微透镜阵列快刀伺服加工系统设计与控制研究

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1、密级：非密中图分类号：TP23硕士学位论文微透镜阵列快刀伺服加工系统设计与控制研究学位类型:学术型学位学科(专业学位类别):机械工程作者姓名:丁焕琪导师姓名及职称:罗善明教授实践导师姓名及职称:学院名称:机电工程学院论文提交日期:2015年5月24日微透镜阵列快刀伺服加工系统设计与控制研究学位类型:学术型学位学科(专业学位类别):机械工程作者姓名:丁焕琪作者学号:12010301010导师姓名及职称:罗善明教授实践导师姓名及职称:学院名称:机电工程学院论文提交日期:2015年5月24日学位授予单位:湖南科技大学StudyonDe

2、signandControloftheFastToolServoforFabricatingMicrolensarraysTypeofDegree：AcademicTypeDegreeMechanicalEngineeringDiscipline(TypeofProfessionalDegree)：Candidate：DingHuanqiStudentNumber：12010301010SupervisorandProfessionalTitle：LuoShanmingProf.PracticeMentorandProfessi

3、onalTitle：School：CollegeofMechanicalandElectricalEngineeringDate：May.24.2015University：HunanUniversityofScienceandTechnology学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承

4、担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名:日期：年月日导师签名:日期：年月日摘要微透镜阵列是指由一系列尺寸在微米级的透镜按一定的方式排列而成的一类光学元件。近年发展起来的快刀伺服加工技术，具有加工精度高、速度快等优势。不仅可

5、以直接制作微透镜阵列，而且可以制作微透镜阵列模芯，因此，快刀伺服加工微透镜阵列技术就成为制作微透镜阵列的关键技术。论文以典型的球面微透镜阵列的快刀伺服加工为研究对象，研制一种采用音圈电机驱动的快刀伺服车削加工系统，规划微透镜阵列快刀伺服加工刀具路径，搭建控制系统，设计稳定性高、跟踪性能好的基于干扰观测器的离散滑模控制器。论文所做的工作如下：(1)快刀伺服加工平台的总体结构设计及部件选型。设计快刀伺服加工平台及隔振系统，设计“气浮轴承+无框电机”和“直线电机+气浮导轨”分别为主轴运动和X/Z直线运动的结构形式；选用行程大、精度高的

6、音圈电机作为快刀伺服装置的驱动，设计结构为“音圈电机+气浮导轨”的高频、高速运动形式。(2)规划并优化快刀伺服加工微透镜阵列刀具加工路径。阐述刀具加工路径规划流程，计算刀具加工路径；分析微透镜阵列快刀伺服加工刀具路径中的过渡区域分布规律及其对工件轮廓尺寸精度的影响；提出了一种过渡区域内的刀具加工路径优化方法，并采用软件对工件加工形貌进行仿真分析。(3)控制系统的的设计及相应硬件选型。采用下位机运动控制器配合上位机工控机的控制形式；选用UMAC控制器作为控制系统的核心，设计闭环控制系统并选定元件型号；针对微透镜阵列加工系统，采用微

7、软基础类库(MFC)完成上位机人机界面、路径规划、在线指令等模块的设计。(4)快刀伺服装置数学模型的建立及控制器的设计。在分析快刀伺服装置电压平衡和力平衡的基础上，建立电压与位移传递函数；采用MATLAB软件，设计离散PID控制器，采用基于干扰观测器的离散滑模控制方法，设计系统的控制器。在空载和不同负载情况下，分析运动系统的位置跟踪误差、超调、欠调以及振荡等现象。分析结果表明，基于干扰观测器的离散滑模控制器，在位置跟踪性能和抗干扰性能中表现较好，更适合用于快刀伺服装置的控制系统。关键词：快刀伺服;微透镜阵列;滑模控制;路径规划-

8、i-ABSTRACTThemicrolensarraythatisakindofopticalelementswhicharecomposedbyaseriesofmicrolenswhatarearrangedinacertainorder.Thefastto