非回转对称微结构表面超精车削轨迹生成及形状误差评价

论文摘要

非回转对称微结构表面在成像、照明、精密测量、激光光束整形等领域中得到了越来越广泛的应用，此类表面的超精密加工已经成为了21世纪先进制造技术中的一项关键技术。采用金刚石车削方法实现非回转对称微结构表面加工，具有形状精度高、表面粗糙度好、加工形状可灵活控制等优点，得到了越来越多的重视。车削加工此类表面时，需要同时考虑机床工作台的直线位移和主轴转动的角度，这决定了非回转对称表面车削与传统回转对称表面车削加工在表面成形原理上的差异。车削加工满足要求的非回转对称微结构表面，不仅需要相应的超精密加工设备、良好质量的金刚石刀具，还需要对刀具轨迹生成、形状误差评价、加工仿真等关键技术进行研究。刀具轨迹是实现加工的基础。根据非回转对称微结构表面车削加工表面成形原理，分别给出了公式描述表面、阵列类表面和离散点描述表面的刀具轨迹计算方法。为保证所加工表面的形状精度，需对刀尖圆弧半径进行补偿，而刀具补偿量通常既有X坐标轴运动分量，又有Z坐标轴运动分量。刀尖圆弧半径补偿后，就使原本单向、匀速进给的X向工作台叠加了一个高频往复运动分量，不利于微结构表面的车削加工。针对上述问题，提出了基于Hermite插值和散乱点插值的两种刀具轨迹生成方法，可将刀尖圆弧半径补偿后的高频的运动分量都分解到Z坐标方向上。其中，基于Hermite插值的刀具轨迹生成算法适用于公式描述的表面，而基于散乱点插值的刀具轨迹生成算法则更适用于阵列类和离散点表示的表面。形状误差评价是分析加工结果的重要部分。分别给出了非回转对称微结构表面加工结果二维轮廓误差及三维面形误差的评价方法。在进行轮廓误差计算时，采用弧长曲率曲线互相关方法得到测量轮廓与设计轮廓的对应点，根据这些对应点推导了实现轮廓粗匹配时对测量轮廓进行的的旋转、平移参数的快速计算方法，进而采用实数编码遗传算法实现测量轮廓与设计轮廓的精确匹配，得到了轮廓的轮廓误差。在面形误差评价时，采用曲率极值点作为粗匹配的特征点，建立了表面粗匹配和精匹配模型，采用遗传算法依次实现了对上述匹配模型的求解，得到了表面面形误差的评价结果，并对算法的可靠性进行了讨论。加工仿真是预测形状误差，保证加工质量的有效手段。采用超精密车削加工非回转对称微结构表面时，加工程序复杂、加工参数各异、加工结果易受环境影响。因此，需要参照真实加工系统建立相应的仿真系统，仿真系统不仅包括切削力、运动控制系统、工作台振动、切削刀具轮廓、加工表面三维形貌等模型，并且还包括机床运动和简化的动力学模型，上述所有模型的综合决定了工件的最终加工质量。在机床运动模型中，将机床各运动部件均抽象为具有六个自由度的刚体，并通过坐标变换得到金刚石刀具相对于工件的三维切削轨迹，进而通过采样法建立了加工表面的三维形貌。此仿真系统不仅可以预测加工结果的表面粗糙度，还可以分析主轴转速、刀尖圆弧半径补偿、对刀误差等加工参数对表面形状误差的影响，对实际加工具有指导意义。加工非回转对称微结构表面时需选择具有合适刀尖几何参数的金刚石刀具，以避免刀具与所加工的表面发生干涉。本文给出了金刚石刀具刀尖圆弧半径、前角、后角等几何参数的选择方法，并加工了多种非回转对称微结构表面。加工的公式描述表面为正弦网格表面，它可作为制作激光核聚变调制靶的模板。加工的阵列类表面为四边形和六边形排布的非球面微透镜阵列，它们在光学系统中具有广泛的应用。在对非球面形状参数进行光学性能优化的基础上，分别设计并加工得到了四边形和六边形排布微透镜阵列模板，对加工结果的形状精度进行了分析，对刀具对心误差对透镜形状误差的影响进行了讨论，并对热压印后非球面微透镜阵列的焦斑和成像性能进行了测试，表明超精密车削方法是加工微透镜阵列元件的一种有效手段。对于离散点描述的表面，成功实现了用图片表示的头像以及用于激光光束整形的连续衍射表面的加工，对刀具轨迹生成算法进行了验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 非回转对称微结构表面超精密车削加工研究现状
• 1.2.1 国内研究现状
• 1.2.2 国外研究现状
• 1.3 非回转对称微结构表面超精密车削加工关键技术
• 1.3.1 刀具轨迹生成技术
• 1.3.2 形状误差评价技术
• 1.3.3 加工仿真技术
• 1.4 课题的主要研究内容
• 第2章 非回转对称微结构表面车削轨迹生成算法
• 2.1 引言
• 2.2 非回转对称表面车削加工成形原理
• 2.3 微结构表面刀具轨迹计算方法
• 2.3.1 公式描述的表面
• 2.3.2 阵列类表面
• 2.3.3 离散点描述的表面
• 2.4 刀尖圆弧半径补偿及轨迹生成
• 2.4.1 刀尖圆弧半径补偿原理
• 2.4.2 刀尖圆弧半径补偿存在的问题
• 2.4.3 基于 Hermite 插值的刀具轨迹生成
• 2.4.4 基于散乱点插值的刀具轨迹生成
• 2.5 本章小结
• 第3章 非回转对称微结构表面形状误差评价
• 3.1 引言
• 3.2 轮廓误差评价
• 3.2.1 轮廓的弧长曲率参数化
• 3.2.2 基于互相关的轮廓粗匹配
• 3.2.3 轮廓的精确匹配算法
• 3.2.4 遗传算法求解匹配优化问题
• 3.2.5 轮廓误差评价
• 3.3 面形误差评价
• 3.3.1 曲面粗匹配算法
• 3.3.2 曲面精确匹配算法
• 3.3.3 仿真曲面面形误差评价
• 3.3.4 真实测量面形误差评价
• 3.4 本章小结
• 第4章 非回转对称微结构表面车削加工仿真
• 4.1 引言
• 4.2 非回转对称微结构表面车削加工系统
• 4.3 仿真系统整体结构
• 4.3.1 运动控制系统模型
• 4.3.2 机床机械动力学系统建模
• 4.3.3 主轴运动误差和工作台振动模型
• 4.3.4 机床运动学模型
• 4.3.5 刀具几何形状和三维形貌模型
• 4.4 微结构表面车削加工仿真
• 4.4.1 主轴转速对形状误差的影响
• 4.4.2 刀尖圆弧半径补偿对形状误差的影响
• 4.4.3 刀具对心对加工形状误差的影响
• 4.5 实验验证
• 4.6 本章小结
• 第5章 非回转对称微结构表面车削加工实验
• 5.1 引言
• 5.2 加工设备及刀具
• 5.2.1 金刚石车床
• 5.2.2 金刚石刀具参数选择
• 5.3 公式描述微结构表面加工实验
• 5.4 非球面微透镜阵列加工实验
• 5.4.1 非球面微透镜光学设计
• 5.4.2 非球面微透镜阵列车削加工
• 5.4.3 非球面微透镜阵列形状误差评价
• 5.4.4 非球面微透镜阵列光学测试
• 5.5 离散点描述微结构表面加工实验
• 5.5.1 图片描述表面加工实验
• 5.5.2 连续衍射表面加工实验
• 5.6 FTS 与 STS 车削加工方法对比
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历