摘要
摘要
微透镜阵列作为典型光学拓扑结构，对优化光电机械设备的结构尺寸和改
善光学系统的光学性能有着重要作用。毫米级以上的微透镜阵列表面加工采用
慢刀伺服车削技术具有明显优势，但加工精度和效率还有待提高。本文通过对
慢刀伺服加工微透镜阵列的离散轨迹优化、伺服系统仿真和复合微透镜阵列元
件的车削加工的研究，旨在提高慢刀伺服加工微透镜阵列的加工精度与加工效
率。
首先，采用三次样条插值算法优化了微透镜阵列的慢刀伺服加工轨迹，提
高了微透镜阵列的加工精度。根据螺旋轨迹的离散策略，结合微透镜表面的数
学表达，建立微透镜阵列的表面模型，基于该模型完成三次样条插值算法的优
化，针对三次样条插值边界的畸变问题，采用插值因子调整插值节点，降低了
微透镜边缘的二阶导数跃变幅值，为微透镜阵列元件的高精度加工奠定基础。
针对慢刀伺服车削加工中空行程的快速过渡问题，根据速度向量积分计算转角
坐标的方法，提高了慢刀伺服的加工效率，降低了由于C轴加减速引起系统开
环的风险。实验验证了所提出算法在抑制跟踪误差与提高加工效率上优于传统
加工轨迹的计算方法。
其次，为实现加工轨迹的离线测试，建立了Z轴伺服控制系统的仿真模型
并分析加工轨迹的跟踪误差。通过分析超精密车削系统在微透镜阵列慢刀伺服
加工过程中各伺服轴的运动形式，明确了加工表面精度的主要影响因素。根据
直线电机与驱动器的具体参数建立了Z轴电流环控制模型，结合PowerPMAC
中的PID改进算法与导轨模型，建立了Z轴的控制系统的仿真模型，并通过该
模型分析了加工轨迹的跟踪误差，以判断加工轨迹是否合理。
最后，通过实验分析微透镜阵列慢刀伺服加工中工艺参数对表面质量的影
响，并实现了复合微透镜阵列表面的高精度车削加工。根据弧长单因素实验选
取了利于慢刀伺服加工效率的参数值，为后续实验缩减实验周期、提高加工效
率提供指导。设计了以插值时间、弧长、转角与每转进给量为变量的四因素三
水平正交实验，通过分析实验结果，选取了后续复合微透镜表面的加工参数，
并基于上述算法与仿真模型完成了复合微透镜阵列表面的高精度车削加工，验
证了所提出算法与模型的正确性。
关键词：超精密车削；慢刀伺服；微透镜阵列；轨迹规划
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Abstract
Abstract
Asatypicaltopologicalstructureinthefieldofoptics,microlensarraysplayan
crucialroleinoptimizingthestructuraldimensionsofoptoelectronicmechanical
equipmentandimprovingtheopticalperformanceofopticalsystems.Thesurface
processingofmicrolensarraysabovethemillimeterleveluseslowtoolservo
machiningtechnologytohaveobviousadvantages,butthemachiningaccuracyand
efficiencyneedtobeimproved.Thispaperaimstoimprovethemachiningaccuracy
andefficiencyofslowtoolservoinmachiningmicrolensarraysbystudyingdiscrete
trajectoryoptimization,servosystemsimulationandmachiningofcomposite
microlensarra