键参数-桥臂角度进行分析,同时揭示了两级桥式放大机构的耦合特性,最后对影响其固有频率的约束形式进行了分析。然后针对目前快刀伺服系统行程和刚度之间的相互制约问题,设计了一种基于三维桥式机构的大行程高频响快刀伺服装置,其三维布置形式减少了系统工作空间的占据,其中新加入的输入输出导向梁机构抑制了系统工作过程中的寄生位移,保证了系统的运动精度、提高了系统的运动刚度,并且该结构本质上可以使系统在有较大输出行程的同时具备较高的固有频率,满足了系统加工大峰谷值曲面的高效率加工需求。(2)完成了快刀伺服系统静力学的理论建模,并结合有限元的方法对系统进行了静力学分析。基于伪刚体建模的方法对三维桥式机构的大行程高频响快刀伺服系统进行了静力学理论建模,考虑了力和位移传递过程中各级放大机构输入端的运动变形和两级放大机构之间的耦合作用,建立了更准确的系统静力学模型。同时通过有限元分析的方式,对系统进行了静力学分析,根据有限元分析结果对系统的大行程和高频响等性能进行了初步的评价,根据结果也验证了已建理论模型的准确性和有效性。最后对三维桥式机构的大行程高频响快刀伺服系统进行了静力学方面的实验测试,验证了系统的静力学性能。(3)完成了快刀伺服系统动力学和机械传递效率的理论建模,并结合有限元的方法对系统进行了动力学方面的各阶模态分析。首先基于伪刚体模型,进行了系统运动学关系的分析,得到了系统的动能和势能,然后结合拉格朗日方程,系统的动力学模型被建立,分析了系统的动态响应能力;然后考虑到系统力和位移的传递性能,建立了系统的机械传递效率模型,分析了系统运动过程中的能量损失情况,并分析了不同材料对系统传递效率的影响。最后对三维桥式机构的大行程高频响快刀伺服系统进行了动力学方面的实验测试,验证了系统的动力学性能。

关键词：快刀伺服桥式放大柔性机构压电驱动三维桥式

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复杂光学表面的快刀伺服加工特性与路径规划

机械工程学报 2011年第15期47卷 175-180页

作者：王贵林朱登超戴一帆国防科技大学机电工程与自动化学院长沙410073

复杂面形和微结构阵列等类型的光学元件应用范围越来越广,传统的机械加工方法难以满足面形精度和加工效率要求,超精密快刀伺服(Fast tool servo,FTS)是实现这类零件优质高效加工的有效手段。但是在复杂光学表面的快刀伺服加工中,面形的... 详细信息

复杂面形和微结构阵列等类型的光学元件应用范围越来越广,传统的机械加工方法难以满足面形精度和加工效率要求,超精密快刀伺服(Fast tool servo,FTS)是实现这类零件优质高效加工的有效手段。但是在复杂光学表面的快刀伺服加工中,面形的高低起伏将会使刀具和工件的相对位置实时变化,导致加工状态恶化、面形精度下降,甚至会产生刀具干涉和过切现象。针对这种情况,通过研究复杂面形快刀伺服加工中切削角的变化规律及其对刀具前角、后角的影响,给出刀具干涉的判断算法以及工艺参数的选取依据;为实现加工路径的合理规划,进行典型复杂光学表面的刀具补偿分析与算法设计;在此基础上,以正弦放射线作为对象,进行快刀伺服加工试验,测试结果表明加工面形精度达到PV 0.17μm,没有发生过切和刀具干涉现象。

关键词：复杂面形快刀伺服切削角刀具干涉路径规划

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压电陶瓷驱动的长行程快刀伺服机构设计

光学精密工程 2020年第2期28卷 390-397页

作者：闫鹏李金银山东大学机械工程学院高效洁净机械制造教育部重点实验室山东济南250061

压电陶瓷驱动的快刀伺服技术是加工光学自由曲面等复杂曲面的有效方法。为了突破压电陶瓷驱动快刀伺服机构的行程局限,本文采用二级杠杆放大机构,设计了一种压电陶瓷驱动的长行程快刀伺服机构,实现了快刀伺服机构的长行程输出性能并消... 详细信息

压电陶瓷驱动的快刀伺服技术是加工光学自由曲面等复杂曲面的有效方法。为了突破压电陶瓷驱动快刀伺服机构的行程局限,本文采用二级杠杆放大机构,设计了一种压电陶瓷驱动的长行程快刀伺服机构,实现了快刀伺服机构的长行程输出性能并消除了机构的寄生位移。基于伪刚体模型和拉格朗日原理对机构进行了动力学建模,综合行程和固有频率性能优化了机构参数并进行了有限元仿真和实验验证。机构等效刚度和固有频率的理论模型和有限元仿真结果误差分别为6.4%和1.6%,验证了理论模型的有效性。实验结果进一步表明,所设计的快刀伺服机构可实现100μm的输出行程同时具有730 Hz的固有频率,验证了所设计机构用于快刀伺服加工的有效性。系统的闭环跟踪实验也验证了系统良好的跟踪性能。

关键词：快刀伺服长行程光学自由曲面加工杠杆放大机构寄生位移

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音圈电机驱动的快刀伺服系统建模与性能分析

国防科技大学学报 2008年第1期30卷 78-82页

作者：戴一帆段纬然王贵林杨帆国防科技大学机电工程与自动化学院湖南长沙410073

复杂面形/结构零件的应用范围越来越广,往往一个零件上既有复杂面形也有微小结构。为了实现复杂面形/结构零件的高效加工,分析了快刀伺服加工方式的特点,设计并研制了音圈电机驱动的快刀伺服系统;基于动力学和电磁学分析,建立了快刀伺... 详细信息

复杂面形/结构零件的应用范围越来越广,往往一个零件上既有复杂面形也有微小结构。为了实现复杂面形/结构零件的高效加工,分析了快刀伺服加工方式的特点,设计并研制了音圈电机驱动的快刀伺服系统;基于动力学和电磁学分析,建立了快刀伺服系统的传递函数模型,并对控制方法进行了设计;在此基础上,通过实验对快刀伺服系统进行了性能测试,实验结果表明本文所研制的快刀伺服系统具有较高的运动分辨率、定位精度和工作频响,能够作为快刀伺服加工的进刀装置。

关键词：复杂面形结构快刀伺服音圈电机建模