一种减小辊筒模具超精密机床加工微结构闭合误差的方法技术

本发明专利技术公开了一种减小辊筒模具超精密机床加工微结构闭合误差的方法，所述方法步骤如下：一、分析超精密机床加工过程中温度变化造成的影响，当温度变化引起辊筒尺寸变化的范围在微米量级，同时要求的辊筒模具微结构闭合节距误差非常小时，则通过对加工程序进行优化以减小微结构闭合节距误差；二、根据加工的辊筒模具直径尺寸与微结构数目及温度变化范围选定多分法需要分区的数目；三、根据步骤二选定的分割次数计算有/无余数时各微结构的角度位置，写出其通项公式并对余数进行处理；四、根据步骤三中计算得到的微结构空间角度分布编写加工程序，实现多分法加工。本发明专利技术对提高微结构辊筒模具加工质量、制造超大尺寸光学转印膜片等具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种减小辊筒模具超精密机床加工微结构闭合误差的方法
本专利技术涉及一种减小超精密机床加工辊筒模具微结构阵列误差的方法，具体涉及一种减小超精密机床加工辊筒模具微结构闭合误差的方法。
技术介绍
具有一定规则特征的微结构表面可使物体具有特殊的物理化学功能，例如可具有超疏水特性、隐身特性及减阻特性等。若对表面微结构的形状、分布及尺寸等参数进行设计就可以满足不同功能需求，因而在航空航天、光电显示、太阳能聚光光伏等领域有着十分广泛的应用。Roll-to-Roll复制加工技术以其高精度、高效率、低成本等优点，成为当前制造大面积、高质量光学微结构的主流生产工艺；而辊筒模具的高精度加工则成为Roll-to-Roll复制成型工艺链的核心技术。辊筒模具是由辊筒模具超精密机床使用金刚石刀具在辊筒表面加工出特定尺寸的微结构而成品的，其加工精度决定了后续Roll-to-Roll复制成型的微结构精度。对于图1所示的辊筒模具微结构刨削加工工艺，由于微结构数量多、刨削速度有限、加工效率低，因此加工时间从开始到结束将历时几小时到数十小时不等。而超精密加工设备在如此长时间内运行必然会受到诸多环境因素影响而产生误差。实验发现，环境温度上升1.8℃时，在设定运行状态下超精密机床变形将会使刀具位置发生飘移，与辊筒表面距离(切深方向)变化2.8μm，严重影响加工精度。而在加工中辊筒模具若始终以同一方向进行步进转动，则刀具空间位置的累计误差全部体现在最后一条与第一条之间；另外，超精密机床C轴回转误差也将会累积到第一条与最后一条微结构之间。这些因素都会导致最后一条和第一条横槽的节距与设计值偏差很大，如图2所示。这种带有接缝误差的辊筒模具在Roll-to-Roll压印过程中辊筒每滚过1圈就会有1个较大的误差，其复制成型的微结构产品明显带有周期性的节距误差，而不能实现其功能需求。因此，为了使辊筒模具满足Roll-to-Roll复制成型的技术要求，有必要采取工艺优化措施，将微结构加工的闭合节距误差规避或降低。
技术实现思路
本专利技术基于微结构辊筒模具超精密加工设备与加工工艺，提供了一种辊筒模具超精密机床及利用其减小辊筒模具超精密机床加工微结构闭合误差的方法，对提高微结构辊筒模具加工质量、制造超大尺寸光学转印膜片等具有重要意义。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种辊筒模具超精密机床，包括头架主轴、辊筒模具、B轴、金刚石刀具、拖链支撑滑台、尾架主轴、机床床身、Z轴、X轴、主轴制动器，其中：所述辊筒模具安装在头架主轴和尾架主轴之间；所述头架主轴固定安装在机床床身的一端，尾架主轴安装在机床床身的另一端，可沿Z轴方向移动以适应辊筒模具长度变化；所述主轴制动器安装在头架主轴和尾架主轴的尾端；所述B轴固定安装在X轴上，X轴与Z轴为十字滑块式布置；所述金刚石刀具固定安装在B轴上。一种利用上述辊筒模具超精密机床减小辊筒模具超精密机床加工微结构闭合误差的方法，为减小辊筒模具表面微结构的闭合误差，需要通过多分法进行加工，具体包括如下步骤：一、辊筒模具微结构加工基于辊筒模具超精密机床开展，分析超精密机床加工过程中温度变化造成的影响，当温度变化引起辊筒尺寸变化的范围在微米量级，同时要求的辊筒模具微结构闭合节距误差非常小(即：节距误差小于节距值/1000)时，则通过对加工程序进行优化以减小微结构闭合节距误差。二、根据加工的辊筒模具直径尺寸与微结构数目及温度变化范围选定多分法需要分区的数目，如果要求槽类微结构节距精度高则采用高分数，如果要求低则采用低分数，所述多分法指2n(n为正整数)次分割法，即：将辊筒圆周方向进行偶数份分割，则每一份区域中的微结构数目等于微结构总数与区域份数之比。三、根据步骤二选定的分割次数计算有/无余数时各微结构的角度位置，写出其通项公式并对余数做特殊处理。本步骤中，由于多分法具有较为灵活的角度位置分配方法，因此可以根据实际的要求进行自主设计通项公式；但是需要遵守的原则是尽量优化微结构在辊筒模具表面的加工顺序，在一定的时间内，多个角度位置的微结构尽量都能够兼顾到加工，从而使得温度造成的误差在辊筒表面重新分布。本步骤中，余数特殊处理的方法为：圆周方向上需将无余数部分的位置连续安排好，还会有一定区域未将圆周占满，则留给余数部分的微结构均分，并且余数部分的微结构角度位置也按照一定的顺序排好，便于编写加工程序；在加工过程中，不妨设余数为a，则前a个循环需要加工无余数和余数位置的微结构；a次循环加工以后，余数部分的微结构加工结束，则只需要进行无余数部分的微结构循环加工。四、根据步骤三中计算得到的微结构空间角度分布编写加工程序，实现多分法加工，控制加工过程中的循环次数等于每一份加工区域内的微结构数目，并且每个循环内，在每个加工区域内加工一条微结构；如果数控系统不支持循环程序则采用数组的形式上传规律分布的微结构的空间角度位置，如果数控系统支持循环程序则在数控程序中直接编写通项公式。本专利技术具有如下优点：1、本专利技术基于辊筒模具超精密加工机床开展微结构超精密金刚石切削加工，利用优化的微结构加工顺序使得温度波动造成的刀具位置累计误差在辊筒表面以特定顺序分布，减小微结构闭合节距误差。2、通过本专利技术的方法，可将温度变化导致的累计误差均分到整个加工过程，从而有效地减小超精密辊筒模具微结构加工的闭合节距误差，进而保证Roll-to-Roll复制成型的加工质量。3、本专利技术为提高微结构加工质量，采用多分法进行辊筒模具表面微结构加工，减小热变形累计误差，使得温度造成的刀具位置的累计误差在辊筒表面重新分布，减小辊筒模具表面横槽的加工节距误差并能够闭合。4、本专利技术的多分法加工区别于沿周向连续加工整周横槽的一般方法，通过改变圆周方向上各个位置横槽的加工顺序，保证相邻两个微结构加工的时间间隔尽量一致，从而将环境热导致的机床变形误差分布在整个加工过程中，因此最终闭合处无接缝。5、本专利技术以四分法为例，提供了多分法在实施过程中涉及到的微结构对应角度位置通项求解以及分割余数的处理方法，有效地解决了辊筒模具微结构加工过程中出现的节距误差过大以及周向不闭合问题。附图说明图1是辊筒模具超精密机床加工周向闭合横槽微结构示意图。图2是辊筒模具超精密机床加工周向闭合斜槽微结构示意图。图3是热变形引起辊筒模具表面横槽、斜槽微结构节距误差原理示意图，图中Δx为加工过程中温度变化造成的刀具相对于辊筒模具的位置变化，ΔX1为横槽之间节距的理论值，ΔX2为传统方法加工后周向闭合处微结构的节距值，由于热误差导致其与理论节距值ΔX1不同。图4是热变形引起的金刚石刀具刀尖位置随时间变化示意图。图5是二分法加工微结构减小节距误差原理示意图。图6是四分法加工微结构减小节距误差原理示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。如图1所示，所述辊筒模具超精密加工机床包括头架主轴1、辊筒模具2、B轴3、金刚石刀具4、拖链支撑滑台5、尾架主轴6、机床床身7、Z轴8、X轴9、主轴制动器10，其中：所述辊筒模具2安装在头架主轴1和尾架主轴6之间，可实现回转运动；所述头架主轴1固定安装在机床床身7的一端，尾架本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种辊筒模具超精密机床，其特征在于所述辊筒模具超精密机床包括头架主轴、辊筒模具、B轴、金刚石刀具、拖链支撑滑台、尾架主轴、机床床身、Z轴、X轴、主轴制动器，其中：所述辊筒模具安装在头架主轴和尾架主轴之间；所述头架主轴固定安装在机床床身的一端，尾架主轴安装在机床床身的另一端，可沿Z轴方向移动以适应辊筒模具长度变化；所述主轴制动器安装在头架主轴和尾架主轴的尾端；所述B轴固定安装在X轴上，X轴与Z轴为十字滑块式布置；所述金刚石刀具固定安装在B轴上。

【技术特征摘要】
1.一种辊筒模具超精密机床，其特征在于所述辊筒模具超精密机床包括头架主轴、辊筒模具、B轴、金刚石刀具、拖链支撑滑台、尾架主轴、机床床身、Z轴、X轴、主轴制动器，其中：所述辊筒模具安装在头架主轴和尾架主轴之间；所述头架主轴固定安装在机床床身的一端，尾架主轴安装在机床床身的另一端，可沿Z轴方向移动以适应辊筒模具长度变化；所述主轴制动器安装在头架主轴和尾架主轴的尾端；所述B轴固定安装在X轴上，X轴与Z轴为十字滑块式布置；所述金刚石刀具固定安装在B轴上。2.一种利用权利要求1所述辊筒模具超精密机床减小辊筒模具超精密机床加工微结构闭合误差的方法，其特征在于所述方法步骤如下：一、辊筒模具微结构加工基于辊筒模具超精密机床开展，分析超精密机床加工过程中温度变化造成的影响，当温度变化引起辊筒尺寸变化的范围在微米量级，同时要求的辊筒模具微结构闭合节距误差小于节距值/1000时，则通过对加工程序进行优化以减小微结构闭合节距误差；二、根据加工的辊筒模具直径尺寸与微结构数目及温度变化范围选定多分法需要分区的数目；三、根据步骤二选定的分割次数计算有/无余数时各微结构的角度位置，写出其通项公式并对余数进行处理；四、根据步骤三中计算得到的微结构空间角度分布编写加工程序，实现多分法加工。3.根据权利要求2所述的减小辊筒模具超精密机床加工微结构闭合误差的方法，其特征在于所述步骤二中，多分法指2n次分割法，n为正整数，即：将辊筒圆周方向进行偶数份分割，则每一份区域中的微结构数目等于微结构总...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴言功，乔政，王波，刘远航，张鹏，韩睿，刘玉涛，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23