CN120243992B - 面向大范围微结构阵列的x轴振动协同飞切系统和方法 - Google Patents

面向大范围微结构阵列的x轴振动协同飞切系统和方法

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Abstract

本发明公开一种面向大范围微结构阵列的X轴振动协同飞切系统和方法，包括飞切盘、工件、手动调高台、增高台、机床B轴、机床Z轴、飞切盘底座、机床C轴、机床X轴；机床B轴位于机床Z轴上，增高台固定于所述机床B轴上表面，手动调高台固定于增高台上，机床C轴位于机床X轴上，飞切盘底座固定于机床C轴，飞切盘固定于飞切盘底座，手动调高台用于安装工件，飞切盘1包括飞切盘主体和车刀。根据设计的刀具轨迹，主轴旋转一圈即可加工出一个微结构，加工效率高。本发明的微结构飞切方法提高了微结构阵列的加工效率、加工精度和加工一致性，且仅需要三轴运动，结构简单，成本低。

Description

面向大范围微结构阵列的X轴振动协同飞切系统和方法
技术领域
本发明属于超精密切削领域，涉及一种高加工一致性的微结构阵列飞切系统和方法，特别是涉及一种面向大范围微结构阵列的X轴振动协同飞切系统和方法。
背景技术
在现代光学领域，微结构阵列的重要性与日俱增，目前已经是各类前沿光学设备的关键元件，例如准直器，波前传感器，显微镜和光纤通讯系统等。和基于高能粒子束和化学蚀刻的非传统制造方式相比，机械切削能够加工更多种的材料，并且适应于更复杂的表面形状，因此机械切削，尤其是金刚石机械切削在微结构阵列制造方面极具前景。
目前，快慢刀伺服金刚石切削是主流的微结构阵列机械加工方法，在加工过程中，刀具根据工件的角度位置，沿Z轴起伏运动，形成表面形状。由于微结构之间的尖锐边缘会引起不平滑的刀具运动，从而会引发振动，显著降低形状精度和表面光滑度。为了解决这一问题，有研究者提出延长刀具路径，在切割相邻透镜时，增加一段平滑的刀具路径，但是这会延长加工时间并且只适用于特定的排列。除此之外，也有人提出采用额外的运动轴来分解切削运动，将不平滑的刀具运动分解为两个平滑的轨迹，但是这会显著增加系统成本，其有限的系统动态也可能降低效率并放大大面积微结构阵列加工中的误差。即使通过路径优化和引入多轴解决了振动问题，由于车削中不同微结构处的切削速度不同，微结构的加工一致性也难以保证。
超精密金刚石铣削是另一种加工微结构阵列的主要机械加工方法，在加工过程中，铣刀高速旋转进行材料去除，每转进给量低，擅长进行脆性材料的加工。在阵列加工中，依次加工每一个微结构，并且每一个微结构的加工轨迹相同，因此拥有高加工一致性。但是超精密金刚石铣削的加工效率低，并且引入了铣刀的跳动和振动误差，加工精度受到影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大范围微结构阵列的高一致性、高精度和高效率的面向大范围微结构阵列的X轴振动协同飞切系统和方法。
本发明所采用的技术方案是：一种面向大范围微结构阵列的X轴振动协同飞切系统，包括飞切盘、工件、手动调高台、增高台、机床B轴、机床Z轴、飞切盘底座、机床C轴、机床X轴；
所述机床B轴位于机床Z轴上，所述增高台固定于所述机床B轴上表面，所述手动调高台固定于所述增高台上，所述机床C轴位于机床X轴上，所述飞切盘底座固定于所述机床C轴，所述飞切盘固定于所述飞切盘底座，所述手动调高台用于安装工件，所述飞切盘1包括飞切盘主体和车刀，所述车刀位于飞切盘主体10的前端。
进一步地，所述手动调高台包括紧固螺栓、紧固螺母、精调螺栓、精调紧固螺母、调高台底座、粗调紧固螺母、粗调螺栓、调高台主体，所述调高台主体连接于调高台底座上部，所述调高台主体与调高台底座之间通过紧固螺栓、紧固螺母、精调螺栓、精调紧固螺母、粗调紧固螺母和粗调螺栓连接。
进一步地，所述车刀为天然金刚石车刀。
一种根据上述的面向大范围微结构阵列的X轴振动协同飞切系统的飞切方法，包括以下步骤：
步骤一：根据微结构阵列和刀具的参数，生成某行第k个透镜切削的刀具轨迹，设OF是机床C轴8的轴心，OW是所加工透镜的球心，Ot是车刀的刀尖，At是车刀与工件初始接触的位置，θ是车刀的前刀面与竖直线的夹角，将车刀与竖直线垂直时的位置设置为机床C轴的零点，θ等于机床C轴的旋转角度，是透镜上任一位置与OW的连线与竖直线的夹角，先根据机床C轴的旋转角度计算
rl是透镜的曲率半径，也是车刀的刀鼻半径，Rs是设计的飞切的回转半径，θ0是OFAt与竖直线的夹角；
然后，建立机床X轴根据机床C轴的运动轨迹：
是第k个透镜切削过程中机床X轴的运动路径，dx是相邻透镜的间距；
步骤二，建立两个透镜切削过程之间的过渡运动轨迹：
是第k个透镜和第k+1个透镜切削间的机床X轴的过渡运动，f(k+1)(θ)是第k个透镜的运动轨迹和第k+1个透镜的运动轨迹间的三次样条插值曲线，f(k +1)(θ)满足：
t是切削时间，ns是机床C轴的转速，amax是机床运行能够允许的最大加速度；
步骤三，加工一组PxP的透镜阵列校正飞切的回转半径的值，3≤P≤10，先实际测量加工的PxP的透镜阵列中的某一个透镜，得到某一个透镜中心沿着刀尖运动方向的二维轮廓形状，然后建立透镜表面仿真算法：
TR(θ)是绕机床C轴轴线的旋转矩阵，TX是机床X轴的平移矩阵，PT是刀具坐标系下切削刃的位置矩阵，zs是刀间距离透镜底端的高度，hs是透镜最大深度，So是高度等于hs的平面矩阵；
根据表面仿真算法仿真得到理论的二维轮廓形状，接着在仿真算法中迭代飞切的回转半径的值，直到理论的二维轮廓形状与实际测量的二维轮廓形状的PV误差小于阈值，得到第一次迭代的飞切的回转半径记为
步骤四，重复步骤一到三，逐步降低加工的形貌误差，直到得到第n次迭代的飞切的回转半径加工的PxP透镜阵列的形貌误差满足精度要求；
步骤五，将第n次迭代的飞切的回转半径带入步骤一和步骤二生成单个透镜的加工和过渡运动轨迹，透镜阵列中所有透镜的加工和过渡运动的轨迹形状一致，叠加单个透镜的加工和过渡运动轨迹从而生成QxQ透镜阵列的加工轨迹，Q＞10。
进一步地，P为5,Q为100。
本发明的有益效果是：本发明加工的每一个透镜的刀具轨迹都相同，加工出的透镜具有高度的一致性；本发明中机床X轴采用类似简谐振荡的运动路径，提高了机床C轴与X轴稳定运行的速度，并且C轴回转一次即可加工出一个透镜，避免了表面刀痕，而且加工效率高；本发明中机床X轴采用类似简谐振荡的运动路径，降低了运动过程中的最大加速度，机床更稳定，加工精度高；仅需两轴作高精度协调运动，另外一轴仅需要作定位运动，对机床性能要求低，从而成本大幅降低。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
图1是本发明面向大范围微结构阵列的X轴振动协同飞切系统的系统结构示意图；
图2是本发明面向大范围微结构阵列的X轴振动协同飞切系统的系统的飞切盘示意图；
图3是本发明面向大范围微结构阵列的X轴振动协同飞切系统的系统的手动调高台示意图；
图4是本发明一种微结构阵列的X轴振荡协同飞切方法的刀具轨迹计算流程图；
图5是本发明一种微结构阵列的X轴振荡协同飞切方法的单个透镜加工过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的飞切系统示意图见图1，包括飞切盘1、工件2、手动调高台3、增高台4、机床B轴5、机床Z轴6、飞切盘底座7、机床C轴8、机床X轴9，所述机床B轴5位于机床Z轴6上部，所述增高台4固定于所述机床B轴5上表面，所述手动调高台3固定于所述增高台4上，所述机床C轴8位于机床X轴9上，所述飞切盘底座7固定于所述机床C轴8，所述飞切盘1固定于所述飞切盘底座7，所述工件2安装于所述手动调高台3的上表面。本发明的飞切盘1部分示意图见图2，包括飞切盘主体10和天然金刚石车刀11，所述天然金刚石车刀11位于飞切盘主体10的前端。本发明的手动调高台3部分示意图见图3，包括紧固螺栓12、紧固螺母13、精调螺栓14、精调紧固螺母15、调高台底座16、粗调紧固螺母17、粗调螺栓18、调高台主体19，所述调高台主体19连接于调高台底座16上部，调高台主体19与调高台底座16之间通过紧固螺栓12、紧固螺母13、精调螺栓14、精调紧固螺母15、粗调紧固螺母17和粗调螺栓18连接。切削前将机床B轴5旋转到合适位置，然后将其锁定，飞切过程中机床B轴5固定无法运动。工件2通过石蜡固定在调高台主体19的上表面，通过粗调螺栓18初步调节工件2的高度，然后通过调节四角的精调螺栓14将工件2的上表面调节至水平，并根据切削深度微调高度。先通过手动调高台3调平工件，对准刀具。然后通过天然金刚石圆弧刀11与工件2的相对运动加工出微结构阵列。根据设计的刀具轨迹，主轴旋转一圈即可加工出一个微结构，加工效率高。
本发明的加工过程中，机床C轴8作匀速转动，机床X轴9协同机床C轴8作类似简谐振荡运动，完成一行透镜的飞切加工。之后机床Z轴6移动工件2，让天然金刚石车刀11位于下一行透镜的加工位置，从而逐步完成整个透镜阵列的飞切加工。
本发明的加工过程如图4所示。以一种蜂窝球形微透镜阵列结构为例，首先确定微结构阵列的形状与位置信息。透镜间距为50μm，曲率半径为220μm，排列为100×100。使用的天然金刚石车刀11半径为220μm。
步骤一，根据微结构阵列和刀具的参数，生成某行第k个透镜切削的刀具轨迹。如图5所示，OF是机床C轴8的轴心，OW是所加工透镜的球心，Ot是天然金刚石车刀11的刀尖，At是天然金刚石车刀11与工件2初始接触的位置。θ是天然金刚石车刀11的前刀面与竖直线的夹角，将天然金刚石车刀11与竖直线垂直时的位置设置为机床C轴8的零点，θ也就等于机床C轴8的旋转角度。是透镜上任一位置与OW的连线与竖直线的夹角。先根据机床C轴8的旋转角度计算
rl是透镜的曲率半径，也是天然金刚石车刀11的刀鼻半径，取0.220mm。Rs是设计的飞切的回转半径，设计值为7.6mm。θ0是OFAt与竖直线的夹角，取0.096。
然后，建立机床X轴9根据机床C轴8的运动轨迹：
是第k个透镜切削过程中机床X轴9的运动路径，dx是相邻透镜的间距，取50μm。
步骤二，建立两个透镜切削过程之间的过渡运动轨迹。
是第k个透镜和第k+1个透镜切削间的机床X轴9的过渡运动，f(k+1)(θ)是第k个透镜的运动轨迹和第k+1个透镜的运动轨迹间的三次样条插值曲线，f(k +1)(θ)满足：
t是切削时间，ns是机床C轴8的转速，amax是机床运行能够允许的最大加速度，取65mm/s2。
步骤三，加工一组5x5的透镜阵列来校正飞切的回转半径的值。先实际测量加工的5x5的透镜阵列中的某一个透镜，得到某一个透镜中心沿着刀尖运动方向的二维轮廓形状。然后建立透镜表面仿真算法：
TR(θ)是绕机床C轴8轴线的旋转矩阵，TX是机床X轴9的平移矩阵，PT是刀具坐标系下切削刃的位置矩阵，zs是刀间距离透镜底端的高度，hs是透镜最大深度，So是高度等于hs的平面矩阵。
根据表面仿真算法仿真得到理论的二维轮廓形状。接着在仿真算法中迭代飞切的回转半径的值，直到理论的二维轮廓形状与实际测量的二维轮廓形状的PV误差小于10nm，此时得到第一次迭代的飞切的回转半径记为
步骤四，重复步骤一到三，逐步降低加工的形貌误差，直到得到第n次迭代的飞切的回转半径加工的5x5透镜阵列的形貌误差满足精度要求。
步骤五，将第n次迭代的飞切的回转半径带入步骤一和步骤二生成单个透镜的加工和过渡运动轨迹，透镜阵列中所有透镜的加工和过渡运动的轨迹形状一致，叠加单个透镜的加工和过渡运动轨迹从而生成100×100透镜阵列的加工轨迹。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种面向大范围微结构阵列的X轴振动协同飞切系统的飞切方法，所述系统包括飞切盘(1)、工件(2)、手动调高台(3)、增高台(4)、机床B轴(5)、机床Z轴(6)、飞切盘底座(7)、机床C轴(8)、机床X轴(9)；
所述机床B轴(5)位于机床Z轴(6)上，所述增高台(4)固定于所述机床B轴(5)上表面，所述手动调高台(3)固定于所述增高台(4)上，所述机床C轴(8)位于机床X轴(9)上，所述飞切盘底座(7)固定于所述机床C轴(8)，所述飞切盘(1)固定于所述飞切盘底座(7)，所述手动调高台(3)用于安装工件(2)，所述飞切盘(1)包括飞切盘主体(10)和车刀(11)，所述车刀(11)位于飞切盘主体(10)的前端；
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一：根据微结构阵列和刀具的参数，生成某行第k个透镜切削的刀具轨迹，设OF是机床C轴8的轴心，OW是所加工透镜的球心，Ot是车刀(11)的刀尖，At是车刀(11)与工件(2)初始接触的位置，θ是车刀(11)的前刀面与竖直线的夹角，将车刀(11)与竖直线垂直时的位置设置为机床C轴(8)的零点，θ等于机床C轴(8)的旋转角度，是透镜上任一位置与OW的连线与竖直线的夹角，先根据机床C轴(8)的旋转角度计算
rl是透镜的曲率半径，也是车刀(11)的刀鼻半径，Rs是设计的飞切的回转半径，θ0是OFAt与竖直线的夹角；
然后，建立机床X轴(9)根据机床C轴(8)的运动轨迹：
是第k个透镜切削过程中机床X轴(9)的运动路径，dx是相邻透镜的间距；
步骤二，建立两个透镜切削过程之间的过渡运动轨迹：
是第k个透镜和第k+1个透镜切削间的机床X轴(9)的过渡运动，f(k+1)(θ)是第k个透镜的运动轨迹和第k+1个透镜的运动轨迹间的三次样条插值曲线，f(k+1)(θ)满足：
t是切削时间，ns是机床C轴(8)的转速，amax是机床运行能够允许的最大加速度；
步骤三，加工一组PxP的透镜阵列校正飞切的回转半径的值，3≤P≤10，先实际测量加工的PxP的透镜阵列中的某一个透镜，得到某一个透镜中心沿着刀尖运动方向的二维轮廓形状，然后建立透镜表面仿真算法：
TR(θ)是绕机床C轴(8)轴线的旋转矩阵，TX(Xc(θ))是机床X轴(9)的平移矩阵，PT是刀具坐标系下切削刃的位置矩阵，zs是刀间距离透镜底端的高度，hs是透镜最大深度，So是高度等于hs的平面矩阵；
根据表面仿真算法仿真得到理论的二维轮廓形状，接着在仿真算法中迭代飞切的回转半径的值，直到理论的二维轮廓形状与实际测量的二维轮廓形状的PV误差小于阈值，得到第一次迭代的飞切的回转半径记为
步骤四，重复步骤一到三，逐步降低加工的形貌误差，直到得到第n次迭代的飞切的回转半径加工的PxP透镜阵列的形貌误差满足精度要求；
步骤五，将第n次迭代的飞切的回转半径带入步骤一和步骤二生成单个透镜的加工和过渡运动轨迹，透镜阵列中所有透镜的加工和过渡运动的轨迹形状一致，叠加单个透镜的加工和过渡运动轨迹从而生成QxQ透镜阵列的加工轨迹，Q＞10。
2.根据权利要求1所述的面向大范围微结构阵列的X轴振动协同飞切系统的飞切方法，其特征在于，P为5,Q为100。
3.根据权利要求1所述的面向大范围微结构阵列的X轴振动协同飞切系统的飞切方法，其特征在于，所述手动调高台(3)包括紧固螺栓(12)、紧固螺母(13)、精调螺栓(14)、精调紧固螺母(15)、调高台底座(16)、粗调紧固螺母(17)、粗调螺栓(18)、调高台主体(19)，所述调高台主体(19)连接于调高台底座(16)上部，所述调高台主体(19)与调高台底座(16)之间通过紧固螺栓(12)、紧固螺母(13)、精调螺栓(14)、精调紧固螺母(15)、粗调紧固螺母(17)和粗调螺栓(18)连接。
4.根据权利要求1所述的面向大范围微结构阵列的X轴振动协同飞切系统的飞切方法，其特征在于，所述车刀(11)为天然金刚石车刀。
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