【摘 要】
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具有光学功能的微结构是一种重要的微结构,由于其特殊的性能,广泛应用于成像技术和能源应用等领域,拥有巨大的市场应用价值。辊筒机床控制系统是整个机床的核心部份,融合了多学科的专业技术,其性能直接决定着数控机床的加工性能。常规的辊筒机床只配备了X轴、Z轴和主轴,无法在辊筒模具上实现径向菲涅尔光学微结构加工,需要引入A轴进行四轴联动才能实现该种结构的加工。为了研究辊筒模具光学微结构加工控制系统实现方法,同
【基金项目】
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广州市科技计划重点项目:“辊筒模具径向菲涅尔结构切削加工关键技术与装备”（No.201804020040）；
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具有光学功能的微结构是一种重要的微结构,由于其特殊的性能,广泛应用于成像技术和能源应用等领域,拥有巨大的市场应用价值。辊筒机床控制系统是整个机床的核心部份,融合了多学科的专业技术,其性能直接决定着数控机床的加工性能。常规的辊筒机床只配备了X轴、Z轴和主轴,无法在辊筒模具上实现径向菲涅尔光学微结构加工,需要引入A轴进行四轴联动才能实现该种结构的加工。为了研究辊筒模具光学微结构加工控制系统实现方法,同时提升我国辊筒机床在制造业中的研发水平和应用能力,开展基于光学微结构加工的辊筒机床控制系统研究,具有重要的理论与实践意义。本论文针对光学微结构加工的要求,在实验室现有辊筒机床上开展多轴联动控制系统研究,开发出稳定的、高控制精度的辊筒机床多轴联动控制系统,并实现裸眼3D光学微结构和径向菲涅尔光学微结构的加工。具体研究内容如下:（1）根据辊筒模具光学微结构加工工艺,并结合辊筒机床机械结构,分析光学微结构加工方案,确定加工裸眼3D光学微结构和径向菲涅尔光学微结构时分别需要两轴和四轴联动控制。（2）以Aerotech的A3200运动控制器为核心,设计包括软硬件平台的辊筒机床控制系统,结合系统整体设计结构完成控制系统硬件平台的搭建,开发了上位机软件多功能模块,有效实现了运动控制器的功能扩展性、通用性和移植性,开发出针对光学微结构加工的辊筒机床多轴联动控制系统。（3）研究了A3200运动控制器PID控制算法,利用MATLAB/Simulink对PID伺服控制环路进行了参数整定与仿真分析,深入开展了优化调试实验,控制系统达到了高稳定性和高控制精度的要求,旋转轴定位精度达到2arc sec,直线轴定位精度达到0.25μm。（4）基于研究的控制系统,开展了辊筒模具光学微结构加工实验。在对辊筒模具外圆车削加工的基础上,采用不同的金刚石刀具分别对柱状透镜光栅特征深度为142.87μm的裸眼3D光学微结构和每个环带特征深度为20μm的径向菲涅尔光学微结构进行加工。加工结果表明,辊筒模具表面粗糙度Ra4.8nm,裸眼3D光学微结构平均表面粗糙度Ra9.1nm,轮廓精度PV优于4.5μm,径向菲涅尔光学微结构每个环带平均表面粗糙度Ra8.4nm,轮廓精度PV优于1.6μm,验证了所开发的辊筒机床控制系统能够满足一般光学微结构加工性能的要求。
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