CN1559752A - 微机械零件三维加工装置 - Google Patents

Abstract

微机械零件三维加工装置，它属于纳米加工装置。现有的基于扫描探针显微镜的加工还只局限于平面二维微图形，没有形成一整套类似于超精密金刚石车削加工的加工机理与相关技术。本发明包括机械台体(1)、设置在机械台体(1)上的三维粗动工作台(2)，在机械台体(1)上设有加工头部件(3)和光学系统(4)，在三维粗动工作台(2)上设有主轴系统(5)，所述三维粗动工作台(2)、加工头部件(3)、光学系统(4)、主轴系统(5)都与控制系统(6)相连。本发明产品具有精度高、效果好的优点。

Description

微机械零件三维加工装置

技术领域：本发明属于纳米加工装置，特别是微机械零件的三维加工装置。

背景技术：超精密加工一词最早出现在美国。20世纪60年代，通过使用当时适用的精密机床，采用单点金刚石车刀对铝合金和无氧铜进镜面切削，并以此为开端，超精密加工作为一种新的机械加工工艺开始逐步发展起来。当时最有代表性的是1962年美国的UNION CARDIE公司首先开发出了利用多孔质石墨空气轴承的超精密半球面车床，成功地实现了超精密镜面车削，尺寸精度达到了±0.6μm，表面粗糙度为Ra0.025μm，从而迈出了亚微米乃至纳米级加工的第一步。在金刚石切削机床制造方面比较发达的国家有美国、英国、日本和荷兰。

在美国真正代表其超精密加工技术的最高水平的是LLNL实验室。从六十年代开始，该实验室先后开发出了DTM-1、DTM-2型超精密机床，并于1983年9月，成功地开发出代表当代超精密机床最高水平的DTM-3卧式大型光学金刚石超精密车床。该机床可加工直径2100mm、重4500Kg的工件，刀架的传动装置采用摩擦驱动，利用激光干涉仪来进行位置测量。机床采用液体静压轴承和导轨，位置控制精度可达0.013μm，加工黄铜零件，表面粗糙度可达R_max0.0076μm。1984年9月，该实验室与美国空军Wright航空研究所等单位合作，研制成功了LODTM型大型立式超精密车床。该车床采用专门研制的7路双频激光干涉仪来进行各种位置信息的测量，再通过数据处理，提供精确的反馈信息给伺服系统，驱动刀架来保证刀具相对工件的位置，测量分辨率为0.635nm。可加工直径为1625mm的工件。为了保证位置伺服控制精度，采用了精密数字伺服控制方式，控制部分为内装式CNC装置。为了实现刀具的微量进给，本机床采用了压电式微位移机构，可实现纳米级微位移。加工精度可以达到0.025μm。该机床主要用于加工激光核聚变用的零件，红外线装置用零件及大型天体望远镜零件，是世界上公认的当今最高水平的超精密车床之一。美国的摩尔公司(MOORE SPECIAL TOOL)和RANK PNEUMO公司也是超精密设备制作能力很强的单位。

英国Cranfield大学的CUPE精密工程研究所，是当今世界上最著名的精密工程研究所之一。该所研制的NANOCENTER600型超精密车床是一种三轴超精密CNC非球曲面加工机床。通过机床结构的合理化设计、使用高刚度伺服驱动和液体静压轴承使机床具有较高的闭环刚度。X轴和Z轴的激光干涉位置测量系统的分辨率为1.25nm，最大加工工件直径为600mm，面型精度优于0.1μm，表面粗糙度优于Ra0.01μm。另外通过垂直轴，还能加工非轴对称非球曲面。1991年CUPE研制成功OAGM-2500型大型超精密机床，用于精密磨削、坐标测量和加工大型X射线天体望远镜的大型曲面反射镜。最大加工尺寸2500×2500×610mm，有直径2500mm的高精度回转工作台。加工更大的曲面反射镜时，用三轴联动可以加工非轴对称曲面反射镜块，再组合成大型的曲面反射镜。机床采用高精度数字伺服控制方式，用分辨率为2.5nm的Zygo Axiom双频激光测量系统检测机床位置，构成闭环控制。

日本的超精密加工技术的研究比美国晚起步20年，是应电子和光学等民用工业的需求才发展起来的。但是，由于它从美国那里得到了大量的先进的超精密加工技术，从而走了一条快捷的发展道路。近二十年来，日本在用于民用工业的普通超精密机床研究方面取得了巨大的进步。目前，日本的超精密加工技术已从研究阶段进入实用阶段。近几年来，先后开发出一大批超精密加工机床。加工对象主要是批量生产的民品，如以铝合金材料为主的感光硒鼓、磁盘、多面棱镜和以铜合金为主的平面、球面和非球曲面的激光反射镜等。例如，日本精工研制的DPL-400型超精密磁盘车床，以切削速度1056-2237m/min，切深15μm，进给量30μm/rev，加工外径356mm，内径168mm，厚度1.9mm的铝合金磁盘时，其表面粗糙度为Ra0.003μm，平面度为0.2μm。

在荷兰，PHILIPS公司很早就从事高精度加工机床的研制。它最早开发的金刚石超精密机床是手动的。进入七十年代以后，开始开发CNC超精密金刚石车床。1978年，研制成功由小型计算机控制的数控超精密金刚石车床COLATH。该机床采用分辨率为0.016μm的双频激光干涉仪来进行位置测量，伺服执行机构为液压伺服马达。可加工最大直径200mm，最大长度200mm的工件，其形状精度优于0.5μm，表面粗糙度为Ra0.02μm。

目前，在我国哈工大、国防科大、航空部303所、航天部230厂、北京机床研究所和上海机床厂等单位都在从事超精密机床的研制工作。但到目前为止，仅有由哈工大机械工程系研制的HCM-1型普通数控超精密车床通过了鉴定，该车床具有直线和曲面加工功能。

基于扫描探针显微镜的纳米加工：纳米加工是以加工精度所达到的指标来衡量的。比如今天的纳米加工意味着工件的尺寸误差范围达到0.001μm(1nm)；加工的零(元)件的尺寸可小到1μm；可被精确控制的微加工区域在100纳米以下；加工时的材料去除量为纳米甚至原子量级；机床的分辨率和可重复性精度达0.01μm。近年来，随着各国对纳米加工的高度重视，同时也在利用不同的方法和手段寻求加工精度的极限，以使机械产品、电子产品、光学产品的加工精度在下个世纪初达到更高的水平，甚至达到一个纳米量级的水平。成为激光、信息、通讯、计算机、航空、航天、材料与生物遗传工程等一系列尖端科学技术赖以生存和发展的基础。纳米加工技术的发展面临两大途径，一方面是将传统的超精密加工技术如机械加工(单点金刚石和CBN刀具切削、磨削、抛光等)、电化学加工(ECM)、电火花加工(EDM)、离子和等离子体刻蚀、分子束外延(MBE)、物理和化学气相沉积、激光束加工、LIGA技术等向其极限精度逼近从而使其具有纳米级的加工能力；另一方面，开拓新效应的加工方法，如STM和AFM对表面的纳米级加工，可直接操纵原子和分子，并对表面进行刻饰(Nano-lithography)和微加工(Micro-machining)。虽然就当前的技术能力和市场需求而言，传统的超精密加工技术在相当长一段时间内仍将在纳米加工技术中占据主导地位，但是总有一天，全新概念的纳米加工技术即在0.1nm-100nm尺度上研究和应用原子、分子现象从而改造结构信息的技术必将成为制造纳米级精度的产品所需要的综合生产技术。

1982年由IBM公司的G.Binning等人发明的扫描隧道显微镜(STM)使人类第一次实现了对原子的实空间(Real space)观察，并由此引发了一场近场探测技术的革命，衍生出一系列基于近场探测的扫描探针显微镜。G.Binning等人也因此而获得1986年的诺贝尔奖。1986年，Binning等人把STM延伸到另外一种方法即原子力显微镜(AFM)。这种仪器同样使用很细的针尖，只不过把它放置于一个微悬臂上并置于离被测表面很近的位置，表面与针尖之间的作用力会导致微悬臂的弯曲，而这种弯曲则由置于其后的传感器感知进行工作。扫描探针显微镜(SPM)的应用不仅局限于对表面进行显微成像，它还可以作为一种表面加工工具在纳米尺度上对表面进行刻划与修饰，实现纳米加工。

纳米加工技术的实现途径有两个：一是由宏观向微观，即用宏观的方法将机器制造得越来越小。它为纳米技术的实现和应用提供了必要的基础；二是由微观向宏观。即直接操纵单个原子或分子，对它们进行不同的排列组合，以形成新的物质，或制造出具有新功能的机器，这是实现纳米加工技术的根本途径。正是SPM的出现，才使得这一途径成为可能。作为一种加工手段，与其它微细加工方法相比，SPM自有其独特的特点。首先，SPM可以在各种环境下对各种表面在纳米尺度上进行加工刻蚀，甚至可以对单个原子进行操纵，这是当前该领域所达到的最高水平；其次，由于SPM家族中存在于针尖和表面之间的多种作用机制，在控制和研究诸如迁移、化学反应、化学键断裂、微小粒子移动、材料去除等过程中，它的重要性显而易见。自从SPM问世十多年来，把它作为一种纳米加工工具的研究涉及到在表面直接刻写、电子束辅助淀积和刻蚀、微小粒子及单个原子操纵、摩擦与磨损、表面微加工等方面，目前已获得了一批高水平的研究成果。

应用SPM所进行的纳米加工研究包括以下几个方面：

1)利用SPM进行的单原子操纵用扫描探针显微镜(SPM)可以按照人们的意愿把表面原子或原子团从表面上某处移向另一处。这些应用为人们用不同材料的微小粒子构造各种器件提供了有力的工具，最终使得人们有可能用一个个原子构造分子或者把分子分解成一个个原子。这些应用还使得人们有可能研究微小粒子之间或微小粒子与衬底之间的相互作用，从而为人们对微观粒子的操纵及纳米级尺寸的工作提供理论基础。

世界上第一次利用STM进行单原子操纵的极富创造性的工作是由IBM的科学家首先完成的。他们在极高真空中和极低温度下成功地移动了吸附在镍(110)单晶表面上的氙原子，并用这些氙原子排列成了IBM字样。IBM的科学家们还制成了世界上最小的电器开关，即由单个原子控制的电器开关，它是一个双稳态器件，在未来的微电子线路中可能会有较大的应用价值。另外瑞典Lund大学的T.Junno，S.-B.Carlson及Hongqi Xu等学者利用原子力显微镜的针尖对单个的金属纳米粒子进行了成像，并选择及搬迁到两个电导线之间的空隙，实时地监控器件的特征以用来在原子精度上控制粒子的位置及在构造过程中调节器件的电子性质。运用这一技术可以证明纳米机械开关及原子级接触在室温下几个小时以内有能力在量化导电量级上保持稳定。

2)SPM对金属、半导体等表面的直接刻写对于STM来说，通过快速缩短其针尖与样品的间距或在隧道结上加一脉冲偏压，就可在针尖所对应的表面微小区域中产生纳米级尺寸的结构变化，如坑、丘等。而对于AFM来说，通过控制其针尖与表面之间的作用力也会在接触区域产生相似的结构变化，与STM相比是其作用机制的不同。但是二者在工作时都不需在样品表面上涂覆抗蚀膜，也不需要特定的气体或液体氛围。可将它看成是针尖对样品表面的直接写入。写入操作完成后，针尖并不损坏，可直接用它对刻写结构进行成像以评估其刻写能力。

日本的TsukasaABE等几位学者在大气中利用一台扫描隧道显微镜(STM)对石墨表面进行连续的刻蚀以加工纳米量级的表面结构。中国科学院化学所的王忠怀等利用自行研制的大气下工作的CSTM-9000型STM由计算机控制加以针尖上脉冲电压对高定向裂解石墨进行了刻蚀。为了保证在刻蚀过程中针尖不碰上样品并不关掉反馈。刻蚀结果为200nm×200nm的“中国”两字及大小约为60nm的“CAS”字样，线条宽为10nm左右。日本工业大学工学部的三宅正二郎及石井正纪，大竹利明等人利用原子力显微镜对一个层状晶体材料白云母进行了原子级的机械加工，并通过由滑动引起的横向力与表面原子形貌的变化评价了原子级的加工现象。在不小于100nN的载荷时便可以在没有损伤的云母表面上形成沟槽，并且沟槽的深度随着载荷的增加而加大。法国的S.Tegen，德国的B.Kracke和B.Damaschke等学者联合研究了把原子力显微镜(AFM)作为加工工具对金属表面进行修饰的可能性。他们可以在镀在云母上的薄金膜上生成及表征象直线和圆圈一样的结构。他们提出，为了提高AFM加工的结构良好形状及稳定性，人们十分必要对加工参数的优化及加工机理的理解方面进行深入的研究。

3)SPM对表面的氧化技术及对涂覆抗蚀膜的样品表面进行曝光SPM氧化技术的概念是很直观的：一个导电的SPM针尖同一个加有偏压的稳定均质基底在1nm内保持接触，若有O₂和H₂O存在的情况下会导致基底材料的局部高度氧化，针尖和表面的结点附近会由于场强扫过场定义反应区而生成氧化性介质。利用3-10V的写入电压和高达1mm/s的扫描速度在不同类型的金属、半导体和绝缘基体上就会产生从10nm到20nm的不同线宽，因为场致氧化通常比负极氧化更加稳定，所以可以用来作为一个纳米刻蚀模板。把基于SPM的纳米加工集成到实际的器件加工流程中已经导致了功能性、场致作用和单电子隧道晶体管的成功应用。

SPM用于制造纳米电子线路的真正潜能并不只是在于它有能力提供精细尺度下的模板(电子束(e-beam)刻蚀也可产生10nm以下的线宽)，而是可以同时在加工过程中推论出功能性纳米结构性能信息的独特魅力。比如要在10nm量级上制作一个氧化物隧道势垒，那么其边界尺寸及电子性质必须在1nm以下得到控制，而目前只有SPM以其足够高的空间分辨率和敏感度才有能力传递这些信息。也只有在基于SPM制作纳米电子线路方法已经成立的情况下我们才可以实验性地验证一个纳米结构中1nm界面区域的三维电子特征。

4)基于AFM金刚石针尖对表面所进行的微加工随着元件尺寸及所加载荷的日益减小，在微米甚至纳米量级上的机械性质及加工特征就变得尤为重要。因为扫描探针显微镜(SPM)有能力制作从纳米到原子量级的微小结构所以正受到人们的广泛关注。利用装有金刚石针尖的原子力显微镜已经可以对基于金属非金属及陶瓷基底的切削行为进行纳米量级材料变形的模拟研究。

微结构的制造需要极小的加工误差，只有超精密或者基于刻蚀的技术才能实现高于1μm的精度。然而因为振动和变形的影响传统的切削和磨削技术的稳定切削厚度也只能最小保持在0.1μm。而原子力显微镜不仅可以提供纳米级的观察而且也可以利用其尖锐的针尖作为切削刃来实现纳米级的加工，它有能力突破传统单点切削加工的极限。迄今为止关于纳米加工的实验数据还很缺乏，并且对于材料的去除机理也了解的不多。为了控制纳米量级的加工过程我们有必要充分理解材料的去除机理。AFM的金刚石针尖可以模拟一个尖锐的单点金刚石车刀在工件表面进行切削，因此便有可能在变换不同的载荷下研究单点切削的材料去除过程。在过去几年中，利用AFM金刚石针尖所进行的研究多集中于微观磨损方面。微观磨损研究是在原子、分子尺度上揭示摩擦过程中表面相互作用、物理化学变化以及损伤，旨在控制材料剥落甚至实现无磨损的摩擦。而纳米加工研究的目标是在人为控制下实现表面有规律的原子、分子层剥落。虽然两者的研究目标不同，但研究的对象都是同一个物理过程，即材料在极轻载荷下的运动迁移规律。因此，我们可以把这两个问题组合在一起进行讨论。

综上所述，国内外学者在基于扫描探针显微镜(SPM)纳米加工方面的研究大多集中于基于STM隧道电流效应的原子搬迁和表面刻蚀，以及基于原子力显微镜(AFM)的对材料的纳米刻饰方面。但是对基于原子力显微镜(AFM)金刚石针尖的纳米加工却研究不多，国内在此领域的研究更是一片空白。国外的此类研究一般也只是涉及到微观摩擦和磨损等方面的研究，而对原子力显微镜(AFM)的纳米加工特性、材料的去除机理、微加工区域表层的物理化学性质的变化、加工区域的纳米机械特性以及AFM金刚石针尖在加工过程中的磨损问题也研究的不多，而这却是纳米加工中不可忽视的问题。在纳米加工领域，研究原子力显微镜(AFM)的基于金刚石针尖的微加工特性以及被加工材料在纳米甚至原子量级的材料去除机理、加工表层的微观特性等对于探索新效应的加工方法来说有着更为深远的意义。

1.现有以上两种方法及设备用于微机械零件加工时的缺点和不足：

超精密金刚石车削加工方法是在超精密机床上完成的，目前其加工精度与金刚石加工机床的制造精度、控制精度、刀具形状等相关技术有直接的联系。而基于扫描探针显微镜的加工还只局限于平面二维微图形，没有形成一整套类似于超精密金刚石车削加工的加工机理与相关技术。

超精密加工机床关键技术在于机床主轴运动精度、机床导轨运动精度、在线伺服反馈系统准确性、监测系统、数控系统、加工刀盘及加工刀具等，强调的是宏观零件的加工精度如平面度、表面加工粗糙度等，其加工的主要技术指标仍在微米、亚微米量级，如最高可加工的面形精度为0.1微米、表面粗糙度0.01微米。而这些机床对于微小零件的纳米尺度精度的加工或宏观零件的纳米结构的加工则无能为力。扫描探针显微镜加工则由于显微镜本身功能结构的限制，虽然其纳米加工精度可以达到原子量级水平，但对于三维零件的加工以及复杂宏观零件的纳米结构的加工则不能完成。

对于微小机械零件(如MEMS零件)，其加工精度尚未达到原子量级，其关键技术是三维加工能力和较高的加工精度。如果能将扫描探针显微镜(SPM)的加工精度配合加工机床的功能，则可以实现若干微机械零件的纳米加工。

发明内容：本发明的目的在于提供一种精度高、效果好的微机械零件三维加工装置，它包括机械台体1、设置在机械台体1上的三维粗动工作台2，在机械台体1上设有加工头部件3和光学系统4，在三维粗动工作台2上设有主轴系统5，所述三维粗动工作台2、加工头部件3、光学系统4、主轴系统5都与控制系统6相连。本发明具有精度高、加工效果好的优点，操作方便，控制简单，加工工件的材料范围广(金属及非金属，陶瓷材料都可以)，对加工环境要求不高，大气中即可，可以加工复杂的三维微小零件。

附图说明：图1是本发明的主视图，图2是图1的俯视图，图3是图1的侧视图，图4是机械台体1的主视图，图5是图4的俯视图，图6是图4的侧视图，图7是三维粗动工作台2的结构示意图，图8是图7的俯视图，图9是图7的侧视图，图10是图7的A-A剖视图，图11是加工头部件3的主视图，图12是图11的俯视图，图13是图11的侧视图，图14是光学系统4的主视图，图15是图14的俯视图，图16是图14的左视图，图17是主轴系统5的结构示意图，图18是图17的I处放大图，图19是控制系统框图。

具体实施方式：本实施方式包括机械台体1、设置在机械台体1上的三维粗动工作台2，在机械台体1上设有加工头部件3和光学系统4，在三维粗动工作台2上设有主轴系统5，所述三维粗动工作台2、加工头部件3、光学系统4、主轴系统5都与控制系统6相连。其中机械台体1是支撑主体，三维粗动工作台2平放在机械台体1的台面上，加工头部件3安放在机械台体1的支架横梁1-5的下方，而光学系统部件4安装在机械台体1的支架横梁1-5的上方，主轴系统5安装在三维粗动工作台2的最上层，当三维粗动工作台2在三个方向移动时，主轴系统5则随之沿三个方向移动，控制系统单元6则分别控制三维粗动工作台2的移动、加工头部件3上的三维精密工作台3-1的运动、加工头部件3上的探针3-6的加工与测量运动、光学系统4视频信号的采集以及控制主轴系统5的精密旋转运动。机械台体1包括基座1-1，基座1-1上方通过空气弹簧1-2支撑台面1-3，台面上设有两个立柱1-4，立柱上方设有支架横梁1-5。微加工系统工作时，机械台体1上的零件的相互位置固定不变，均为固定连接。其中基座1-1和其上面均布的四组空气弹簧1-2以及台面1-3组成了支撑台面，用于支撑三维粗动工作台2和其上的主轴轴系5，两根立柱1-4和横梁1-5用于安装光学系统4及加工头部件3。

粗动工作台2三个方向的运动从上至下依次为X方向运动、Y方向运动和Z方向运动；X方向运动装置安装在Y向运动支架体2-19上，Y方向运动装置安装在Z向导轨支架体2-7上；

X方向调整运动装置设在三维粗动工作台2的最上方，X方向工作台面2-5与X方向工作台面支撑板2-6固联，并通过与X方向工作台面支撑板2-6相固联的X方向导块2-4安装在X方向工作台导轨2-2上，X方向工作台导轨2-2位于X方向导轨丝杠2-8上，而X方向导轨丝杠2-8与X方向步进电机2-22连接；X方向步进电机2-22固联在X方向运动支架2-1上，X方向运动支架2-1固联Y方向动导轨2-14；X方向步进电机2-22带动X方向导轨丝杠2-8转动时，带动X方向导块2-4和X方向工作台面2-5以及X方向工作台面支撑板2-6沿X方向导轨2-2运动，实现X方向的位置调节，这时X方向工作台面支撑板2-6上的主轴系统5也随之运动，这里X方向运动支架2-1是安装在Y方向动导轨2-14上的。

Y方向调整运动装置设在三维粗动工作台2的中间，Y方向动导轨2-14平放在Y方向静导轨2-21上，Y方向步进电机2-17连接Y方向导轨丝杠2-15，Y方向步进电机2-17同时与Y方向步进电机安装板2-16固联，而Y方向步进电机安装板2-16固连Y方向传动装置安装支架2-19及右侧封装板2-20，同时右侧封装板2-20固连X方向工作台面支撑板2-6，且X方向工作台面支撑板2-6固连在Z方向动导轨支架体2-7上；其中X方向工作台面支撑板2-6作为X方向和Y方向运动的共同支撑面。当Y向步进电机2-17工作时，通过Y方向导轨丝杠2-1 5带动Y方向动导轨2-14沿Y方向静导轨2-21运动，而X方向运动支架2-1是安装在Y方向动导轨2-14上的，从而带动带动X方向运动装置一同作Y方向位置调节，也可以使主轴系统5沿Y方向动导轨2-14移动。

Z方向调整运动装置设在最下方，并与三维粗动工作台底板2-9固连，Z方向调整运动装置包括Z方向步进电机2-18，Z方向步进电机2-18与斜齿轮2-13同轴相连，斜齿轮2-13与斜齿条2-12啮合相连，斜齿条2-12固联在Z方向动导轨2-11上，而Z方向动导轨2-11固联在Z方向动导轨支架体2-7上；当Z方向步进电机2-18工作时带动其丝杠做旋转运动，与其丝杠固连的斜齿轮2-13转动，并带动斜齿条2-12上下运动，同时也带动与Z方向动导轨支架2-7固连的Y向及其X向系统上下运动，使三维粗动工作台底板2-9上下移动，并进一步带动Y向导向装置和X方向工作台面2-5以及主轴系统5上下移动。其中Z方向动导轨2-11是沿Z方向静导轨2-3上下运动的，而Z方向动导轨支架2-7承载Y方向及X方向移动系统，Z方向静压调整螺钉2-23和卸荷弹簧套筒2-24安装在一起，并安装在Z方向动导轨支架体2-7上，卸载弹簧2-25安装在Z方向动导轨支架体2-7和三维粗动工作台底板2-9之间，Z方向静压调整螺钉2-23、卸荷弹簧套筒2-24、卸载弹簧2-25组成Z向卸荷系统以减小齿轮齿条间的摩擦。

粗动工作台X方向、Y方向、Z方向步进电机手调螺旋2-26安装在粗动工作台三个方向的步进电机尾端，也可以通过手动调整不同方向的三个手调螺旋2-26使位于主轴系统5上的被加工件与加工头部件3上的微加工探针对准。

左侧封装板2-10与右侧封装板2-20与三维粗动工作台底板2-9固联，而三维粗动工作台底板2-9上固连着Z方向静导轨2-3；

Z方向静压调整螺钉2-23和卸荷弹簧套筒2-24安装在一起，并安装在Z方向动导轨支架体2-7上，而卸载弹簧2-25则安装在Z方向动导轨支架体2-7和三维粗动工作台底板2-9之间。

加工头部件3包括三维精密微动工作台3-1、连接件3-2、反射镜部件调整螺钉3-3、探针夹头安装板3-4、探针夹头3-5、探针3-6，位置检测器部件3-7、支架3-8、激光发生器3-9，所述三维精密微动工作台3-1的中间设有通孔3-1-1，在通孔3-1-1边缘设有外沿作为与机械台体1连接的连接件3-2，探针夹头安装板3-4通过支架3-8与三维精密微动工作台3-1连接，探针夹头安装板3-4上安装夹头安装体3-10，夹头安装体3-10上安装探针夹头3-5，探针夹头3-5上装有探针3-6，在支架3-8上还装有调整螺钉3-3、位置检测器部件3-7和激光发生器3-9，位置检测器部件3-7与激光发生器3-9呈180度角分布在支架3-8的两侧。三维精密微动工作台3-1固定不动的部分固连在支架横梁1-5上，运动部分通过连接件3-2固连着加工头的支架3-8，支架3-8上有两组调整螺钉3-3，调整螺钉3-3用于调整位置检测器部件3-7和激光发生器3-9的轴心位置，以利于激光发生器3-9发出的光能够正好打在位置检测器部件3-7的中心位置上。位置检测器(PSD)部件3-7则将获得的悬臂变化的光电流信号传送给计算机处理。当三维精密微动工作台3-1作三维运动时，探针也随之运动，则实现了微小零件的加工与测量功能。

光学系统4包括光学系统升降调整机构4-1、光学系统支架4-2、光学系统主体4-3，所述光学系统支架4-2设置在机械台体1的上方，光学系统主体4-3安装在光学系统支架4-2上，并通过光学系统升降调整机构4-1调整高度，所述光学系统升降调整机构4-1包括斜齿条4-1a和斜齿轮4-1b，斜齿条4-1a与光学系统支架4-2固接，斜齿轮4-1b与斜齿条4-1a相啮合。当视场需要调整时，通过旋转手轮使与手轮固连的斜齿轮4-1b转动，带动斜齿条4-1a上下运动，进一步带动光学系统主体4-3上下运动，所接收到的视频信号则被显示器显示。

主轴系统5包括被加工件吸附装置5-1、上浮板5-2、工作台面5-3、主轴5-4、轴套5-5、轴套座5-6、主轴驱动电机5-7、挡板5-8、电机支架5-9，所述轴套座5-6固连在三维粗动工作台2上，轴套5-5固连在轴套座5-6的内部，主轴5-4和轴套5-5之间设有气室5-12，以保证气压均匀，主轴5-4安装在轴套5-5内部，主轴5-4和上浮板5-2呈工字型连接，轴套座5-6和轴套5-5之间的高压空气通过轴套5-5上的微小气嘴5-11将高压空气传到主轴5-4与轴套5-5之间并保证主轴5-4的回转精度。所述上浮板5-2上固连工作台面5-3，工作台面5-3上装有吸附装置5-1，被加工件被吸附装置5-1吸附住，并通过工作台面5-3上的微调装置调整其相对于轴系轴心的位置。所述档板5-8通过档环5-10与轴套5-5固连，电机5-7驱动主轴5-4旋转，电机5-7固连在电机支架5-9上，电机支架5-9与档板5-8固连在一起，电机5-7与主轴5-4连接。当电机5-7带动主轴5-4旋转时，工作台面5-3及上浮板5-2以及吸附装置5-1、被吸附工件等一起旋转运动。高压气体由微小气嘴5-11进入气室5-12中，对精密气浮轴系的轴套与主轴起润滑作用。主轴采用“工”字型，在卧式工作状态下有利于转动稳定。

上述所有零部件均安装在机械台体1之上，两个立柱1-4与支架横梁1-5组成龙门式结构，光学系统支架4-2固连在支架横梁1-5的上方，光学系统主体4-3安装在光学系统支架4-2上，并通过光学系统升降调整机构4-1调整视场和焦距，加工头部件3固连在支架横梁1-5的中间位置。三维粗动工作台2安装在机械台体1的基座1-1上，通过三维调整，可以保证主轴系统5上所吸附的被加工件的被加工位置基本位于加工头部件3的正下方。

控制系统6除了主控计算机及其显示器外，由四部分组成：加工头部件信号采集与控制装置6-1、主轴控制装置6-2、三维直线运动控制装置6-3和加工状态监测与光学放大系统6-4。各部分功能如下：

1.加工头部件信号采集与控制装置中的探针所连接的四电极压电陶瓷的四个扫描电极端口由其扫描运动控制电路接入，这一控制电路由计算机内部的数据采集控制卡提供控制信号；压电陶瓷的扫描速度、扫描范围由计算机预先设定。

2.加工头系统内的激光器电源电压接线端接计算机控制的激光器光强电源控制电路，可以通过计算机键盘在线调整激光光强，光强电源控制电路同样接计算机内部的数据采集控制卡并由其提供控制端子。

3.加工头系统内的四象限位置检测器用于检测探针悬臂的光电流信号，接测量及加工力控制电路后由计算机内数据采集控制卡采集其数据。

4.加工头部件的大范围扫描运动由三维精密运动工作台实现，精密工作台压电控制器由计算机提供控制信号并给三维精密工作台的压电驱动器，驱动三维精密运动。

5.气浮轴系的角度位置信号由与电机相连的码盘采集，并通过码盘角度测量电路给计算机内的数据采集控制卡。

6.由计算机内部的控制卡输出的信号给主轴电机控制器，控制伺服电机按给定速度和细分参数等旋转。

7.三维精密工作台的精密扫描运动位置由其工作台内部的三路电容测微仪测得，并由位置检测控制电路传输给计算机。

8.三维粗动工作台的三个方向运动由步进电机驱动，计算机通过粗动工作台电机控制电路控制电机，步进电机尾端的旋钮也可以通过手调来实现工作台的运动。

9.光学显微放大系统(其上装有CCD摄像机)将收集到的视觉信号通过光学显微信号采集系统给计算机的显示器显示被加工状态或测量状态。

本发明装置中，置于机械台体台面1上的粗动工作台2用于调整被加工件与加工头3之间的相互位置；置于支架横梁上端的光学系统4用于显示放大被加工点处的加工状态情况及精密对准情况；安装于粗动工作台上方的主轴系统5用于使被加工件产生精密的回转运动；控制系统6主要用于控制各部件运动及进行各种加工；置于支架横梁下方的加工头部件3用于加工和检测。

利用主轴系统部件上的吸附装置5-1，将被加工件吸附于主轴系统的工作台面上，通过控制系统驱动三维粗动工作台使被加工件的加工点与微探针逼近(主控计算机系统的控制信号通过“粗动工作台电机控制”电路，驱动粗动工作台三个方向的电机工作，完成粗动工作台上的被加工件与加工头上安装的加工探针对准)，并通过控制系统精密调整加工头部件的垂直方向位移使被加工件的加工点与微探针接触，直到接触力达到所设计的加工力(即对好探针后，主控计算机系统的控制信号通过“精密工作台压电控制器”系统控制三维精密工作台沿垂直方向运动，使探针接触被加工件，并压入工件，直到加工头上的激光器发出的经悬臂反射给位置检测器并返回给“测量及加工力控制电路”，经由计算机计算压力满足设计的初始加工压力后，停止工作台向下的继续运动，这时即完成加工前的对刀工作，可以进行三维加工)。这一过程可以从光学系统中观察到。

它的整体工作过程如下：

开机，主控计算机系统的控制信号通过“粗动工作台电机控制电路”，驱动粗动工作台三个方向的电机工作，完成粗动工作台上的被加工件与加工头上安装的加工探针对准。此时，可以由显示器上面观察微探针与工件的对准状态。对好探针后，主控计算机系统的控制信号通过“精密工作台压电控制器”系统控制三维精密工作台沿垂直方向运动，使探针接触被加工件，并压入工件，直到加工头上的激光器发出的经悬臂反射给位置检测器并返回给“测量及加工力控制电路”，经由计算机计算压力满足设计的初始加工压力后，停止工作台向下的继续运动，这时，可以进行三维加工。

如果需要进行圆形加工，利用主轴系统部件上的吸附装置5-1，将被加工件安装于主轴系统轴心上，通过控制系统6驱动三维粗动工作台2使被加工件的加工点与加工头部件上的微探针逼近并通过控制系统精密调整加工头部件的垂直方向位移使被加工件的加工点与微探针接触，直到接触力达到所设计的加工力，这时主控计算机通过控制“主轴电机控制器”，使电机带动主轴系统转动，而加工头部件上的三维精密工作台沿一个方向精密定位移动，形成横向进给，即主控计算机系统的控制信号通过“精密工作台压电控制器”系统控制三维精密工作台作一维精密运动，这时位置信号由精密工作台内部的电容测微仪给“位置检测控制电路”，并将加工横向进给位置参数给计算机系统，实现精密的进给定位；而纵向加工深度控制也由三维精密工作台的垂直方向精密定位移动决定，即加工一层圆形后，由于垂直方向的加工量使加工点与微探针的接触力不再达到所设计的初始加工力要求，则三维精密工作台的垂直方向精密运动，使重新达到接触压力，再进行第二层的圆的加工。这里电机转动的角度由与电机相连的码盘决定，角度通过“码盘角度测量电路”输给计算机进行角度定位。

如果只加工平面形状，则主轴系统可以不进行转动，而直接将被加工件吸附于主轴系统的工作台面上，通过上述的对刀工作，可以直接由探针进行扫描加工，通过计算机控制四象限扫描陶管的“压电扫描运动控制”电路，使扫描陶管按所设计的运动轨迹进行平面形状的加工，可以通过软件编程，将所需的加工形状编译成表达所设计的图形轨迹的软件，由计算机按此软件控制扫描探针进行平面圆、平面方形、平面矩形、平面三角形等的加工，同理，由于垂直方向的加工量使加工点与微探针的接触力不再达到所设计的初始加工力要求，则扫描陶管可以沿垂直方向精密伸长，使重新达到接触压力，再进行第二层的加工。

对于只加工平面形状也可以直接由工作台进行三维扫描加工，即上述的对刀工作完成后，平面圆、平面方形、平面矩形、平面三角形等图形加工程序，由主控计算机系统的控制信号通过“精密工作台压电控制”系统控制三维精密工作台作三维精密扫描运动，既可以完成各种三维形状的精密加工。

如果有更加复杂形状的加工，需要几个运动的复合，则几个控制系统需要联合控制才能达到加工要求。包括轴系精密旋转时，三维精密工作台也同时进行二维或三维的精密运动，则可以在轴的外圆上加工出齿形或正弦波等。

Claims (6)

1.一种微机械零件三维加工装置，它包括机械台体(1)、设置在机械台体(1)上的三维粗动工作台(2)，其特征在于在机械台体(1)上设有加工头部件(3)和光学系统(4)，在三维粗动工作台(2)上设有主轴系统(5)，所述三维粗动工作台(2)、加工头部件(3)、光学系统(4)、主轴系统(5)都与控制系统(6)相连。

2.根据权利要求1所述的微机械零件三维加工装置，其特征在于所述机械台体(1)包括基座(1-1)，基座(1-1)上方通过空气弹簧(1-2)支撑台面(1-3)，台面上设有两个立柱(1-4)，立柱上方设有支架横梁(1-5)。

3.根据权利要求1所述的微机械零件三维加工装置，其特征在于所述三维粗动工作台(2)三个方向的运动从上至下依次为X方向运动、Y方向运动和Z方向运动；

a.X方向工作台面(2-5)与X方向工作台面支撑板(2-6)固联，并通过与X方向工作台面支撑板(2-6)相固联的X方向导块(2-4)安装在X方向工作台导轨(2-2)上，X方向工作台导轨(2-2)位于X方向导轨丝杠(2-8)上，X方向导轨丝杠(2-8)与X方向步进电机(2-22)连接；X方向步进电机(2-22)固联在X方向运动支架(2-1)上，X方向运动支架(2-1)固联Y方向动导轨(2-14)；

b.Y方向动导轨(2-14)平放在Y方向静导轨(2-21)上，Y方向步进电机(2-17)连接Y方向导轨丝杠(2-15)，Y方向步进电机(2-17)同时与Y方向步进电机安装板(2-16)固联，Y方向步进电机安装板(2-16)固连Y方向传动装置安装支架(2-19)及右侧封装板(2-20)，同时右侧封装板(2-20)固连X方向工作台面支撑板(2-6)，且X方向工作台面支撑板(2-6)固连在Z方向动导轨支架体(2-7)上，X方向工作台面支撑板(2-6)即为X方向和Y方向运动的共同支撑面；

c.Z方向调整运动装置设在最下方，并与三维粗动工作台底板(2-9)固连，Z方向调整运动装置包括Z方向步进电机(2-18)，Z方向步进电机(2-18)与斜齿轮(2-13)同轴相连，斜齿轮(2-13)与斜齿条(2-12)啮合相连，斜齿条(2-12)固联在Z方向动导轨(2-11)上，Z方向动导轨(2-11)固联在Z方向动导轨支架体(2-7)上；Z方向静压调整螺钉(2-23)和卸荷弹簧套筒(2-24)安装在一起，并安装在Z方向动导轨支架体(2-7)上，卸载弹簧(2-25)安装在Z方向动导轨支架体(2-7)和三维粗动工作台底板(2-9)之间；

d.左侧封装板(2-10)与右侧封装板(2-20)与三维粗动工作台底板(2-9)固联，三维粗动工作台底板(2-9)上固联着Z方向静导轨(2-3)，在X方向步进电机(2-22)、Y方向步进电机(2-17)、Z方向步进电机(2-18)上均装有手调螺旋(2-26)。

4.根据权利要求1所述的微机械零件三维加工装置，其特征在于所述加工头部件(3)包括三维精密微动工作台(3-1)、连接件(3-2)、反射镜部件调整螺钉(3-3)、探针夹头安装板(3-4)、探针夹头(3-5)、探针(3-6)，位置检测器部件(3-7)、支架(3-8)、激光发生器(3-9)，所述三维精密微动工作台(3-1)的中间设有通孔(3-1-1)，在通孔(3-1-1)边缘设有外沿作为与机械台体(1)连接的连接件(3-2)，探针夹头安装板(3-4)通过支架(3-8)与三维精密微动工作台(3-1)连接，探针夹头安装板(3-4)上安装探针夹头(3-5)，探针夹头(3-5)上装有探针(3-6)，在支架(3-8)上还装有调整螺钉(3-3)、位置检测器部件(3-7)和激光发生器(3-9)，位置检测器部件(3-7)与激光发生器(3-9)呈180度角分布在支架(3-8)的两侧。

5.根据权利要求1所述的微机械零件三维加工装置，其特征在于所述光学系统(4)包括光学系统升降调整机构(4-1)、光学系统支架(4-2)、光学系统主体(4-3)，所述光学系统支架(4-2)设置在机械台体(1)的上方，光学系统主体(4-3)安装在光学系统支架(4-1)上，并通过光学系统升降调整机构(4-1)调整高度，所述光学系统升降调整机构(4-1)包括斜齿条(4-1a)和斜齿轮(4-1b)，斜齿条(4-1a)与光学系统支架(4-2)固接，斜齿轮(4-1b)与斜齿条(4-1a)相啮合。

6.根据权利要求1所述的微机械零件三维加工装置，其特征在于所述主轴系统(5)包括被加工件吸附装置(5-1)、上浮板(5-2)、工作台面(5-3)、主轴(5-4)、轴套(5-5)、轴套座(5-6)、主轴驱动电机(5-7)、挡板(5-8)、电机支架(5-9)，所述轴套座(5-6)固连在粗动工作台(2)上，轴套(5-5)固连在轴套座(5-6)的内部，主轴(5-4)和轴套(5-5)之间设有气室(5-12)，主轴(5-4)安装在轴套(5-5)内部，主轴(5-4)和上浮板(5-2)呈工字型连接，轴套座(5-6)和轴套(5-5)之间的高压空气通过轴套(5-5)上的微小气嘴(5-11)将高压空气传到主轴与轴套之间，所述上浮板(5-2)上固连工作台面(5-3)，工作台面(5-3)上装有吸附装置(5-1)，所述档板(5-8)通过档环(5-10)与轴套(5-5)固连，电机(5-7)固连在电机支架(5-9)上，电机支架(5-9)与档板(5-8)固连在一起，电机(5-7)与主轴(5-4)连接。

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