CN113601257A - 一种基于变距式飞刀切削的微结构阵列加工装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于变距式飞刀切削的微结构阵列加工装置及方法，属于超精密车削技术领域。加工装置包括基座、机床X轴、机床Y轴、机床Z轴、机床B轴、机床C轴、真空吸盘、变距式飞刀x轴以及工件夹具。在微结构加工过程中，选用高刚度高频处理的直线电机、音圈电机及压电定位平台对刀具的旋转半径进行精密控制，可以一定程度上优化刀具偏心旋转导致的离心力情况，使飞切加工在不依靠慢刀或者快刀伺服的情况下具有了加工一般微结构的能力，相比于普通的车削加工又有回转轴线可变的优点，因此也具有了加工微结构阵列的能。

Description

一种基于变距式飞刀切削的微结构阵列加工装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于变距式飞刀切削的微结构阵列加工装置及方法，属于超精密车削技术领域。
背景技术
微结构阵列作为一种微型化和高度集成化的基础光学元器件，因其具有较高的填充系数及光学性能，在光电、信息以及精密工程等领域得到了广泛的应用。于此同时，微结构阵列的微纳尺度几何拓扑特征，对超精密加工技术提出了更高的要求。现有的光刻、特种能场、高能流束等制造方法通常局限于某些特殊材料，且工艺复杂环境恶劣。基于模具的压印复刻技术是微结构阵列实现高效率制备可行性最高的一种方式，因此超精密模具的制备被认为是微结构阵列应用的关键。
现有的超精密模具制备方法包括超精密微铣削，基于快刀或慢刀伺服的超精密车削以及飞刀切削。其中超精密微铣削使用微型铣刀和静压刀具主轴，具有较高的加工自由度和加工稳定性，但是铣削的材料去除机制导致其最终无法实现较高的加工效率。
超精密车削通过进给轴的伺服技术，将工件固定在主轴表面，将刀具固定在Z轴上，通过机床主轴和X向移动轴拟合出平面扫描切削轨迹，并使刀具在进给方向上根据模具表面的几何设计信息高频运动，从而实现自由曲面的构造，这种方式的优点是加工灵活性较高，但是设备复杂成本较高，且对大尺寸的微结构阵列跟踪难度较大。
飞刀切削从超精密车削发展而来，其不同之处在于通常将金刚石刀具固定与主轴表面，将工件固定在进给轴上，它的切削速度是恒定的，材料去除的过程通常是非连续的。由于其刀具旋转半径固定，将飞刀切削用于微结构阵列加工也需要进给轴的慢刀或者快刀伺服技术，区别在于切削投影平面的扫描方式不同，不需要随着工件尺寸的增大而改变进给轴的跟踪频率。飞刀切削应用于微结构表面加工的难点在于微结构的几何信息在刀具切削轨迹上的解析，以及仍旧需要刀具的进给轴高频伺服技术。
由此可见，现有的各种微结构阵列加工装置及方法仍存在加工质量差，切削效率受限、装置结构复杂等问题，亟需开发出一种新的可用于微结构阵列加工的装置和方。
发明内容
基于现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种基于变距式飞刀切削的微结构阵列加工装置及方法。
本发明所要解决的技术问题采取以下技术方案来实现：
一种基于变距式飞刀切削的微结构阵列加工装置，包括基座、机床X轴、机床Y轴、机床Z轴、机床B轴、机床C轴、真空吸盘、变距式飞刀x轴以及工件夹具；所述机床X轴和机床Z轴以T形结构布置在基座上，所述机床Y轴垂直固定于机床X轴的滑台上，所述机床B轴和所述机床C轴分别安装于所述机床Z轴和机床Y轴的滑台上，所述变距式飞刀x轴通过真空吸盘与所述机床C轴连接，所述工件夹具与机床B轴的转台连接。
作为优选实例，所述变距式飞刀x轴包括刀具微调装置、直线定位台、蓄电池、定位台驱动器、无线服务器、驱动器连接板、电池连接板、第一配重块、第二配重块以及变距式飞刀x轴底座，所述刀具微调装置安装在所述直线定位台上，其中所述直线定位台、驱动器连接板以及所述电池连接板均固定于所述变距式飞刀x轴底座上，所述定位台驱动器和所述无线服务器均与驱动器连接板连接，所述蓄电池通过两块所述电池连接板夹紧固定，所述第一配重块和第二配重块分别固定于所述变距式飞刀x轴底座上。
作为优选实例，所述直线定位台选自直线电机、压电线性位移台或者音圈电机中任意一种直线伺服平台。
作为优选实例，所述刀具微调装置包括XY手动微调位移台、刀座、金刚石刀具、刀座连接板、滑台夹紧套筒以及手动滑台连接板；所述XY手动微调位移台通过所述手动滑台连接板与所述直线定位台连接，所述手动滑台连接板与所述刀座连接板之间设有滑台夹紧套筒，所述刀座通过刀座连接板与所述XY手动微调位移台进行连接，所述金刚石刀具固定于所述刀座上。
基于变距式飞刀切削的微结构阵列加工装置用于加工微结构阵列的方法，包括以下步骤：
步骤1：根据所要加工的微结构单元几何信息，编写三轴车削加工程序，包括刀具径向定位数据，主轴固定转速，进给轴位置，提取其中主轴转速和进给轴位置数据用于驱动机床；
步骤2：根据刀具径向定位与进给轴的对应表，建立变距式飞刀x轴和机床Z轴进给轴的伺服控制模型；
步骤3：将变距式飞刀x轴安装于主轴表面，并通过打表使其底座轴线与机床主轴轴线重合，保证刀具伺服平台每次安装的位置相同；
步骤4：将试切工件安装与机床B轴表面后对工件表面进行标定，通过旋转机床B轴一定角度，使工件表面在机床Z轴方向上的深度信息一致，从而保证工件与刀具进给方向垂直；
步骤5：初始化刀具直线定位台，通过试切后调节XY手动微调位移台，使刀具的刀尖点在旋转半径为零时与主轴轴线重合，并予以固定；
步骤6：移动刀具到不同旋转半径状态，在工作转速下对工件进行二次试切，可得到多个环状凹槽，使用光学显微镜对凹槽口径进行测量，从而对刀具在离心力和重力复合作用下，不同旋转半径时的实际定位精度进行标定并补偿；
步骤7：按照步骤4装夹待加工工件，驱动机床C轴和机床Z轴，通过上位机读取机床Z轴的实时定位数据，通过步骤2建立的伺服控制模型驱动变距式飞刀x轴的直线定位台，从而实现单个微结构单元的加工；
步骤8：单个微透镜单元加工完成后，使用轮廓仪对其表面形貌进行测量，根据实测PV值对微结构单元的加工程序进行补偿。使用补偿后的伺服控制模型对工件重新加工，既可得到目标的微结构单元；
步骤9：移动机床X轴和机床Y轴，改变刀具切削轴线和工件的相对位置，重复步骤8，既可在工件的不同位置进行微结构单元的高效切削加工，从而实现微结构的阵列化。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的微结构阵列加工装置及方法，在微结构加工过程中，选用高刚度高频处理的直线电机、音圈电机及压电定位平台对刀具的旋转半径进行精密控制，可以一定程度上优化刀具偏心旋转导致的离心力情况，使飞切加工在不依靠慢刀或者快刀伺服的情况下具有了加工一般微结构的能力，相比于普通的车削加工又有回转轴线可变的优点，因此也具有了加工微结构阵列的能力；
(2)蓄电池和无线服务器的组合使直线定位台在于外界无线缆连接的情况下实现了稳定控制，也可通过滑环的方式实现相同功能，依靠标定补偿使单个微结构单元的加工具有较高的加工质量；
(3)本发明不同微结构加工之间的区别只是加工位置的不同，加工过程完全相同，因此，本发明提出的微结构加工装置及方法相较于传统的慢刀伺服和微铣削方式，具有更好的加工一致性，不受待加工工件尺寸的影响，加工效率较高。
附图说明
图1为本发明实施例中微结构阵列加工装置的立体结构示意图；
图2为本发明实施例中微结构阵列加工装置的左视结构示意图；
图3为本发明实施例中变距式飞刀x轴的立体结构示意图；
图4为本发明实施例中变距式飞刀x轴的俯视结构示意图；
图5为本发明实施例中刀具微调装置的立体结构示意图；
图6为本发明实施例中刀具微调装置的主视结构示意图；
图7为一般飞刀切削原理图；
图8为一般超精密车削原理图；
图9为基于变距式飞刀切削的微结构阵列加工装置加工微结构单元的工作原理图；
图10为基于变距式飞刀切削的微结构阵列加工装置加工微结构阵列的工作原理图；
图11为本发明实施例中提供的微结构阵列的结构示意图。
图中：1、基座；2、机床X轴；3、机床Y轴；4、机床Z轴；5、机床B轴；6、机床C轴；7、真空吸盘；8、变距式飞刀x轴；9、工件夹具；10、工件；11、主轴；12、刀具；13、微结构单元；81、刀具微调装置；82、直线定位台；83、蓄电池；84、定位台驱动器；85、无线服务器；86、驱动器连接板；87、电池连接板；88、第一配重块；89、第二配重块；810、变距式飞刀x轴底座；811、XY手动微调位移台；812、刀座；813、金刚石刀具；814、刀座连接板；815、滑台夹紧套筒；816、手动滑台连接板。
具体实施方式
为了对本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示及实施例，进一步阐述本发明。
实施例：
如图1-图2所示，本发明实施例提供一种基于变距式飞刀切削的微结构阵列加工装置，包括基座1、机床X轴2、机床Y轴3、机床Z轴4、机床B轴5、机床C轴6、真空吸盘7、变距式飞刀x轴8以及工件夹具9；机床X轴2和机床Z轴4以T形结构布置在基座1上，机床Y轴3垂直固定于机床X轴2的滑台上，机床B轴5和机床C轴6分别安装于机床Z轴4和机床Y轴3的滑台上，变距式飞刀x轴8通过真空吸盘7与机床C轴6连接，工件夹具9与机床B轴5的转台连接。
其中如图3-图4所示，变距式飞刀x轴8包括刀具微调装置81、直线定位台82、蓄电池83、定位台驱动器84、无线服务器85、驱动器连接板86、电池连接板87、第一配重块88、第二配重块89以及变距式飞刀x轴底座810，刀具微调装置81安装在直线定位台82上，其中直线定位台82、驱动器连接板86以及电池连接板87均固定于变距式飞刀x轴底座810上，定位台驱动器84和无线服务器85均与驱动器连接板86连接，蓄电池83通过两块电池连接板87夹紧固定，第一配重块88和第二配重块89分别固定于变距式飞刀x轴底座810上。
如图5-图6所示，刀具微调装置81包括XY手动微调位移台811、刀座812、金刚石刀具813、刀座连接板814、滑台夹紧套筒815以及手动滑台连接板816；XY手动微调位移台811通过手动滑台连接板816与直线定位台82连接，手动滑台连接板816与刀座连接板814之间设有滑台夹紧套筒815，刀座812通过刀座连接板814与XY手动微调位移台811进行连接，金刚石刀具813固定于刀座812上。
其中，直线定位台82可选直线电机、压电线性位移台或者音圈电机等能实现较大刚度及较高响应频率的直线伺服平台。
通过调节XY手动微调位移台811可改变金刚石刀具刀尖点与机床C轴6回转轴线的位置。使金刚石刀具到达直线定位台82的初始位置后，通过试切保证其在回转轴线上，即可使金刚石刀具在切削过程中螺旋线轨迹任意点的法线方向与机床C轴6的径向重合，通过滑台夹紧套筒815和螺丝固定后调整刀座连接板814和手动滑台连接板816的相对位置。
直线定位台82可以实现金刚石刀具813在机床C轴6表面上径向的高频精密定位。与传统固定旋转半径的飞刀切削不同，变距式飞刀x轴8的金刚石刀具813到机床C轴6回转中心的距离可以实时控制，从而拟合出螺旋线切削轨迹，结合机床Z轴4即可加工出微结构单元13，从而释放机床X轴2和机床Y轴3，实现机床回转切削轴线的自由移动，最终通过移动所述机床X轴2和机床Y轴3即可完成微结构单元13的阵列化加工。
其中，第一配重块88和第二配重块89的质量通过多次动平衡实验获得，通过在线动平衡测量装置对变距式飞刀x轴8分别在两个方向上的动不平衡量进行分解测量，匹配上合适的动平衡质量块后，再进行补偿后的动平衡测量，多次重复实验，保证变距式飞刀x轴8在初始位置具有较好的平衡性。
如图8所示，现有的超精密车削通过进给轴的伺服技术，将工件10固定在主轴11表面，将刀具12固定在Z轴上，通过机床主轴11和X向移动轴拟合出平面扫描切削轨迹，并使刀具12在进给方向上根据模具表面的几何设计信息高频运动，从而实现自由曲面的构造，这种方式的优点是加工灵活性较高，但是设备复杂成本较高，且对大尺寸的微结构阵列跟踪难度较大。其中，fr表示进给量。
如图7所示，飞刀切削从超精密车削发展而来，其不同之处在于通常将刀具12固定于主轴11表面，将工件10固定在进给轴上，它的切削速度是恒定的，材料去除的过程通常是非连续的。由于其刀具12旋转半径固定，将飞刀切削用于微结构阵列加工也需要进给轴的慢刀或者快刀伺服技术，区别在于切削投影平面的扫描方式不同，不需要随着工件10尺寸的增大而改变进给轴的跟踪频率。飞刀切削应用于微结构表面加工的难点在于微结构的几何信息在刀具12切削轨迹上的解析，以及仍旧需要刀具12的进给轴高频伺服技术。
本发明提出了一种基于变距式飞刀切削的微结构阵列加工方法，包括以下步骤：
步骤1：根据所要加工的微结构单元13几何信息，编写三轴车削加工程序，包括刀具12径向定位数据，主轴11固定转速，进给轴位置，提取其中主轴11转速和进给轴位置数据用于驱动机床；
步骤2：根据刀具12径向定位与进给轴的对应表，建立变距式飞刀x轴8和机床Z轴4进给轴的伺服控制模型；
步骤3：将变距式飞刀x轴8安装于主轴11表面，并通过打表使其底座轴线与机床主轴11轴线重合，保证刀具12伺服平台每次安装的位置相同；
步骤4：将试切工件10安装与机床B轴5表面后对工件10表面进行标定，通过旋转机床B轴5一定角度，使工件10表面在机床Z轴4方向上的深度信息一致，从而保证工件10与刀具12进给方向垂直；
步骤5：初始化刀具12直线定位台82，通过试切后调节XY手动微调位移台811，使刀具12的刀尖点在旋转半径为零时与主轴11轴线重合，并予以固定；
步骤6：移动刀具12到不同旋转半径状态，在工作转速下对工件10进行二次试切，可得到多个环状凹槽，使用光学显微镜对凹槽口径进行测量，从而对刀具12在离心力和重力复合作用下，不同旋转半径时的实际定位精度进行标定并补偿；
步骤7：按照步骤4装夹待加工工件10，驱动机床C轴6和机床Z轴4，通过上位机读取机床Z轴4的实时定位数据，通过步骤2建立的伺服控制模型驱动变距式飞刀x轴8的直线定位台82，从而实现单个微结构单元13的加工；
步骤8：单个微透镜单元加工完成后，使用轮廓仪对其表面形貌进行测量，根据实测PV值对微结构单元13的加工程序进行补偿。使用补偿后的伺服控制模型对工件10重新加工，既可得到目标的微结构单元13；
步骤9：移动机床X轴2和机床Y轴3，改变刀具12切削轴线和工件10的相对位置，重复步骤8，既可在工件10的不同位置进行微结构单元13的高效切削加工，从而实现微结构的阵列化。
如图11所示为本发明实施例中提供的微结构阵列的结构示意图，表面微结构阵列的加工要求为在黄铜表面按照一定排列均匀地加工微结构，结构间距横向和纵向分别为2mm，微结构单元13为口径0.846mm，微结构深度为67um。
切削加工前应分别通过旋转B轴使工件10表面与机床Z轴4垂直，通过试切并调整XY手动微调位移台811使刀具12在行程零点与机床主轴11轴线重合。刀具12及工件10都安装完成后，分别驱动变距式飞刀x轴8到一系列标定位置，在试切件上加工出多个圆环，将圆环的实际口径与变距式飞刀x轴8的驱动数据进行比较，得出实际切削过程中不同旋转半径时飞刀的定位误差模型并以此进行补偿。
如图9所示，补偿后根据变距式飞刀x轴8和机床Z轴4进给轴的伺服控制模型进行微结构试切，加工完成后取下,使用轮廓仪和白光干涉仪等对表面质量进行测量，根据形貌PV值对加工程序进行二次补偿。
如图10所示，根据二次补偿后的控制模型在工件10表面加工如图11中的第1个微结构单元13，加工完成后机床X轴2和机床Y轴3各自移动2mm，重复进行微结构单元13的加工，即可在离第1个微结构横向纵向各2mm处加工出第2个微结构单元13，重复上述步骤最终即可加工得到按照要求排列的5个透镜单元，最终得到质量一致的微透镜阵列。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的微结构阵列加工装置及方法，在微结构加工过程中，选用高刚度高频处理的直线电机、音圈电机及压电定位平台对刀具12的旋转半径进行精密控制，可以一定程度上优化刀具12偏心旋转导致的离心力情况，使飞切加工在不依靠慢刀或者快刀伺服的情况下具有了加工一般微结构的能力，相比于普通的车削加工又有回转轴线可变的优点，因此也具有了加工微结构阵列的能力，蓄电池83和无线服务器85的组合使直线定位台82在于外界无线缆连接的情况下实现了稳定控制，也可通过滑环的方式实现相同功能，依靠标定补偿使单个微结构单元13的加工具有较高的加工质量。此外，本发明不同微结构加工之间的区别只是加工位置的不同，加工过程完全相同，因此，本发明提出的微结构加工装置及方法相较于传统的慢刀伺服和微铣削方式，具有更好的加工一致性，不受待加工工件10尺寸的影响，加工效率较高，具有广阔的应用前景。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于变距式飞刀切削的微结构阵列加工装置，其特征在于，包括基座(1)、机床X轴(2)、机床Y轴(3)、机床Z轴(4)、机床B轴(5)、机床C轴(6)、真空吸盘(7)、变距式飞刀x轴(8)以及工件夹具(9)；所述机床X轴(2)和机床Z轴(4)以T形结构布置在基座(1)上，所述机床Y轴(3)垂直固定于机床X轴(2)的滑台上，所述机床B轴(5)和所述机床C轴(6)分别安装于所述机床Z轴(4)和机床Y轴(3)的滑台上，所述变距式飞刀x轴(8)通过真空吸盘(7)与所述机床C轴(6)连接，所述工件夹具(9)与机床B轴(5)的转台连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于变距式飞刀切削的微结构阵列加工装置，其特征在于，所述变距式飞刀x轴(8)包括刀具微调装置(81)、直线定位台(82)、蓄电池(83)、定位台驱动器(84)、无线服务器(85)、驱动器连接板(86)、电池连接板(87)、第一配重块(88)、第二配重块(89)以及变距式飞刀x轴底座(810)，所述刀具微调装置(81)安装在所述直线定位台(82)上，其中所述直线定位台(82)、驱动器连接板(86)以及所述电池连接板(87)均固定于所述变距式飞刀x轴底座(810)上，所述定位台驱动器(84)和所述无线服务器(85)均与驱动器连接板(86)连接，所述蓄电池(83)通过两块所述电池连接板(87)夹紧固定，所述第一配重块(88)和第二配重块(89)分别固定于所述变距式飞刀x轴底座(810)上。
3.根据权利要求2所述的一种基于变距式飞刀切削的微结构阵列加工装置，其特征在于，所述直线定位台(82)选自直线电机、压电线性位移台或者音圈电机中任意一种直线伺服平台。
4.根据权利要求2所述的一种基于变距式飞刀切削的微结构阵列加工装置，其特征在于，所述刀具微调装置(81)包括XY手动微调位移台(811)、刀座(812)、金刚石刀具(813)、刀座连接板(814)、滑台夹紧套筒(815)以及手动滑台连接板(816)；所述XY手动微调位移台(811)通过所述手动滑台连接板(816)与所述直线定位台(82)连接，所述手动滑台连接板(816)与所述刀座连接板(814)之间设有滑台夹紧套筒(815)，所述刀座(812)通过刀座连接板(814)与所述XY手动微调位移台(811)进行连接，所述金刚石刀具(813)固定于所述刀座(812)上。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的基于变距式飞刀切削的微结构阵列加工装置用于加工微结构阵列的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据所要加工的微结构单元(13)几何信息，编写三轴车削加工程序，包括刀具(12)径向定位数据，主轴(11)固定转速，进给轴位置，提取其中主轴(11)转速和进给轴位置数据用于驱动机床；
步骤2：根据刀具(12)径向定位与进给轴的对应表，建立变距式飞刀x轴(8)和机床Z轴(4)进给轴的伺服控制模型；
步骤3：将变距式飞刀x轴(8)安装于主轴(11)表面，并通过打表使其底座轴线与机床主轴(11)轴线重合，保证刀具(12)伺服平台每次安装的位置相同；
步骤4：将试切工件(10)安装与机床B轴(5)表面后对工件(10)表面进行标定，通过旋转机床B轴(5)一定角度，使工件(10)表面在机床Z轴(4)方向上的深度信息一致，从而保证工件(10)与刀具(12)进给方向垂直；
步骤5：初始化刀具(12)直线定位台(82)，通过试切后调节XY手动微调位移台(811)，使刀具(12)的刀尖点在旋转半径为零时与主轴(11)轴线重合，并予以固定；
步骤6：移动刀具(12)到不同旋转半径状态，在工作转速下对工件(10)进行二次试切，可得到多个环状凹槽，使用光学显微镜对凹槽口径进行测量，从而对刀具(12)在离心力和重力复合作用下，不同旋转半径时的实际定位精度进行标定并补偿；
步骤7：按照步骤4装夹待加工工件(10)，驱动机床C轴(6)和机床Z轴(4)，通过上位机读取机床Z轴(4)的实时定位数据，通过步骤2建立的伺服控制模型驱动变距式飞刀x轴(8)的直线定位台(82)，从而实现单个微结构单元(13)的加工；
步骤8：单个微透镜单元加工完成后，使用轮廓仪对其表面形貌进行测量，根据实测PV值对微结构单元(13)的加工程序进行补偿。使用补偿后的伺服控制模型对工件(10)重新加工，既可得到目标的微结构单元(13)；
步骤9：移动机床X轴(2)和机床Y轴(3)，改变刀具(12)切削轴线和工件(10)的相对位置，重复步骤8，既可在工件(10)的不同位置进行微结构单元(13)的高效切削加工，从而实现微结构的阵列化。
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