CN110270885A - 与微结构超精密加工同步的在线检测修复系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种与微结构超精密加工同步的在线检测修复方法，包括如下步骤：S1、基于加工过程中力传感器反馈的切削力信号和位移传感器反馈的位移信号形成切削力图谱；S2、基于所述切削力图谱中的异常信号辨识微结构缺陷产生的区域位置；S3、在测量模式下使用刀具对所述微结构缺陷产生的区域位置进行扫描，得到微结构缺陷的形状特征；S4、在加工模式下使用刀具根据设定的轨迹对所述微结构缺陷所在的区域重新进行切削加工，以保证整体微结构形状的一致性。该方法能够在加工过程中对微缺陷进行在线检测，实时检测微缺陷的位置和形貌，进而进行修复。

Description

与微结构超精密加工同步的在线检测修复系统和方法

技术领域

本发明涉及精密机械加工技术领域，具体涉及一种与微结构超精密加工同步的在线检测与修复方法。

背景技术

随着超精密领域的发展和产业需求，大型超精密器件的尺寸不断向极端化发展。而批量制造大型超精密器件的有效手段是利用模具进行压印，因此大型超精密器件模具的制造至关重要。基于单点金刚石切削的机械加工方式是制造大型超精密器件模具的有力手段，而快速刀具伺服机构是近年来发展较快的基于单点金刚石切削的机械加工方式。

虽然快速刀具伺服技术发展较快，能实现较高的定位精度和加工精度，但是由于受到热、化学因素以及加工参数的不合理设置等的影响，仍无法避免在加工过程当中产生表面微缺陷，如裂纹、洞隙、毛刺等，在加工硬脆材料的过程中体现尤其明显。于此同时，大型超精密表面微结构模具的加工耗时长，体量大，虽然加工完也能对已加工结构进行微缺陷检测，但耗时的的检测过程无疑大大降低了成品的出产效率，更为关键的是，即使在加工完成之后通过测量仪器检测出微缺陷的存在，由于检测仪器与加工仪器坐标的相互独立难以标定，很难反馈到加工仪器进行修复补偿。

与此同时，微缺陷的检测、修复问题除了在大型超精密模具的加工中突出以外，在光刻掩膜板的制作过程中同样显著。而光刻掩膜板的解决方法是，通过调低电子束的能量，直接利用电子束对进行表面微缺陷进行检测；检测完成以后，调高电子束能量，对微缺陷所在位置进行修复再加工。简而言之，光刻掩膜板的检测、修复手段是通过使用集加工-测量于一体的电子束仪器，能同时实现微缺陷的检测和修复，克服了检测仪器与加工仪器相互独立而引起的坐标难以标定问题，有效地对微缺陷进行检测并修复。

现有大型超精密模具的加工中检测微缺陷的方案有激光散射法、光学干涉测量、扫描探针显微镜、共焦显微镜等。

上述现有技术中，部分方法可以与机床加工系统结合，进行原位测量，克服加工仪器与测量仪器相互独立而引起的坐标难以标定问题，但是由于受视场限制和光学衍射极限的影响，都难以直接应用于大型超精密器件的检测；于此同时，这些方案都是加工完再进行检测，耗时长，效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够在加工过程中对微缺陷进行在线检测，实时检测微缺陷的位置和形貌，进而进行修复的与微结构超精密加工同步的在线检测与修复方法。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的第一个方面提供了一种与微结构超精密加工同步的在线检测修复系统，包括：

刀具架，其配置有金刚石刀具；

纵向快速刀具伺服，用于驱动刀具架在纵向位移，其包括第一压电陶瓷驱动器、第一电容式位移传感器和第一力传感器；

横向快速刀具伺服，用于驱动刀具架在横向位移，其包括第二压电陶瓷驱动器、第二电容式位移传感器和第二力传感器；

以及控制模组，其包括分别耦接所述第一电容式位移传感器和第二电容式位移传感器的加工模式反馈控制器组，和分别耦接所述第一力传感器和第二力传感器的测量模式反馈控制器组；还包括选择开关，所述第一压电陶瓷驱动器和第二压电陶瓷驱动器经所述选择开关耦接所述加工模式反馈控制器组或测量模式反馈控制器组。

进一步的，所述测量模式反馈控制器组用于接收第一力传感器和第二力传感器反馈的接触力信号，并基于设定的参考信号对接触力进行闭环反馈控制以保持所述接触力大小不变，从而刀具在加工工件表面进行位移时作为扫描探针使用，使刀具工作于测量模式。

进一步的，所述加工模式反馈控制器组用于接收第一电容式位移传感器和第二电容式位移传感器反馈的刀具在纵/横向的位移，并基于设定轨迹闭环控制刀具的位移以按照设定轨迹进行切削加工，使刀具工作于加工模式。

进一步的，所述测量模式反馈控制器组还用于在刀具按照设定轨迹进行切削加工时接收第一力传感器和第二力传感器反馈的接触力信号，进而实时监测纵/横向切削力的大小。

进一步的，所述与微结构超精密加工同步的在线检测修复系统还包括：

分别集成有直线编码器的X/Y/Z向滑座，其用于驱动待加工工件在X/Y/Z方向位移；

以及主控计算机，其连接集成于X/Y/Z向滑座上的直线编码器，以及所述控制模组，用于接收处理数据并发送控制指令。

本发明的第二个方面提供了一种与微结构超精密加工同步的在线检测修复方法，包括如下步骤：

S1、基于加工过程中力传感器反馈的切削力信号和位移传感器反馈的位移信号形成切削力图谱；

S2、基于所述切削力图谱中的异常信号辨识微结构缺陷产生的区域位置；

S3、在测量模式下使用刀具对所述微结构缺陷产生的区域位置进行扫描，得到微结构缺陷的形状特征；

S4、在加工模式下使用刀具根据设定的轨迹对所述微结构缺陷所在的区域重新进行切削加工，以保证整体微结构形状的一致性。

进一步的，S1中，所述切削力图谱由X/Y向的位移信号及对应的Z向切削力信号构成。

进一步的，S2中，若所述切削力图谱中呈现稳定的周期性变化的信号，则判定为正常信号，否则判定为异常信号。

进一步的，S3具体包括：

控制X/Y向滑座驱动工件运动，使刀具尖端沿着X/Y方向对微结构缺陷所在的区域进行扫描，同时保持刀具尖端与微结构之间的接触力不变以实现刀具尖端对缺陷形貌的跟踪，结合位移传感器测得的刀具在X/Y方向的扫描位移和Z方向的跟踪位移，得到微结构缺陷的形状特征。

进一步的，所述的与微结构超精密加工同步的在线检测修复方法还包括：

S5、在测量模式下使用刀具对已修复的区域的形状进行测量，检验修复效果。

本发明的有益效果如下：

1、基于集成力传感器的两轴快速刀具伺服机构，在传统的加工功能基础上集成测量功能，避免了加工仪器与测量仪器的相互独立而造成的不同仪器坐标难以标定问题。

2、本发明所述方法通过在加工过程当中对微结构表面微缺陷进行在线检测，提高了对微缺陷的检测速率和准确率，大大提高了加工效率和产品出产率。

3、本发明所述方法基于对微缺陷在线检测基础上，经微缺陷位置辨识、形貌定征后修复再制造，有效且高效地改善了加工器件表面微结构的完整性。

附图说明

图1为本发明实施例中集成力传感器的两轴快速刀具伺服机构的示意图。

图2为图1中两轴快速刀具伺服机构的两种模式控制框图。

图3为本发明实施例中对表面结构微缺陷进行在线检测的示意图。

图4为本发明实施例中微结构表面微缺陷形貌位置在线检测和修复流程示意图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

实施例1

本发明的第一个实施例提供了一种与微结构超精密加工同步的在线检测修复系统，如图1和2所示，其包括：

刀具架40，其配置有金刚石刀具50；

纵向快速刀具伺服，用于驱动刀具架40在纵向位移，其包括第一压电陶瓷驱动器10、第一电容式位移传感器20和第一力传感器30；

横向快速刀具伺服，用于驱动刀具架40在横向位移，其包括第二压电陶瓷驱动器60、第二电容式位移传感器7和第二力传感器80；

以及控制模组，其包括分别耦接第一电容式位移传感器20和第二电容式位移传感器70的加工模式反馈控制器组，和分别耦接第一力传感器30和第二力传感器80的测量模式反馈控制器组；还包括选择开关，其中第一压电陶瓷驱动器10和第二压电陶瓷驱动器60经所述选择开关耦接所述加工模式反馈控制器组或测量模式反馈控制器组。

进一步的实施例中，上述系统还包括：

分别集成有直线编码器的X/Y/Z向滑座，其用于驱动待加工工件在X/YZ方向位移；

以及主控计算机，其连接集成于X/Y/Z向滑座上的直线编码器，以及所述控制模组，用于接收处理数据并发送控制指令。

本实施例中的与微结构超精密加工同步的在线检测修复系统集加工-测量于一体，具有加工模式和测量模式两种工作模式，两种模式的控制框图如图2所示。测量模式下，通过横、纵向力传感器反馈的接触力大小，对接触力进行闭环反馈控制，通过设定刀具与加工件之间的接触力，来控制刀具与加工工件的接触位移，从而使刀具作为扫描探针使用，在加工工件表面进行扫描，从而检测加工工件表面形貌。加工模式下，通过横、纵向电容式位移传感器反馈的刀具在横纵向的位移，闭环控制刀具切削位移，使得刀具按照设定轨迹进行切削加工，在加工的同时，横向力传感器可实时监测横向接触力的大小，纵向力传感器可实时监测纵向切削力的大小。

在加工大型超精密器件的过程当中，本实施例中的系统对表面结构微缺陷进行在线检测的方法如图3所示。在X向滑座3(含直线编码器)、Y向滑座1(含直线编码器)、Z向滑座4(含直线编码器)配合下，基于位移闭环反馈控制方式驱动纵向快速刀具伺服2，使得刀具6按照设定轨迹切削加工器件7。在加工的同时，纵向力传感器8实时监测加工过程当中Z向切削力的大小。而力传感器8反馈的切削力与X向直线编码器、Y向直线编码器输出共同构成切削力图谱。如果在加工过程中，没有微缺陷的产生，切削力图谱会呈现为稳定的周期性变化，如切削力图谱中的①、③；而如果有微缺陷的产生，则切削力图谱中会呈现出异常信号，如切削力图谱中的②。因此，通过在加工的过程当中，实时观察切削力图谱的变化，便可以实现微缺陷在在线检测。

实施例2

本发明的第一个实施例提供了一种与微结构超精密加工同步的在线检测修复方法，包括如下步骤：

S1、基于加工过程中力传感器反馈的切削力信号和位移传感器反馈的位移信号形成切削力图谱；

S2、基于所述切削力图谱中的异常信号辨识微结构缺陷产生的区域位置；

S3、在测量模式下使用刀具对所述微结构缺陷产生的区域位置进行扫描，得到微结构缺陷的形状特征；

S4、在加工模式下使用刀具根据设定的轨迹对所述微结构缺陷所在的区域重新进行切削加工，以保证整体微结构形状的一致性。

进一步的实施例中，上述方法还包括：

S5、在测量模式下使用刀具对已修复的区域的形状进行测量，检验修复效果。

下面结合附图3、4进行详细说明。

首先，进行微缺陷位置的精确辨识。如图3所示，在加工过程中，力传感器8反馈的切削力与X向直线编码器、Y向直线编码器输出共同构成切削力图谱。如果在加工过程中，没有微缺陷的产生，切削力图谱会呈现为稳定的周期性变化，如切削力图谱中的①、③；而如果有微缺陷的产生，则切削力图谱中会呈现出异常信号，如切削力图谱中的②。从切削力图谱中，可以辨识切削力异常信号的Y坐标和X坐标位置，从而可以准确地辨识出微缺陷产生的区域位置。

其次，进行微缺陷形状的测量定征。形状测量目的在于识别微缺陷的特征并根据所测量的形状特征判定修复的可行性与否。由于切削是材料去除的过程，如果所定征的缺陷大于所设计的切削深度，则缺陷无法修复。通过控制机床滑座，将刀具定位到第一个步骤所辨识到的微缺陷区域位置。再利用集成力传感器的快速刀具伺服系统的测量功能对微结构缺陷进行扫描测量。在扫描过程中，控制机床X向滑座驱动工件运动，使刀具尖端沿着X方向对微缺陷区域进行扫描，力传感器用于测量刀具尖端与微结构之间的接触力，并通过力闭环系统实现刀具尖端对缺陷形貌的跟踪。刀具X方向的扫描位移由X-直线编码器测得，Z方向的跟踪位移由快刀伺服的电容式位移传感器测得，两方面位移信号的结合就可以得到微结构缺陷的形状特征。刀具在Y方向的扫描与X方向类似，在此不作赘述。

之后，进行微缺陷修复再制造。经过位置辨识和形状定征之后，就可以有针对性地对微缺陷进行修复。刀具根据所设定的轨迹对微缺陷区域重新进行切削加工，以保证整体微结构形状的一致性。因为所有的测量信息都是通过机床和集成力传感器的快速刀具伺服系统本身完成的，因此测量信息能够毫无障碍地反馈给修复加工，确保高精度再制造的实现。

最后，进行修复效果的评定。为了检验修复的效果，集成力传感器的快速刀具伺服系统再次工作于测量模式，对已修复的区域的形状进行测量。从测量得到的形状可以判定修复效果的好坏，如果一次修复仍然留有缺陷，根据该方法可进行多次修复直至其形状精度满足要求。

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 (10)

1.一种与微结构超精密加工同步的在线检测修复系统，其特征在于，包括：

刀具架，其配置有金刚石刀具；

纵向快速刀具伺服，用于驱动刀具架在纵向位移，其包括第一压电陶瓷驱动器、第一电容式位移传感器和第一力传感器；

横向快速刀具伺服，用于驱动刀具架在横向位移，其包括第二压电陶瓷驱动器、第二电容式位移传感器和第二力传感器；

以及控制模组，其包括分别耦接所述第一电容式位移传感器和第二电容式位移传感器的加工模式反馈控制器组，和分别耦接所述第一力传感器和第二力传感器的测量模式反馈控制器组；还包括选择开关，所述第一压电陶瓷驱动器和第二压电陶瓷驱动器经所述选择开关耦接所述加工模式反馈控制器组或测量模式反馈控制器组。

2.如权利要求1所述的与微结构超精密加工同步的在线检测修复系统，其特征在于，所述测量模式反馈控制器组用于接收第一力传感器和第二力传感器反馈的接触力信号，并基于设定的参考信号对接触力进行闭环反馈控制以保持所述接触力大小不变，从而刀具在加工工件表面进行位移时作为扫描探针使用，使刀具工作于测量模式。

3.如权利要求1所述的与微结构超精密加工同步的在线检测修复系统，其特征在于，所述加工模式反馈控制器组用于接收第一电容式位移传感器和第二电容式位移传感器反馈的刀具在纵/横向的位移，并基于设定轨迹闭环控制刀具的位移以按照设定轨迹进行切削加工，使刀具工作于加工模式。

4.如权利要求3所述的与微结构超精密加工同步的在线检测修复系统，其特征在于，所述测量模式反馈控制器组还用于在刀具按照设定轨迹进行切削加工时接收第一力传感器和第二力传感器反馈的接触力信号，进而实时监测纵/横向切削力的大小。

5.如权利要求1-4任一项所述的与微结构超精密加工同步的在线检测修复系统，其特征在于，还包括：

分别集成有直线编码器的X/Y/Z向滑座，其用于驱动待加工工件在X/Y/Z方向位移；

以及主控计算机，其连接集成于X/Y/Z向滑座上的直线编码器，以及所述控制模组，用于接收处理数据并发送控制指令。

6.一种与微结构超精密加工同步的在线检测修复方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、基于加工过程中力传感器反馈的切削力信号和位移传感器反馈的位移信号形成切削力图谱；

S2、基于所述切削力图谱中的异常信号辨识微结构缺陷产生的区域位置；

S3、在测量模式下使用刀具对所述微结构缺陷产生的区域位置进行扫描，得到微结构缺陷的形状特征；

S4、在加工模式下使用刀具根据设定的轨迹对所述微结构缺陷所在的区域重新进行切削加工，以保证整体微结构形状的一致性。

7.如权利要求6所述的与微结构超精密加工同步的在线检测修复方法，其特征在于，S1中，所述切削力图谱由X/Y向的位移信号及对应的Z向切削力信号构成。

8.如权利要求6所述的与微结构超精密加工同步的在线检测修复方法，其特征在于，S2中，若所述切削力图谱中呈现稳定的周期性变化的信号，则判定为正常信号，否则判定为异常信号。

9.如权利要求6所述的与微结构超精密加工同步的在线检测修复方法，其特征在于，S3具体包括：

控制X/Y向滑座驱动工件运动，使刀具尖端沿着X/Y方向对微结构缺陷所在的区域进行扫描，同时保持刀具尖端与微结构之间的接触力不变以实现刀具尖端对缺陷形貌的跟踪，结合位移传感器测得的刀具在X/Y方向的扫描位移和Z方向的跟踪位移，得到微结构缺陷的形状特征。

10.如权利要求6-9任一项所述的与微结构超精密加工同步的在线检测修复方法，其特征在于，还包括：

S5、在测量模式下使用刀具对已修复的区域的形状进行测量，检验修复效果。