新型快刀伺服器結構動態(tài)設計與誤差補償技術.pdf

1、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，F(xiàn)TS)，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。
　　快刀伺服器

2、主要由驅動器、柔性鉸鏈刀架和控制器等構成，其中壓電陶瓷驅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:壓電陶瓷驅動的快刀伺服器頻率越高，產生的

3、微位移越小;位移放大機構產生的位移越大，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。

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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)尿寗与妷貉a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