导光板模具变参数密集阵列高速微冲压加工方法研究

Micro punching has the advantages of low cost and high efficiency on processing light guide plate mold. However, the precision of the microdot array on the surface of the mold needs to reach nanometer level. The process also needs to meet the technology requirements of high precision, high speed, and controllability. The problems such as the high frequency dynamic response of the punching tool, and the cooperative motion control of the horizontal feed axis and the vertical punching axis are restricting the localization process of this kind of mold processing equipment. The integrated design optimal geometric model of the micro punching system will be established based on the theory of flexible mechanism and system dynamics. The research of the project will focus on the static and dynamic mechanical behavior of the tool holder on the working condition of high frequency, the hysteresis and creep effect and the high frequency dynamic characteristics of the piezoelectric ceramic. The cooperative motion control strategy of the micro punching system will be put forward based on the parameters of the processing and mold material and the optimal path. The "staggered flower process" is creatively introduced, that is the punching dots are chosen by interval and prolong the response time, then the high processing speed and quality can be obtained by optimizing the horizontal moving trajectory of the tool and the punching sequence. The goal of this research is expected to form the complete micro punching processing technology system of the microdot dense array, which will explore an effective and reliable technical path for the high speed and high precision processing of the variable parameters dense array of light guide plate mold. Therefore, the project has great academic research value and market application prospects.

微冲压工艺加工导光板模具具有高效率、低成本优势。然而，模具表面的阵列微点需要达到纳米级的精度，其加工过程也需满足高精度、高速度、可控性等技术要求。冲压刀具高频动态响应、水平进给轴与垂直冲压轴的协同运动控制等难题正制约着这类模具加工装备的国产化进程。项目将基于柔性机构及系统动力学理论，建立微冲压系统一体化设计的最优几何模型，研究高频工作下刀架的静动态力学行为、以压电陶瓷为驱动单元的迟滞、蠕变效应与高频动态特性，基于工艺和模芯参数及最优路径的微冲压系统三轴协同运动控制策略。项目创新性地提出“错花”工艺，间隔地选择冲压点，延长响应时间，通过优化刀具水平运动轨迹与冲压次序，获得满足加工速度要求的高加工质量。项目研究成果可望形成完整的微点密集阵列微冲压加工技术体系，为导光板模具变参数密集阵列的高速、高精度加工探索一条有效而可靠的技术路径。因而，项目极具学术研究价值与市场应用前景。

针对“导光板模具变参数密集阵列高速微冲压加工方法研究”的问题，项目提出了密集阵列微结构微冲压加工方式一体化机床设计方法，研究了高频进给刀架迟滞非线性，提出了“错花工艺”加工工艺，研究了机床三轴协同控制策略、在位测量系统及其算法实现，并开展了相应实验验证，具体研究包括：..（1）对密集阵列微结构加工技术及方法进行了分析，设计了高频进给刀架结构，建立了刀架的静、动态特性模型，基于刀架静动态特性平衡的原理，对刀架柔性铰链的参数进行了优化设计，校核了其强度，并进行了仿真分析。研究了压电陶瓷控制系统的迟滞非线性，采用不同加压方式研究了压电陶瓷位移输出特性，提出了压电陶瓷迟滞非线性的控制模型，以满足变参数加工输入需求，通过实验验证并修订了模型。.（2）建立了密集阵列微冲压加工机床上下文感知的数字孪生模型，提出了密集阵列加工的“错花工艺”，并建立了其双层规划结构的联合优化模型；对高速点位运动在线视觉检测的图像采集提出了差分采样技术，采用跨往复周期的采样整合为一个周期样本图像的技术，以实现高速点位加工设备的在线监测，解决高速在线检测数据采集速度慢的问题。.（3）研究了密集阵列加工机理，建立了刀具几何参数、微透镜阵列几何尺寸与Z轴压电陶瓷输入参数的控制模型。开发了密集阵列X、Y轴控制系统，实现了其实时显示、补偿表的建立等功能，通过对PID参数和速度、加速度等参数的调节，改善了控制系统的稳态特性和动态特性，得到了密集阵列最佳控制参数。.（4）开发了密集阵列微结构在位检测系统，利用线性递归高斯滤波降噪处理，对高斯噪声进行了有效抑制并对图像进行向前、向后两次滤波处理。采用Otsu自动阈值分割算法，实现了不同材质模芯、不同光强、不同微结构阵列网点类型的高效率高精度阈值分割。采用Canny算子像素级边缘粗定位和二次曲线拟合法亚像素边缘检测，提取了完整的微结构阵列边缘轮廓。.（5）搭建了实验平台：得到了Z轴控制模型；验证了在位检测系统精度满足开发要求；进行了金刚石刀具与不同材质模芯耦合加工实验，得到了不同的微结构阵列网点类型，通过高精度白光干涉仪和在位检测系统分析了微结构阵列加工质量和精度，可达到亚微米级精度，满足加工需求。