CN108334027B - 一种减小辊筒模具超精密机床加工微结构闭合误差的方法 - Google Patents

一种减小辊筒模具超精密机床加工微结构闭合误差的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种减小辊筒模具超精密机床加工微结构闭合误差的方法，所述方法步骤如下：一、分析超精密机床加工过程中温度变化造成的影响，当温度变化引起辊筒尺寸变化的范围在微米量级，同时要求的辊筒模具微结构闭合节距误差非常小时，则通过对加工程序进行优化以减小微结构闭合节距误差；二、根据加工的辊筒模具直径尺寸与微结构数目及温度变化范围选定多分法需要分区的数目；三、根据步骤二选定的分割次数计算有/无余数时各微结构的角度位置，写出其通项公式并对余数进行处理；四、根据步骤三中计算得到的微结构空间角度分布编写加工程序，实现多分法加工。本发明对提高微结构辊筒模具加工质量、制造超大尺寸光学转印膜片等具有重要意义。

Description

一种减小辊筒模具超精密机床加工微结构闭合误差的方法
技术领域
本发明涉及一种减小超精密机床加工辊筒模具微结构阵列误差的方法，具体涉及一种减小超精密机床加工辊筒模具微结构闭合误差的方法。
背景技术
具有一定规则特征的微结构表面可使物体具有特殊的物理化学功能，例如可具有超疏水特性、隐身特性及减阻特性等。若对表面微结构的形状、分布及尺寸等参数进行设计就可以满足不同功能需求，因而在航空航天、光电显示、太阳能聚光光伏等领域有着十分广泛的应用。Roll-to-Roll复制加工技术以其高精度、高效率、低成本等优点，成为当前制造大面积、高质量光学微结构的主流生产工艺；而辊筒模具的高精度加工则成为Roll-to-Roll复制成型工艺链的核心技术。辊筒模具是由辊筒模具超精密机床使用金刚石刀具在辊筒表面加工出特定尺寸的微结构而成品的，其加工精度决定了后续Roll-to-Roll复制成型的微结构精度。
对于图1所示的辊筒模具微结构刨削加工工艺，由于微结构数量多、刨削速度有限、加工效率低，因此加工时间从开始到结束将历时几小时到数十小时不等。而超精密加工设备在如此长时间内运行必然会受到诸多环境因素影响而产生误差。实验发现，环境温度上升1.8℃时，在设定运行状态下超精密机床变形将会使刀具位置发生飘移，与辊筒表面距离(切深方向)变化2.8μm，严重影响加工精度。而在加工中辊筒模具若始终以同一方向进行步进转动，则刀具空间位置的累计误差全部体现在最后一条与第一条之间；另外，超精密机床C轴回转误差也将会累积到第一条与最后一条微结构之间。这些因素都会导致最后一条和第一条横槽的节距与设计值偏差很大，如图2所示。这种带有接缝误差的辊筒模具在Roll-to-Roll压印过程中辊筒每滚过1圈就会有1个较大的误差，其复制成型的微结构产品明显带有周期性的节距误差，而不能实现其功能需求。
因此，为了使辊筒模具满足Roll-to-Roll复制成型的技术要求，有必要采取工艺优化措施，将微结构加工的闭合节距误差规避或降低。
发明内容
本发明基于微结构辊筒模具超精密加工设备与加工工艺，提供了一种辊筒模具超精密机床及利用其减小辊筒模具超精密机床加工微结构闭合误差的方法，对提高微结构辊筒模具加工质量、制造超大尺寸光学转印膜片等具有重要意义。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种辊筒模具超精密机床，包括头架主轴、辊筒模具、B轴、金刚石刀具、拖链支撑滑台、尾架主轴、机床床身、Z轴、X轴、主轴制动器，其中：
所述辊筒模具安装在头架主轴和尾架主轴之间；
所述头架主轴固定安装在机床床身的一端，尾架主轴安装在机床床身的另一端，可沿Z轴方向移动以适应辊筒模具长度变化；
所述主轴制动器安装在头架主轴和尾架主轴的尾端；
所述B轴固定安装在X轴上，X轴与Z轴为十字滑块式布置；
所述金刚石刀具固定安装在B轴上。
一种利用上述辊筒模具超精密机床减小辊筒模具超精密机床加工微结构闭合误差的方法，为减小辊筒模具表面微结构的闭合误差，需要通过多分法进行加工，具体包括如下步骤：
一、辊筒模具微结构加工基于辊筒模具超精密机床开展，分析超精密机床加工过程中温度变化造成的影响，当温度变化引起辊筒尺寸变化的范围在微米量级，同时要求的辊筒模具微结构闭合节距误差非常小(即：节距误差小于节距值/1000)时，则通过对加工程序进行优化以减小微结构闭合节距误差。
二、根据加工的辊筒模具直径尺寸与微结构数目及温度变化范围选定多分法需要分区的数目，如果要求槽类微结构节距精度高则采用高分数，如果要求低则采用低分数，所述多分法指2n(n为正整数)次分割法，即：将辊筒圆周方向进行偶数份分割，则每一份区域中的微结构数目等于微结构总数与区域份数之比。
三、根据步骤二选定的分割次数计算有/无余数时各微结构的角度位置，写出其通项公式并对余数做特殊处理。
本步骤中，由于多分法具有较为灵活的角度位置分配方法，因此可以根据实际的要求进行自主设计通项公式；但是需要遵守的原则是尽量优化微结构在辊筒模具表面的加工顺序，在一定的时间内，多个角度位置的微结构尽量都能够兼顾到加工，从而使得温度造成的误差在辊筒表面重新分布。
本步骤中，余数特殊处理的方法为：圆周方向上需将无余数部分的位置连续安排好，还会有一定区域未将圆周占满，则留给余数部分的微结构均分，并且余数部分的微结构角度位置也按照一定的顺序排好，便于编写加工程序；在加工过程中，不妨设余数为a，则前a个循环需要加工无余数和余数位置的微结构；a次循环加工以后，余数部分的微结构加工结束，则只需要进行无余数部分的微结构循环加工。
四、根据步骤三中计算得到的微结构空间角度分布编写加工程序，实现多分法加工，控制加工过程中的循环次数等于每一份加工区域内的微结构数目，并且每个循环内，在每个加工区域内加工一条微结构；如果数控系统不支持循环程序则采用数组的形式上传规律分布的微结构的空间角度位置，如果数控系统支持循环程序则在数控程序中直接编写通项公式。
本发明具有如下优点：
1、本发明基于辊筒模具超精密加工机床开展微结构超精密金刚石切削加工，利用优化的微结构加工顺序使得温度波动造成的刀具位置累计误差在辊筒表面以特定顺序分布，减小微结构闭合节距误差。
2、通过本发明的方法，可将温度变化导致的累计误差均分到整个加工过程，从而有效地减小超精密辊筒模具微结构加工的闭合节距误差，进而保证Roll-to-Roll复制成型的加工质量。
3、本发明为提高微结构加工质量，采用多分法进行辊筒模具表面微结构加工，减小热变形累计误差，使得温度造成的刀具位置的累计误差在辊筒表面重新分布，减小辊筒模具表面横槽的加工节距误差并能够闭合。
4、本发明的多分法加工区别于沿周向连续加工整周横槽的一般方法，通过改变圆周方向上各个位置横槽的加工顺序，保证相邻两个微结构加工的时间间隔尽量一致，从而将环境热导致的机床变形误差分布在整个加工过程中，因此最终闭合处无接缝。
5、本发明以四分法为例，提供了多分法在实施过程中涉及到的微结构对应角度位置通项求解以及分割余数的处理方法，有效地解决了辊筒模具微结构加工过程中出现的节距误差过大以及周向不闭合问题。
附图说明
图1是辊筒模具超精密机床加工周向闭合横槽微结构示意图。
图2是辊筒模具超精密机床加工周向闭合斜槽微结构示意图。
图3是热变形引起辊筒模具表面横槽、斜槽微结构节距误差原理示意图，图中Δx为加工过程中温度变化造成的刀具相对于辊筒模具的位置变化，ΔX1为横槽之间节距的理论值，ΔX2为传统方法加工后周向闭合处微结构的节距值，由于热误差导致其与理论节距值ΔX1不同。
图4是热变形引起的金刚石刀具刀尖位置随时间变化示意图。
图5是二分法加工微结构减小节距误差原理示意图。
图6是四分法加工微结构减小节距误差原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
如图1所示，所述辊筒模具超精密加工机床包括头架主轴1、辊筒模具2、B轴3、金刚石刀具4、拖链支撑滑台5、尾架主轴6、机床床身7、Z轴8、X轴9、主轴制动器10，其中：
所述辊筒模具2安装在头架主轴1和尾架主轴6之间，可实现回转运动；
所述头架主轴1固定安装在机床床身7的一端，尾架主轴6安装在机床床身7的另一端，可沿Z轴8方向移动以适应辊筒模具2长度变化；
所述主轴制动器10安装在头架主轴1和尾架主轴6的尾端；
所述B轴3固定安装在X轴9上，X轴9与Z轴8为十字滑块式布置，可实现两个方向的直线运动；
所述金刚石刀具4固定安装在B轴3上，实现切削加工。
本发明中，所述辊筒模具2微结构广泛适用于包括横槽、斜槽等微结构的超精密加工。
工作原理：
通过所述X轴9、Z轴8实现直线进给，通过头架主轴1和尾架主轴6实现角度位置变化，金刚石刀具4在辊筒模具2上切削加工出微结构；使用金刚石刀具4进行刨削加工，金刚石刀具4沿圆柱形辊筒轴线方向进行切削进给运动；完成一个微结构加工后，辊筒模具2旋转一定角度，再进行下一个位置微结构的加工；所述的每个微结构的角度位置由多分法计算得到。
如图1和图2所示，在辊筒模具表面横槽、斜槽微结构的超精密加工过程中，金刚石刀具4沿辊筒模具2轴线方向切削，每完成一个槽的加工，机床主轴旋转一定角度进行下一个位置微结构的加工；如图3和图4所示，在辊筒模具2的加工周期内，环境温度变化造成辊筒模具2自身尺寸变化以及金刚石刀具4刀尖位置变化，在加工横槽、斜槽等要求周向闭合的微结构过程中，引起微结构的闭合节距误差；在后续的光学膜片Roll-to-Roll复制成型中，微结构产品明显带有周期性的闭合节距误差，而不能实现其功能需求。
本发明通过优化加工工艺将热变形导致的累计误差均分到整个加工过程中；显然，每相邻两个槽之间的加工时间间隔越小，则该状态下由机床及辊筒模具2热变形带来的节距误差也就会越小，因此采用多分法减小热变形累计误差，使得温度造成的刀具位置的累计误差在辊筒表面重新分布。
图5所示为最简单二分法加工方式，图中圆周方向以加工36根横槽微结构为例，机床和工件热变形导致横槽微结构出现闭合节距误差；通过二分法改变圆周方向上各个位置横槽的加工顺序，保证了任何两个相邻的横槽间隔时间都很短(均为加工2个槽所需时间)。这种加工方式将环境热导致的机床变形误差分布在整个加工过程中，因此最终闭合处无接缝，该方法同样适用于斜槽等微结构形式。
由于环境温度变化导致的热误差是时变误差，并且很难预测，因此采用二分法加工时，在0度位置及180度位置(对置方法)的横槽节距有较大一定差距。因此，将热导致的误差进一步分割得到如图6所示的四分法。四分法级保留了二分法的优点，又将整个过程中的热误差分布到4个区域，因此使温度变化导致的误差进一步减小。应用此原理可以将误差进一步减小比如八分法、十六分法。本发明所述多分法意指2n(n为正整数)次分割法，即：将圆周方向进行偶数份分割，则每一份区域中的微结构数目等于微结构总数与区域份数之比；在加工过程中，将进行循环加工，循环次数等于每一份加工区域内的微结构数目，并且每个循环内，在每个加工区域内加工一条微结构。
下面的多分法理论以四分法为例进行阐述。
图6所示为采用四分法减小热误差时四个号位的横槽角度编码示意图，每个号位包含的横槽数目为[N/4]个(中括号[]表示向下取整，N为辊筒周向横槽数量)，则图6中所示各号位所包含的[N/4]个横槽的角度位置为：
Figure BDA0001559063780000081
在加工第1个循环时(i＝1)，先加工θ11位置的横槽，再依次加工θ12、θ13、θ14位置的横槽。显然整个循环要进行[N/4]次，每次加工4个横槽。如果N/4为整数，即需要加工的条数是4的整数倍，子程序循环整数倍即可完成加工。如果N/4不是整数，即出现余数条，则以上等差数列的通项公式使得剩余的未加工余数条在3号位与4号位之间，写出余数项所在角度如下(mod表示取余)：
Figure BDA0001559063780000091
对于一般的情况，需要通过以下步骤实施多分法微结构加工：
一、分析超精密机床加工过程中温度变化造成的影响。当温度变化引起的辊筒尺寸变化范围在微米量级，同时要求的辊筒模具闭合节距误差非常小时，则需要通过对数控程序进行优化以减小微结构闭合节距误差。
二、根据加工的模具微结构数目及温度变化大小选定多分法需要分割的数目，如果要求高则采用高分数，如果要求低则采用低分数。
三、辊筒模具表面微结构加工在大型辊筒模具超精密加工机床上完成，需要通过编写数控代码控制对各轴的运动，从而实现多分法加工；以程序编写要点中的四分法为例，根据选定的分割次数计算有/无余数时各刨削槽的空间角度位置，写出其通项公式并对余数做特殊处理。
四、根据步骤三中计算得到的微结构空间角度分布编写数控程序，实现多分法加工微结构；如果数控系统不支持循环则采用数组的形式上传规律分布的横槽的位置，如果数控系统支持循环则在数控程序中直接编写通项公式。

Claims (7)

1.一种减小辊筒模具超精密机床加工微结构闭合误差的方法，其特征在于所述方法步骤如下：
一、辊筒模具微结构加工基于辊筒模具超精密机床开展，分析超精密机床加工过程中温度变化造成的影响，当温度变化引起辊筒尺寸变化的范围在微米量级，同时要求的辊筒模具微结构闭合节距误差小于节距值/1000时，则通过对加工程序进行优化以减小微结构闭合节距误差；
所述辊筒模具超精密机床包括头架主轴、辊筒模具、B轴、金刚石刀具、拖链支撑滑台、尾架主轴、机床床身、Z轴、X轴、主轴制动器，其中：
所述辊筒模具安装在头架主轴和尾架主轴之间；
所述头架主轴固定安装在机床床身的一端，尾架主轴安装在机床床身的另一端，可沿Z轴方向移动以适应辊筒模具长度变化；
所述主轴制动器安装在头架主轴和尾架主轴的尾端；
所述B轴固定安装在X轴上，X轴与Z轴为十字滑块式布置；
所述金刚石刀具固定安装在B轴上；
二、根据加工的辊筒模具直径尺寸与微结构数目及温度变化范围选定多分法需要分区的数目；
三、根据步骤二选定的分割次数计算有/无余数时各微结构的角度位置，写出其通项公式并对余数进行处理；
四、根据步骤三中计算得到的微结构空间角度分布编写加工程序，实现多分法加工。
2.根据权利要求1所述的减小辊筒模具超精密机床加工微结构闭合误差的方法，其特征在于所述步骤二中，多分法指2n次分割法，n为正整数，即：将辊筒圆周方向进行偶数份分割，则每一份区域中的微结构数目等于微结构总数与区域份数之比。
3.根据权利要求1所述的减小辊筒模具超精密机床加工微结构闭合误差的方法，其特征在于所述步骤二中，如果要求槽类微结构节距精度高则采用高分数，如果要求低则采用低分数。
4.根据权利要求1所述的减小辊筒模具超精密机床加工微结构闭合误差的方法，其特征在于所述步骤三中，设计通项公式遵守的原则是：尽量优化微结构在辊筒模具表面的加工顺序，在一定的时间内，多个角度位置的微结构尽量都能够兼顾到加工，从而使得温度造成的误差在辊筒表面重新分布。
5.根据权利要求1所述的减小辊筒模具超精密机床加工微结构闭合误差的方法，其特征在于所述步骤三中，余数处理方法为：圆周方向上将无余数部分的位置连续安排好，未被占满的区域留给余数部分的微结构均分，并且余数部分的微结构角度位置也按照一定的顺序排好；在加工过程中，设余数为a，则前a个循环需要加工无余数和余数位置的微结构；a次循环加工以后，余数部分的微结构加工结束，则只需要进行无余数部分的微结构循环加工。
6.根据权利要求1所述的减小辊筒模具超精密机床加工微结构闭合误差的方法，其特征在于所述步骤四中，控制加工过程中的循环次数等于每一份加工区域内的微结构数目，并且每个循环内，在每个加工区域内加工一条微结构。
7.根据权利要求1所述的减小辊筒模具超精密机床加工微结构闭合误差的方法，其特征在于所述步骤四中，如果数控系统不支持循环程序则采用数组的形式上传规律分布的微结构的空间角度位置，如果数控系统支持循环程序则在数控程序中直接编写通项公式。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Wu Yangong

Inventor after: Qiao Zheng

Inventor after: Han Rui

Inventor after: Liu Yuanhang

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Inventor before: Wu Yangong

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