CN108176991B - 微槽阵列加工机床及微槽阵列加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微槽阵列加工机床及微槽阵列加工方法，通过移动安装刀具的刀架及所述刀具的旋转，在工件表面上加工形成阵列的微纳结构，使得在所述微槽阵列加工机床不需要增加Y轴方向的平移运动轴，仅通过X轴方向及Z轴方向的移动及旋转轴的转动即能加工阵列的微纳结构，从而拓展了该加工机床的应用以及降低了工件表面微纳结构的加工成本。

Description

微槽阵列加工机床及微槽阵列加工方法

技术领域

本发明涉及微纳结构加工技术领域，尤其涉及一种微槽阵列加工机床及微槽阵列加工方法。

背景技术

微纳结构一般是指具有规则几何形状且成阵列分布的微米级或者纳米级的微观结构。不同的微纳结构的几何形貌及排列方式决定了表面所承载的功能，如超润滑、减阻、增加光程、存储信息等。微槽结构阵列的卓越性能使其广泛应用于通讯、光电子以及仿生等领域。比较典型的应用如用于增加光学反射的金字塔结构阵列、用于存储信息的深沟槽微结构阵列等。

为了实现微纳结构的加工制造，通常需要机床有X、Y、Z轴三个方向平行移动及转动轴的转动的运动配合。然而，一般超精密车削机床只能实现X轴方向及Z轴方向两个方向的平移运动和转动轴的旋转运动，使其无法实现微纳结构的加工。并且，在超精密车削机床上增加用于实现Y轴方向移动的运动轴需要很高的成本。

发明内容

本发明提供一种微槽阵列加工机床及微槽阵列加工方法，以实现在机床Y轴方向的运动轴缺配的条件下仍然能够在所述工件表面上形成微纳结构。

所述微槽阵列加工机床，用于在工件表面加工微纳结构。所述微槽阵列加工机床包括刀架及与所述刀架相对的工件架，所述刀架沿机床X轴方向移动，所述工件架沿机床Z轴方向移动；所述刀架包括一转动轴，所述转动轴的一个端面上安装有随所述转动轴转动的刀具承载盘，所述刀具承载盘上设有刀具，所述刀具相对于所述转动轴的轴线偏置设置，所述转动轴的轴线沿所述Z轴方向延伸；所述工件架上设有可带动所述工件转动的微动转台，所述工件固定于所述微动转台上并与所述刀具相对，所述转动轴转动的同时所述刀架沿着所述X轴方向进行配合移动、工件架沿所述Z轴方向移动，进而带动刀具在所述工件表面加工出交错的直线槽，以通过所述交错的直线槽围成所述微纳结构。

其中，所述工件架上设有所述微动转台的数量为两个，且两个所述微动转台沿所述X轴方向间隔设置，所述转动轴的端面上安装的刀具有两个，两个所述刀具相对所述转轴的旋转中心对称设置，每个所述刀具分别与一个所述微动转台对应。

其中，所述刀具承载盘的中心与所述转动轴的旋转中心重合；所述刀具安装于所述刀具承载盘上并与所述刀具承载盘的中心间隔，所述刀具承载盘上还设有配重件，所述配重件与所述刀具以所述刀具承载盘的中心对称。其中，所述微动转台包括固定台、层叠于所述固定台上的旋转台及调节部，所述固定台固定于所述工件架上，所述调节部用于调节所述旋转台相对所述固定台进行转动，所述工件设于所述旋转台上。

其中，所述微槽阵列加工机床包括沿所述X轴方向设置的第一导轨及沿所述Z轴方向设置的第二导轨，所述刀架与所述第一导轨滑动连接并沿所述第一导轨进行移动，所述工件架与所述第二导轨滑动连接并沿所述第二导轨进行移动。

其中，所述刀具为尖刀，包括两个呈角度的刀刃，两个刀刃相交形成刀尖，所述刀具在所述工件上加工出的所述直线槽的截面为V型。

本发明一实施例中，所述微槽阵列加工方法包括：

第一步骤，将刀具与固定于微动转台上的工件进行对位；所述刀具的刀尖与所述转动轴的方向平行并朝向Z轴方向，所述工件的待加工面朝向所述刀尖方向。

第二步骤，将对位后的所述刀具移动至初始加工位置。

第三步骤，沿机床Z轴方向移动工件架以实现所述刀具的进刀，控制所述刀具转动，同时控制刀架沿机床X轴方向移动，以带动设于所述刀架上的刀具沿所述X轴方向进行移动，使所述刀具在所述工件的表面加工成一条第一直线槽，所述第一直线槽为直线，且所述第一直线槽的延伸方向为机床Y轴方向。

第四步骤，沿所述Z轴方向移动所述工件架以实现所述刀具的出刀，并沿所述X轴方向使所述刀架移动预设距离，重复所述第三步骤，形成与所述第三步骤形成的第一直线槽相邻的另一条第一直线槽，相邻两条所述第一直线槽之间的距离与所述预设距离相同。

第五步骤，重复所述第四步骤，在所述工件上形成沿所述X轴方向平行均匀间隔排布的多条所述第一直线槽。

第六步骤，根据预设的微纳结构预设旋转所述工件的角度和次数，每旋转一次所述工件后，重复一次所述第三步骤至第五步骤，通过至少一次旋转所述工件及至少一次重复所述第三步骤至第五步骤后，在所述工件上形成与所述第一直线槽交叉呈夹角的数条直线槽，所述第一直线槽与所述数条直线槽围成所述微纳结构。

其中，所述“将刀具与固定于微动转台上的工件进行对位”包括：沿所述X轴方向移动所述刀架，至所述刀架上的刀具与所述工件的旋转中心在沿所述Z轴方向延伸的同一条直线上。

其中，所述刀具位于所述初始加工位置时，所述刀具至所述工件的旋转中心轴线之间的距离为所述预设距离的整数倍。

其中，所述第四步骤中，所述刀具的角速度恒定，所述刀架沿所述X轴方向的移动速度及移动距离根据所述刀具旋转的角度而进行瞬时变化，以实现在所述工件上形成直线的所述直线槽。

本发明另一实施例中，所述微槽阵列加工方法包括：

第一步骤，将刀具与固定于微动转台上的工件进行对位；所述工件加工面朝向X轴延伸方向，所述转动轴与所述工件架错位，刀尖延伸方向与所述转动轴的轴向方向垂直。

第二步骤，将对位后的所述刀具移动至初始加工位置。

第三步骤，沿机床X轴方向移动刀架以实现所述刀具的进刀，控制所述刀具转动，同时控制刀架沿机床X轴方向移动，以带动设于所述刀架上的刀具沿所述X轴方向进行移动，使所述刀具在所述工件的表面加工成一条第一直线槽，所述第一直线槽为直线，且所述第一直线槽的延伸方向为机床Y轴方向，所述第一直线槽的延伸方向各个位置的深度相同。

第四步骤，沿所述X轴方向移动所述刀架以实现所述刀具的出刀，并沿所述Z轴方向使所述工件架移动预设距离，重复所述第三步骤，形成与所述第三步骤形成的第一直线槽相邻的另一条第一直线槽，相邻两条所述第一直线槽之间的距离与所述预设距离相同。

第五步骤，重复所述第四步骤，在所述工件上形成沿所述Z轴方向平行均匀间隔排布的多条所述第一直线槽。

第六步骤，根据预设的微纳结构预设旋转所述工件的角度和次数，每旋转一次所述工件后，重复一次所述第三步骤至第五步骤，通过至少一次旋转所述工件及至少一次重复所述第三步骤至第五步骤后，在所述工件上形成与所述第一直线槽交叉呈夹角的数条直线槽，所述第一直线槽与所述数条直线槽围成所述微纳结构。

本发明提供的所述微槽阵列加工机床及微槽阵列加工方法，通过将所述刀具安装于所述刀架的转动轴上，并将所述工件安装于与所述刀架相对的所述工件架上。通过所述工件架沿所述Z轴方向的移动调整所述刀具与所述工件之间的距离，实现所述刀具的进刀与出刀。并通过控制所述刀具转动的同时，控制所述刀架沿所述X轴方向的移动，以实现对所述刀具旋转形成的圆弧形轨迹的补偿，在所述工件上形成直线的所述第一直线槽。并在完成一条所述第一直线槽加工后，沿所述X轴方向移动所述刀架，重复所述刀具的转动与刀架的移动操作，形成一条与所述第一直线槽平行间隔的另一条第一直线槽。重复所述第一直线槽的加工步骤，得到沿所述X轴方向平行间隔排布的多条所述第一直线槽。然后，旋转所述工件，并重复与形成所述第一直线槽相同的加工步骤，在所述工件上形成与所述第一直线槽交叉呈夹角的数条直线槽，所述第一直线槽与所述数条直线槽围成所述微纳结构。即本发明中，所述微槽阵列加工机床只需要X轴方向及Z轴方向两个方向的平移运动和转动轴的旋转运动，不需要增加实现沿Y轴方向移动的运动轴，即能加工得到阵列的微纳结构，从而降低了生产成本。

附图说明

为更清楚地阐述本发明的构造特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。

图1是本发明一实施例的所述微槽阵列加工机床的结构示意图；

图2是图1实施例的所述微槽阵列加工机床的俯视图；

图3是本发明所述微槽阵列加工机床上的刀具承载盘的结构示意图；

图4是本发明一实施例的所述微动转盘的结构图；

图5是本发明另一实施例的所述微槽阵列加工机床的示意图；

图6是本发明另一实施例的所述微槽阵列加工机床的工作示意图；

图7是本发明所述微槽阵列加工方法的流程图；

图8及图10是图7所述本发明实施例的所述微槽阵列加工机床加工工件表面得到一种微纳结构的各步骤的示意图；

图9是本发明所述刀具对所述工件表面加工时圆弧轨迹直线补偿示意图；

图11是图7所述本发明实施例的所述微槽阵列加工机床加工工件表面得到一种微纳结构的实物图；

图12及图13是图7所述本发明实施例的所述微槽阵列加工机床加工工件表面得到另一种微纳结构的各步骤的示意图；

图14是所述本发明实施例的所述微槽阵列加工机床加工工件表面得到另一种微纳结构的实物图；

图15是本发明另一实施例所述微纳结构的加工方法的流程图。

具体实施例

下面将结合本发明专利实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，不能理解为对本专利的限制。

请参阅图1及图2，本发明提供一种微槽阵列加工机床100。所述微槽阵列加工机床100用于在工件10的表面加工阵列排布的微纳结构。所述微纳结构为大小在微米级或者纳米级的具有一定几何形状的微小结构。本实施例中，所述微纳结构为由数条交叉直线槽围成的三棱锥、四棱锥等多棱锥结构或者其它具有一定形状的凸起。所述微槽阵列加工机床100包括刀架40及与所述刀架40相对的工件架50。所述刀架40包括一转动轴41，所述转动轴41包括一朝向所述工件架50的端面411，所述端面411上安装有刀具42，所述转动轴41转动以带动所述刀具42转动。所述工件架50上设有微动转台51，所述工件10固定于所述微动转台上51，并通过所述微动转台51转动带动所述工件10转动。所述微动转台51与所述刀具42相对，通过所述刀具42在所述工件10表面进行加工形成多条交叉排布的直线槽，多条交叉排布的所述直线槽围成阵列排布的所述微纳结构。

所述微槽阵列加工机床100还包括一控制器，通过在所述控制器中进行程序设定，从而对所刀架40、工件架50的移动速度及移动距离，以及所述转动轴41的角速度进行程序控制，进而通过所述刀架40、工件架50的移动及所述转动轴41的转动进行配合得到所需的微纳结构。

所述刀架40能够沿X轴方向(图中所示的前后方向)进行移动。所述X轴方向包括X轴正方向及X轴负方向。本实施例中，所述X轴正方向为图1所示的朝前的方向，所述X轴负方向为图1所示的朝后的方向。所述工件架50能够在沿Z轴方向移动，所述Z轴方向包括Z轴正方向及Z轴负方向。本实施例中，所述Z轴正方向为图1所示的朝右的方向，所述Z轴负方向为图1所示的朝左的方向。具体的，所述刀架40固定于一个第一移动平台31上，所述第一移动平台31滑动连接于一沿所述X轴方向延伸的第一导轨上，并能沿所述第一导轨在X轴方向(包括X轴正方向及X轴负方向)进行移动。所述工件架50固定于一个第二移动平台32上，所述第二移动平台32滑动连接于一沿所述Z轴方向延伸的第二导轨上，并能沿所述第二导轨在Z轴方向(包括Z轴正方向及Z轴负方向)进行移动。本实施例中，所述第一导轨及所述第二导轨均为液压导轨。在本发明的实施例中，所述第一移动平台31可以在马达或者其它驱动装置的驱动下沿所述第一导轨移动；所述第二移动平台32可以在马达或者其它驱动装置的驱动下沿所述第二导轨移动。

所述刀架40包括一安装座43，所述安装座43上沿所述Z轴方向安装有所述转动轴41，即所述转动轴41的转轴轴线方向沿所述Z轴方向延伸。所述转动轴41与一第三驱动装置进行连接，通过所述第三驱动装置驱动所述转动轴41以一定的角速度进行转动，并通过所述第三驱动装置调节所述转动轴41的角速度及转动角度。本实施例中，所述转动轴41为圆柱，圆柱状的所述转动轴41转动时能够实现更好的动平衡，使得所述转动轴41转动更加的平稳。所述刀具42安装于所述端面411上，并相对于所述转动轴41的轴线偏置设置。换句话说，所述刀具42与所述转动轴41的旋转中心有一定的距离，使得所述转动轴41转动以带动所述刀具42转动时，所述刀具42的转动轨迹为圆形轨迹，所述圆形轨迹的半径大小与所述刀具42与所述转动轴41的旋转中心之间的距离相同。

请一并参阅图3，所述端面411上设有一个刀具承载盘44，所述刀具42是通过刀具承载盘44装于所述转动轴41上的。可以理解的是，所述刀具42也可承载于任意的块状件上，并将所述块件固定于所述端面411上，以实现所述刀具42装于所述转动轴41上。所述刀具承载盘44的中心与所述转动轴41的旋转中心重合，所述刀具42安装于所述刀具承载盘44上。具体的，所述刀具承载盘44包括底盘441及层叠并固定于所述底盘441上的飞刀盘442。所述底盘441固定于所述端面411上，所述刀具42固定于所述飞刀盘442上。本实施例中，所述底盘441通过螺钉固定于所述端面411上，所述飞刀盘442通过螺钉固定于所述底盘441上。在本发明的其它实施例中，所述底盘可以为真空吸盘，所述飞刀盘442通过真空吸力固定与所述底盘441上。本实施例中，所述底盘441及所述飞刀盘442为大小形状相同的圆盘状，使得所述转动轴41带动所述刀具承载盘44转动时实现更好的动平衡，使得所述刀具承载盘44转动更加的平稳。可以理解的是，所述底盘441及所述飞刀盘442也可以为方形盘、多边形盘等各种结构。

所述刀具42设于所述飞刀盘442上，并与所述飞刀盘442的中心间隔，即所述刀具42与所述飞刀盘442之间有一定的间距，从而使得所述刀具42相对于所述转动轴41的轴线偏置设置。本实施例中，所述飞刀盘442平面分为四个面积相同的扇形面，每个所述扇形面的中心角为90°。任意相对的两个扇形面上形成与所述扇形面形状大小相同的凸起443。所述凸起443的侧面为所述第二平面443a，与所述飞刀盘442平行的面为所述第一平面443b。通过将两个所述凸起443对称设置，保证所述刀具承载盘44的动平衡。可以理解的是，所述凸起443还可以为其它的结构，例如可以为以所述转动轴的轴心为圆心的多个同心圆环，所述同心圆环的侧面为所述第二平面443b或者以所述转动轴的轴心为圆心为圆盘形凸起，所述圆盘形凸起的侧面为所述第二平面443b。两个所述凸起443的所述第二平面443b均包括夹角呈90°的第一侧平面及第二侧平面，所述第一侧平面及所述第二侧平面上均匀的间隔设有相同数量的多个安装调节槽444。

本实施例中，所述刀具42为一把，一把所述刀具42安装于任一个所述凸起443的第一侧平面上的任意一个所述安装调节槽444上。所述飞刀盘442上还设有与所述刀具42重量相同的配重件45，且所述配重件45与所述刀具42相对于所述刀具承载盘44的旋转中心重合，以保证所述刀具42安装于所述飞刀盘442后，所述飞刀盘442的重心依旧与所述转动轴41的旋转中心重合，保证所述飞刀盘442的动平衡，进而保证所述刀具42在所述工件10表面加工出精细度较高的所述微纳结构20。并且，本实施例中，所述刀具42的刀尖方向沿所述Z轴正方向。

所述底盘441的侧壁上均匀间隔设有多个调平衡件45，通过对多个所述调平衡件45调节，以保证所述刀具承载盘44在转动过程中保证动平衡，进而使得设于所述刀具承载盘44上的所述刀具42保持稳定转动，以在所述工件10上划刻以得到精细度较高的所述微纳结构20。本实施例中，所述调平衡件45为平衡螺钉，通过调节所述平衡螺钉螺接于所述底盘441的侧壁的深度，即调节所述平衡螺钉的头部至所述底盘442的侧壁的距离，从而对所述刀具承载盘44的重心进行微调，从而保证所述刀具承载盘44的重心与所述转动轴41的旋转中心重合，进而保证所述刀具承载盘44的动平衡。

请参阅图1及图4，所述微动转台51设于所述工件架50上朝向所述刀架40的一个端面上，所述微动转台51的台面方向朝向所述Z轴负方向。所述微动转台51的转动轴线方向与所述转动轴41的轴线方向平行，即所述微动转台51的转动轴线方向也沿所述Z轴方向。本实施例中，通过沿所述Z轴方向移动所述工件架50，从而控制所述刀具42与固定于所述工件架50上的工件的距离，进而实现所述刀具42的进刀与出刀。通过沿X轴移动所述刀架40，从而移动所述刀架40上的刀具42相对所述工件10的位置，从而实现对所述工件10整个表面的加工。所述微动转台51包括固定台511、层叠于所述固定台511上的旋转台512及调节部。所述固定台511固定于所述工件架50上，所述调节部调节所述旋转台512相对所述固定台511进行转动。所述工件10设于所述旋转台512上，且所述工件10的待加工表面与所述刀具42的刀尖相对，从而通过所述刀具42在所述工件10的待加工表面上加工出所述微纳结构。通过所述调节部调节所述旋转台512相对所述固定台511的旋转，从而调节固定于所述旋转台512上的工件10进行一定角度的转动。本实施例中，所述工件10放置于所述旋转台512上时，所述工件10的中心与所述旋转台512的旋转中心重合。进一步的，本实施例中，所述旋转台512的侧面设有角度标尺，所述固定台511上设有标记位，通过观察所述标记位在所述角度标尺上的位置，可以判断所述的旋转台512相对于所述固定台511的旋转角度，进而确定每一次转动时所述工件10的转动角度。所述调节部包括调节手柄513及连接所述调节手柄513与所述旋转台512的调节件。通过所述调节手柄513对所述调节件进行控制，进而实现对于所述调节件相连接的所述旋转台512进行一定角度的旋转。可以理解的是，在本发明的其它一些实施例中，可以将一驱动器与所述旋转台512连接并驱动所述旋转台512转动，并将所述驱动器与所述控制器连接，通过所述控制器控制所述旋转台512相对所述固定台511的进行一定角度的旋转。进一步的，所述微动转台51为一个真空吸盘，所述工件10通过真空吸力固定于所述微动转台51上。

本发明中，所述微槽阵列加工机床100还包括对位器(图中未示出)。通过所述对位器实现所述刀具42与所述工件10的对位，即在对所述工件10加工前，沿所述X轴方向移动所述刀架40，使得所述刀具42与所述工件10的旋转中心在沿所述Z轴方向延伸的一条直线上。并通过所述对位器判断所述刀具42是否所述工件10的旋转中心在沿所述Y轴方向是否在同一高度上。若是，则完成所述刀具42与所述工件10的对位。通过所述刀具42与所述工件10的对位，以便在所述工件10的待加工表面加工出规则的微纳结构。

进一步的，请参阅图5及图6，本发明另一种实施例还提供一种微槽阵列加工机床200。所述微槽阵列加工机床200与所述微槽阵列加工机床100的差别在于：所述刀具承载盘44包括所述底盘441及固定于所述底盘441上的飞刀轴445。具体的，所述飞刀轴445可以通过螺钉固定或者通过真空吸力吸附于所述底盘441上等方式固定于所述底盘441上。本实施例中，所述飞刀轴445包括固定轴4451及安装轴4452。所述固定轴4451固定于所述底盘441上，所述安装轴4452固定于所述固定轴4451上或者与所述固定轴4451通过一体成型得到。所述固定轴4451及所述安装轴4452均为圆柱状，且所述安装轴4452的直径小于所述固定轴的直径，所述安装轴4452固定于所述固定轴4451上时，所述安装轴4452与所述固定轴4451的轴心重合。所述安装轴4452的背离所述固定轴4451的一端向所述固定轴4451的方向突出有间隔设置的两个凸块4453，两个所述凸块4453相对于所述固定轴4451的轴心对称。两个所述凸块4453之间形成一缺口4454。本实施例中，所述刀具42安装于一长条形刀柄421上。所述刀柄421卡持于所述缺口4454内，并通过螺钉等固定件与所述凸块4453进行固定。此时，所述刀柄421沿所述X轴方向延伸。所述刀柄421卡持于所述缺口4454内时，所述刀柄421的两端伸出于所述缺口4454。所述刀具42安装固定于所述刀柄421的一端，此时，所述刀具42的刀尖方向朝向与所述刀柄421的延伸方向相同。当所述刀具42转动时，所述刀具42的刀尖方向在所述XY平面内变化。

并且，所述微动转台51固定于所述工件架50上的一个侧面上，且所述微动转台51位于所述刀具承载盘44的一侧，使得固定于所述微动转台51上的所述工件10的待加工表面朝向所述刀具承载盘44，并与所述刀具承载盘44上的刀具42的刀尖相对，即所述微动转台51朝向所述X轴方向，所述刀具承载盘44的轴线与所述微动转台51的轴线垂直，且所述刀具承载盘44的轴线与所述微动转台51的轴线并位于同一平面内，从而通过所述刀具42实现对所述工件10的待加工表面的加工。并且，本实施例中，通过沿X轴方向移动所述刀架40以实现所述刀具42的进刀及出刀。通过沿Z轴移动所述工件架50，移动所述工件10相对所述刀架40上的刀具42的位置，从而实现对所述工件10整个表面的加工。

本发明还提供一种微纳结构的加工方法，通过所述微槽阵列加工机床100对所述工件10的表面进行加工，以得到具有阵列设置的微纳结构20的表面。请参阅图图7，所述工件10表面微纳结构的加工方法包括：

第一步骤110，将刀具42与固定于微动转台51上的工件10进行对位。具体的，沿所述X轴方向移动所述刀架40，使得所述刀具42与所述工件10的旋转中心在沿所述Z轴方向延伸的一条直线上。并通过所述对位器判断所述刀具42是否与所述工件10的旋转中心在沿所述Z轴方向延伸的一条直线上。若是，则完成所述刀具42与所述工件10的对位。通过在所述工件10进行表面加工前，对所述刀具42及所述工件10进行对位，使得所述刀具42在所述工件10表面形成不同角度的直线槽中，任意一个角度的一条所述直线槽与其它角度的一条所述直线槽始终会相交于一点，从而使得相交的所述直线槽围成阵列的并具有规则形状的微纳结构20。可以理解的是，在本发明的一些实施例中，可以不需要所述第一步骤110，使得形成具有不规则形状的微纳结构20。

第二步骤120，将对位后的所述刀具42移动至初始加工位置。具体的，沿所述X轴方向移动所述刀架40至初始加工位置，从所述初始加工位置开始对所述工件10进行加工。其中，所述刀架40位置至所述初始加工位置时，所述刀具42一般对应于所述工件10的边缘，从而能够从所述工件10的边缘开始对所述工件10进行加工，从而完成对所述工件10表面的完整的加工。本实施例中，所述初始加工位置至所述工件10的旋转中心之间的距离通过计算得到并进行预设，通过所述控制器控制所述刀架40移动至所述初始加工位置。

第三步骤130，请参阅图8，沿Z轴方向移动工件架50以实现所述刀具42的进刀，控制所述刀具42转动，同时控制刀架40沿所述X轴方向移动，以带动设于所述刀架40上的刀具42沿所述X轴方向进行移动，使所述刀具在所述工件的表面加工成一条第一直线槽11。所述第一直线槽11为直线，且所述第一直线槽11的延伸方向为Y轴方向。

具体的，移动所述刀架40至初始加工位置后，沿所述Z轴方向移动所述工件架50，实现所述刀具42的进刀，并通过控制所述工件架50沿所述Z轴方向的移动距离，控制所述刀具42的进刀深度，即控制所述刀具42的刀尖进入所述工件10的深度。完成所述刀具42的进刀后，控制器控制所述刀具42以恒定的角速度转动，此时，所述刀具42在所述工件10表面形成的所述第一直线槽11的轨迹为圆弧行轨迹12。请参阅图9，通过所述刀具42转动的同时，控制所述刀架40沿所述X轴方向进行移动，以对所述圆弧形轨迹15进行补偿，从而得到直线的所述第一直线槽11。其中，所述刀架40沿所述X轴方向进行移动的移动速度及移动距离根据所述刀具42在所述工件10上的位置而不断变化，以形成直线的所述第一直线槽11。例如，所述刀具42进行以恒定的线速度ω逆时针旋转时，所述刀具42从与水平位置呈-θ角位置向水平位置转动的过程中，所述刀架40沿所述X轴正方向进行移动，实现所述刀具42从与水平方向呈-θ角向水平方向的转动过程中，对所述刀具42的圆弧形轨迹进行直线补偿。所述刀具42从水平位置至与水平位置呈θ角的位置的转动的过程中，所述刀架40沿所述X轴负方向进行移动，实现所述刀具42从与水平方向呈θ角向水平方向转动的过程中，对所述刀具42的圆弧形轨迹进行直线补偿。本实施例中，所述刀具42为尖刀，因此，通过所述刀具42加工得到的所述第一直线槽11的截面为V型，即所述第一直线槽11包括相交的两个倾斜的侧壁，相交的两个侧壁之间的夹角为所述刀具42两个刀刃之间的夹角。并且，本发明中，通过相交的直线槽围成所述微纳结构20，即直线槽的侧壁作为所述微纳结构20的侧壁，所述第一直线槽11的侧壁为所述微纳结构20的多个侧壁中的一个。

第四步骤140，沿所述Z轴方向移动所述工件架50以使所述刀具离开所述工件10的表面，从而实现所述刀具42的出刀。并沿所述X轴方向使所述刀架40移动预设距离，重复所述第三步骤，形成与所述第三步骤130形成的第一直线槽11相邻的另一条第一直线槽11。相邻两条所述第一直线槽11之间的距离与所述预设距离相同，并且，所述初始加工位置至所述工件10的旋转中心之间的距离为所述预设距离的整数倍。从而在实现所述对位操作后，任意一个角度的一条所述直线槽与其它角度的一条所述直线槽始终会相交于一点(包括所述工件10的旋转中心点)，从而使得相交的所述直线槽围成阵列的并具有规则形状的微纳结构20。

第五步骤150，重复所述第四步骤140，在所述工件10上形成沿所述X轴方向平行均匀间隔排布的多条所述第一直线槽11。

第六步骤160，根据预设的微纳结构20预设旋转所述工件10的角度和次数，每旋转一次所述工件10后，重复一次所述第三步骤130至第五步骤150。通过至少一次旋转所述工件10及至少一次重复所述第三步骤130至第五步骤150后，在所述工件10上形成与所述第一直线槽11交叉呈夹角的数条直线槽，所述第一直线槽11与所述数条直线槽围成所述微纳结构20。具体的，通过所述当所需要得到的所述微纳结构20为正n棱锥时，所述工件10每次的旋转角度为180°*(n-2)/n。例如，需要得到的所述微纳结构20为正四棱锥，则所述工件10的旋转角度为90°；当需要得到的所述微纳结构20为正三棱锥，所述工件10的旋转角度为60°。

进一步的，当需要得到具有棱锥结构的所述微纳结构20时，根据所述刀具42的两个所述刀刃所呈角度的不同及所述微纳结构20的结构不同，变化所述刀具42的进刀深度与相邻的两条平行的所述直线槽之间的距离的比例，使得交叉的所述直线槽的槽壁交叉于一点，从而得到具有棱锥结构的所述微纳结构20。

请参阅图10及图11，本实施例中，以所述微纳结构20为正四棱锥为例进行说明。由于所述微纳结构20为正四棱锥，需要旋转所述工件10的角度90°，旋转次数为一次。因此，通过调节所述微动转台51的调节手柄513使所述旋转台512转动90°，使得固定于所述旋转台512上的工件10转动90°。此时，所述第一直线槽11与所述Y轴方向呈90°。重复所述第三步骤130至第五步骤150，从而在所述工件10上形成沿所述Y轴方向延伸的多条平行间隔的第二直线槽12。多条平行间隔的第二直线槽12与多条平行间隔的第一直线槽11交叉设置，并成90°夹角。并且，通过控制所述刀具42的进刀深度与相邻的两条平行的所述直线槽之间的距离的比例，使得相邻的两条所述第一直线槽11与相邻的两条所述第二直线槽12相邻的槽壁交叉于一点，得到所述四棱锥结构。并且，本实施例中，相邻两条所述第一直线槽11之间的距离与相邻两条第二直线槽12之间的距离相同，使得得到的所述四棱锥结构为正四棱锥。

请参阅图12至图14，本实施例中，以所述微纳结构20为正三棱锥为例进行说明。由于所述微纳结构20为正三棱锥，需要旋转所述工件10的角度60°，旋转次数为二次。首先，通过调节所述微动转台51的调节手柄513使所述旋转台512进行第一次转动60°，使得固定于所述旋转台512上的工件10转动60°。此时，所述第一直线槽11与所述Y轴方向呈60°。重复所述第三步骤130至第五步骤150，从而在所述工件10上形成沿所述Y轴方向延伸的多条平行间隔的第二直线槽12。多条平行间隔的第二直线槽12与多条平行间隔的第一直线槽11交叉设置，并成60°夹角。再次，通过调节所述微动转台51的调节手柄513使所述旋转台512进行第二次转动60°，使得固定于所述旋转台512上的工件10再次转动60°。此时，所述第一直线槽11与所述Y轴方向呈120°，所述第二直线槽12与所述Y轴方向呈60°。重复所述第三步骤130至第五步骤150，从而在所述工件10上形成沿所述Y轴方向延伸的多条平行间隔的第三直线槽13。多条平行间隔的第三直线槽13与多条平行间隔的第一直线槽11及多条平行间隔的第二直线槽12交叉设置，且相互之间形成60°夹角。并且，通过控制所述刀具42的进刀深度与相邻的两条平行的所述直线槽之间的距离的比例，使得相邻的第一直线槽11的一条槽边、第二直线槽12的一条槽边及所述第三直线槽13的一条槽边相交于一点，从而得到所述正三棱锥结构。其中，相邻的第一直线槽11的一条槽边、第二直线槽12的一条槽边及所述第三直线槽13的一点为所述正三棱锥的一个顶点。

请参阅图15，本发明还提供另一种所述微纳结构的加工方法，通过所述微槽阵列加工机床200对所述工件10的表面进行加工，以得到具有阵列设置的微纳结构20的表面。本实施例中所述微纳结构的加工方法包括：

第一步骤210，将刀具42与固定于微动转台51上的工件10进行对位。本实施例中，沿所述Z轴方向移动所述工件架50，以带动固定于所述工件架50的微动转台上的所述工件10相对所述刀具42进行移动，使得所述刀具42与所述工件10的旋转中心在沿所述X轴方向延伸的一条直线上。

第二步骤220，将对位后的所述工件10移动至初始加工位置。具体的，沿所述Z轴方向移动所述工件10至初始加工位置，从所述初始加工位置开始对所述工件10进行加工。其中，所述工件10位于所述初始加工位置时，所述刀具42一般位于所述工件10的边缘，从所述工件10的边缘开始对所述工件10进行加工，从而完成对所述工件10表面的完整的加工。

第三步骤230，沿机床X轴方向移动刀架40，使所述刀具靠近所述工件表面，以实现所述刀具42的进刀；控制所述刀具42转动，同时控制刀架40沿所述X轴方向移动，以带动设于所述刀架40上的刀具42沿所述X轴方向进行移动，使所述刀具插入所述工件表面的距离始终保持一致，并在所述工件的表面加工出一条第一直线槽11。所述第一直线槽11为直线，且所述第一直线槽11的延伸方向为机床Y轴方向。

具体的，移动所述刀架40至初始加工位置后，沿机床X轴方向移动所述刀架40，实现所述刀具42的进刀。由于所述刀具42的运动轨迹为弧形，因此，所述刀具42在所述工件10表面进行加工时，在所述工件10表面不同位置的进刀深度不同。根据所述刀具10的转动角度的变化，沿所述X轴方向移动所述刀架，控制所述刀具42的进刀深度，保证所述刀具42的在任意角度时，所述刀具42的在所述工件10表面的进刀深度都相同。

第四步骤240，沿所述X轴方向移动所述刀架40以使所述刀具离开所述工件10的表面，从而实现所述刀具42的出刀。并沿所述Z轴方向使所述工件架50移动预设距离，重复所述第三步骤，形成与所述第三步骤230形成的第一直线槽11相邻的另一条第一直线槽11。相邻两条所述第一直线槽11之间的距离与所述预设距离相同。并且，所述初始加工位置至所述工件10的旋转中心之间的距离为所述预设距离的整数倍。从而在实现所述对位操作后，任意一个角度的一条所述直线槽与其它角度的一条所述直线槽始终会相交于一点(包括所述工件10的旋转中心点)，从而使得相交的所述直线槽围成阵列的并具有规则形状的微纳结构20。

第五步骤250，重复所述第四步骤240，在所述工件10上形成沿所述Z轴方向平行均匀间隔排布的多条所述第一直线槽11。

第六步骤260，根据预设的微纳结构20预设旋转所述工件10的角度和次数，每旋转一次所述工件10后，重复一次所述第三步骤230至第五步骤250。通过至少一次旋转所述工件10及至少一次重复所述第三步骤230至第五步骤250后，在所述工件10上形成与所述第一直线槽11交叉呈夹角的数条直线槽，所述第一直线槽11与所述数条直线槽围成所述微纳结构20。具体的，当所需要得到的所述微纳结构20为正n棱锥时，所述工件10每次的旋转角度为180°*(n-2)/n。例如，需要得到的所述微纳结构20为正四棱锥，则所述工件10的旋转角度为90°；当需要得到的所述微纳结构20为正三棱锥，所述工件10的旋转角度为60°。

本发明提供的所述微槽阵列加工机床100及微槽阵列加工方法，通过将所述刀具42安装于所述刀架40的转动轴41上，并将所述工件10安装于所述工件架50上。并使的所述刀架40能够沿所述X轴方向移动，所述工件架50能沿所述Z轴方向移动。通过所述工件架50沿所述Z轴方向的移动调整所述刀具42与所述工件10之间的距离，实现所述刀具42的进刀与出刀。并通过控制所述刀具42转动的同时，控制所述刀架40沿所述X轴方向的移动，以实现对所述刀具42旋转形成的圆弧形轨迹的补偿，在所述工件10上形成直线的第一直线槽11。或者，通过所述刀架40沿所述X轴方向的移动调整所述刀具42与所述工件10之间的距离，实现所述刀具42的进刀与出刀。并通过控制所述刀具42转动的同时，控制所述刀架40沿所述X轴方向的移动，以实现保持所述刀具42在所述工件10上的进刀深度保持一致，以在所述工件10上形成直线的第一直线槽11。在完成一条所述第一直线槽11加工后，沿所述X轴方向移动所述刀架40，形成一条与所述第一直线槽11平行间隔的另一条第一直线槽11。重复所述第一直线槽11的加工步骤，得到间隔排布的多条所述第一直线槽11。然后，通过至少一次旋转所述工件10，及至少一次重复与形成所述第一直线槽11相同的加工步骤，在所述工件10上形成与所述第一直线槽11交叉呈夹角的数条直线槽，所述第一直线槽11与所述数条直线槽围成所述微纳结构20。本发明中，在所述微槽阵列加工机床100只进行X轴方向及Z轴方向两个方向的平移运动和转动轴41旋转运动的情况下，不需要增加Y轴方向的运动轴仍能的得到阵列的微纳结构20，从而降低了生产成本。

以上所述为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微槽阵列加工机床，用于在工件表面加工微纳结构，其特征在于，包括刀架及与所述刀架相对的工件架，所述刀架沿机床X轴方向移动，所述工件架沿机床Z轴方向移动；所述刀架包括一转动轴，所述转动轴的一个端面上安装有随所述转动轴转动的刀具承载盘，所述刀具承载盘上设有刀具，所述刀具相对于所述转动轴的轴线偏置设置，所述转动轴的轴线沿所述Z轴方向延伸；所述工件架上设有可带动所述工件转动的微动转台，所述工件固定于所述微动转台上并与所述刀具相对，所述转动轴转动的同时所述刀架沿着所述X轴方向移动、工件架沿所述Z轴方向移动，进而带动刀具在所述工件表面加工出交错的直线槽，以通过所述交错的直线槽围成所述微纳结构；其中，所述直线槽的各个位置的深度相同。

2.如权利要求1所述的微槽阵列加工机床，其特征在于，所述刀具承载盘的中心与所述转动轴的旋转中心重合；所述刀具安装于所述刀具承载盘上并与所述刀具承载盘的中心间隔，所述刀具承载盘上还设有配重件，所述配重件与所述刀具以所述刀具承载盘的中心对称。

3.如权利要求1所述的微槽阵列加工机床，其特征在于，所述微动转台包括固定台、层叠于所述固定台上的旋转台及调节部，所述固定台固定于所述工件架上，所述调节部用于调节所述旋转台相对所述固定台进行转动，所述工件设于所述旋转台上。

4.如权利要求1所述的微槽阵列加工机床，其特征在于，所述微槽阵列加工机床包括沿所述X轴方向设置的第一导轨及沿所述Z轴方向设置的第二导轨，所述刀架与所述第一导轨滑动连接并沿所述第一导轨进行移动，所述工件架与所述第二导轨滑动连接并沿所述第二导轨进行移动。

5.如权利要求1-4任一项所述的微槽阵列加工机床，其特征在于，所述刀具为尖刀，包括两个呈角度的刀刃，两个刀刃相交形成刀尖，所述刀具在所述工件上加工出的所述直线槽的截面为V型。

6.一种微槽阵列加工方法，其特征在于，包括：

第一步骤，将刀具与固定于微动转台上的工件进行对位；所述刀具的刀尖与转动轴的方向平行并朝向Z轴方向，所述工件的待加工面朝向所述刀尖方向；

第二步骤，将对位后的所述刀具移动至初始加工位置；

第三步骤，沿机床Z轴方向移动工件架以实现所述刀具的进刀，控制机床转动轴转动并带动所述刀具转动，同时控制刀架沿机床X轴方向移动，以带动设于所述刀架上的刀具沿所述X轴方向进行配合移动，使所述刀具在所述工件的表面加工成一条第一直线槽，所述第一直线槽为直线，且所述第一直线槽的延伸方向为机床Y轴方向；

第四步骤，沿所述Z轴方向移动所述工件架以实现所述刀具的出刀，并沿所述X轴方向使所述刀架移动预设距离，重复所述第三步骤，形成与所述第三步骤形成的第一直线槽相邻的另一条第一直线槽，相邻两条所述第一直线槽之间的距离与所述预设距离相同；

第五步骤，重复所述第四步骤，在所述工件上形成沿所述X轴方向平行均匀间隔排布的多条所述第一直线槽；

第六步骤，根据预设的微纳结构预设旋转所述工件的角度和次数，每旋转一次所述工件后，重复一次所述第三步骤至第五步骤，通过至少一次旋转所述工件及至少一次重复所述第三步骤至第五步骤后，在所述工件上形成与所述第一直线槽交叉呈夹角的数条直线槽，多条所述第一直线槽与所述数条直线槽围成所述微纳结构。

7.如权利要求6所述的微槽阵列加工方法，其特征在于，所述“将刀具与固定于微动转台上的工件进行对位”包括：沿所述X轴方向移动所述刀架，至所述刀架上的刀具的刀尖与所述工件的旋转中心线重合。

8.如权利要求6所述的微槽阵列加工方法，其特征在于，所述刀具位于所述初始加工位置时，所述刀具至所述工件的旋转中心轴线之间的距离为所述预设距离的整数倍。

9.如权利要求6所述的微槽阵列加工方法，其特征在于，所述第四步骤中，所述刀具的旋转角速度恒定，所述刀架沿所述X轴方向的移动速度及移动距离根据所述刀具旋转的角度而进行瞬时变化，以实现在所述工件上形成所述直线槽。

10.一种微槽阵列加工方法，其特征在于，包括：

第一步骤，将刀具与固定于微动转台上的工件进行对位；所述工件加工面朝向X轴延伸方向，转动轴与工件架错位，刀尖延伸方向与所述转动轴的轴向方向垂直；

第二步骤，将对位后的所述刀具移动至初始加工位置；

第三步骤，沿机床X轴方向移动刀架以实现所述刀具的进刀，控制机床转动轴转动并带动所述刀具转动，同时控制刀架沿机床X轴方向移动，以带动设于所述刀架上的刀具沿所述X轴方向进行配合移动，使所述刀具在所述工件的表面加工成一条第一直线槽，所述第一直线槽为直线，且所述第一直线槽的延伸方向为机床Y轴方向，所述第一直线槽的延伸方向各个位置的深度相同；

第四步骤，沿所述X轴方向移动所述刀架以实现所述刀具的出刀，并沿Z轴方向使所述工件架移动预设距离，重复所述第三步骤，形成与所述第三步骤形成的第一直线槽相邻的另一条第一直线槽，相邻两条所述第一直线槽之间的距离与所述预设距离相同；

第五步骤，重复所述第四步骤，在所述工件上形成沿所述Z轴方向平行均匀间隔排布的多条所述第一直线槽；

第六步骤，根据预设的微纳结构预设旋转所述工件的角度和次数，每旋转一次所述工件后，重复一次所述第三步骤至第五步骤，通过至少一次旋转所述工件及至少一次重复所述第三步骤至第五步骤后，在所述工件上形成与所述第一直线槽交叉呈夹角的数条直线槽，多条所述第一直线槽与所述数条直线槽围成所述微纳结构。

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