CN103395090A

CN103395090A - 光栅机械刻划工艺试验装置

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Publication number: CN103395090A
Application number: CN2013103053824A
Authority: CN
Inventors: 石广丰; 史国权; 宋林森; 王磊; 肖为; 吕洋洋; 蔡宏彬; 丁健生; 胡明亮; 周锐奇
Original assignee: Changchun University of Science and Technology
Current assignee: Changchun University of Science and Technology
Priority date: 2013-07-19
Filing date: 2013-07-19
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2033-07-19
Also published as: CN103395090B

Abstract

光栅机械刻划工艺试验装置属于光栅工艺技术领域。现有技术无法调节刻划刀具装夹角度，无法调整工件水平度。在本发明中，龙门悬架安装在底座上，刀架刚性悬挂在龙门悬架横梁中部；刻划刀具安装在刀架下端；定位平台与刀架在Z方向上对应并安装在底座上；定位平台中的直线位移平台由X向平移平台、Y向平移平台、Z向平移平台三者叠加连接而成；龙门悬架的两根立柱竖直固定在底座上，横梁两端与两根立柱内侧通过燕尾槽连接；定位平台中的弧线位移平台由X轴弧线位移平台与Y轴弧线位移平台叠加而成；直线位移平台与弧线位移平台叠加连接在一起；XYZ三向微力测力仪位于定位平台上部；刀架中的X轴调节座、Y轴调节座、Z轴调节座三者叠加连接在一起。

Description

光栅机械刻划工艺试验装置

技术领域

本发明涉及一种光栅机械刻划工艺试验装置，属于光栅工艺技术领域。

背景技术

衍射光栅作为光谱仪器中的核心器件，在工业、国防、科研等领域得到了广泛的应用。相对于复制和全息离子刻蚀来说，光栅机械刻划是一种适合于大面积、低刻线密度原刻衍射光栅的制作工艺，该工艺在实现大面积刻划的同时应当具有较高的刻划精度，从而提高光栅衍射效率。

一个与所述光栅机械刻划机有关的方案为“微纳米原位纳米压痕刻划测试系统”。该测试系统包括X、Y轴方向精密定位平台、Z轴方向精密线性定位平台和精密压入驱动单元、载荷信号检测单元、位移信号检测单元以及高分辨率数字显微成像系统，所述高分辨率数字显微成像系统用于观测和存储在测试过程中材料的变形及损伤状况。由于该系统结构特征所限，其刻划刀具只有Z方向一个自由度，不能绕X、Y、Z轴转动，无法实现刻划刀具的装夹角度的调节，或者说不能设置安装角度；其定位平台虽然具有X、Y方向自由度，但是，无法实现工件的水平度调整。另外，其载荷信号检测单元只能检测Z方向力的变化，无法对整个刻划过程三向力变化进行监测。因此，所述微纳米原位纳米压痕刻划测试系统不适用于对光栅机械刻划工艺进行多自由度、多向载荷检测的研究。

发明内容

对光栅薄膜机械刻划工艺的研究主要通过“光栅机械刻划机”来进行，即使用光栅机械刻划机通过试刻进行试验。要求装夹刻划刀具的刀架不仅要能够实现刻划刀具的进给，还需要能够预先给刻划刀具设置安装角度，包括俯仰角、滚转角、方位角；固定工件的定位平台除了能够实现工件在一个平面内两个相互垂直的方向上平移外，还应当能够确保所述平面与刻划刀具进给方向垂直，如果刻划刀具的进给方向为垂直方向，则需要的是定位平台能够调整水平度；载荷信号检测单元不仅能够检测刻划刀具施加到工件上的初始压力，还需要能够分别检测在两个方向上刻划施加到工件上的力。为此，我们发明了一种光栅机械刻划工艺试验装置。

一种光栅机械刻划工艺试验装置，如图1所示，龙门悬架安装在底座1上，刀架2刚性悬挂在龙门悬架横梁3中部；刻划刀具4安装在刀架2下端；定位平台与刀架2在Z方向上对应并安装在底座1上；定位平台中的直线位移平台5由X向平移平台、Y向平移平台、Z向平移平台6三者叠加连接而成，如图1、图2所示；其特征在于，龙门悬架的两根立柱7竖直固定在底座1上，横梁3两端与两根立柱7内侧通过燕尾槽连接；定位平台中的弧线位移平台8由X轴弧线位移平台与Y轴弧线位移平台叠加而成，如图3所示；直线位移平台5与弧线位移平台8叠加连接在一起，如图1所示；XYZ三向微力测力仪9位于定位平台上部，如图1所示；刀架2中的X轴调节座、Y轴调节座、Z轴调节座三者叠加连接在一起。

本发明其技术效果如下。

从宏观上看，本发明之光栅机械刻划工艺试验装置自下而上依次为底座1、定位平台、刻划刀具4、刀架2、龙门悬架。工件10固定在定位平台最上端。刻划刀具4朝下，调节龙门悬架横梁3在Z向上位置，粗略调整刻划刀具4在Z向上位置，直到接触工件10刻划表面，完成粗落刀。调节定位平台中的直线位移平台5中的Z向平移平台6，精密调整工件10与刻划刀具4的Z向相对位置，使刻划刀具4达到刻划深度，完成对刀、细落刀。调节定位平台中的弧线位移平台8，当调节所述弧线位移平台8中的X轴弧线位移平台，工件10刻划表面以X轴为轴旋转，当调节所述弧线位移平台8中的Y轴弧线位移平台，工件10刻划表面以Y轴为轴旋转，直到工件10刻划表面呈水平状态，完成工件10水平度的调整。分别调节刀架2中的X轴调节座、Y轴调节座、Z轴调节座，分别实现刻划刀具4的俯仰角、滚转角、方位角的调整，以适应不同刻划槽形的需要，或者说依此研究刻划刀具4的安装角度对光栅机械刻划槽形质量的影响。完成光栅机械刻划工艺试验装置的调节后，启动定位平台中的直线位移平台5中的X向平移平台和Y向平移平台，确定X向平移平台和Y向平移平台的平移量和平移周期，实现光栅的X向刻划或者Y向刻划。在刻划过程中，由XYZ三向微力测力仪9一并测试刻划刀具4在X向、Y向、Z向作用在工件10刻划表面的力。当进行光栅的X向刻划时，测试刻划刀具4在X向作用在工件10刻划表面的力；当进行光栅Y向刻划时，测试刻划刀具4在Y向作用在工件10刻划表面的力；在前两种光栅刻划方式中，均测试刻划刀具4在Z向作用在工件10刻划表面的力，也就是初始压力。相对于现有技术，本发明的各项目的均得到实现。可见，本发明能够实现多尺度、多自由度、开放性的光栅机械刻划工艺试验研究。

附图说明

图1为本发明之光栅机械刻划工艺试验装置总体结构示意图，该同还表示定位平台各组成部分的结构关系，该图兼作为摘要附图。图2为本发明之光栅机械刻划工艺试验装置中的定位平台中的直线位移平台中的X向平移平台、Y向平移平台结构示意图。图3为本发明之光栅机械刻划工艺试验装置中的定位平台中的弧线位移平台中的X轴弧线位移平台、Y轴弧线位移平台结构示意图。图4为本发明之光栅机械刻划工艺试验装置中的平面真空吸附转台其结构示意图，该图同时表示工件与平面真空吸附转台的位置关系。图5为本发明之光栅机械刻划工艺试验装置中的刀架结构示意图，该图同时表示刻划刀具与刀架的连接关系。

具体实施方式

一种光栅机械刻划工艺试验装置，如图1所示，龙门悬架安装在底座1上，刀架2刚性悬挂在龙门悬架横梁3中部。刻划刀具4安装在刀架2下端。定位平台与刀架2在Z方向上对应并安装在底座1上。定位平台中的直线位移平台5由X向平移平台、Y向平移平台、Z向平移平台6三者叠加连接而成，如图1、图2所示。龙门悬架的两根立柱7竖直固定在底座1上，横梁3两端与两根立柱7内侧通过燕尾槽连接。定位平台中的弧线位移平台8由X轴弧线位移平台与Y轴弧线位移平台叠加而成，如图3所示。直线位移平台5与弧线位移平台8叠加连接在一起，直线位移平台5在上、弧线位移平台8在下，如图1所示。XYZ三向微力测力仪9位于定位平台上部，具体位于定位平台中的直线位移平台5中的Z向平移平台6的下面，如图1所示。在定位平台的上端还安装有平面真空吸附转台11，由平面真空吸附转台11吸附固定工件10。在刀架2中，X轴调节座、Y轴调节座、Z轴调节座三者叠加连接在一起，在刀架2的下端还安装有刀座12，由刀座12固定刻划刀具4；X轴调节座、Y轴调节座、Z轴调节座、刀座12、刻划刀具4具有共同的Z向几何轴线。万向数字显微装置13安装在底座1上，其取景器瞄向刻划刀具4与工件10接触处，万向数字显微装置13中的数字显微镜通过数据线连接到装有数据采集卡的计算机上。

所述定位平台中的弧线位移平台8中的X轴弧线位移平台与Y轴弧线位移平台结构相同，弧线位移的轴线相互垂直。X轴弧线位移平台或者Y轴弧线位移平台其结构为，如图3所示，上滑块14与下滑快15之间的接触面为柱面，上滑块14与下滑快15通过弧线燕尾槽结构滑动连接，丝杠螺母弧线位移驱动机构中的丝杠16沿与所述柱面母线垂直的方向穿过上滑块14，与下滑快15柱面表面上的半螺母螺纹啮合。电机17固定在上滑块14上，电机17转轴通过联轴器18与丝杠16同轴连接。由计算机控制电机17转动，通过丝杠螺母弧线位移驱动机构驱动上滑块14与下滑快15的相对弧线运动，实现X轴弧线位移平台或者Y轴弧线位移平台的调节。X轴弧线位移平台、Y轴弧线位移平台的分辨率为0.01°、精度为0.02°。

所述定位平台中的直线位移平台5中的X向平移平台、Y向平移平台结构相同，直线位移方向相互垂直。X向平移平台或者Y向平移平台其结构为，如图2所示，滑块19与滑套20之间的接触面为平面，滑块19与滑套20通过直线滑轨滑动连接，丝杠螺母平移驱动机构中的平移丝杠21与滑块19中的螺母啮合。平移电机22固定在滑套20上，平移电机22转轴通过平移联轴器23与平移丝杠21同轴连接。由计算机控制平移电机22转动，通过丝杠螺母平移驱动机构驱动滑块19与滑套20的相对直线运动，实现光栅的X向刻划或者Y向刻划。X向平移平台、Y向平移平台的分辨率为200nm，精度为400nm。

所述XYZ三向微力测力仪9通过数据线与计算机连接。在刻划刀具4的粗落刀、对刀、细落刀过程中，XYZ三向微力测力仪9检测刻划刀具4与工件10刻划表面之间作用力的变化，一是实现刻划刀具4的精确定位；二是在刻划过程中，考察刻划震动现象。XYZ三向微力测力仪9的分辨率为0.002N。

所述定位平台中的直线位移平台中的Z向平移平台6位于XYZ三向微力测力仪9上，如图1所示。在刻划刀具4的对刀、细落刀过程中，由计算机控制Z向平移平台6的升降，完成刻划刀具4的精确定位。Z向平移平台6的分辨率为1nm、精度为2nm。

所述平面真空吸附转台11其结构为，如图4所示，台面24与台座25同轴连接，调整杆26一端与台面24下方的开口箍螺纹连接，开口箍套在台面24的转轴上。手动旋转调整杆26，松开开口箍，手动扳动调整杆26，调整台面24偏转角度，之后手动反向旋转调整杆26，锁紧开口箍。台面24上开有真空吸附孔，由真空泵为真空吸附孔提供负压，吸附固定工件10。平面真空吸附转台11的分辨率为0.05°、精度为0.1°。

刀架2中的X轴调节座、Y轴调节座结构相同，二者的旋转调节轴线相互垂直。刀架2中的X轴调节座或者Y轴调节座的结构为，如图5所示，定块27与动快28之间的接触面为柱面，定块27与动快28通过弧线燕尾槽结构滑动连接，丝杠螺母调角驱动机构中的调角丝杠29沿与所述柱面母线垂直的方向穿过定块27，与动快28柱面表面上的半螺母螺纹啮合。手动旋转调角丝杠29，使动快28相对定块27做弧线运动，实现刻划刀具4俯仰角或者滚转角的调整。

刀架2中的Z轴调节座其结构为，如图5所示，转盘30的转轴嵌入基座31中，转轴的轴线为Z轴，调角螺杆32安装在基座31侧面，调角螺杆32与转盘30的转轴之间由齿轮传动机构连接。手动旋转调角螺杆32，驱动转盘30以Z轴为轴转动，实现刻划刀具4方位角的调整。

刀架2中的X轴调节座、Y轴调节座、Z轴调节座的分辨率均为0.05°、精度均为0.1°。

在刀架2中，自上而下依次是Y轴调节座、X轴调节座、Z轴调节座、刀座12，如图5所示，Y轴调节座的定块27与龙门悬架的横梁3固定连接，X轴调节座的定块27与Y轴调节座的动块28固定连接，Z轴调节座的基座31与X轴调节座的动块28固定连接，刀座12与Z轴调节座的转盘30固定连接。

通过万向数字显微装置13、XYZ三向微力测力仪9观测刻划刀具4在粗落刀、对刀、细落刀过程中以及在光栅机械刻划过程中工件10刻划表面的回弹、隆起以及塑性流动的规律，还能够观察刻划之后的槽形形貌及槽形表面状态，判定槽形质量。

Claims

1.一种光栅机械刻划工艺试验装置，龙门悬架安装在底座（1）上，刀架（2）刚性悬挂在龙门悬架横梁（3）中部；刻划刀具（4）安装在刀架（2）下端；定位平台与刀架（2）在Z方向上对应并安装在底座（1）上；定位平台中的直线位移平台（5）由X向平移平台、Y向平移平台、Z向平移平台（6）三者叠加连接而成；其特征在于，龙门悬架的两根立柱（7）竖直固定在底座（1）上，横梁（3）两端与两根立柱（7）内侧通过燕尾槽连接；定位平台中的弧线位移平台（8）由X轴弧线位移平台与Y轴弧线位移平台叠加而成；直线位移平台（5）与弧线位移平台（8）叠加连接在一起；XYZ三向微力测力仪（9）位于定位平台上部；刀架（2）中的X轴调节座、Y轴调节座、Z轴调节座三者叠加连接在一起。

2.根据权利要求1所述的光栅机械刻划工艺试验装置，其特征在于，直线位移平台（5）在上、弧线位移平台（8）在下。

3.根据权利要求1所述的光栅机械刻划工艺试验装置，其特征在于，XYZ三向微力测力仪（9）位于定位平台中的直线位移平台（5）中的Z向平移平台（6）的下面。

4.根据权利要求1所述的光栅机械刻划工艺试验装置，其特征在于，在定位平台的上端还安装有平面真空吸附转台（11）。

5.根据权利要求1所述的光栅机械刻划工艺试验装置，其特征在于，在刀架（2）的下端还安装有刀座（12），由刀座（12）固定刻划刀具（4）；X轴调节座、Y轴调节座、Z轴调节座、刀座（12）、刻划刀具（4）具有共同的Z向几何轴线。

6.根据权利要求1所述的光栅机械刻划工艺试验装置，其特征在于，万向数字显微装置（13）安装在底座（1）上，其取景器瞄向刻划刀具（4），万向数字显微装置（13）中的数字显微镜通过数据线连接到装有数据采集卡的计算机上。

7.根据权利要求1所述的光栅机械刻划工艺试验装置，其特征在于，所述定位平台中的弧线位移平台（8）中的X轴弧线位移平台与Y轴弧线位移平台结构相同，弧线位移的轴线相互垂直；X轴弧线位移平台或者Y轴弧线位移平台其结构为，上滑块（14）与下滑快（15）之间的接触面为柱面，上滑块（14）与下滑快（15）通过弧线燕尾槽结构滑动连接，丝杠螺母弧线位移驱动机构中的丝杠（16）沿与所述柱面母线垂直的方向穿过上滑块（14），与下滑快（15）柱面表面上的半螺母螺纹啮合；电机（17）固定在上滑块（14）上，电机（17）转轴通过联轴器（18）与丝杠（16）同轴连接。

8.根据权利要求4所述的光栅机械刻划工艺试验装置，其特征在于，所述平面真空吸附转台（11）其结构为，台面（24）与台座（25）同轴连接，调整杆（26）一端与台面（24）下方的开口箍螺纹连接，开口箍套在台面（24）的转轴上；台面（24）上开有真空吸附孔，由真空泵为真空吸附孔提供负压。

9.根据权利要求1所述的光栅机械刻划工艺试验装置，其特征在于，刀架（2）中的X轴调节座、Y轴调节座结构相同，二者的旋转调节轴线相互垂直；所述X轴调节座或者Y轴调节座的结构为，定块（27）与动快（28）之间的接触面为柱面，定块（27）与动快（28）通过弧线燕尾槽结构滑动连接，丝杠螺母调角驱动机构中的调角丝杠（29）沿与所述柱面母线垂直的方向穿过定块（27），与动快（28）柱面表面上的半螺母螺纹啮合；刀架（2）中的Z轴调节座其结构为，转盘（30）的转轴嵌入基座（31）中，转轴的轴线为Z轴，调角螺杆（32）安装在基座（31）侧面，调角螺杆（32）与转盘（30）的转轴之间由齿轮传动机构连接；在刀架（2）中，自上而下依次是Y轴调节座、X轴调节座、Z轴调节座，Y轴调节座的定块（27）与龙门悬架的横梁（3）固定连接，X轴调节座的定块(27)与Y轴调节座的动块(28)固定连接，Z轴调节座的基座(31)与X轴调节座的动块(28)固定连接。