新型快刀伺服器結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與誤差補(bǔ)償技術(shù).pdf

1、光學(xué)薄膜是LCD液晶顯示器背光源模組中重要的零件，它通過(guò)具有光學(xué)微結(jié)構(gòu)的導(dǎo)光板精密模具制造而成，這種光學(xué)微小拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(dǎo)光板的輥筒需加工出上述非球面的微陣列結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，通過(guò)控制快刀伺服器，實(shí)現(xiàn)刀具的宏微復(fù)合精密聯(lián)動(dòng)，達(dá)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(qū)動(dòng)器、柔性鉸鏈刀架和控制器等構(gòu)成，其中壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的快刀伺服器具有響應(yīng)頻率高，加速度高等優(yōu)點(diǎn)。采用杠桿式放大機(jī)構(gòu)、壓曲以及Scott-Russell機(jī)構(gòu)等能使微位移放大。壓電陶瓷的位移精度高、響應(yīng)速度快、輸出功率大，同時(shí)也存在蠕變性、遲滯性和非線性等缺點(diǎn)，常用Preisach模型、Prandtl-Ishlinskii模型、Duhem算子、廣義Maxwell模型等描述。上述特點(diǎn)帶來(lái)一些問(wèn)題:壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的快刀伺服器頻率越高，產(chǎn)生的

3、微位移越小;位移放大機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的位移越大，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的與主運(yùn)動(dòng)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(guò)于復(fù)雜帶來(lái)了大量的計(jì)算量。
　　本文通過(guò)設(shè)計(jì)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(guò)對(duì)稱的橋式柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，有效消除運(yùn)動(dòng)過(guò)程的垂直軸向運(yùn)動(dòng)耦合。結(jié)合動(dòng)力學(xué)模型，建立快刀伺服器在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的最優(yōu)拓樸結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲得最優(yōu)的動(dòng)態(tài)特性。

4、構(gòu)建壓電陶瓷的電壓、壓力和位移等的ECNLP模型后，結(jié)合多源誤差分析，提出前置補(bǔ)償算法，改善快刀伺服器的遲滯非線性。最后通過(guò)剛度實(shí)驗(yàn)、加工不同微陣列結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)等，驗(yàn)證上述工作的有效性。
　　1.設(shè)計(jì)新型快刀伺服器的結(jié)構(gòu)。利用大于45度傾斜放置的連桿兩端位移差異大的原理，設(shè)計(jì)了微小位移放大機(jī)構(gòu)。建立放大倍數(shù)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的橋式柔性鉸鏈，解決壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的快刀伺服器隨著頻率高則行程短的矛盾，消除與主運(yùn)動(dòng)垂直的耦合位移。建

5、立等效平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，推導(dǎo)出廣義坐標(biāo)系下的橋式柔性鉸鏈的動(dòng)力學(xué)方程。采用絕對(duì)坐標(biāo)的笛卡爾方法，獲得快刀伺服器整體動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)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(duì)橋式柔性鉸鏈的拓樸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得快刀伺服器較優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸。
　　2.探索結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律。分析橋式柔性鉸鏈的特點(diǎn)，揭示不同結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對(duì)剛度、固有頻率等動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律。通過(guò)常用材料的彈性模量、泊松比、密度等的對(duì)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(dòng)力學(xué)仿真模型，揭示它們對(duì)剛度和固有頻率等動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律，以及相應(yīng)的敏感程度。
　　3.建立快刀伺服器的控制策略。通過(guò)分析壓電陶瓷的主要特性，合理選擇壓電陶瓷，建立機(jī)械性能、電氣性能、機(jī)械—電氣性能對(duì)壓電陶瓷的電容、電量、電場(chǎng)、位移、壓力、電壓等影響的關(guān)系模型，確定應(yīng)變和電場(chǎng)強(qiáng)度、壓力與電壓、壓力與微位移等之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。借助機(jī)電耦合非線性集總參數(shù)(ECNLP)動(dòng)力學(xué)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(guān)系。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)PID控制原理和Preisach模型，將滿程電壓劃為等分為15個(gè)級(jí)別，用線性插值法實(shí)現(xiàn)擬合，測(cè)得不同電壓變化下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得理想輸出的理論電壓與實(shí)驗(yàn)電壓的誤差值，為誤差補(bǔ)償策略提供了理論依據(jù)。
　　4.構(gòu)建多源誤差的補(bǔ)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(jié)構(gòu)尺寸誤差等，建立它們與刀尖位移誤差的關(guān)系模型。根

8、據(jù)電壓、力、位移的關(guān)系模型，提出補(bǔ)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(duì)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(bǔ)償?shù)尿?qū)動(dòng)電壓補(bǔ)償算法，減少多源誤差對(duì)刀尖位移精度影響。
　　最后，介紹快刀伺服器的測(cè)試平臺(tái)和測(cè)量工具，通過(guò)剛度測(cè)試，驗(yàn)證了快刀伺服器具有3.5倍的放大位移，能消除運(yùn)動(dòng)過(guò)程與主運(yùn)動(dòng)相垂直