CN103159166B - 基于寄生运动原理的高效微阵列加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于寄生运动原理的高效微阵列加工装置，包括z向粗定位单元、z向精密定位单元、金刚石工具头加工运动生成单元、试件定位与安装单元以及基础支撑单元等。z向粗定位单元和试件定位与安装单元安装在基础支撑单元上。z向精密定位单元和金刚石工具头加工运动生成单元通过螺钉安装在z向粗定位单元上。金刚石工具头加工运动生成单元中的驱动铰链产生的寄生运动配合试件定位与安装单元中的导轨滑块组件，可实现微阵列结构快速、高效加工，该装置可用于半导体材料、金属材料、聚合物材料、光学材料等材料表面特定微结构阵列的快速加工，在精密光学、微机电系统、纳米技术、精密超精密加工、航空航天等领域将具有良好的应用前景。

Description

基于寄生运动原理的高效微阵列加工装置

技术领域

    本发明涉及一种基于寄生运动原理的高效微阵列加工装置，可应用于精密光学、微机电系统、纳米技术、精密超精密加工、航空航天等领域所需的表面微阵列结构加工。

背景技术

 结构决定其功能。具有特定微结构（如微凹坑阵列、棱柱阵列、锥形阵列、微沟槽等）表面的器件，其在力学、光学、摩擦学等方面具有一些独特的功能，如隐身、聚光、自洁净、超疏水等功能。所以在光学、光电子、机械、生物医学、纳米技术等行业对具有特定微结构表面的器件具有重大的需求。光刻或腐蚀的方法是微结构表面加工较为常用的方法之一，在半导体材料表面微结构加工方面发挥了重要的作用，但是这种方法成本较高、加工效率较低，更重要的是这种方法对于金属材料、陶瓷材料、光学玻璃材料等无法进行加工，无法满足目前对于各种类型材料表面微结构加工的需求。为此，精密端铣、放电加工、模压等方法被研究人员开发出来，并开发了相应的加工装备，但是这些加工方法也存在一些不足，主要表现在微端铣刀、模具加工制作困难、加工成本高，而且电器控制复杂，导致这些加工装备目前还未实现产业化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于寄生运动原理的高效微阵列加工装置，解决了现有技术存在的上述问题。针对特定表面微结构加工问题，为表面微阵列加工提供一种解决方案。借助本发明提出的加工装置，可实现微凹坑阵列、锥形阵列等微阵列结构表面的快速加工，在精密光学、微机电系统、纳米技术、精密超精密加工、航空航天等领域将具有良好的应用前景。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

基于寄生运动原理的高效微阵列加工装置，包括z向粗定位单元8、z向精密定位单元、金刚石工具头加工运动生成单元、试件定位与安装单元以及基础支撑单元，所述的z向粗定位单元8、试件定位与安装单元通过螺钉安装在基础支撑单元上，z向精密定位单元和金刚石工具头加工运动生成单元通过螺钉安装在z向粗定位单元8上。

所述的基础支撑单元由底座1和龙门立柱2组成。

所述的试件定位与安装单元包括导轨滑块组件13、y向定位单元14和x向定位单元15，试件12通过熔融石蜡粘贴在导轨滑块组件13上面；y向定位单元14和x向定位单元15为伺服电机通过滚珠丝杠带动动子沿导轨实现直线运动的结构，可以实现试件12沿x向和y向的定位。

所述的z向粗定位单元8与y向定位单元14、x向定位单元15具有类似的驱动和传动形式，可以实现金刚石工具头11沿z向的粗定位。

所述的z向精密定位单元包括z向精密定位铰链5、压电叠堆b 6、预紧螺钉7，压电叠堆b 6嵌入在z向精密定位铰链5方槽内，并通过预紧螺钉7实现预紧。

所述的金刚石工具头加工运动生成单元包括压电叠堆a3、驱动铰链4、应变片9、锁紧螺钉10、金刚石工具头11，压电叠堆a3嵌入在驱动铰链4的凹槽内，并通过薄铜片进行预紧；驱动铰链4具有平行四边形放大和杠杆放大两级放大结构，应变片9粘贴在驱动铰链4双圆孔薄弱区域处，并搭建成全桥测量形式；金刚石工具头11通过锁紧螺钉10安装在驱动铰链4前端的圆孔中。

    本发明的有益效果在于：基于寄生运动原理提出了一种表面微阵列加工装置，配置具有特定尖端形式的金刚石工具头，可以实现微凹坑阵列、锥形阵列等微阵列结构表面的快速、高效加工。改变z向精密定位单元中压电叠堆a的驱动电压和驱动频率可以改变微阵列结构大小和间距，以满足不同的应用需求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的z向精密定位单元结构示意图；

图3为本发明的金刚石工具头加工运动生成单元结构示意图；

图4为本发明的驱动铰链产生寄生运动示意图；

图5为本发明的压电叠堆a时序控制图；

图6为本发明的微阵列加工装置实现微阵列加工原理图。

图中：1、底座；2、龙门立柱；3、压电叠堆a；4、驱动铰链；5、z向精密定位铰链；6、压电叠堆b；7、预紧螺钉；8、z向粗定位单元；9、应变片；10、锁紧螺钉；11、金刚石工具头；12、试件；13、导轨滑块组件；14、y向定位单元；15、x向定位单元。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图3所示，本发明的基于寄生运动原理的高效微阵列加工装置，包括z向粗定位单元8、z向精密定位单元、金刚石工具头加工运动生成单元、试件定位与安装单元以及基础支撑单元，所述的z向粗定位单元8、试件定位与安装单元通过螺钉安装在基础支撑单元上，z向精密定位单元和金刚石工具头加工运动生成单元通过螺钉安装在z向粗定位单元8上。

所述的基础支撑单元由底座1和龙门立柱2组成。

所述的试件定位与安装单元包括导轨滑块组件13、y向定位单元14和x向定位单元15，试件12通过熔融石蜡粘贴在导轨滑块组件13上面；y向定位单元14和x向定位单元15为伺服电机通过滚珠丝杠带动动子沿导轨实现直线运动的结构，可以实现试件12沿x向和y向的定位。

所述的z向粗定位单元8与y向定位单元14、x向定位单元15具有类似的驱动和传动形式，可以实现金刚石工具头11沿z向的粗定位。

所述的z向精密定位单元包括z向精密定位铰链5、压电叠堆b 6、预紧螺钉7，压电叠堆b 6嵌入在z向精密定位铰链5方槽内，并通过预紧螺钉7实现预紧。

所述的金刚石工具头加工运动生成单元包括压电叠堆a3、驱动铰链4、应变片9、锁紧螺钉10、金刚石工具头11，压电叠堆a3嵌入在驱动铰链4的凹槽内，并通过薄铜片进行预紧；驱动铰链4具有平行四边形放大和杠杆放大两级放大结构，应变片9粘贴在驱动铰链4双圆孔薄弱区域处，并搭建成全桥测量形式；金刚石工具头11通过锁紧螺钉10安装在驱动铰链4前端的圆孔中。

参见图1所示，本发明的基于寄生运动原理的高效微阵列加工装置，总体采用龙门式框架结构，底座1和龙门立柱2采用大理石材料加工，保证总体刚度的同时，减少了时效处理环节，同时也有一定的减振效果。x、y、z三个方向粗定位采用伺服电机通过滚珠丝杠带动动子沿导轨实现直线运动的结构，其中z向粗定位单元用来实现金刚石工具头11沿z向的粗定位，x向定位单元15和y向定位单元14用来实现试件12在x-y平面内的定位。

参见图2所示，是z向精密定位单元结构示意图。压电叠堆b6在逆压电效应的作用下伸长，推动z向精密定位铰链5产生微小变形，从而实现金刚石工具头11沿z向精密定位。当z向粗定位单元伺服电机配置高精度的编码器（如安川电机配置20位的编码器）时，可直接通过控制z向粗定位单元中的伺服电机实现金刚石工具头11沿z向的粗定位和精密定位，此时z向精密定位单元可省略。

参见图3所示，是金刚石工具头加工运动生成单元结构示意图。金刚石工具头11的寄生运动主要由压电叠堆a3和驱动铰链4实现。图4是驱动铰链4产生寄生运动示意图。如附图3和附图4所示，压电叠堆a3在逆压电效应的作用下伸长，其输出位移Δs通过驱动铰链4上的平行四边形放大机构和杠杆放大机构两级放大，传递到金刚石工具头11上产生沿x向的驱动运动Δx和伴随x向驱动运动产生的沿z向的寄生运动Δz。结合附图1中的导轨滑块组件13，利用寄生运动原理可以形成金刚石工具头11的加工运动。

下面结合图1至图6，具体说明利用附图1所示的基于寄生运动原理的微阵列加工装置实现试件12表面微阵列加工的过程：

步骤1：将研磨、抛光后的试件12用熔融石蜡安装在导轨滑块组件13的上面，安装过程中尽量保证试件平整。

步骤2：控制x向定位单元15和y向定位单元14中的伺服电机，使试件12处于金刚石工具头11的正下方。

步骤3：控制z向粗定位单元中的伺服电机，使金刚石工具头11靠近试件表面，与此同时监测应变片9的输出信号，当其有示数变化时，说明金刚石工具头11与试件表面接触，此时停止z向粗定位单元中的伺服电机。

步骤4：控制z向粗定位单元中的伺服电机反方向运动，使金刚石工具头11离开试件表面一定距离（约1μm～3μm），当z向粗定位单元中的伺服电机不具有编码器反馈时，该步操作可通过控制z向精密定位单元中的压电叠堆b6来实现。

步骤5：控制x向定位单元15或y向定位单元14中的伺服电机，使试件12移动几十微米，避开步骤3中初始接触点判断所导致的凹坑。

步骤6：给压电叠堆a3施加如图5所示时序控制电压。结合图3至图6，从0到t ₁时刻，金刚石工具头11和试件12之间存在一定的间隙，沿z向的寄生运动Δz主要用于补偿间隙，此段时间内，金刚石工具头11和试件12尚未接触，应变片9的输出信号为零；在t ₁时刻，金刚石工具头11和试件12初始接触，应变片9有信号输出；在t ₁至t ₂时刻，随着沿z向的寄生运动Δz继续增加，金刚石工具头11压入试件12表面，应变片9输出信号进一步增大，与此同时金刚石工具头11沿x向的驱动运动克服滑块和导轨之间的摩擦力带动试件沿着x向运动一段距离；在t ₂时刻，压电叠堆a3输出位移达到最大，此时金刚石工具头11压入试件12表面最深，应变片9输出信号达到最大，试件12也随着金刚石工具头11沿x向的驱动运动沿x向移动单步最大距离S；在t ₂至T时刻，压电叠堆a3逐步恢复初始状态，但是金刚石工具头11和试件12仍有一段时间处于接触状态，导致试件沿x向有一定的负向运动，记为S ₀；在T时刻，压电叠堆a3恢复初始状态，为下一个加工循环做准备，此时应变片9信号回零。在一个加工循环过程中，试件12有效运动位移S _e为S _e=S-S ₀，即为两相邻微结构间距。一个循环结束时，试件12新的未加工区域处于金刚石工具头11正下方。重复0～T过程，可实现试件12表面微结构沿单一直线的快速加工。当一条直线上微结构加工完成时，控制y向定位单元14中的伺服电机使试件12沿y向移动一定的距离，此时重复0～T过程，可实现试件12表面微结构沿另一条直线的快速加工。如此循环下去，即可实现试件12表面具有特定结构形状的微阵列加工。通过改变压电叠堆a3的控制电压和频率，可以改变微结构阵列加工深度、间距和加工速度。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于寄生运动原理的高效微阵列加工装置，其特征在于：包括z向粗定位单元（8）、z向精密定位单元、金刚石工具头加工运动生成单元、试件定位与安装单元以及基础支撑单元，所述的z向粗定位单元（8）、试件定位与安装单元安装在基础支撑单元上，z向精密定位单元和金刚石工具头加工运动生成单元安装在z向粗定位单元（8）上；

所述试件定位与安装单元包括导轨滑块组件（13）、y向定位单元（14）和x向定位单元（15），试件（12）通过熔融石蜡粘贴在导轨滑块组件（13）上面；y向定位单元（14）和x向定位单元（15）为伺服电机通过滚珠丝杠带动动子沿导轨实现直线运动的结构，可以实现试件（12）沿x向和y向的定位；

所述金刚石工具头加工运动生成单元包括压电叠堆a（3）、驱动铰链（4）、应变片（9）、锁紧螺钉（10）、金刚石工具头（11），压电叠堆a（3）嵌入在驱动铰链（4）的凹槽内，并通过薄铜片进行预紧；驱动铰链（4）具有平行四边形放大和杠杆放大两级放大结构，应变片（9）粘贴在驱动铰链（4）双圆孔薄弱区域处，并搭建成全桥测量形式；金刚石工具头（11）通过锁紧螺钉（10）安装在驱动铰链（4）前端的圆孔中。

2.根据权利要求1所述的基于寄生运动原理的高效微阵列加工装置，其特征在于：所述的基础支撑单元由底座（1）和龙门立柱（2）组成。

3.根据权利要求1所述的基于寄生运动原理的高效微阵列加工装置，其特征在于：所述的z向粗定位单元（8）与y向定位单元（14）、x向定位单元（15）具有相同的驱动和传动形式，以实现金刚石工具头（11）沿z向的粗定位；x、y、z三个方向粗定位采用伺服电机通过滚珠丝杠带动动子沿导轨实现直线运动的结构，其中z向粗定位单元（8）实现金刚石工具头（11）沿z向的粗定位，x向定位单元（15）和y向定位单元（14）实现试件（12）在x-y平面内的定位。

4.根据权利要求1所述的基于寄生运动原理的高效微阵列加工装置，其特征在于：所述的z向精密定位单元包括z向精密定位铰链（5）、压电叠堆b（6）、预紧螺钉（7），压电叠堆b（6）嵌入在z向精密定位铰链（5）方槽内，并通过预紧螺钉（7）实现预紧。