哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
摘要
微透镜阵列结构由于其独特的光学性能，具有低像差、大视角、小畸变、
无限景深和高时间分辨率等功能，从而广泛应用于传感、照明、显示以及光伏
等多个领域，而慢刀伺服加工作为微透镜阵列结构的常用加工方式，其具有加
工精度高，一次成型无需后续处理且加工成本低的特点。本文为解决非球面微
透镜阵列模具的慢刀伺服加工问题，以刀具加工轨迹的生成以及慢刀伺服加工
表面预测模型的建立为主要内容展开研究。
结合非球面微透镜阵列结构的特征，基于坐标转换的方法建立其数学模型，
为微透镜坐标系方位不同的阵列结构提出一种数学模型求解方案。考虑数学模
型的计算难度较大，提出基于NURBS拟合曲线的特性分析方法，便于刀具参
数的分析以及轨迹规划的计算。分析刀具参数对加工质量的影响，以防止目标
表面过切为原则，对刀具的后角、刀尖圆弧半径以及刀尖圆弧包角的极限值进
行分析。结合目标表面的特征、加工精度要求以及机床分布特点确定加工轨迹
规划方法，并通过分区规划方法提高轨迹规划计算效率与精度。
根据慢刀伺服加工原理建立加工表面形貌预测模型，通过圆周分布和矩形
分布的离散方式建立的加工表面形貌预测模型分别具有效率高和便于计算表面
质量的优势。利用预测模型分析刀尖圆弧半径、每转进给量以及离散点数对加
工表面质量的影响规律，并选择合适的加工参数。分析三轴跟随误差和对刀误
差对加工表面质量的影响，结合机床的实际情况和对刀误差可达精度建立考虑
误差的加工表面形貌预测模型。从理论方面对一次加工成型和虚拟基面法两种
加工方案的进行分析对比，得到各方案的优缺点和影响因素。
使用不同刀尖圆弧半径和每转进给量进行单变量非球面微透镜阵列慢刀伺
服加工实验，验证加工表面形貌预测模型的正确性以及加工参数对加工质量的
影响规律；通过多种加工方案的实验对比，进一步分析虚拟基面法和一次加工
成型法对加工质量的影响，验证定位误差对虚拟基面法加工方案的影响并通过
对定位误差进行补偿提高加工质量；通过对比考虑误差前后的加工表面形貌预
测模型预测结果以及实际加工工件的表面质量，验证考虑误差的加工表面形貌
预测模型的有效性。
关键词：非球面；微透镜阵列；超精密车削；慢刀伺服；预测模型
-I-
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
Abstract
Microlensarraystructuresarewidelyusedinmanyfieldssuchassensing,
lighting,displayandphotovoltaicduetotheiruniqueopticalproperties,suchaslow
aberration,largeviewingangle,smallaberration,infinitedepthoffieldandhigh
temporalresolution,etc.Asacommonprocessingmethodformicrolensarray
structures,slowtoolingservomachininghasthecharacteristicsofhighprocessing
accuracy,one-timemoldingwithoutsubsequentprocessingandlowprocessingcost.
Inthispaper,tosolvetheproblemofslowtoolservomachiningforaspheric
microlensarraymolds,wefocusonthegenerationoftooltrajectoriesand