CN109676202A - 一种辊筒模具多边形菲涅尔透镜阵列的加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辊筒模具多边形菲涅尔透镜阵列的加工设备，包括气浮主轴、A轴基座、X轴导轨和Z轴导轨；其中，气浮主轴用于当辊筒的中心轴与Z轴重合时，控制辊筒绕Z轴转动；A轴基座上设有用于切削辊筒的刀具；X轴导轨用于控制A轴基座沿垂直Z轴的方向移动，且X轴导轨安装在Z轴导轨上，可随Z轴导轨移动。本申请提供的加工设备通过各轴联动，在辊筒表面加工出与多边形菲涅尔透镜阵列对应的完整的模具结构，通过辊筒模压技术可以在光学薄膜上连续制造出大批量多边形菲涅尔透镜，提高了菲涅尔透镜整体光学性能、生产效率以及加工精度。

Description

一种辊筒模具多边形菲涅尔透镜阵列的加工设备

技术领域

本发明涉及零件加工技术领域，更具体地说，涉及一种辊筒模具多边形菲涅尔透镜阵列的加工设备。

背景技术

菲涅尔透镜是一种重要的衍射元件，由于其重量轻、体积尺寸小和优异的光学性能，在许多领域具有广泛的应用。菲涅尔透镜阵列具体指一种由多个菲涅尔透镜排列组成的光学元件，其光学性能的主要衡量指标为填充因子，即镜片面积占总面积的百分比，该比例越高、则光学性能越好。为此，目前的菲涅尔透镜阵列已经发展成不同形状，其大多采用多个修剪为矩形或六边形的菲涅尔透镜布局排列而成。

在实际生产过程中，需要利用模具来制作菲涅尔透镜阵列，传统的模具的加工过程依靠金刚石车削工艺，即通过车削的方式加工出多个相互独立的多边形的菲涅尔透镜的子模具，然后将多个独立的子模具拼接组装为一个完整的模具使用，最后利用拼接完成后的模具制作菲涅尔透镜阵列。

然而，由于模具由多个独立的子模具组成，各个子模具独立加工、且拼接使用，因此大批量生产菲涅尔透镜阵列时，常出现加工效率低、加工成本高的问题。

综上所述，如何提高菲涅尔透镜阵列的加工效率、降低加工成本，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种辊筒模具多边形菲涅尔透镜阵列的加工设备，其能够在辊筒上加工出与菲涅尔透镜阵列对应的完整的模具结构，提高菲涅尔透镜阵列的加工效率、降低生产成本。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种辊筒模具多边形菲涅尔透镜阵列的加工设备，包括：

用于当辊筒的中心轴与Z轴重合时，控制辊筒绕Z轴转动的气浮主轴；

A轴基座，所述A轴基座上设有用于切削辊筒的刀具；

用于控制所述A轴基座沿垂直Z轴方向移动的X轴导轨，且所述X轴导轨可滑动的设置在沿Z轴方向延伸的Z轴导轨上。

优选的，所述气浮主轴包括同轴设置的床头气浮主轴和尾架气浮主轴，且二者中的一者设有用于与辊筒的前端夹持固定的卡盘，另一者设有用于与辊筒的后端夹持固定的卡盘。

优选的，所述加工设备的底座为用于隔震的气浮隔震底座。

优选的，所述A轴基座包括与所述X轴导轨滑动连接的底板，所述底板上方设有用于控制所述刀具绕X轴旋转的A轴转台。

优选的，所述A轴基座还包括位于所述A轴转台远离所述刀具一侧的下导轨，所述A轴转台位置可调的设置在所述下导轨上、以调整所述刀具的高度。

优选的，所述A轴基座还包括用于定位所述刀具位置的肋板，所述肋板位于所述刀具的外周、且与所述底板固定连接。

优选的，所述肋板包括左肋板、右肋板和上盖板，所述左肋板和所述右肋板对称设置在所述刀具的两侧，所述左肋板和所述右肋板的下端均与所述底板固定连接、上端均与所述上盖板固定连接。

本发明提供的加工设备包括气浮主轴、设有刀具的A轴基座、X轴导轨、与X轴导轨垂直的Z轴导轨；其中，气浮主轴用于控制辊筒绕Z轴转动，A轴基座通过Z轴导轨沿Z轴方向移动、通过X轴导轨沿X轴方向移动。

在加工过程中，控制辊筒绕Z轴转动，可调整刀具在辊筒周向的加工位置；控制A轴基座沿Z轴导轨移动，可使刀具沿辊筒母线方向进行切削；控制A轴基座沿X轴导轨移动可改变刀具的背吃刀量。即，应用本申请提供的加工设备时，调整辊筒和刀具的位置关系，可直接在辊筒的表面加工出与菲涅尔透镜阵列对应的完整的模具结构。

由于加工出的模具可以通过辊筒模压技术实现菲涅尔透镜阵列在辊筒表面的连续制造，而无需如现有技术对各个菲涅尔透镜的子模具进行单独加工和拼接使用。因此，本申请提供的加工设备在提高菲涅尔透镜阵列整体光学性能的基础上，提高了生产效率，降低了生产成本，更有利于大规模的生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的加工设备的结构示意图；

图2为本发明所提供的一种加工完成后的辊筒的结构示意图；

图3为本发明所提供的一种辊筒表面的模具结构的示意图；

图4为本发明所提供的A轴基座的结构示意图。

图1～4中的附图标记为：1-床头气浮主轴、2-辊筒、3-模具结构、4-刀具、5-A轴转台、6-尾架气浮主轴、7-尾架基座、8-Z轴导轨、9-大理石底座、10-机床床身、11-气浮隔震底座、12-机床平衡地脚、13-A轴基座、14-X轴导轨；131-左肋板、132-上盖板、133-下导轨、134-刀架、135-右肋板、136-底板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种加工设备，其能够在辊筒表面加工出与菲涅尔透镜阵列对应的完整的模具结构，提高菲涅尔透镜阵列的加工效率、降低生产成本。

请参考图1～4，图1为本发明所提供的加工设备的结构示意图；图2为本发明所提供的一种加工完成后的辊筒的结构示意图；图3为本发明所提供的一种辊筒表面的模具结构的示意图；图4为本发明所提供的A轴基座的结构示意图。

本发明提供了一种辊筒模具多边形菲涅尔透镜阵列的加工设备，包括气浮主轴、A轴基座13、X轴导轨14和Z轴导轨8；其中，气浮主轴用于当辊筒2的中心轴与Z轴重合时，控制辊筒2绕Z轴转动；A轴基座13上设有用于切削辊筒2的刀具4；X轴导轨14用于控制A轴基座13沿垂直Z轴的方向移动，且X轴导轨14可沿Z轴导轨8移动。

具体的，加工设备具体指可多轴联动的机床，机床包括机床床身10、底座等基本结构，其机床坐标系包括相互垂直的Z轴、X轴和Y轴，同时还包括两个回转轴，即绕X轴回转的A轴和绕Z轴回转的C轴。加工设备的操作对象为辊筒2，操作目的为在辊筒2表面加工出模具结构3；可以理解的，模具结构3为与完整的菲涅尔透镜阵列对应仿形结构，即当目标菲涅尔透镜阵列呈外凸状态时，则模具结构3呈内凹状态。

气浮主轴主要包括夹具和驱动装置，在加工过程中，夹具对辊筒2进行夹持固定，同时驱动装置控制夹具转动，进而控制辊筒2绕中心轴转动。A轴基座13主要包括刀架134和刀具4，其中，刀具4可以具体采用金刚石刀具。Z轴导轨8和X轴导轨14叠放在一起，达到联动的效果，二者主要用于控制A轴基座13移动，二者的结构类似十字滑台，即A轴基座13固定在X轴导轨14的滑块上，而X轴导轨14固定在Z轴导轨8的滑块上，通过控制两个滑块的位置，可以使A轴基座13移动到ZX平面内的任意位置。在实际控制时，Z轴导轨8和X轴导轨14可以采用气动、液压驱动的方式进行控制。

应用本申请提供的加工设备时，C轴与待加工的辊筒2的旋转轴一致，因此气浮主轴控制辊筒2绕Z轴转动，可调整刀具4在辊筒2周向的加工位置；Z轴导轨8控制A轴基座13沿Z轴导轨8移动，可使刀具4沿辊筒2母线方向进行切削，且整个加工过程中，刀具4始终在辊筒2的母线上；X轴导轨14控制A轴基座13沿X轴导轨14移动可改变刀具4的背吃刀量。

在实际加工过程中，辊筒2转动的角度、刀具4在X轴方向的位置、刀具4在Z轴方向的位置均可独立控制。加工设备利用多轴联动调整辊筒2和刀具4的位置关系，实现模具结构3三维形貌的切削，在实际加工时，可以直接在辊筒2的表面加工出与菲涅尔透镜阵列对应的完整的模具结构3；也可以加工出单个多边形菲涅尔透镜的子模具，然后移动一个多边形菲涅尔的半径，进行下一个多边形菲涅尔的加工，重复加工过程直至得到完整的模具结构3。

本申请提供的加工设备通过各轴的合理配合实现模具结构3在辊筒2表面的加工，而利用加工完成后的辊筒2，结合辊筒模压技术可以在光学薄膜连续制造各种微结构。由于无需如现有技术对各个菲涅尔透镜的子模具进行单独加工和拼接使用，且相对于传统的平板模压和注塑技术，辊筒模压技术具有更高的生产率和更低的成本。因此本申请提供的加工设备在提高菲涅尔透镜阵列整体光学性能的基础上，提高了生产效率，降低了生产成本，更有利于大规模的生产。且在制作大尺寸多边形菲涅尔透镜阵列时，加工设备尺寸不会限制工件尺寸，同时利用超精密车削加工辊筒2，增加了多边形菲涅尔透镜的尺寸。

需要补充说明的是，现有技术在压模过程中主要采用注塑、浇铸等制造工艺，但上述制造工艺一般在高温过程中进行，成本有所增加，并且在脱模的过程中会降低菲涅尔透镜阵列的精度，使产品产生缺陷，降低合格率。因此，在后续加工菲涅尔透镜阵列的过程中，可以优先考虑纳米压印、UV光固化等加工工艺，上述加工工艺在常温中进行，操作更为简单，且设备体积较小，相较于传统制造工艺具有效率高、精度高、消耗低、节能环保等优点。

可选的，本申请提供的一种气浮主轴的实施例中，气浮主轴包括同轴设置的床头气浮主轴1和尾架气浮主轴6，二者分别设有用于与辊筒2的前端和后端夹持固定的卡盘。具体的，床头气浮主轴1放置于大理石底座9上，尾架气浮主轴6放置在尾架基座7上，床头气浮主轴1和尾架气浮主轴6具有较高的同轴度，二者均设置有三爪卡盘，其一者固定辊筒2的前端、另一种固定辊筒2的后端，从而将辊筒2固定在机床床身10上。

可选的，在实际使用时，为了降低机床床身10的震动，优选加工设备采用气浮隔震底座11。可选的，还可以在气浮隔震底座11下方设置机床平衡地脚12，保障对机床床身10的稳固支撑。

进一步的，为了优化加工设备的使用效果，本申请提供的一种实施例中，A轴基座13包括与X轴导轨14滑动连接的底板136，底板136上方设有用于控制刀具4绕X轴旋转的A轴转台5。具体的，为了保持刀具4、辊筒2相对速度与刀具4前刀面之间的垂直度，本实施例中设计了A轴，使刀具4相对于C轴摆动运动按一定角度旋转。在使用过程中，刀具4和刀架134均安装固定在A轴转台5上，刀具4的中心轴与A轴重合，A轴转台5控制刀具4绕中心轴高速旋转，从而保障刀具4对辊筒2的顺利切削。另外，A轴转台5通过底板136放置于X轴导轨14上，底板136与X轴导轨14滑动连接，同时X轴导轨14设置有能够限制底板136位置的锁止结构。

进一步的，本申请提供的一种实施例中，A轴基座13还包括位于A轴转台5远离刀具4一侧的下导轨133，A轴转台5位置可调的设置在下导轨133上、以调整刀具4的高度。具体的，考虑到由于装配误差或工件尺寸变化等原因，在辊筒2装配完成后，A轴的回转中心在Y轴上的位置需要调整，因此，本实施例中，加工设备设置有下导轨133。下导轨133沿Y轴方向延伸。在装配过程中，控制A轴转台5沿Y导轨滑动，直至刀具4移动至合适位置后进行限位锁止，固定刀具4位置的限位结构可以为螺栓或其他紧固结构。

进一步的，本申请提供的一种实施例中，A轴基座13还包括用于定位刀具4位置的肋板，肋板位于刀具4的外周、且与底板136固定连接。具体的，肋板设置在刀具4的外周，在装配时，肋板可以起到为支撑固定A轴的作用，同时为A轴定位，避免刀具4出现位置偏移。可选的，肋板可以包括左肋板131、右肋板135和上盖板132，此时上盖板132、左肋板131、底板136和右肋板135依次首尾连接，在刀具4外周形成框架式结构。左肋板131和右肋板135对称设置在刀具4的两侧，二者的下端均通过螺栓与底板136固定连接、二者的上端均与上盖板132固定连接。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的辊筒模具多边形菲涅尔透镜阵列的加工设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种辊筒模具多边形菲涅尔透镜阵列的加工设备，其特征在于，包括：

用于当辊筒(2)的中心轴与Z轴重合时，控制辊筒(2)绕Z轴转动的气浮主轴；

A轴基座(13)，所述A轴基座(13)上设有用于切削辊筒(2)的刀具(4)；

用于控制所述A轴基座(13)沿垂直Z轴方向移动的X轴导轨(14)，且所述X轴导轨(14)可滑动的设置在沿Z轴方向延伸的Z轴导轨(8)上。

2.根据权利要求1所述的加工设备，其特征在于，所述气浮主轴包括同轴设置的床头气浮主轴(1)和尾架气浮主轴(6)，且二者中的一者设有用于与辊筒(2)的前端夹持固定的卡盘，另一者设有用于与辊筒(2)的后端夹持固定的卡盘。

3.根据权利要求2所述的加工设备，其特征在于，所述加工设备的底座为用于隔震的气浮隔震底座(11)。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的加工设备，其特征在于，所述A轴基座(13)包括与所述X轴导轨(14)滑动连接的底板(136)，所述底板(136)上方设有用于控制所述刀具(4)绕X轴旋转的A轴转台(5)。

5.根据权利要求4所述的加工设备，其特征在于，所述A轴基座(13)还包括位于所述A轴转台(5)远离所述刀具(4)一侧的下导轨(133)，所述A轴转台(5)位置可调的设置在所述下导轨(133)上、以调整所述刀具(4)的高度。

6.根据权利要求5所述的加工设备，其特征在于，所述A轴基座(13)还包括用于定位所述刀具(4)位置的肋板，所述肋板位于所述刀具(4)的外周、且与所述底板(136)固定连接。

7.根据权利要求6所述的加工设备，其特征在于，所述肋板包括左肋板(131)、右肋板(135)和上盖板(132)，所述左肋板(131)和所述右肋板(135)对称设置在所述刀具(4)的两侧，所述左肋板(131)和所述右肋板(135)的下端均与所述底板(136)固定连接、上端均与所述上盖板(132)固定连接。