CN103586986A - 一种具有微刀具监控能力的超精密三轴联动微铣削装置 - Google Patents

Abstract

一种具有微刀具监控能力的超精密三轴联动微铣削装置，涉及一种超精密三轴联动微铣削装置。为了解决目前无大口径KDP晶体元件表面微缺陷修复设备的问题。刀具移动部分布线板、刀具移动部分垫块及手动升降调整平台均固定在底部安装平板的上端面，刀具三轴联动平台固定在刀具移动部分垫块上，切屑收集总成与刀具三轴联动平台连接，刀具显微镜移动平台、手动升降调整平台及显微镜连接板由上至下依次连接，显微镜连接板与底部安装平板的上端面连接。本发明用于大口径KDP晶体元件表面微缺陷的超精密修复。

Description

一种具有微刀具监控能力的超精密三轴联动微铣削装置

技术领域

本发明涉及一种超精密三轴联动微铣削装置。

背景技术

目前，微铣削是一项重要的先进制造技术，在电子、生物、国防等领域中均有着重要作用。通常微铣削研究的对象是加工特征尺寸在微米至亚毫米量级、铣刀直径一般小于0.5mm。然而，在该尺度下，传统的铣削加工参数以及加工工艺不再适合微铣削加工，例如，由于微铣刀直径很小，为了达到一定的线切削速度，往往需要微铣刀每分钟达到几万转的转速；同时，人几乎不能通过肉眼来看清回转过程中的刀刃，因此就很难通过肉眼来进行对刀操作以及实时观察、监控加工表面质量，显微镜辅助对刀和实时监控技术在微铣削中就显得非常重要。特别地，在核聚变点火装置中，如果大口径KDP晶体元件表面产生了微缺陷，它在后续高能激光打靶过程中快速增长，这极大的降低了KDP晶体激光损伤阈值、缩短了晶体的使用寿命。采用微铣削的方法，用高速微铣刀对晶体表面微缺陷附近的晶体材料进行去除，形成一个特定的表面质量很高的微小三维形貌，从而能够提高微缺陷附近的激光损伤阈值、延长晶体光学元件使用性能与使用寿命。基于微机械修复方法，需要设计用于大口径KDP晶体表面微缺陷修复的专用设备。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前无大口径KDP晶体元件表面微缺陷修复设备的问题，进而提供一种具有微刀具监控能力的超精密三轴联动微铣削装置。

本发明可实现对大口径晶体表面微缺陷附近材料的去除，使其成为形状规则的修复轮廓，在加工之前需要实现快速对刀，以及在加工过程中要能够对加工过程进行监控。

本发明实现上述目的采取的技术方案是：

一种具有微刀具监控能力的超精密三轴联动微铣削装置，所述具有微刀具监控能力的超精密三轴联动微铣削装置包括底部安装平板、手动升降调整平台、显微镜连接板、刀具显微镜移动平台、切屑收集总成、刀具三轴联动平台、刀具移动部分布线板及刀具移动部分垫块；

刀具移动部分布线板、刀具移动部分垫块及手动升降调整平台均固定在底部安装平板的上端面，底部安装平板上沿其厚度方向加工有三个连接孔，三个连接孔均布设置在同一圆周上，刀具三轴联动平台固定在刀具移动部分垫块上，切屑收集总成与刀具三轴联动平台连接，刀具显微镜移动平台、手动升降调整平台及显微镜连接板由上至下依次连接，显微镜连接板与底部安装平板的上端面连接。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

1、该装置能够实现微铣削刀具的高速转动，其最高转速达到80000rpm，回转精度优于1μm；同时还能实现微铣刀的超精密三轴联动，三轴联动的的行程为50mm×50mm×20mm，其单轴的定位精度优于±0.5μm，可实现微小特征尺寸塑性域的超精密铣削加工。

2、该装置包含了监控显微镜及其三轴运动单元，监控显微镜运动的行程为20mm×20mm×10mm，其单轴的定位精度优于±1μm。能够实现加工前的快速对刀操作，在加工过程中能够对零件加工表面质量、刀具磨损情况等进行实时监控。

3、该装置含有两个小型的高亮点光源（CCS点光源），保证了加工过程中的照明需求，与常规光源相比，大大缩小了结构尺寸，使得整个装置结构紧凑。

4、该装置包含了切屑收集部分，在加工过程中，所产生的切屑能够及时地被负压吸走，保证了整个装置不会被切屑污染。

5、该装置整体结构紧凑，各部分的线缆布置清晰合理，整个装置加工运行安全可靠。

综上，本发明可以实现微铣刀的高速旋转、高精度三轴联动加工、显微镜辅助对刀、实时监控、切削自动收集等功能，它可用于尺度为430mm×430mm的大口径KDP晶体元件表面微缺陷修复。

附图说明

图1是本发明的具有微刀具监控能力的超精密三轴联动微铣削装置的整体结构主视图；图2是图1的俯视图；图3是刀具三轴联动平台的主视图；图4是图3的俯视图；图5是图3的左视图；图6是刀具三轴联动平台的轴测图；图7是刀具显微镜移动平台的主视图；图8是图7的俯视图；图9是图7的左视图；图10是刀具显微镜移动平台的轴测图；图11是切屑收集总成的主视图；图12是图11的A-A剖视图；图13是图12的俯视图；图14是切屑收集总成的轴测图；图15是利用本发明的具有微刀具监控能力的超精密三轴联动微铣削装置铣削工件的原理图，图中水平箭头所示方向为工件进给方向，tc为理论切削厚度；图16是两刃铣刀刀尖运动轨迹示意图，图中标号64表示的是第一条刀刃，标号65表示的是第二条刀刃；图17是铣刀刀刃轨迹示意图。

图中，电主轴1、电主轴夹具2、底部连接头3、切屑收集头4、光源支撑件5、底部平台总线卡6、Z轴连接件7、刀具XY总线卡8、刀具Z轴总线卡10、刀具运动Z轴单元11、刀具显微镜总线卡12、刀具显微镜小线卡13、刀具运动X轴单元14、夹具连接件16、底部安装平板17、手动升降调整平台18、刀具显微镜卡具19、显微镜连接板21、刀具显微镜大线卡23、刀具显微镜移动平台25、切屑收集总成26、刀具三轴联动平台28、电主轴总线卡31、刀具移动部分布线板32、刀具移动部分垫块33、刀具运动Y轴单元50、光源连接板51、光源夹具52、CCS点光源53、刀具显微镜Z轴单元54、刀具显微镜导轨连接件55、刀具显微镜XY轴单元56、金属软管57、金属软管接头58、锁紧螺母59、切屑收集安装件60、底部平台防护罩61、连接孔62、监控显微镜63、第一条刀刃64、第二条刀刃65。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图14说明，本实施方式的一种具有微刀具监控能力的超精密三轴联动微铣削装置，所述具有微刀具监控能力的超精密三轴联动微铣削装置包括底部安装平板17、手动升降调整平台18、显微镜连接板21、刀具显微镜移动平台25、切屑收集总成26、刀具三轴联动平台28、刀具移动部分布线板32及刀具移动部分垫块33；

刀具移动部分布线板32、刀具移动部分垫块33及手动升降调整平台18均固定在底部安装平板17的上端面，底部安装平板17上沿其厚度方向加工有三个连接孔62，三个连接孔62均布设置在同一圆周上（用于将该装置安装于其它设备上），刀具三轴联动平台28固定在刀具移动部分垫块33上，切屑收集总成26与刀具三轴联动平台28连接，刀具显微镜移动平台25、手动升降调整平台18及显微镜连接板21由上至下依次连接，显微镜连接板21与底部安装平板17的上端面连接。

手动升降调整平台18为现有技术，其生产厂家为北京茂丰光电科技有限公司，型号为MVS120-1A.

具体实施方式二：结合图1及图3说明，本实施方式所述刀具三轴联动平台28包括电主轴1、电主轴夹具2、Z轴连接件7、刀具运动Z轴单元11、刀具运动Y轴单元50及刀具运动X轴单元14；Z轴连接件7、刀具运动Z轴单元11、刀具运动Y轴单元50及刀具运动X轴单元14由上至下依次连接，电主轴卡具2坐落在Z轴连接件7上且二者连接，电主轴1设置在电主轴卡具2内，电主轴1通过电主轴卡具2夹紧固定。

刀具三轴联动平台28通过电主轴1的高速旋转实现了微铣削刀具的高速转动，以及微铣刀的高精度三轴联动。电主轴1最高转速达到80000rpm，回转精度优于1μm；三轴联动的行程为50mm×50mm×20mm，其单轴的定位精度优于±0.5μm。

所述电主轴1的轴线与水平面之间的夹角为α，α=45°。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。

刀具运动Z轴单元11、刀具运动Y轴单元50及刀具运动X轴单元14均为现有技术，生产厂家均为美国Newport公司。其中，刀具运动Z轴单元11的型号为GTS30V，刀具运动Y轴单元50和刀具运动X轴单元的型号均为XMS50。

具体实施方式三：结合图1、图7及图8说明，本实施方式所述刀具显微镜移动平台25包括光源连接板51、刀具显微镜Z轴单元54、刀具显微镜导轨连接件55、刀具显微镜XY轴单元56、夹具连接件16、监控显微镜63、刀具显微镜卡具19和两个光源组件，每个光源组件包括光源支撑件5、光源夹具52及CCS点光源53；夹具连接件16、光源连接板51、刀具显微镜XY轴单元56、刀具显微镜导轨连接件55及刀具显微镜Z轴单元54由上至下依次连接，刀具显微镜卡具19固定在夹具连接件16上，监控显微镜63装在刀具显微镜卡具19内并通过刀具显微镜卡具19夹持固定，两个光源支撑件5均与光源连接板51的上端面连接，光源夹具52固定在光源支撑件5上，CCS点光源53固定在光源夹具52内（CCS点光源53通过顶丝与光源夹具52固定）。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一或二相同。

该刀具显微镜移动平台25能够实现监控显微镜63的三轴直线移动，以及对加工区域的照明和图像采集。该监控显微镜63运动的行程为20mm×20mm×10mm，其单轴的定位精度优于±1μm。

所述监控显微镜63的中心线与水平面之间的夹角为β，β=15°；所述CCS点光源53的中心线在水平面上的投影与竖直面之间的夹角为γ，γ=45°。

刀具显微镜Z轴单元54、刀具显微镜XY轴单元56均为现有技术，生产厂家均为日本西格玛光机公司。其中，刀具显微镜Z轴单元54的型号为SGSP60-10ZF，刀具显微镜XY轴单元56的型号为SGSP20-20(XY)。

具体实施方式四：结合图8说明，本实施方式所述光源连接板51为长条形板，两个光源支撑件5相对于光源连接板51长度方向的中心线对称设置。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1、图11和图12说明，本实施方式所述切屑收集总成26包括金属软管57、金属软管接头58、底部连接头3、切屑收集头4、锁紧螺母59及切屑收集安装件60；所述切屑收集头4外侧壁的下部设有外螺纹，底部连接头3设有内螺纹孔，切屑收集头4与底部连接头3螺纹连接，锁紧螺母59与切屑收集头4螺纹连接且与底部连接头3上端面相抵靠（锁紧螺母59起到锁紧的作用，为六角薄螺母），切屑收集安装件10安装在底部连接头3上，金属软管1通过金属软管接头2与底部连接头3连接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图11和图12说明，本实施方式所述切屑收集安装件60为倒置的圆台形筒,切屑收集安装件60的上端为敞口端，切屑收集安装件60的下端通过底板封堵，切屑收集安装件60的底板中部设有安装孔，底部连接头3的上端设有凸台，底部连接头3的下端穿出切屑收集安装件60底板上的安装孔，底部连接头3的凸台贴靠在底板的上端面。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图1和图2说明，本实施方式所述具有微刀具监控能力的超精密三轴联动微铣削装置还包括底部平台防护罩61；底部安装平板17固定在底部平台防护罩61内部（通过螺钉固定）。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：结合图1和图2说明，本实施方式所述具有微刀具监控能力的超精密三轴联动微铣削装置还包括底部平台总线卡6、刀具XY总线卡8、刀具Z轴总线卡10、刀具显微镜总线卡12、刀具显微镜小线卡13、刀具显微镜大线卡23及电主轴总线卡31；所述底部平台总线卡6、刀具XY总线卡8、刀具Z轴总线卡10及刀具显微镜总线卡12（为了保证该装置的线路布置规整）均固定安装在底部安装平板17的上端面，刀具显微镜小线卡13及刀具显微镜大线卡23均固定安装在显微镜连接板21上，电主轴总线卡31与刀具移动部分布线板32连接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。

理论分析

一般微铣削所用刀具为两刃，所以下面以两刃立铣刀为例分析刀刃的运动轨迹，以期获得刀刃运动的动态轨迹。假设一X-Y坐标平面，坐标原点选在铣刀底面中心处。

第一条刀刃64在起始点处的坐标值为：

$\left\{\begin{array}{c}x=R\sin \mathrm{\θ}\\ y=R(1-\cos )\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：θ为刀刃转动角度；R为刀具半径，如图15所示。

铣刀在转动的同时还作直线移动，其移动的方程式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_c=\mathrm{\θ}(F/n)\\ y_c=R\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中：F为进给量，MM/Min；n为转速，r/Min。

如图16所示，考虑铣刀转动和移动的共同影响，第一条刀刃64上某一点的坐标值为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=R\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{\θ}(F/n)\\ y_1=R(1-\cos \mathrm{\θ})\end{array}\right.---\left(3\right)$

铣刀为两刃端铣刀时，则第二条刀刃65和第一条刀刃64之间差了180°，则第二刃铣刀的路径方程式为：

式中：

由式(3)、(4)可知在各个回转角时刀刃的位置，把第二条刀刃65所在的位置对铣刀的圆心划一条直线将会通过第一条刀刃64已走过的铣削路径并有一交点M，如图17所示。图中t₁、t₂分别为第一刃铣刀和第二刃铣刀的刀刃路径；t_c为切削厚度。如前分析，两条刀刃的运动方程均已知。当第二条刀刃65所在的角位置为φ₂(已知)，则x₂、y₂、x₃、y₃皆为已知，所以可得直线方程式如下：

y=[(y₂－y₃)/(x₂－x₃)](x－x₃)+y₃=m(x－x₃)+y₃   (5)

令M=(y₂－y₃)/(x₂－x₃)，设交点M坐标为(x′，y′)，且此点为第一刃铣刀路径在角位置φ₁(未知)时就已经通过，则：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=x^{\′}R\sin {\mathrm{\φ}}_1+{\mathrm{\φ}}_2(F/n)\\ y_1=x^{\′}=R(1-\cos {\mathrm{\φ}}_1)\end{array}---\left(6\right)\right.$

又点M(x′，y′)位于直线上，故：

y′=m(x′－x₃)+y₃   (7)

将(x′，y′)代入上式，可得:

R(1-cosφ₁)=m{[rsinφ₁+φ₁(F/w)]-x₃}+y₃   (8)

将式(3)代入式(6)，整理后得

(R/m)cosφ₁-θ(F/w)+Rsinφ₁+(F/w)φ₁=0   (9)

每给定一个回转角θ，即可求出一个φ₁值。将求出的φ₁代入式(6)，即可求得(x′，y′)，再利用距离公式:

$t_c=\sqrt{{(x_2-x^{\′})}^2+{(y_2-y^{\′})}^2}---\left(10\right)$

即可求得理论切削厚度t_c，当求得切削厚度之后，选择适当的工艺参数，如对刀具位置参数、切削工艺参数等进行优化调节，即可在塑性域修复出高质量的晶体加工表面。

工作原理

通过手动升降调整平台的调节，使得监控显微镜焦点的高度与电主轴上安装的微刀具刀尖的高度保持一致。当在工件表面进行微结构加工时，首先通过刀具三轴联动平台的垂直运动，使得微刀具刀尖靠近工件表面，保证能够通过监控显微镜同时看到工件表面和微刀具刀尖。利用工件表面形成的倒影，最终使得微刀具刀尖刚好与工件表面接触。利用数控系统控制刀具三轴联动平台，使得微刀具在工件表面进行微结构加工。加工过程中所产生的切屑通过负压吸附作用进入切屑收集部分，并且顺利排出，从而不会对装置造成污染。

Claims (8)

1.一种具有微刀具监控能力的超精密三轴联动微铣削装置，其特征在于：所述具有微刀具监控能力的超精密三轴联动微铣削装置包括底部安装平板（17）、手动升降调整平台（18）、显微镜连接板（21）、刀具显微镜移动平台（25）、切屑收集总成（26）、刀具三轴联动平台（28）、刀具移动部分布线板（32）及刀具移动部分垫块（33）；

刀具移动部分布线板（32）、刀具移动部分垫块（33）及手动升降调整平台（18）均固定在底部安装平板（17）的上端面，底部安装平板（17）上沿其厚度方向加工有三个连接孔（62），三个连接孔（62）均布设置在同一圆周上，刀具三轴联动平台（28）固定在刀具移动部分垫块（33）上，切屑收集总成（26）与刀具三轴联动平台（28）连接，刀具显微镜移动平台（25）、手动升降调整平台（18）及显微镜连接板（21）由上至下依次连接，显微镜连接板（21）与底部安装平板（17）的上端面连接。

2.根据权利要求1所述一种具有微刀具监控能力的超精密三轴联动微铣削装置，其特征在于：所述刀具三轴联动平台（28）包括电主轴（1）、电主轴夹具（2）、Z轴连接件（7）、刀具运动Z轴单元（11）、刀具运动Y轴单元（50）及刀具运动X轴单元（14）；Z轴连接件（7）、刀具运动Z轴单元（11）、刀具运动Y轴单元（50）及刀具运动X轴单元（14）由上至下依次连接，电主轴卡具（2）坐落在Z轴连接件（7）上且二者连接，电主轴（1）设置在电主轴卡具（2）内，电主轴（1）通过电主轴卡具（2）夹紧固定。

3.根据权利要求1或2所述一种具有微刀具监控能力的超精密三轴联动微铣削装置，其特征在于：所述刀具显微镜移动平台（25）包括光源连接板（51）、刀具显微镜Z轴单元（54）、刀具显微镜导轨连接件（55）、刀具显微镜XY轴单元（56）、夹具连接件（16）、监控显微镜（63）、刀具显微镜卡具（19）和两个光源组件，每个光源组件包括光源支撑件（5）、光源夹具（52）及CCS点光源（53）；夹具连接件（16）、光源连接板（51）、刀具显微镜XY轴单元（56）、刀具显微镜导轨连接件（55）及刀具显微镜Z轴单元（54）由上至下依次连接，刀具显微镜卡具（19）固定在夹具连接件（16）上，监控显微镜（63）装在刀具显微镜卡具（19）内并通过刀具显微镜卡具（19）夹持固定，两个光源支撑件（50均与光源连接板（51）的上端面连接，光源夹具（52）固定在光源支撑件（5）上，CCS点光源（53）固定在光源夹具（52）内。

4.根据权利要求3所述一种具有微刀具监控能力的超精密三轴联动微铣削装置，其特征在于：所述光源连接板（51）为长条形板，两个光源支撑件（5）相对于光源连接板（51）长度方向的中心线对称设置。

5.根据权利要求1所述一种具有微刀具监控能力的超精密三轴联动微铣削装置，其特征在于：所述切屑收集总成（26）包括金属软管（57）、金属软管接头（58）、底部连接头（3）、切屑收集头（4）、锁紧螺母（59）及切屑收集安装件（60）；所述切屑收集头（4）外侧壁的下部设有外螺纹，底部连接头（3）设有内螺纹孔，切屑收集头（4）与底部连接头（3）螺纹连接，锁紧螺母（59）与切屑收集头（4）螺纹连接且与底部连接头（3）上端面相抵靠，切屑收集安装件（10）安装在底部连接头（3）上，金属软管（1）通过金属软管接头（2）与底部连接头（3）连接。

6.根据权利要求5所述一种具有微刀具监控能力的超精密三轴联动微铣削装置，其特征在于：所述切屑收集安装件（60）为倒置的圆台形筒,切屑收集安装件（60）的上端为敞口端，切屑收集安装件（60）的下端通过底板封堵，切屑收集安装件（60）的底板中部设有安装孔，底部连接头（3）的上端设有凸台，底部连接头（3）的下端穿出切屑收集安装件（60）底板上的安装孔，底部连接头（3）的凸台贴靠在底板的上端面。

7.根据权利要求1所述一种具有微刀具监控能力的超精密三轴联动微铣削装置，其特征在于：所述具有微刀具监控能力的超精密三轴联动微铣削装置还包括底部平台防护罩（61）；底部安装平板（17）固定在底部平台防护罩（61）内部。

8.根据权利要求1所述一种具有微刀具监控能力的超精密三轴联动微铣削装置，其特征在于：所述具有微刀具监控能力的超精密三轴联动微铣削装置还包括底部平台总线卡（6）、刀具XY总线卡（8）、刀具Z轴总线卡（10）、刀具显微镜总线卡（12）、刀具显微镜小线卡（13）、刀具显微镜大线卡（23）及电主轴总线卡（31）；所述底部平台总线卡（6）、刀具XY总线卡（8）、刀具Z轴总线卡（10）及刀具显微镜总线卡（12）均固定安装在底部安装平板（17）的上端面，刀具显微镜小线卡（13）及刀具显微镜大线卡（23）均固定安装在显微镜连接板（21）上，电主轴总线卡（31）与刀具移动部分布线板（32）连接。

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