菲涅爾透鏡是一種典型的微結(jié)構(gòu)功能表面,大尺寸菲涅爾透鏡在聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)、投射照明系統(tǒng)及激光電視等光學(xué)系統(tǒng)和產(chǎn)品中應(yīng)用越來越廣泛,市場(chǎng)需求及質(zhì)量要求越來越高,因此開發(fā)高效率、高精度的大尺寸菲涅爾透鏡制造工藝的具有迫切需求。Roll-to-Roll（RTR）超精密復(fù)制加工工藝具有高效率,高精度,低成本的優(yōu)點(diǎn),是微結(jié)構(gòu)功能表面的理想制造工藝。目前,針對(duì)菲涅爾透鏡的RTR制造工藝未能得到充分發(fā)展,主要原因是作為大尺寸菲涅爾透鏡的RTR制造工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié),徑向菲涅爾輥筒模具的制造不僅對(duì)機(jī)床的靜、動(dòng)態(tài)特性,運(yùn)動(dòng)精度及溫控精度等方面提出了嚴(yán)苛要求,同時(shí),徑向菲涅爾結(jié)構(gòu)的復(fù)雜面型決定了刀具加工軌跡的復(fù)雜性,要求機(jī)床具有特殊的結(jié)構(gòu)布局及更多的運(yùn)動(dòng)軸。因此,菲涅爾輥筒模具的制造工藝成為當(dāng)前大尺寸菲涅爾透鏡制造工藝面臨的重要技術(shù)難題。為解決大尺寸菲涅爾輥筒模具的制造難題,本課題設(shè)計(jì)并搭建了旋轉(zhuǎn)慢刀伺服裝置,將其集成到課題組自主研制的輥筒模具超精密加工機(jī)床上,得到加工菲涅爾輥筒模具的專用超精密機(jī)床,在此基礎(chǔ)上開展菲涅爾輥筒模具的加工工藝研究。本文首先從徑向菲涅爾輥筒模具的加工原理出發(fā),分析了機(jī)床的功能需求,... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：82 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

微結(jié)構(gòu)陣列a)柱狀透鏡陣列[11]b)金字塔微結(jié)構(gòu)陣列[12]

醬螅?棖罅吭嚼叢蕉啵?剿?高效率、高精度的大尺寸菲涅爾透鏡的加工方法的需求越來越迫切。Roll-to-Roll復(fù)制加工技術(shù)是超精密復(fù)制加工技術(shù)的一種，其原理是通過輥筒模具的連續(xù)輥壓，將輥筒模具圓柱表面的微結(jié)構(gòu)利用UV光固技術(shù)復(fù)刻到PET膜片上形成高品質(zhì)光學(xué)膜[28,29]。與注塑成型，平板模具壓印等復(fù)制成形工藝相比，Roll-to-Roll復(fù)制加工技術(shù)具有模具尺寸大，輥壓過程連續(xù)，自動(dòng)化程度高，效率極高的優(yōu)點(diǎn)。采用UV光固膠進(jìn)行復(fù)刻，具有接觸面積小，模具與膜片易分離的優(yōu)點(diǎn)。Roll-to-Roll復(fù)制加工技術(shù)原理如圖1-3所示。圖1-3Roll-to-Roll復(fù)制加工技術(shù)原理[30]圖1-4超精密輥筒模具綜上所述，菲涅爾透鏡在光學(xué)系統(tǒng)中領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，菲涅爾透鏡尺寸的增加能夠大大提高部分光學(xué)系統(tǒng)性能。但是，當(dāng)前的菲涅爾透鏡制造方法存在加工效率低、加工質(zhì)量受限、成本高等缺點(diǎn)，而采用Roll-to-Roll壓印的方法能夠有效改善以上加工方法的缺陷，提高加工質(zhì)量與效率。因此，研究大尺寸菲涅爾透鏡的Roll-to-Roll復(fù)制加工工藝具有重要意義，工藝的關(guān)鍵是大尺寸的徑向菲涅爾輥筒模具的制造。

成型的方法將模具上的菲涅爾結(jié)構(gòu)壓印到光學(xué)膜片上，得到大尺寸菲涅爾透鏡。此工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是大尺寸菲涅爾透鏡模具的超精密加工[32]。超精密加工機(jī)床的研制始于20世紀(jì)60年代[33]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前，針對(duì)大尺寸菲涅爾透鏡模具的制造，國(guó)際上商業(yè)化水平的超精密機(jī)床公司已經(jīng)研制了的專用超精密加工機(jī)床。如日本東芝機(jī)械生產(chǎn)的UTD-2200B(H)和UTD-3400B(H)型號(hào)機(jī)床是加工聚焦式太陽能系統(tǒng)中使用的大尺寸菲涅爾透鏡模具的專用立式精密車床[34]，分別能夠加工最大直徑2200mm和3400mm的菲涅爾透鏡模具。機(jī)床構(gòu)型如圖1-5所示。圖1-5日本東芝機(jī)械UTD系列機(jī)床構(gòu)型[34]UTD系列機(jī)床由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸與兩個(gè)直線軸組成。機(jī)床的C軸是一個(gè)大直徑液體靜壓支承形式的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，C軸配備有真空吸盤，用來裝夾工件，同時(shí)工作臺(tái)也配備了減振和散熱裝置，能夠有效抑制外界振動(dòng)和機(jī)床的熱變形誤差對(duì)加工精度的影響。B軸是高精度的空氣靜壓主軸，用來實(shí)現(xiàn)刀具角度的高精度調(diào)整。X軸和Z軸采用高精度的V-V滾針導(dǎo)軌作為其導(dǎo)向部件，能夠在實(shí)現(xiàn)超低摩擦的同時(shí)抑制導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)過程的振動(dòng)在20nm以內(nèi)。機(jī)床工作時(shí)，X軸用來調(diào)整加工的菲涅爾模具的半徑，Z軸控制金剛石刀具切削深度，C軸控制工件旋轉(zhuǎn)，B軸精密調(diào)整金剛石刀具傾斜角度。C軸與Z軸的聯(lián)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)刀具與工件的模擬車削運(yùn)動(dòng)，從而完成大尺寸平板菲涅爾模具的加工。美國(guó)Precitech公司生產(chǎn)的Nanoform700ultra和NanoformL1000多軸超精密加工系統(tǒng)可以根據(jù)需求配置成兩軸至四軸，用來進(jìn)行球面、非球面和自由曲面的超1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析


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