光学薄膜是LCD液晶显示器背光源模组中重要的零件,它通过具有光学微结构的导光板精密模具制造而成,这种光学微小拓扑结构,通常有微沟槽阵列、微锥形阵列以及微透镜阵列等。印刷法制作LCD导光板的辊筒需加工出上述非球面的微阵列结构,可以在超精密车床上安装快刀伺服器(Fast Tool Servo,FTS),根据辊筒微阵列结构的特点,通过控制快刀伺服器,实现刀具的宏微复合精密联动,达到亚微米的加工精度,制造出所需的精密模具。快刀伺服器主要由驱动器、柔性铰链刀架和控制器等构成,其中压电陶瓷驱动的快刀伺服器具有响应频率高,加速度高等优点。采用杠杆式放大机构、压曲以及Scott-Russell机构等能使微位移放大。压电陶瓷的位移精度高、响应速度快、输出功率大,同时也存在蠕变性、迟滞性和非线性等缺点,常用Preisach模型、Prandtl- Ishlinskii模型、Duhem算子、广义Maxwell模型等描述。上述特点带来一些问题：压电陶瓷驱动的快刀伺服器频率越高,产生的微位移越小；位移放大机构产生的位移越大,运动过程中的与主运动方向相垂直的耦合位移也越大；Preisach模型离散化数值法不能反映擦除特性,广义Maxwell模型由于求解过于复杂带来了大量的计算量。本文通过设计出具有位移放大功能的桥式柔性铰链,使快刀伺服器在高频率下获得较大的位移量,通过对称的桥式柔性铰链结构,有效消除运动过程的垂直轴向运动耦合。结合动力学模型,建立快刀伺服器在动态过程中的最优拓朴结构参数,获得最优的动态特性。构建压电陶瓷的电压、压力和位移等的ECNLP模型后,结合多源误差分析,提出前置补偿算法,改善快刀伺服器的迟滞非线性。最后通过刚度实验、加工不同微阵列结构的实验等,验证上述工作的有效性。1.设计新型快刀伺服器的结构。利用大于45度倾斜放置的连杆两端位移差异大的原理,设计了微小位移放大机构。建立放大倍数的数学模型,设计具有对称结构的桥式柔性铰链,解决压电陶瓷驱动的快刀伺服器随着频率高则行程短的矛盾,消除与主运动垂直的耦合位移。建立等效平面机构的运动学方程,推导出广义坐标系下的桥式柔性铰链的动力学方程。采用绝对坐标的笛卡尔方法,获得快刀伺服器整体动力学的数学模型。充分考虑快刀伺服器各零件的材料、质量等属性后,对桥式柔性铰链的拓朴结构进行了优化设计,获得快刀伺服器较优的结构尺寸。2.探索结构参数对动态特性的影响规律。分析桥式柔性铰链的特点,揭示不同结构尺寸参数对刚度、固有频率等动态特性的影响规律。通过常用材料的弹性模量、泊松比、密度等的对比分析,确定最适合桥式柔性铰链的材料。建立快刀伺服器多体动力学仿真模型,揭示它们对刚度和固有频率等动态特性的影响规律,以及相应的敏感程度。3.建立快刀伺服器的控制策略。通过分析压电陶瓷的主要特性,合理选择压电陶瓷,建立机械性能、电气性能、机械—电气性能对压电陶瓷的电容、电量、电场、位移、压力、电压等影响的关系模型,确定应变和电场强度、压力与电压、压力与微位移等之间的数学关系。借助机电耦合非线性集总参数(ECNLP)动力学模型,建立桥式柔性铰链的惯性力、弹性力与电压之间的关系。在此基础上,通过PID控制原理和Preisach模型,将满程电压划为等分为15个级别,用线性插值法实现拟合,测得不同电压变化下的实验数据,获得理想输出的理论电压与实验电压的误差值,为误差补偿策略提供了理论依据。4.构建多源误差的补偿算法。分析影响快刀伺服器刀尖位移的误差源,包括桥式柔性铰链敏感尺寸的制造误差、环境温度变化引起快刀伺服器的结构尺寸误差等,建立它们与刀尖位移误差的关系模型。根据电压、力、位移的关系模型,提出补偿桥式柔性铰链角度、宽度制造误差的策略,获得基于RBF的温度误差模型的位移误差值,考虑快刀伺服器的惯性力、弹性力、制造误差及温度变化对压电陶瓷位移的影响,利用压电陶瓷的PID控制模型和迟滞非线性模型,提出了前置误差补偿的驱动电压补偿算法,减少多源误差对刀尖位移精度影响。最后,介绍快刀伺服器的测试平台和测量工具,通过刚度测试,验证了快刀伺服器具有3.5倍的放大位移,能消除运动过程与主运动相垂直的运动耦合。测试快刀伺服器的迟滞非线性的程度,对压电陶瓷的驱动电压进行补偿,通过前置补偿前后结果的对比,验证新型快刀伺服器的控制补偿算法的有效性。加工了不同微阵列的结构,对比表面粗糙度和切削精度,证实新型快刀伺服器具有较大位移的功能,有加工较深微阵列结构的能力,达到亚微米级的尺寸精度。