打点机微冲压系统结构设计及实验研究

打点机微冲压系统结构设计及实验研究摘要随着智能电子产品的发展，超精密设备在人民日常生活中广泛使用使的导光板产业得到了蓬勃发展，促进导光板模芯等精密加工技术的提升与超精密加工设施的优化升级。导光板设计源于笔记本电脑的液晶显示屏，是将线光源转化为面光源的高科技产品，它的成型方法是以导光板模芯为载体，注塑成型。导光板模芯上的网点精度直接影响导光板的品质，因此加工出超精密的导光板模芯是核心技术。导光板模芯上的微结构阵列加工属于超精密加工，因此需要用到超精密加工机床。微结构密集阵列加工机床主要是用于中小尺寸的导光板模具的加工，一块导光板模具上包含着几十万至上百万的微结构网点，直径一般在38μm左右，它们之间的间距一般在几十微米到几百微米之间，一次加工必须完成所有微结构网点的加工且对加工质量有着严格的要求，为了确保机床的加工效率和加工质量，机床不仅需要具有短间距、高速、高频率启动停止能力，而且需要具有高频动态响应能力和很高的分辨率。本设计主要针对微阵列加工的Z轴微冲压系统进行分析，并对其进行实验研究，验证其性能及可靠性。通过对导光板精密打点机结构分析，Z轴刀架装置深入学习，阐述了压电陶瓷、交叉导轨和数显表等配件的功能作用及选型依据。其中对打点机Z轴刀架进行详细介绍，作为课题最重要的柔性铰链结构，结合SolidWorks建模软件和有限元ANSYS软件进行仿真分析，学习理论计算和仿真计算柔性铰链的应力、刚度和一二阶模态，并进行了深入学习。选择硬度较大且耐磨性较高的材质模具钢作为模芯，在微结构阵列精密加工机床的加工实验中，通过对VisualStudio2010和HALCON10.0软件开发平台的应用，进行的实验结果分析，对比白光干涉仪的图像观察和数据测量，验证打点机在位检测系统的准确性，是否符合现代工业加工精度需求。分析柔性铰链参数厚度t、切割直径R、宽度b和连杆长度L对直圆型柔性铰链刚度、输出位移和固有频率的影响，通过控制变量和动静态性能平衡的方法，对直圆型柔性铰链的结构参数在满足工作需求的前提下进行优化。并对优化后的柔性铰链进行理论计算和ANSYS有限元仿真分析，分析结果表明误差在接受范围内，满足了现代工业生产需求。最后总结了研究成果和工作展望，在完成课题内容后，同时提出研究内容的发展空间和学习方向。无论是对压电陶瓷的力与位移之间的关系和电压与位移关系的实验、图像预处理的HALCON机器视觉软件深入学习和模具材料的选择，都是课题发展的新展望。关键词：导光板；压电陶瓷；快刀伺服器；柔性铰链；有限元分析；精度分析

AbstractWiththedevelopmentofintelligentelectronicproducts,thewidelyusedinpeople'sdailylifehasboomedtheindustryoflightguideplate,andpromotedtheupgradingofprecisionprocessingtechnologysuchasthecoreoflightguideplateandtheoptimizationandupgradingofprecisionprocessingfacilities.ThedesignoflightguideplateoriginatesfromLCDscreenofnotebookcomputer.Itisahigh-techproductthatconvertslinearlightsourceintosurfacelightsource.It’sformingmethodisinjectionmouldingtechnology.Themeshaccuracyonthelightguideplatecoredirectlyaffectsthequalityoftheguideplate,soitisthecoretoprocessthepreciseguideplatecore.Themicro-structurearrayprocessingonthecoreofthelightguideplatebelongstoultra-precisionprocessing,sotheultra-precisionprocessingmachinetoolisneeded.Micro-structureddensearraymachinetoolismainlyusedfortheprocessingofsmallandmedium-sizedguideplatedies.Aguideplatediecontainshundredsofthousandstomillionsofmicro-structureddotswithadiameterofabout38microns.Thespacingbetweenthemisusuallybetweentensofmicronsandhundredsofmicrons.One-timeprocessingmustcompletetheprocessingofallmicro-structureddotsandhavestrictqualityofprocessing.Requirements,inordertoensuretheprocessingefficiencyandqualityofmachinetools,machinetoolsnotonlyneedtohaveshortspacing,highspeed,highfrequencystartandstopability,butalsoneedhighfrequencydynamicresponseabilityandhighresolution.ThisdesignmainlyfocusesonZ-axismicro-stampingsystemformicroarrayprocessing,andcarriesoutexperimentalresearchtoverifyitsperformanceandreliability.BasedontheanalysisofthestructureofthelightguideplateprecisionpuncherandtheZ-axistoolholder,thefunctionandselectionbasisofpiezoelectricceramics,crossguidesanddigitaldisplaytablesareexpounded.Asthemostimportantflexiblehingestructureofthesubject,theZ-axistoolholderofthedottingmachineisintroducedindetail.ThefiniteelementANSYSsoftwareisusedtosimulateandanalyzethestress,stiffnessandfirstandsecondmodesoftheflexiblehinge.Thediesteelwithhighhardnessandwearresistanceisselectedasthecore.Intheprocessingexperimentofmicro-structurearrayprecisionmachinetool,theexperimentalresultsofVisualStudio2010andHALCON10.0softwaredevelopmentplatformareanalyzed,andtheimageobservationanddatameasurementofwhitelightinterferometerarecomparedtoverifytheaccuracyofthedottingmachinein-situdetectionsystemandwhetheritconformstomodernindustrialprocessingprecision.Degreedemand.Theeffectsofthethicknessofflexurehingeparameterst,cuttingdiameterR,widthBandlinklengthLonthestiffness,outputdisplacementandnaturalfrequencyofthestraightcircularflexurehingeareanalyzed.Thestructuralparametersofthestraightcircularflexurehingeareoptimizedbycontrollingvariablesandbalancingdynamicandstaticperformance.ThetheoreticalcalculationandANSYSfiniteelementsimulationanalysisoftheoptimizedflexurehingearecarriedout.Theanalysisresultsshowthattheerroriswithintheacceptablerangeandmeetstheneedsofindustrialproduction.Finally,theresearchresultsandworkprospectsaresummarized,andthedevelopmentspaceandlearningdirectionoftheresearchcontentareputforwardafterthecompletionofthesubjectcontent.Whetheritistheexperimentoftherelationshipbetweenforceanddisplacementofpiezoelectricceramics,theexperimentoftherelationshipbetweenvoltageanddisplacement,thein-depthstudyofHALCONmachinevisionsoftwareforimagepreprocessingandtheselectionofdiematerials,itisanewprospectforthedevelopmentofthesubject..Keyword：Lightguideplate(LGP)；Piezoelectricceramic(PZT)；Fasttoolserve(FTS)；Flexurehinge；Finiteelementanalysis；Precisionanalysis

目录第一章绪论 第一章绪论1.1课题研究背景及意义随着时代的发展，导光板逐渐成为液晶显示方面最大、覆盖面最广的应用，它在液晶显示器、笔记本电脑和液晶电视等方面已成为不可或缺的一部分。大尺寸的液晶面板市场主要应用于笔记本和电视屏幕，小尺寸的液晶面板市场主要集中于智能手机、平板电脑和数码相机。尤其在这个4G向5G飞跃发展的智能时代，智能手机的更新换代更加频繁，手机背光模组逐渐朝着变薄的趋势发展，对导光板模芯的微结构阵列加工的技术要求提出了更高的要求。目前，导光板的加工一般采用的是光学级亚克力（PMMA）板材上印刷结构网点[1]。通过注塑成型的技术，生产工艺主要有挤出、浇注和射出等，一块高精度的导光板模具钢可以注塑脱模60多万块导光板，但模具钢的加工需要用到高精度的模具加工机床设备和高精度的检测技术设备[2]。图1-1为导光板模芯，图1-2为加工成型的导光板。图1-1导光板模芯图1-2导光板背光模组（Backlightunit）是液晶显示器（LCD）的光源提供者，LCD本身并不发光，背光模组的表现决定着显示器的视觉感。液晶显示器主要要求在于亮度和色度，导光板是背光模组光源的传播媒介，其网点排布、形状及材料决定了出射光源的灰度，分布的均匀性及出光效率等方面的表现[3]。智能手机的导光板是背光模组上的关键部件，决定着背光模组的厚度和光学亮度的均匀性，一块导光板上就有上百万个微结构阵列网点，为了使导光板正常工作，就必须严格保证为结构网点的加工质量。我国的科技发展和进步，机械制造业的精密与超精密加工是最重要的一部分，无论是理论知识方面还是设备技术方面，它能促使国防和各项研究进步。科学技术的不断发展推动了一些机械行业的发展，如仪器仪表制造、天文机械、航天机械和航海机械等。随着机械制造的专业化和多样化，对精密和超精密加工技术提出了更加严格的要求，也只有这样才能促进我国机械制造业和科学技术的不断进步和创新[4]。本文通过着重于加工导光板网点模具的机器设备的Z轴及其相关部件的选型研究，通过优化直圆型柔性铰链的结构参数，对其进行ANSYS仿真分析，得到更高精度的快刀伺服器，通过实验验证其优化结构的性能和稳定性。1.2微结构阵列精密加工机床发展现状导光板模具精密加工是微结构阵列加工，精度在微米级别，属于超精密加工范畴。超精密加工技术是尖端产品发展不可或缺的关键手段，它不仅仅适用于国防应用，而且可以大量应用于高端民用产品中，例如大型天文望远镜透镜、大规模集成电路的基片、现代光学仪器设备的非球面器件等产品。超精密加工技术促进了机械、电子、计算机等技术的发展，从另外一个角度来说，超精密技术担负着最新科学技术进步的重要使命，也是衡量一个国家制造技术水平的重要标志。国外最早进行超精密加工技术研究的国家是美国，也是迄今处于世界领先地位的国家。早在20世纪50年代末，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术；20世纪80年代，美国UnionCarbide公司、Moore公司和美国空军兵器研究所制定了以形状精度为0.1μm直径为800mm的大型球面光学零件超精密加工为目标的超精密机床研究计划（POMA）.除了美国，英国制定NION（NationalInitiativeonNanotechnology）计划、日本制定了ERATO（ExploratoryResearchforAdvancedTechnology）规划等等，德国、法国、荷兰等国家都发展了超精密加工技术。到90年代中后期，超精密加工技术的多种配套技术逐渐进入成熟期，定型的超精密设备增多，开始出现专业化制造的特点。超精密加工技术由以DTM-3，LODTM，OAGM2500等设备为标志的阶段步入以定型产品如：Freeform系列、Nanotech系列等位特征的产品生产阶段。下表是几种典型超精密加工机床的性能及指标。表1-3个机床的技术性能及指标机床型号技术性能指标Nanotech350FG五轴联动，实现非球回转表面、自由曲面、飞切表面等直线坐标分辨率小于1nm，控制分辨率可以达到1nmFreeform700A五轴联动，实现车削、铣削、磨削、快速私服、在线检测等加工表面粗糙度达到3nm，0.15μm的面形精度ROBONANOaoiB五轴联动，实现铣削、车削和高速刻绘加工主轴旋转精度达到0.05μm，坐标轴分辨率达到0.2μmAsphericLine生产线提供用户全面的非球面磨削、抛光和检测的解决方案可以在20min内将φ50mm的光学玻璃非球面工件精度调高到0.2μm，表面粗糙度小于0.5nm一直以来西方国家对中国超精密加工设备都处于禁运阶段，正是因为这个国内各行业才开始超精密加工设备的研发。但随着国内多家单位如北京航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学、国防科技大学、北京机床所、清华大学等相继研发成功。我们目前研发成功了多种精密机床，例如配备精密轴承、加工精度大0.025μm的超精密机床和复印机感光鼓加工技术、超精密机床数控系统等。虽然我国的超精密技术有着一定的国际地位，并在相关领域获得了一定的成就，但在性能指标及其可靠性方面与先进的科学技术还有较大差距，因此，我们还要继续进行深入研究。在对面积较小且硬度较大的导光板模芯，加工微结构密集阵列时，刀具的行程小，但是加工精度和刀具频率都很高，刀具在刀架的高频作用下撞击模芯加工。如图1-3为此次课题微结构阵列精密加工机床，其规格参数对比表1-2。图1-3长濑精机（本课题项目）表1-2微结构密集阵列精密加工车床规格机床技术规格长濑精机型号CV5Z轴行程（mm）8Z轴加工精度（μm）±0.5XYZ直线度±5μm/200mm加工速度（点/sec）20~40定位精度（μm）±1加工深度（μm）2~91.3课题来源及研究方向课题来源于广东省广东工业大学机电工程学院包装工程2015级本科生毕业设计论文选题。本课题的主要研究内容：学习微结构冲压系统的结构，掌握相关理论知识于计算分析，对打点机Z轴刀架进行结构分析，对主要结构进行SolidWorks软件建模、ANSYS软件进行仿真分析。仿真分析柔性铰链的性能，进行刚度分析、应力分析和模态分析，对比结果进行柔性铰链的参数性优化。学习打点机配件如压电陶瓷、数显表、显微镜等配件的功能和选型依据。熟悉掌握打点机的硬件设备和操作规范，结合VisualStudio2010、HALCON软件开发平台和白光干涉仪对现有的打点机Z轴进行性能验证试验，记录相关实验数据进行比较分析。

第二章打点机结构性能分析2.1实验机床结构概述本课题的研究以实验室现有的超精密微点密集阵列数控机床工为基准，其工作平台如图2-1所示。主体机床结构主要有两条平行的X轴滑动导轨实现刀架整体的X方向移动；两条Y轴滑动导轨布置于水平台面上实现刀架的Y方向的相对移动，且Y轴活动平台上还有直径为12mm、深3mm的圆孔，放置有圆形小磁铁，通电后可以吸附模芯，使模芯固定。Y轴活动平台四个角落还有可调节的大型螺栓，用于调节工件平面的水平平整度。X轴直线电机光源亮度调节器模芯在位检测硬件X轴导轨X轴滑台Z轴刀架部分压电陶瓷驱动器Y轴导轨Y轴调节平台Y轴直线电机X轴直线电机光源亮度调节器模芯在位检测硬件X轴导轨X轴滑台Z轴刀架部分压电陶瓷驱动器Y轴导轨Y轴调节平台Y轴直线电机图2-1打点机工作平台打点机的Z轴如图2-2所示，为该课题超精密微点密集阵列数控机床的核心装置，实现微阵列结构加工的高频率、高精度的打点加工；Z轴刀架上的千分尺可以调节整个刀架的Z向位移；压电陶瓷是整个刀架的动力驱动元件；柔性铰链是压电陶瓷驱动器的位移放大器和支撑机构，实现刀具在Z轴方向的进给运动；缓冲弹簧的设计目的是在刀具高频率的加工时，缓冲模芯对刀具的反作用力，减少对柔性铰链的磨损和对加工精度的影响。压电陶瓷柔性铰链千分尺调节弹簧金刚石刀具预紧螺栓导轨固定螺栓机架压电陶瓷柔性铰链千分尺调节弹簧金刚石刀具预紧螺栓导轨固定螺栓机架图2-2Z轴刀架部件打点机Z轴刀架上的定位千分尺、调焦千分尺、同轴光源、CCD相机和装镜装置可以对撞点之后的模芯进行高精度调焦处理，拍摄加工结果，配合VisualStudio2010和HALCON10.0软件操作平台初步观察微点结构形状和打点锥孔的直径测量，打点机精度检测白光干涉仪可以观察加工结果的三维形貌和二维界面，从而计算导光板模芯加工后的表面粗糙度、面形精度和点的直径。图2-3为白光干涉仪。图2-3白光干涉仪2.2柔性铰链运动学分析2.2.1柔性铰链的刚度分析打点机中以柔性铰链为位移放大传动机构，与压电陶瓷安装在Z轴刀架上，具有加厚紧凑、质量小、传动无间隙、无机械摩擦及位移分辨率高等特点。结合压电陶瓷驱动器体积小、分辨率高及承载能力强的有点，由压电陶瓷驱动器提供高频率的微位移作用，实现了微纳米级别的加工精度，且不产生噪声和热量。常用的柔性铰链主要有以下5种，直梁型（a）、倒圆角直梁型(b)、直圆型(c)、抛物线型(d)和双曲线型(e)，如图2-4所示。本课题打点机Z轴刀架选用直圆型柔性铰链，可实现加工过程的高频率、柔性好、刚度小、具有较好的应变能力和实现微位移等特点，下面对打点机刀架中的柔性铰链进行理论计算计算和ANSYS有限元仿真分析。（a）直梁型（b）倒圆角直梁型（c）直圆型（d）抛物线型（e）双曲线型图2-4五种类型的柔性铰链计算柔性铰链的刚度有三种方法，分别将柔性铰链转化为Paros和Weisbord完整模型（PW完整模型）、Paros和Weisbord简化模型（PW简化模型）、Wu和Zhou模型（简称WZ模型）进行计算。根据测得的数据柔性铰链的厚度t=0.5mm，柔性铰链的切割半径R=2.25mm，故t/R≈0.22，t/R∈（0，0.8），适合运用WZ模型的公式计算柔性铰链的刚度比较准确，而且公式比较简便。柔性铰链的基本结构如图2-5所示，柔性铰链的宽度为b、厚度为t、切割半径为R、圆心角为φ。柔性铰链的受理和力矩为Fx，Fy，Fz和My,Mz。设柔性铰链的有段位相对固定端，则柔性铰链的左端变形为αz，△Z，αy，△y，△x。图2-5直圆型柔性铰链的结构尺寸图本课题柔性铰链可以理解为在力Fy作用下由弯矩导致柔性铰链产生沿y轴的线性变形△y，其转角刚度kakaz=MZ其中：f1=2c3c=Rt（2.E—柔性铰链材料弹性模量，Pa；b—柔性铰链的宽度，mm；t—柔性铰链的厚度，mm；R—柔性铰链的切割半径，mm；根据测量数据，R=2.25mm，r=0.5mm，b=16.5mm，E=196.2GPa。带入公式（2.1）和（2.2）中得到单个柔性铰链的转角刚度KaKaz=47.366N﹒m图2-6Y方向运动机构简图将直圆型柔性铰链进行机构简化，如图2-6所示。给予机构施加Y方向上的驱动力F，产生微位移量用△y表示，L表示铰链总长，铰链的角位移为α，直圆型柔性铰链的转动刚度由上述可得Ka12F△y=8×1且在α在足够小的情况下有：α≈sinα=△yL联立公式（2.4）和（2.5）可得直圆型柔性铰链Y向运动机构的刚度KyKy=F△y=在打点机上实测尺寸L=12.5mm，从而得到柔性铰链Y向运动的刚度：K2.2.2柔性铰链性能的仿真分析打点机刀架上存在固定柔性铰链和压电陶瓷等部件的螺纹孔部件连接孔，为了降低模型网格划分难度和提高ANSYS分析效率，在进行刚度分析和模态分析时，进行了简化处理，将螺纹孔和连接孔忽略不计，对性能分析的影响也几乎不计。下面通过有限元仿真分析柔性铰链的尺寸合理性。1.刚度分析用SolidWorks建立模型，通过转化文件格式的方法用ANSYS软件打开。通过对实体模型的单元选型、定义材料属性、合理的网格划分、设置边界约束条件、添加位移处理等前置条件后，仔细检查确认无误后进行求解。对于本课题刀架结构特点，将柔性铰链两侧平整化固定、而压电陶瓷工作处施加位移约束，使柔性铰链在Y轴上移动40μm。表2-1ANSYS有限元分析结果位移量S/μm应力/MPa所需推力40151.9660.21如表2-1的数据所示：在柔性铰链在Y轴方向移动40μm时，压电陶瓷提供的压力为60.21N，由刚度公式：K由公式（2.6）解得柔性铰链的刚度K=1.5052N/μm。对比可知，理论计算值与有限元数据分析的刚度误差为5.51%，。MAX`MAX图2-7ANSYS应力分析图2.应力分析刀架表现出来的位移主要由柔性铰链的变形产生，柔性铰链的最大应力值往往出现在铰链最薄处。为了保证柔性铰链在使用过程中不损坏，则必须对其进行应力分析，即是刀架工作时产生的最大位移40μm时，柔性铰链产生的最大应力是否小于材料的屈服强度，而且使用时的安全系数是否大于1.根据图2-7所示最大应力为σm=151.96MPaσ3.模态分析进行机构的模态分析，可以得到该机构的固有频率，从而能在机构工作时避开共振频率，从而保护机构的稳定和加工性能的稳定。如图2-7和2-8所示，通过ANSYS有限元模态分析得到了柔性铰链的一阶振型和二阶振型。表2-2为ANSYS分析得出的各阶模态分析的固有频率结果。柔性铰链的一阶模态分析振型时实际工作时柔性铰链的微位移运动方向，即ANSYS分析时的Y方向，此时固有频率f=819.03Hz。由于实际加工时的频率都是在80Hz以下，所以不会产生共振现象。图2-7ANSYS有限元一阶模态示意图图2-8ANSYS有限元二阶模态示意图表2-2ANSYS模态分析数据模态阶数固有频率/Hz1819.0425876.537811.54102165154332.3其它配件的选型2.3.1压电陶瓷的选择在进行导光板模芯加工时，主要依靠圆锥金刚石刀具的高频上下往复运动来实现微结构阵列打孔，故加工的精度也取决于打点机Z轴的压电陶瓷工作状态。Z轴刀架动力由压电陶瓷驱动器提供，压电陶瓷驱动器的性能也将影响着导光板模芯的加工质量，所以选择合适的压电陶瓷驱动器非常重要。常见的驱动器主要有：磁致伸缩FTS、洛伦兹力FTS、麦克斯韦力FTS和压电陶瓷FTS。磁致伸缩FTS是在磁场的作用力下，磁质材料在磁化方向产生微量伸长或缩短，结构简单，无接触，但容易产生热且不好控制，产生的频率也不高，目前最高频率仅为200Hz；洛伦兹力FTS是根据洛伦兹力驱动原理生产的电机为驱动原件，实现自由曲面的数控技术加工，这种FTS实现了毫米级的行程，但是运动系统质量大、惯性大、线圈产生大量的热；麦克斯韦力FTS是铁芯在表面法向上运动时，工作间隙的芯阻随着气隙的长度而往复周期变化，该FTS总体结构简单，共振频率高。但是行程小、装置难以控制；压电陶瓷FTS是利用压电材料在电压的作用下，是压电材料产生逆压电效应的变形，从而形成切削工件的目标。压电陶瓷FTS响应频率可以达到几千赫兹，并且加速度快，响应快，功耗低，但是行程小，存在非线性、迟滞等固有特性。本课题打点机选用压电陶瓷FTS为刀架装置的驱动器。因为导光板模芯的加工锥孔深度不超过10μm，且加工速率一般为30~40个孔，最大速率要达到50个孔，且需要良好的加工精度。本课题打点机Z轴刀架选用了国产博实封装型叠层式压电陶瓷微位移器SZBS150/140/40/VS20，外形尺寸直径为20mm，长度为42mm。极值驱动力达4700N/7000N，位移的分辨率精确到0.1μm。最大位移40μm。图2-9、2-10为选择的压电陶瓷和压电陶瓷驱动器。图2-9压电陶瓷图2-10压电陶瓷驱动器2.3.2工业相机的选择工业相机是工件检测硬件平台中最为核心的组成，好的工业相机能减轻打点机效果分析的图像处理难度和数据整理的准确性。在选择相机的过程中，分辨率、帧速和芯片类型是主要参考标准，但镜头的配合和性价比是更加重点考虑的因素。镜头的类型主要分为电荷耦合元件CCD（Charge-coupledDevice）和互补金属氧化物半导体CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor），两者各有特点，如表2-3所示。表2-3CCD和CMOS的特点类型优点缺点CCD体积小、质量轻、图片质量高、响应速度快、性能稳定、寿命长、噪声低需要外加电压、功耗高、成本高CMOS集成性高、成本低、读取速度快噪声大、感光开口小、灵敏度低为了保证在位检测系统的检测精度，通过多方面的因素斟酌，本课题打点机选择是德国BalserACE130万像素CCD相机，该相机的传感器为SonyIC×445CCD、分辨率达到1296×966pixel、帧速率为30fps。相机的实物图如图2-11所示。图2-11实验相机要获得高质量的图片，镜头也是不可或缺的。镜头的选择时镜头的成像尺寸不小于相机的芯片尺寸、选择和相机相匹配的借口、选择合适的焦距。最终选择NUION的10xAPO镜头，并配合MoritexSOD-Ⅲ镜管，镜头参数放大倍数为10×、工作距离34mm、焦距10mm、分辨率1μm。实物图为图2-12。图2-12实验镜头2.3.3加工模芯选择导光板模芯主要选择类型模具钢、7075铝合金和黄铜。但是，在进行打点机试验后，通过白光干涉仪的观察可以发现，打点加工后微结构阵列三维相貌中模具钢的最完整，其次是7075铝合金，黄铜最差。此外，在加工质量和精度上综合分析，模具钢都是最优选择。图2-13为模具钢导光板模芯，图2-14为模具钢在白光干涉仪下的三维相貌。图2-13模具钢导光板模芯图2-14模具钢微点三维相貌2.3.4辅助配件选择（1）光源和照射方式的选择原始图像的质量不单单取决于相机和镜头，选择合适的照明方式和正确的光源能够有效提高图像的质量，能收集到更多有效的信息，也方便了使用者观察，对后续图像预处理也提高了效率，提高了图像在位检测精度和保证系统稳定性。本课题所选的打点机选择了使用平行度较高的MoritexCV-MCEP-CB8-070同轴照明蓝色LED光源，并配备了MeritexMLEP-A070W1LR-100V光源亮度调节器，可以改善通道CH2的光源大小。图2-15为光源亮度调节器。图2-15光源亮度调节器（2）数显表选择打点机在对导光模芯加工前，导光模芯表面和摆放平台的水平平整度对于确保加工精度非常重要。本课题选用的数显表为三丰id-S112XB数显指示表，最小分辨率达到0.001mm，用于对加工模芯表面平整度的检测。图2-16为数显指示表的实物图。图2-16数显表2.4本章小结本章首先通过对整个打点机的结构功能分析，了解柔性铰链、压电陶瓷、工业相机、数显表等等的功能和选择型号的依据。对Z轴刀架装置的核心部件柔性铰链进行了理论计算和ANSYS仿真计算，主要包括静力分析、刚度分析、模态分析，验证了目前打点及结构的性能和稳定性。接下来的工作通过打点机实验，用VisualStudio2010和白光干涉仪对打点效果进行误差分析，结合理论部分的分析，得出误差的大小和误差存在的原因。

第三章打点机实验加工和数据分析3.1打点机的加工工艺实验打点机加工时，机床的三个轴，X、Y、Z轴分别控制平台的平面运动和Z轴刀架的上下垂直运动。具体加工流程为：（1）启动机器，检查刀具位置是否合理、设备是否正常工作；（2）将导光板模芯水平放置于加工平台上，平台上的磁性吸盘会抓紧模芯；（3）在Z轴刀架上安装数显表，然后固定数显表，启动机器和数显表，通过VisualStudio2010软件平台操作刀架在工件上移动，通过观察数显表数值的变化，绕模芯一周发现数值变化波动不超过0.003mm方可进行打点加工，若数值变化过大，则调节工作平台的四个调平螺母使得模芯平整放置；（4）刀架回到工作起点时，利用刀架装置上的千分尺调节好刀具与模芯之间的距离，注意不要撞刀；（5）导入试打点程序进行试打点；（6）打开摄像头，并移到打点位置观察，若图像合格，则将刀架回到坐标原点准备打点，若不符合要求，则调节位移千分尺，直至图像合格才准备导入加工程序进行加工；打点结果如图3-2所示，图为显微镜下观察到的网点结构。图3-1打点机Z轴显微镜下观察的结构加工完成后，移动摄像头观察打点情况，利用VisualStudio2010软件平台导出打点图像并进行初期直径尺寸测量，测量结果如图3-2所示。本课题所用打点程序共打点36个点，并获得了五组打点数据，随机抽查了其中的24个孔径，结果显示孔的直径大小均在44.6817～45.4006μm之间，平均直径为45.0006微米，误差均在±0.4微米之间，满足现在行业所需加工精度。图3-2VisualStudio2010软件平台所测数据3.2图像预处理打点机软件平台通过VisualStudio2010软件和HALCON软件共同组成图像采集、图像预处理和尺寸测量三个主要模块。其中VisualStudio2010平台完成图像采集和尺寸测量部分，HALCON机器视觉软件提供了数据和图像检测工具，提供了高速、高精度等强有力的检测工具，如各类滤波、色彩分析、数学变形、辨识、分类、形状搜索、矫正等基本的几何图像计算功能。图像预处理功能模板上主要有图像的灰度处理、二值化、滤波处理、圆孔填充和边缘提取等。图像的灰度处理虽然对图像的特征描述和原图像相差不大，但可以减少图像的复杂度和信息处理量，并提高算子运算速度；图像的滤波处理主要有高斯滤波、均值滤波和中值滤波等，可以抑制各类噪声越高；圆孔填充则是对图像中心区域进行图像填充，避免拟合边缘时出现两个边缘，从而减少算子计算量，提高效率。本课题参考OpenCV中的一部分功能函数，对图像进行了简单的处理，不加以详细介绍。圆孔测量数据结果不能直接被外部设备所识别，需要对数据进行转换输出到外部设备进行显示。3.3打点机系统精度验证白光干涉仪在表面测量和检测上有一定的优势，白光干涉仪利用光程差相等产生干涉条纹的原理，通过干涉条纹移动扫描测得导光板模芯的三位面貌、表面粗糙度和直径尺寸。如图3-4和3-5所示为白光干涉仪的测量界面。测量界面中X和Y方向上的分辨率达到了微米级，Z向分辨率更是达到纳米级别，所以用来测量导光板模芯点的直径。图3-4白光干涉仪工作界面图3-5导光板模芯微点的直径测量图为了得到严谨准确的直径数据，本课题采取对导光板模芯在白光干涉仪工作界面内进行多次数据测量。对比发现在放大倍数小于10时，扫描缺失较严重，数据误差较大，股采集数据时，以大于10倍为基准。对比决定分别采用在10倍、20倍、50倍的放大倍率下对实验微点进行直径测量五次，对微点进行分序号记录，把所记录的每个微点数据进行处理，最终得到测量结果如表3-1所示。

表3-1测量实验结果对比测量方法序号直径（μm）序号直径（μm）序号直径（μm）均值（μm）10倍144.7714945.04171744.882444.9884244.90131044.90011845.2410344.85171144.78801944.9928444.84061244.85072045.3007544.86361344.92202145.1782644.91111445.20982245.1616745.06021544.86742345.0295845.02621645.14372444.985120倍144.9263944.99741745.091545.0158245.16221045.05771844.8634344.80321145.25101945.2746445.15961245.11862045.2651545.21551344.90862144.9058645.19721445.15282245.1334745.18351544.78822345.1863845.38301645.12092444.864150倍144.7163945.18271745.056145.0142244.85831045.15241845.0134345.00551145.05711944.9231444.91511244.64952044.9094544.93021345.12942144.8739645.09421444.98722245.1166745.27381544.98822345.2990845.27331644.87442445.0624

打点机测量系统144.6817945.25661744.729745.006245.03261045.08171844.9155344.78881145.04971945.3875444.73041244.70552045.4556544.96991344.86582145.0888645.28581444.98072245.0603745.11711544.90652345.0750845.23361644.90652444.8576因为白光干涉仪在平面方向上的测量是手动寻找微点机构圆形边缘，且部分边缘在白光干涉仪下的效果不好，存在部分缺失的现象，造成一定的误差。但是通过多组实验数据分析可得10倍放大镜下的平均误差只有0.017μm，20倍放大镜下时是0.0156μm，50倍放大镜下只有0.0136。测量最大偏差远小于1μm，满足现代加工精度要求，通过白光干涉仪直径的测量间接验证了打点机在位检测系统的精度可行性。3.4本章小结本章介绍了本课题实验机床打点机的实验工作流程及注意事项；然后介绍了打点机床的软件平台开发VisualStudio2010和HALCON10.0，浅谈了图像采集、图像预处理和图像输出的作用和过程；最后利用白光干涉仪验证打点机测量系统的精度，在10倍、20倍、50倍的观察情况下误差均在可接受范围内。体现了目前机床的微结构加工稳定性。

第四章直圆型柔性铰链的参数优化4.1直圆形柔性铰链的力学分析4.1.1直圆型柔性铰链的刚度分析结合第二章对打点机柔性铰链的分析可知，结合机构尺寸图和Y向运动机构简图图4-1和4-2所示，机构在Y方向的转角刚度和平台整体刚度分别为：kaz=MZaKy=F△y=8其中：f1=2c36c=R/t；E—柔性铰链材料弹性模量，Pa；b—柔性铰链的宽度，mm；t—柔性铰链的厚度，mm；R—柔性铰链的切割半径，mm；L—柔性铰链连杆长度，mm；图4-1直圆型柔性铰链结构尺寸图M1MMM图4-2Y向运动机构简图4.1.2双柔性平行4连杆机构固有频率分析计算柔性铰链的固有频率可以避免柔性铰链在工作时产生共振，从而保持工作稳定高效。结合图4-2分析可知该微动平台在其运动方向上的支撑系统动能为：T=12M1△其中：M1为Y方向运动微平台的质量；△Y为运动微平台在Y方向上的位移：J为Y方向平行四杆机构中刚性连杆对断的转动惯量，且J=M2I212，其中M2为柔性铰链连杆质量T=12M1△有图4-2所示，该平行四连杆机构中有8个同样的柔性铰链，则其系统势能为：U=8×12Kaz对于具有完整约束、自由度为n的系统，在外力F的作用下的运动学方程满足拉格朗日方程：ddt∂T∂qj其中，qj为系统所取的广义坐标；T为系统动能；U为系统势能。在该系统中，取△Y为广义坐标，将公式（4.5）、（4.6）带入（4.7∂T△Y+8KazM所以，微动平台的固有频率为：ωny=8Ka又因为J=M2fy=ωny2π4.2柔性铰链的结构优化及参数选择4.2.1柔性铰链参数对刚度及输出微位移的影响打点机的刀架采用了压电陶瓷驱动、柔性铰链为导向机构的微定位平台可以实现高定位精度，但是柔性铰链的几何参数如切割半径R、宽度b、厚度t和连杆长度L对刀架的输出位移和动态稳定密切相关，如何取得最优参数解对整个刀架具有非常重要的意义。设置柔性铰链厚度t从0.3mm到0.7mm之间变化，柔性铰链切割半径R从1.0mm到4.0mm之间变化、柔性铰链宽度b从10mm到30mm之间变化，连杆长度从10mm到30mm之间变化，其刚度和固有频率的变化如图4-3所示。由图4-3（a）和（b）结合公式（4.2）当其他参数一定时，柔性铰链宽度b与系统刚度、固有频率之间呈正相关，与输出位移呈负相关，宽度b增大，输出位移减小；由图4-3（c）和（d）可知，切割半径R与系统刚度和固有频率呈负相关，与输出位移成正相关；由图（e）和（f）可知，厚度t与系统刚度和固有频率呈正相关，与输出位移呈负相关：由图（g）和（h）可知，连杆长度L与输出位移呈非线性的正相关，预估由频率呈负相关，即是增大连杆长度L，输出位移增大，但降低了系统的相应速度，达到稳态的时间增加。图4-3t/R/b/L对输出位移和固有频率的影响4.2.2直圆型柔性铰链参数优化通过分析了柔性铰链厚度t、切割半径R、宽度b、连杆长度L对柔性铰链刚度和固有频率影响的变化规律，因为增大输出位移和提高固有频率的参数选择是矛盾的，要增大输出位移就需要减小铰链厚度t和铰链宽度b，增大切割半径R和连杆长度L。而要提高刀架的响应速度，这就需要提高系统的固有频率，即增大铰链厚度t和铰链宽度b，显小切口半径R和连杆长度L.为了得到柔性铰链的性能参数，本课题选用静动态性能平衡的方法。在限定的0.3mm≤t≤0.7mm，1.0mm≤R≤4.0mm，10mm≤b≤30mm，10mm≤L≤30mm范围内寻求最优解，通过将t、R、b、L对输出位移和固有频率关系图进行纵坐标归一化处理，结果如图4-4所示。所以，柔性铰链的输出位移和固有频率输出曲线在t=0.5mm，R=2.4mm，b=18mm，L=14mm处产生了交点，即在以上数值时达到了静动态性能的平衡图4-4t/R/b/L对系统性能的影响4.3优化后的柔性铰链性能测试对优化后柔性铰链进行建模和ANSYS软件有限元刚度分析和模态分析，对比与原先结构的参数优化性能的提升。并进行理论值分析、安全性能评估。（1）刚度计算将参数t=0.5mm，R=2.4mm，b=18mm，L=14mm，E=196200MPa代入公式（4.1）、（4.2）、（4.3）中，计算可得：KaKy（2）固有频率计算根据柔性铰链的尺寸参数可得质量M1=1.5432kg，f（3）ANSYS有限元分析表4-1ANSYS有限元分析结果位移量S/μm应力/MPa所需推力40160.6563.57如表4-1的数据所示：在柔性铰链在Y轴方向移动40μm时，所需提供的压力为58.64N，由刚度公式：K由公式（2.6）解得柔性铰链的刚度K=1.4615N/μm。对比可知，理论计算值与有限元数据分析的刚度误差为6.57%。图4-5ANSYS有限元应力分析（4）应力分析刀架表现出来的位移主要由柔性铰链的变形产生，柔性铰链的最大应力值往往出现在铰链最薄处。为了保证柔性铰链在使用过程中不是小，则必须对其进行应力分析，即是刀架工作时产生的最大位移40μm时，柔性铰链产生的最大应力是否小于材料的屈服强度，而且使用时的安全系数是否大于1.根据图4-5所示最大应力为σm=142.96MPa。所用材料的屈服强度为σ（5）模态分析进行机构的模态分析，可