CN113210636B - 一种移轴对中式微透镜阵列加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种移轴对中式微透镜阵列加工装置和方法，装置包括基座，所述基座上安装有移动方向相互垂直设置的机床X轴和机床Y轴，所述机床X轴的滑台上设置有机床Z轴，所述机床Z轴的移动方向分别与所述机床X轴和机床Y轴垂直，所述机床Z轴上设置有机床B轴，所述机床Y轴上设置有机床C轴，其特征在于，所述机床B轴表面固定有加工刀具；所述机床C轴表面固定有真空吸盘，所述真空吸盘表面固定有控制模块，所述控制模块上安装有二维定位模块，所述二维定位模块上安装有工件夹具；所述二维定位模块用于调整工件夹具上的待加工工件与所述机床C轴的相对位置。本发明能够提高微透镜阵列的加工效率，且每个微透镜单元的加工质量统一。

Description

一种移轴对中式微透镜阵列加工装置及方法

技术领域

本发明涉及超精密加工技术领域，特别是涉及一种移轴对中式微透镜阵列加工装置及方法。

背景技术

微透镜阵列是指一定微透镜形貌规则阵列分布后得到的具有特定光学性能的微结构表面，被广泛应用于照明、光束整形、光学成像等光电领域。目前微结构表面的加工方式主要包括光刻技术、高能束制造技术、特种能场加工技术以及超精密机械加工技术。光刻技术是利用曝光技术在光刻胶表面形成所需的几何结构图形，再通过刻蚀方法将图形复刻到基底上，该方法具有较高的制造分辨率，但通常只适用于二元结构的加工制造，且设备成本较高。高能束制造技术是指利用包括激光束、电子束、离子束等高密度能量束改变材料的局部几何与物理特性，从而加工出满足设计形状和设计性能的工件，该方法的加工精度也很高，但是相对加工效率较低，无法应用于大尺寸微透镜阵列的加工。特种能场加工使用包括超声、微波、电磁场等方式辅助加工，可以减小切削力，提高切削效率，适用于硬脆材料的加工，但是由于目前相关理论研究以及控制机理的不完善，尚无法适用于复杂三维微结构表面的加工制造。

超精密机械加工技术是目前发展最为成熟，应用最为广泛的一种微结构表面制备方式，即可用于特定光学材料表面微结构的直接加工，也可用于制备批量化复制所用超精密模具。基于金刚石刀具的超精密机械加工已被用于球面、非球面、自由曲面等微结构的制备，可以实现精度高于0.1um，表面粗糙度小于10nm的加工质量。目前，可应用于微透镜阵列加工的超精密机械加工方式主要有超精密铣削以及基于单点金刚石车削的慢刀伺服和快刀伺服三种方法，以上方法的不同之处在于产生切削速度的原理不同。

超精密铣削使用的是额外的高精度气浮主轴，使小直径的球头铣刀高速回转从而实现材料去除，通常需要三个机床运动轴实现金刚石刀具铣削头移动路径的控制，以螺旋线刀具轨迹进行切削进给。超精密微铣削具有较高的加工灵活性，实际可用于制备陡坡或者非连续结构，非球面，非旋转对称透镜以及其他的自由曲面。在使用超精密铣削加工微透镜阵列时，每一个微透镜单元都作为独立的结构进行加工，加工过程稳定，因此得到的微透镜阵列中的每一个微透镜单元的加工质量一致。然而为了保证一定的表面粗糙度，对金刚石铣削头的移动速度有较大限制，相比于车削等其他超精密机械加工技术，三轴微铣削的缺点是需要较长的加工时间，加工效率较低，也因此无法加工结构复杂尺寸较大的微透镜阵列。

单点金刚石车削加工精度高，对刀方便，加工效率高，但是通常只能应用于制造旋转对称结构的元器件，被认为无法直接加工微透镜阵列等非旋转对称结构。为此，发展出了基于单点金刚石车削的慢刀伺服和快刀伺服加工方法。微透镜阵列的三维结构具有高频的不对称特征，并非旋转对称，只能看作自由曲面进行加工。加工自由曲面时，从微结构表面到参考面比如球面的深度差范围通常在几微米到几毫米，此时可以用具有额外行程的刀具进行加工。通过同步金刚石刀具在额外行程上的运动位置与机床工件主轴的角度位置，在刀具切削到工件不同位置时，实时改变刀具的进给量，从而切削得到所需的自由曲面。如果刀具的运动频率相对较低，刀具的额外行程可以通过机床自身的进给轴实现，如果变化频率较高，则需要使用额外的低惯量运动刀架也就是快刀伺服方式。这两种方式的优点是加工效率相对较高，可加工某些复杂结构的微透镜阵列。然而，相同转速情况下由于旋转半径的变化会导致刀具的切削速度也不断改变，对快刀伺服的跟踪频率要求会越来越高，因此在加工大尺寸微透镜阵列时会出现跟踪精度变化，跟踪带宽不足等问题。此外，该方式所需的设备成本较高，经济性较差。

由此可见，现有的各种微透镜阵列加工装置和方法均存在加工效率低、设备成本高、加工质量不稳定等问题，这些都严重影响了微透镜阵列这一优良光学性能元件的应用与推广。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种移轴对中式微透镜阵列加工装置及方法，能够提高微透镜阵列的加工效率，且每个微透镜单元的加工质量统一。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种移轴对中式微透镜阵列加工装置，包括基座，所述基座上安装有移动方向相互垂直设置的机床X轴和机床Y轴，所述机床X轴的滑台上设置有机床Z轴，所述机床Z轴的移动方向分别与所述机床X轴和机床Y轴垂直，所述机床Z轴上设置有机床B轴，所述机床Y轴上设置有机床C轴，所述机床B轴表面固定有加工刀具；所述机床C轴表面固定有真空吸盘，所述真空吸盘表面固定有控制模块，所述控制模块上安装有二维定位模块，所述二维定位模块上安装有工件夹具；所述二维定位模块用于调整工件夹具上的待加工工件与所述机床C轴的相对位置。

所述控制模块包括控制模块底座，所述控制模块底座吸附在所述真空吸盘的表面，所述控制模块底座上设置有直线平台驱动器、无线模块和电池组，所述直线平台驱动器与所述无线模块无线连接，用于接收所述无线模块收到的控制信号；所述电池组为所述直线平台驱动器与所述无线模块进行供电；所述控制模块底座上还设置有用于与所述二维定位模块相连的螺栓和支撑柱。

所述电池组通过两块固定板固定在所述控制模块底座上，并通过固定在所述控制模块底座上的限位板限位。

所述控制模块底座上还设置有若干质量平衡块，所述质量平衡块用于保证所述控制模块在径向方向上的旋转动平衡。

所述二维定位模块包括二维定位模块底座、底层直线定位平台、连接板和上层直线定位平台；所述二维定位模块底座安装在所述控制模块上，所述底层直线定位平台安装在所述二维定位模块底座上，所述上层直线定位平台通过所述连接板安装在所述底层直线定位平台上；所述底层直线定位平台的运动方向、所述上层直线定位平台的运动方向以及所述机床Z轴的移动方向之间两两互相垂直。

所述底层直线定位平台包括底层步进电机滑台和底层直线光电编码器，所述顶层直线定位平台包括顶层步进电机滑台和顶层直线光电编码器；所述底层步进电机滑台用于带动所述连接板运动；所述顶层电机滑台用于带动所述工件夹具运动；所述底层直线光电编码器和顶层直线光电编码器均用于测量运动距离。

所述底层直线定位平台和所述顶层直线定位平台均包括有若干配重块，所述配重块用于保证所述二维定位模块在定位原点处的动平衡。

所述工件夹具包括第一固定板和第二固定板，所述第一固定板与所述二维定位模块连接，所述第二固定板与所述待加工工件连接，所述第一固定板与第二固定板之间相互固定。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种移轴对中式微透镜阵列加工方法，采用上述移轴对中式微透镜阵列加工装置，包括以下步骤：

(1)根据所要加工的微透镜阵列单元工艺参数确定加工刀具的参数，并通过所述机床B轴对加工刀具的姿态进行设置；

(2)将待加工工件进行试切，使用光学显微镜观察加工情况，通过调整所述机床Y轴，使所述加工刀具的刀尖点与所述机床C轴的旋转轴线重合；

(3)利用二维定位模块使待加工工件上的第一个微透镜单元的轴线与所述机床C轴的旋转轴线重合；

(4)通过所述机床C轴、机床X轴和机床Z轴的慢刀伺服同步运动，在所述待加工工件的表面进行单个微透镜单元结构的单点车削加工；

(5)等待上一个微透镜单元加工完成后，再次利用二维定位模块使待加工的下一个微透镜单元的轴线与所述机床C轴轴线重合；

重复步骤(4)和(5)，直至完成所有微透镜单元的加工。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明的二维定位模块基于带光栅编码器的步进电机，具有体积小、定位精度高、易于安装等优点，可以将微透镜阵列中每一个微透镜单元的轴线移动到与机床C轴轴线重合，使非旋转对称微透镜阵列的加工过程简化为多次旋转对称的微透镜单元的单点金刚石车削加工，从而显著提高微透镜阵列的加工效率，且每个微透镜单元的加工质量统一；控制模块使用WIFI无线传输和电池组的方案避免了使用电滑环等用于回转平台的接线装置，有利于减小真空吸盘所需吸附质量，可以实现各种工作环境下的稳定运动控制；通过标定使超精密机床本身直线运动轴和二维定位模块各直线运动轴分别平行，可以减小装配误差，进而减小工件的定位误差以及加工深度误差。因此，本发明提出的微透镜阵列加工装置及方法具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的微透镜阵列加工装置的结构示意图；

图2为图1中的控制模块的结构示意图；

图3为图1中的二维定位模块的结构示意图；

图4为移轴对中式微透镜阵列加工装置微透镜单元加工的工作顺序示意图；

图5为移轴对中式微透镜阵列加工装置微透镜单元加工的工作原理图；

图6为移轴对中式微透镜阵列加工装置微透镜阵列加工的工作原理图。

图中：1、基座；2、机床X轴；3、机床Y轴；4、机床Z轴；5、机床B轴；6、机床C轴；7、真空吸盘；8、控制模块；9、二维定位模块；10、工件夹具；11、金刚石刀具；12、金刚石刀座；13、待加工工件；8-1控制模块底座；8-2、电池组；8-3、电池组固定板；8-4、电池组固定板；8-5、电池组限位板；8-6、直线平台驱动器；8-7、无线模块；8-8、质量平衡块；8-9、质量平衡块；8-10、质量平衡块；8-11、支撑柱；8-12、螺栓；

9-1、二维定位模块底座；9-2、底层直线定位平台；9-3、连接板；9-4、上层直线定位平台；9-4-1、步进电机滑台；9-4-2、直线光电编码器；9-4-3、配重块；9-4-4、配重块；9-4-5、配重块；10-1、固定板；10-2、固定板；13-1、微透镜单元；13-2、微透镜阵列。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明提出了一种移轴对中式微透镜阵列加工装置，如图1-3所示，其主要由基座1、机床X轴2、机床Y轴3、机床Z轴4、机床B轴5、机床C轴6、金刚石刀具11、金刚石刀座12、真空吸盘7、控制模块8、二维定位模块9、工件夹具10组成。

其中，所述机床Z轴4安装于所述基座1上，所述机床X轴2安装于所述基座1上，所述机床Y轴3安装于所述机床X轴2的滑台上，所述机床X轴2、所述机床Y轴3和所述机床Z轴4三者的移动方向相互垂直。

所述机床B轴5与所述机床Z轴4固定连接，所述金刚石刀具11通过所述金刚石刀座12固定在所述机床B轴5表面。

所述机床C轴6与所述机床Y轴3固定连接，所述真空吸盘7通过螺丝固定在机床C轴6表面，所述控制模块8通过真空吸盘7的吸力固定在所述真空吸盘7表面，所述二维定位模块9通过螺栓固定安装于所述控制模块8上，所述工件夹具10固定安装于二维定位模块9上。所述二维定位模块9用于调整工件夹具10上的待加工工件13与所述机床C轴6的相对位置。

本实施方式中，所述控制模块8包括控制模块底座8-1、电池组8-2、第一电池组固定板8-3、第二电池组固定板8-4、电池组限位板8-5、直线平台驱动器8-6、无线模块8-7、质量平衡块8-8、质量平衡块8-9、质量平衡块8-10、支撑柱8-11、螺栓8-12。

其中，所述控制模块底座8-1上设置有直线平台驱动器8-6、无线模块8-7和电池组8-2，所述直线平台驱动器8-6与所述无线模块8-7无线连接，用于接收所述无线模块8-7收到的控制信号；所述电池组8-2为所述直线平台驱动器8-6与所述无线模块8-7进行供电；所述控制模块底座8-1上还设置有用于与所述二维定位模块9相连的螺栓8-12和支撑柱8-11。

所述电池组8-2由所述电池组固定板8-3和电池组固定板8-4上的无头螺丝锁紧固定，并通过所述电池组限位板8-5防止高速旋转时电池组发生向外滑移。所述电池组固定板8-3和电池组固定板8-4以及电池组限位板8-5各自通过螺丝固定在所述控制模块底座8-1上。

所述无线模块8-7采用WIFI服务器，所述电池组8-2采用锂电池组的组合方式，两者结合可以实现所述直线平台驱动器8-6在高速旋转过程中的稳定无线控制。其中，质量平衡块8-8、质量平衡块8-9、质量平衡块8-10可以保证模块在径向方向上的旋转动平衡。

所述二维定位模块9包括二维定位模块底座9-1、底层直线定位平台9-2、连接板9-3、上层直线定位平台9-4。所述二维定位模块底座9-1安装在所述控制模块8上，所述底层直线定位平台9-2安装在所述二维定位模块底座9-1上，所述上层直线定位平台9-4通过所述连接板9-3安装在所述底层直线定位平台9-2上；所述底层直线定位平台9-2的运动方向、所述上层直线定位平台9-4的运动方向以及所述机床Z轴4的移动方向之间两两互相垂直。

其中，所述直线定位平台包括步进电机滑台9-4-1、直线光电编码器9-4-2、配重块9-4-3、配重块9-4-4、配重块9-4-5，通过步进电机滑台9-4-1、直线光电编码器9-4-2能够实现定位平台的高精度定位，并保证所述二维定位模块9在定位原点处的动平衡，所述底层直线定位平台9-2和顶层直线定位平台9-4具有相同的结构。

所述工件夹具10包括固定板10-1，通过沉孔螺丝与所述直线定位平台9-4连接，还包括固定板10-2通过沉孔螺丝与待加工工件13连接。固定板10-1和固定板10-2之间使用螺栓连接固定，最终使所述待加工工件13固定于所述二维定位平台9。

本发明装置的安装过程如下：

先将机床X轴2、机床Y轴3和机床Z轴4以两两垂直的方式安装于基座1上，并将机床B轴5和带有真空吸盘7的机床C轴6分别安装于机床Z轴4和机床Y轴3的滑台表面。然后将金刚石刀具11通过锁紧螺丝固定于金刚石刀座12上，使刀座底部的沉孔与机床B轴表面的螺纹孔对齐并通过螺丝固定连接，通过旋转机床B轴5设定金刚石刀具11的参数。

刀具安装完成后，组装控制模块8，首先将直线平台驱动器8-6及无线模块8-7通过螺丝安装到控制模块底座8-1上，使用电池组固定板8-4、电池组固定板8-5和电池组限位板8-6固定电池组8-2。然后将控制模块底座8-1吸附于真空吸盘7上，驱动机床C轴旋转，并通过动平衡测量装置校正控制模块的动平衡情况，根据检测结果布置质量平衡块8-8、8-9、8-10于控制模块底座8-1上，使其最终达到工作转速下的动平衡。

其后安装二维定位模块9，首先通过螺栓8-12和支撑柱8-11连接二维定位模块底座9-1和控制模块底座8-1，并将底层直线定位平台9-2通过螺丝安装在二维定位模块底座9-1上。驱动底层直线定位平台9-2，测量其运动轴线与机床X轴2移动轴线所成角度并最终通过驱动机床C轴6使二者平行。再通过连接板9-3将上层直线定位平台9-4安装在底层直线定位平台9-2上，驱动上层直线定位平台9-4，测量其运动轴线与机床Y轴3移动轴线所成角度，并最终通过调整安装参数使二者平行。通过使二维定位模块9的两个运动轴线分别与机床X轴2和机床Y轴3移动轴线分别平行的方式，可以保证平面内的定位精度。

最后安装待加工工件13，由于工件的待加工面需要保持平面完整，因此通常在其背面设置多个螺纹定位孔，固定板10-2加工有沉孔并通过螺丝与待加工工件13连接。固定板10-1则直接与上层定位平台9-4的移动滑台连接，然后与固定板10-2通过螺栓连接。至此从待加工工件13到二维定位模块9再到控制模块8都被准确稳定地安装在了机床C轴6上。

本发明还提供了一种移轴对中式微透镜阵列加工方法，采用上述移轴对中式微透镜阵列加工装置，包括以下步骤：

(1)根据所要加工的微透镜阵列单元工艺参数确定加工刀具的参数，并通过所述机床B轴对加工刀具的姿态进行设置；

(2)将待加工工件进行试切，使用光学显微镜观察加工情况，通过调整所述机床Y轴，使所述加工刀具的刀尖点与所述机床C轴的旋转轴线重合；

(3)利用二维定位模块使待加工工件上的第一个微透镜单元的轴线与所述机床C轴的旋转轴线重合；

(4)通过所述机床C轴、机床X轴和机床Z轴的慢刀伺服同步运动，在所述待加工工件的表面进行单个微透镜单元结构的单点车削加工；

(5)等待上一个微透镜单元加工完成后，再次利用二维定位模块使待加工的下一个微透镜单元的轴线与所述机床C轴轴线重合；

重复步骤(4)和(5)，直至完成所有微透镜单元的加工。

具体的说，如图4-6所示，主要步骤如下：

首先确定微透镜阵列加工顺序，加工轨迹规划完成后，驱动二维定位模块9回到原点，使待加工工件13中心与机床C轴6中心重合，并通过两轴车削在待加工表面上加工出与机床Z轴垂直的光滑平面；确定待加工表面进给方向深度相同后，通过三轴车削加工出旋转对称微透镜单元，对于非旋转对称微结构也可通过慢刀伺服加工；可以发现，在加工单个微透镜单元时超精密铣削具有更好的灵活性，但是相应地为了分别保证切向和径向的粗糙度需要限制两个方向上的进给率，而超精密车削只需要保证径向的粗糙度，因此允许较大的刀具移动速度，从而实现较高的加工效率；超精密车削相较于超精密铣削的缺点是只能加工轴对称工件，因此本发明提供了一种移轴对中车削加工方法，在满足较高切削效率的同时增强了超精密车削的加工灵活性；在完成工件中心位置微透镜单元的车削后，可驱动二维定位模块，将待加工的下一个微透镜单元的轴线移动到机床C轴中心，其中工件所需的移动矢量与待加工轴线位置矢量相反，移动完成后即可再次通过三轴车削制备第二个微透镜单元；多次重复上述步骤即可实现微透镜单元的阵列化，并最终得到加工质量统一的微透镜阵列。

Claims (7)

1.一种移轴对中式微透镜阵列加工装置，包括基座，所述基座上安装有移动方向相互垂直设置的机床X轴和机床Z轴，所述机床X轴的滑台上设置有机床Y轴，所述机床Z轴的移动方向分别与所述机床X轴和机床Y轴垂直，所述机床Z轴上设置有机床B轴，所述机床Y轴上设置有机床C轴，其特征在于，所述机床B轴表面固定有加工刀具；所述机床C轴表面固定有真空吸盘，所述真空吸盘表面固定有控制模块，所述控制模块上安装有二维定位模块，所述二维定位模块上安装有工件夹具；所述二维定位模块用于调整工件夹具上的待加工工件与所述机床C轴的相对位置；所述控制模块包括控制模块底座，所述控制模块底座吸附在所述真空吸盘的表面，所述控制模块底座上设置有直线平台驱动器、无线模块和电池组，所述直线平台驱动器与所述无线模块无线连接，用于接收所述无线模块收到的控制信号；所述电池组为所述直线平台驱动器与所述无线模块进行供电；所述控制模块底座上还设置有用于与所述二维定位模块相连的螺栓和支撑柱；所述控制模块底座上还设置有若干质量平衡块，所述质量平衡块基于动平衡测量装置的检测结果进行布置，用于保证所述控制模块在径向方向上的旋转动平衡。

2.根据权利要求1所述的移轴对中式微透镜阵列加工装置，其特征在于，所述电池组通过两块固定板固定在所述控制模块底座上，并通过固定在所述控制模块底座上的限位板限位。

3.根据权利要求1所述的移轴对中式微透镜阵列加工装置，其特征在于，所述二维定位模块包括二维定位模块底座、底层直线定位平台、连接板和上层直线定位平台；所述二维定位模块底座安装在所述控制模块上，所述底层直线定位平台安装在所述二维定位模块底座上，所述上层直线定位平台通过所述连接板安装在所述底层直线定位平台上；所述底层直线定位平台的运动方向、所述上层直线定位平台的运动方向以及所述机床Z轴的移动方向之间两两互相垂直。

4.根据权利要求3所述的移轴对中式微透镜阵列加工装置，其特征在于，所述底层直线定位平台包括底层步进电机滑台和底层直线光电编码器，所述上层直线定位平台包括顶层步进电机滑台和顶层直线光电编码器；所述底层步进电机滑台用于带动所述连接板运动；所述顶层步进电机滑台用于带动所述工件夹具运动；所述底层直线光电编码器和顶层直线光电编码器均用于测量运动距离。

5.根据权利要求3所述的移轴对中式微透镜阵列加工装置，其特征在于，所述底层直线定位平台和所述上层直线定位平台均包括有若干配重块，所述配重块用于保证所述二维定位模块在定位原点处的动平衡。

6.根据权利要求1所述的移轴对中式微透镜阵列加工装置，其特征在于，所述工件夹具包括第一固定板和第二固定板，所述第一固定板与所述二维定位模块连接，所述第二固定板与所述待加工工件连接，所述第一固定板与第二固定板之间相互固定。

7.一种移轴对中式微透镜阵列加工方法，其特征在于，采用如权利要求1-6中任一所述移轴对中式微透镜阵列加工装置，包括以下步骤：

（1）根据所要加工的微透镜阵列单元工艺参数确定加工刀具的参数，并通过所述机床B轴对加工刀具的姿态进行设置；

（2）将待加工工件进行试切，使用光学显微镜观察加工情况，通过调整所述机床Y轴，使所述加工刀具的刀尖点与所述机床C轴的旋转轴线重合；

（3）利用二维定位模块使待加工工件上的第一个微透镜单元的轴线与所述机床C轴的旋转轴线重合；

（4）通过所述机床C轴、机床X轴和机床Z轴的慢刀伺服同步运动，在所述待加工工件的表面进行单个微透镜单元结构的单点车削加工；

（5）等待上一个微透镜单元加工完成后，再次利用二维定位模块使待加工的下一个微透镜单元的轴线与所述机床C轴轴线重合；

（6）重复步骤（4）和（5），直至完成所有微透镜单元的加工。

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