【摘要】：微結(jié)構(gòu)表面是指具有特定的微小拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、形狀尺寸只有幾微米到幾十微米、形狀誤差達(dá)到亞微米級、表面粗糙度達(dá)到納米級、可以實現(xiàn)某種特定功能的表面結(jié)構(gòu),它在航天、能源、IT等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。近幾年隨著大屏幕智能手機以及大尺寸液晶顯示屏的普及,各類光學(xué)微結(jié)構(gòu)膜片的應(yīng)用日漸增加。而Roll-to-Roll壓印技術(shù)憑借其加工效率高、良品率好、適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)點在眾多加工方法中脫穎而出,是目前最有發(fā)展前景的大批量微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)。作為Roll-to-Roll壓印技術(shù)的核心元件,輥筒模具表面微結(jié)構(gòu)的加工質(zhì)量將直接影響所壓印膜片的好壞,因此對超精密輥筒模具加工機床具有非常高的要求。目前輥筒模具的超精密加工技術(shù)被國外壟斷,其機床售價高達(dá)數(shù)千萬元,而國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究才剛剛起步。目前國內(nèi)自主研制的超精密模輥機床與國外存在一定的差距,究其原因還是在加工精度上存在一定問題。而幾何誤差作為影響機床加工精度的最主要誤差源之一,會直接導(dǎo)致刀具的實際軌跡與理想軌跡出現(xiàn)偏差從而影響模具微結(jié)構(gòu)表面的加工質(zhì)量。鑒于此,本文基于實驗室自主研制的國內(nèi)首臺大尺寸輥筒模具超精密加工機床,針對機床的幾何誤差開展研究,目的是為了減小機床幾何誤差對模具表面微結(jié)構(gòu)的加工精度的影響從而壓印出高質(zhì)量的光學(xué)膜片。為此,本文主要包含以下幾方面內(nèi)容:首先,利用多體系統(tǒng)理論的低序體陣列將機床的機械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),然后利用齊次坐標(biāo)變換的方式推導(dǎo)出機床的幾何誤差模型,得到機床在兩個直線軸方向上的誤差表達(dá)式,從而為后續(xù)的補償提供前提基礎(chǔ)。其次,利用激光干涉儀對幾何誤差模型中涉及到的各單項誤差進(jìn)行精確測量�？紤]到實際加工過程中不同的微結(jié)構(gòu)功能表面加工特點并不相同,本文分別提出了最優(yōu)多項式擬合數(shù)控指令修正法以及NURBS擬合曲線插補補償法對機床的幾何誤差進(jìn)行補償并進(jìn)行了理論計算。最后為了說明兩種補償方法的可行性分別進(jìn)行了環(huán)槽微結(jié)構(gòu)陣列切削實驗以及自由曲面加工檢測實驗,對補償前后的加工結(jié)果進(jìn)行檢測對比。從最終的結(jié)果上看本文提出的補償方法可以明顯減小機床幾何誤差對加工精度的影響,使輥筒模具微結(jié)構(gòu)表面的加工質(zhì)量得到明顯提升。
[Abstract]:A microstructural surface is a surface structure that has a specific micro topology, with shape sizes ranging from several microns to tens of microns, shape errors up to sub-micron levels, surface roughness at nanometer levels, which can achieve certain functions. Energy, IT and other fields have a wide range of applications. In recent years, with the popularization of large screen smart phone and large size liquid crystal display screen, the application of optical microstructural diaphragm is increasing day by day. Because of its high processing efficiency, good product rate and suitable for mass production, Roll-to-Roll imprint technology stands out among many processing methods, and is the most promising microstructural processing technology at present. As the core component of Roll-to-Roll imprint technology, the machining quality of the surface microstructure of the roller die will directly affect the quality of the embossed film, so the ultra-precision roller die machining machine has a very high requirement. At present, the ultra-precision machining technology of roller die is monopolized by foreign countries, and the price of machine tools is as high as tens of millions of yuan. At present, there is a certain gap between the developed ultra-precision die roller machine tool and foreign countries, and the reason is that there are still some problems in the machining precision. As one of the most important error sources which affect the machining accuracy of machine tools, geometric errors will directly lead to the deviation between the actual and ideal tracks of the tool, thus affecting the machining quality of the microstructural surface of the die. In view of this, this paper is based on the first ultra-precision machining machine tool for large-size roller die, which is developed independently by the laboratory, and studies the geometric error of the machine tool. In order to reduce the influence of geometric error on the machining accuracy of die surface, high quality optical film was imprinted. For this reason, this paper mainly includes the following aspects: firstly, the mechanical structure of the machine tool is transformed into topological structure by using the low sequence body array of the multi-body system theory, and then the geometric error model of the machine tool is derived by the homogeneous coordinate transformation. The error expression of the machine tool in the direction of two straight axes is obtained, which provides the premise for the subsequent compensation. Secondly, the laser interferometer is used to accurately measure the individual errors involved in the geometric error model. Considering that the characteristics of different microstructural functional surfaces are not the same during actual processing, In this paper, the optimal polynomial fitting NC instruction correction method and the NURBS fitting curve interpolation compensation method are proposed to compensate the geometric error of the machine tool, and the theoretical calculation is carried out. Finally, in order to illustrate the feasibility of the two compensation methods, the experiments of ring groove microarray cutting and free-form surface machining are carried out, and the machining results before and after compensation are compared. From the final results, the compensation method proposed in this paper can obviously reduce the influence of machine tool geometry error on machining accuracy, and improve the machining quality of the micro-structure surface of roller die.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TG659

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本文編號：2313325