本文關鍵詞：新型快刀伺服器結構動態(tài)設計與誤差補償技術

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【摘要】：光學薄膜是LCD液晶顯示器背光源模組中重要的零件,它通過具有光學微結構的導光板精密模具制造而成,這種光學微小拓撲結構,通常有微溝槽陣列、微錐形陣列以及微透鏡陣列等。印刷法制作LCD導光板的輥筒需加工出上述非球面的微陣列結構,可以在超精密車床上安裝快刀伺服器(Fast Tool Servo,FTS),根據(jù)輥筒微陣列結構的特點,通過控制快刀伺服器,實現(xiàn)刀具的宏微復合精密聯(lián)動,達到亞微米的加工精度,制造出所需的精密模具�？斓端欧髦饕沈�(qū)動器、柔性鉸鏈刀架和控制器等構成,其中壓電陶瓷驅(qū)動的快刀伺服器具有響應頻率高,加速度高等優(yōu)點。采用杠桿式放大機構、壓曲以及Scott-Russell機構等能使微位移放大。壓電陶瓷的位移精度高、響應速度快、輸出功率大,同時也存在蠕變性、遲滯性和非線性等缺點,常用Preisach模型、Prandtl- Ishlinskii模型、Duhem算子、廣義Maxwell模型等描述。上述特點帶來一些問題：壓電陶瓷驅(qū)動的快刀伺服器頻率越高,產(chǎn)生的微位移越小；位移放大機構產(chǎn)生的位移越大,運動過程中的與主運動方向相垂直的耦合位移也越大；Preisach模型離散化數(shù)值法不能反映擦除特性,廣義Maxwell模型由于求解過于復雜帶來了大量的計算量。本文通過設計出具有位移放大功能的橋式柔性鉸鏈,使快刀伺服器在高頻率下獲得較大的位移量,通過對稱的橋式柔性鉸鏈結構,有效消除運動過程的垂直軸向運動耦合。結合動力學模型,建立快刀伺服器在動態(tài)過程中的最優(yōu)拓樸結構參數(shù),獲得最優(yōu)的動態(tài)特性。構建壓電陶瓷的電壓、壓力和位移等的ECNLP模型后,結合多源誤差分析,提出前置補償算法,改善快刀伺服器的遲滯非線性。最后通過剛度實驗、加工不同微陣列結構的實驗等,驗證上述工作的有效性。1.設計新型快刀伺服器的結構。利用大于45度傾斜放置的連桿兩端位移差異大的原理,設計了微小位移放大機構。建立放大倍數(shù)的數(shù)學模型,設計具有對稱結構的橋式柔性鉸鏈,解決壓電陶瓷驅(qū)動的快刀伺服器隨著頻率高則行程短的矛盾,消除與主運動垂直的耦合位移。建立等效平面機構的運動學方程,推導出廣義坐標系下的橋式柔性鉸鏈的動力學方程。采用絕對坐標的笛卡爾方法,獲得快刀伺服器整體動力學的數(shù)學模型。充分考慮快刀伺服器各零件的材料、質(zhì)量等屬性后,對橋式柔性鉸鏈的拓樸結構進行了優(yōu)化設計,獲得快刀伺服器較優(yōu)的結構尺寸。2.探索結構參數(shù)對動態(tài)特性的影響規(guī)律。分析橋式柔性鉸鏈的特點,揭示不同結構尺寸參數(shù)對剛度、固有頻率等動態(tài)特性的影響規(guī)律。通過常用材料的彈性模量、泊松比、密度等的對比分析,確定最適合橋式柔性鉸鏈的材料。建立快刀伺服器多體動力學仿真模型,揭示它們對剛度和固有頻率等動態(tài)特性的影響規(guī)律,以及相應的敏感程度。3.建立快刀伺服器的控制策略。通過分析壓電陶瓷的主要特性,合理選擇壓電陶瓷,建立機械性能、電氣性能、機械—電氣性能對壓電陶瓷的電容、電量、電場、位移、壓力、電壓等影響的關系模型,確定應變和電場強度、壓力與電壓、壓力與微位移等之間的數(shù)學關系。借助機電耦合非線性集總參數(shù)(ECNLP)動力學模型,建立橋式柔性鉸鏈的慣性力、彈性力與電壓之間的關系。在此基礎上,通過PID控制原理和Preisach模型,將滿程電壓劃為等分為15個級別,用線性插值法實現(xiàn)擬合,測得不同電壓變化下的實驗數(shù)據(jù),獲得理想輸出的理論電壓與實驗電壓的誤差值,為誤差補償策略提供了理論依據(jù)。4.構建多源誤差的補償算法。分析影響快刀伺服器刀尖位移的誤差源,包括橋式柔性鉸鏈敏感尺寸的制造誤差、環(huán)境溫度變化引起快刀伺服器的結構尺寸誤差等,建立它們與刀尖位移誤差的關系模型。根據(jù)電壓、力、位移的關系模型,提出補償橋式柔性鉸鏈角度、寬度制造誤差的策略,獲得基于RBF的溫度誤差模型的位移誤差值,考慮快刀伺服器的慣性力、彈性力、制造誤差及溫度變化對壓電陶瓷位移的影響,利用壓電陶瓷的PID控制模型和遲滯非線性模型,提出了前置誤差補償?shù)尿?qū)動電壓補償算法,減少多源誤差對刀尖位移精度影響。最后,介紹快刀伺服器的測試平臺和測量工具,通過剛度測試,驗證了快刀伺服器具有3.5倍的放大位移,能消除運動過程與主運動相垂直的運動耦合。測試快刀伺服器的遲滯非線性的程度,對壓電陶瓷的驅(qū)動電壓進行補償,通過前置補償前后結果的對比,驗證新型快刀伺服器的控制補償算法的有效性。加工了不同微陣列的結構,對比表面粗糙度和切削精度,證實新型快刀伺服器具有較大位移的功能,有加工較深微陣列結構的能力,達到亞微米級的尺寸精度。
【關鍵詞】：快刀伺服器 橋式柔性鉸鏈 動力學 遲滯性 補償
【學位授予單位】：廣東工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN873.93
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第一章 緒論14-28
• 1.1 課題的背景及意義14-16
• 1.1.1 課題的背景14-15
• 1.1.2 課題的研究意義15-16
• 1.2 快刀伺服器研究現(xiàn)狀16-25
• 1.2.1 快刀伺服器的結構類型16-20
• 1.2.2 快刀伺服器建模分析技術20-22
• 1.2.3 快刀伺服器的控制與補償技術22-25
• 1.2.4 綜述總結與問題提出25
• 1.3 課題的來源和主要研究內(nèi)容25-28
• 1.3.1 課題的來源25
• 1.3.2 主要研究內(nèi)容25-28
• 第二章 橋式柔性鉸鏈的快刀伺服器結構設計28-49
• 2.1 橋式柔性鉸鏈的快刀伺服器結構模型28-33
• 2.1.1 橋式柔性鉸鏈的放大結構28-30
• 2.1.2 快刀伺服器的整體結構30-33
• 2.2 橋式柔性鉸鏈的運動學方程33-39
• 2.2.1 單元運動微分方程33-37
• 2.2.2 等效結構運動學分析37-39
• 2.3 快刀伺服器的多體動力學方程39-46
• 2.3.1 快刀伺服器的剛性動力學方程39-40
• 2.3.2 快刀伺服器的動力學總體方程40-46
• 2.4 橋式柔性鉸鏈的動態(tài)設計46-48
• 2.5 本章小結48-49
• 第三章 結構參數(shù)對快刀伺服器動態(tài)性能的影響49-62
• 3.1 鉸鏈幾何尺寸對結構剛度的影響49-56
• 3.1.1 鉸鏈的材料及結構形式對剛度模型的關聯(lián)程度49-52
• 3.1.2 寬度對剛度模型的影響52-54
• 3.1.3 厚度對剛度模型的影響54-56
• 3.2 快刀伺服器關鍵參數(shù)與結構固有頻率的關系56-61
• 3.2.1 橋式柔性鉸鏈固有頻率的變化規(guī)律56-59
• 3.2.2 快刀伺服器動態(tài)特性仿真59-61
• 3.3 本章小結61-62
• 第四章 快刀伺服器的控制策略62-77
• 4.1 實測的非線性修正模型62-67
• 4.1.1 壓電陶瓷驅(qū)動器的性能62-64
• 4.1.2 基于ECNLP的遲滯非線性模型64-66
• 4.1.3 壓電陶瓷驅(qū)動快刀伺服器的動態(tài)模型66-67
• 4.2 壓電陶瓷的遲滯性控制策略67-76
• 4.2.1 基于PID控制算法的遲滯性控制策略67-68
• 4.2.2 基于Preisach模型的遲滯性控制策略68-72
• 4.2.3 仿真實驗和結果分析72-76
• 4.3 本章小結76-77
• 第五章 多源誤差建模及補償技術77-86
• 5.1 橋式柔性鉸鏈的幾何誤差建模77-79
• 5.1.1 角度誤差對位移的影響77-78
• 5.1.2 寬度和厚度誤差對位移的影響78-79
• 5.1.3 長度誤差對位移的影響79
• 5.2 快刀伺服系統(tǒng)的熱誤差模型79-81
• 5.2.1 橋式柔性鉸鏈熱應力模型79-80
• 5.2.2 環(huán)境溫度與位移的變化規(guī)律80-81
• 5.3 快刀伺服器補償策略研究81-84
• 5.3.1 壓電遲滯非線性的前置補償策略81-83
• 5.3.2 快刀伺服器誤差控制與補償策略83-84
• 5.4 小結84-86
• 第六章 快刀伺服器實驗平臺研究86-115
• 6.1 快刀伺服器的構成及測試方案86-90
• 6.1.1 實驗平臺的設計和搭建86-87
• 6.1.2 快刀伺服器測試平臺87-90
• 6.2 快刀伺服器控制實驗90-100
• 6.2.1 快刀伺服器的動態(tài)特性實驗90-93
• 6.2.2 誤差補償實驗方案的設計93-96
• 6.2.3 補償前后實驗數(shù)據(jù)對比分析96-99
• 6.2.4 誤差補償?shù)娘@性結論99-100
• 6.3 微陣列結構切削實驗100-113
• 6.3.1 周向單個微陣列結構加工100-106
• 6.3.2 周向和徑向多微陣列結構加工106-111
• 6.3.3 周向均分三微陣列結構加工111-113
• 6.4 本章小結113-115
• 總結與展望115-118
• 參考文獻118-128
• 攻讀學位期間發(fā)表論文128-131
• 致謝

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1 周歡偉;新型快刀伺服器結構動態(tài)設計與誤差補償技術[D];廣東工業(yè)大學;2015年

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1 萬飛;快刀伺服加工關鍵技術研究[D];國防科學技術大學;2010年

2 陳武;基于壓電陶瓷驅(qū)動的快刀伺服系統(tǒng)的研制[D];廣東工業(yè)大學;2014年

3 張澤義;小型單點金剛石超精密車床快刀伺服系統(tǒng)的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2013年

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本文編號：721892