在回转件上快速加工出大面积三维微纳结构的方法技术

本发明专利技术公开了一种在回转件上快速加工出大面积三维微纳结构的方法。具有测力模块的快速刀具伺服控制系统使用压电致动器伺服控制微金刚石刀具的进给运动，具有测力模块的快速刀具伺服控制系统使用微小力传感器检测金刚石刀具尖端与工件表面的接触力和切削力，当切削刀具与工件接触时，压电致动器开始振荡，微小力传感器输出稳定信号，使用ＰＩＤ控制器对微小力传感器输出的信号和输入的切削深度参数进行运算，将运算结果输出到压电致动器控制切削刀具对工件表面进行加工，实现了在回转件的表面快速加工出大面积三维微纳结构。本发明专利技术避免了传统的微镜头阵列等三维微纳结构加工方法的小面积和耗时长的缺点，具有高精度、快速、大面积的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种。
技术介绍
制造与微镜头阵列等类似的三维微结构的方法有机械加工、光刻、电子束 蚀刻、聚焦离子束加工等。上述的加工方法不但非常耗时，而且并不适合在大 面积范围内进行加工制作，也不能制作诸如非球面等特定形貌的三维微纳结构。采用本专利技术公开的具有测力模块的快速刀具伺服控制系统(FS-FTS, Force Sensitive-Fast Tool Servo)可以避免上述各种制造方法的缺点。 一方面，金刚石 车削作为一种成熟的超精度机械加工方法，传统上经常被用来加工光学元件， 比如多面棱镜，塑料镜头等。金刚石刀具锋利的边缘保证了在切削刀具的运动 得到精确控制的基础上可以精确地加工相对较软的材料，从而得到想要的外形， 包括很复杂的三维曲面。复杂曲面包括镜头阵列等三维微纳结构可以使用多自 由度机床制作，但是微纳结构的大小和数量往往被机床的很窄的带宽限制。另 —方面，FS-FTS系统是增加金刚石切削机床带宽的很好的解决方案。它所采用 的压电陶瓷执行器具有高带宽高硬度的优势，可以允许轻量级的单晶金刚石刀 具实现高速运行。另外，整个系统的成本很低，可以加工多种微结构，具有很 好的经济性。最后本专利技术公开的方法集成了一个力传感器，对整个制造过程进 行有效地监控，从而实现了快速制造大面积高质量的微镜头阵列等三维微纳结 构。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了避免传统的微镜头阵列等三维微纳结构制造方法的小 面积和耗时长的缺点，提供一种在回转件上快速加工出大面积三维微纳结构的 方法。是具有测力模块的快 速刀具伺服控制系统使用压电致动器伺服控制微金刚石刀具的进给运动，具有 测力模块的快速刀具伺服控制系统使用微小力传感器检测金刚石刀具尖端与工 件表面的接触力和切削力，当切削刀具与工件接触时，压电致动器开始振荡， 此时微小力传感器输出稳定信号，使用PID控制器对微小力传感器输出的信号 和输入的切削深度参数进行运算，将运算结果输出到压电致动器控制切削刀具 对工件表面进行加工，从而实现了在回转件的表面快速加工出大面积三维微纳结构。所述的具有测力模块的快速刀具伺服控制系统包括具有测力模块的快速刀具伺服控制装置、PID控制器、驱动放大器，具有测力模块的快速刀具伺服控制 装置包括切削刀具、前罩、连接套、预加载荷、外壳、压电执行器、微小力传 感器、微小力传感器固定器，微小力传感器固定器内设有微小力传感器，微小 力传感器固定器外设有连接套、压电执行器，连接套、压电执行器外设有外壳， 外壳前端内侧设有预加载荷，连接套上设有前罩，前罩上安装切削刀具。本专利技术与
技术介绍
相比具有的有益效果是避免了传统的微镜头阵列等三维 微纳结构加工方法的小面积和耗时长的缺点，只需应用集成了力传感器的 FS-FST系统，由于金刚石切削的高速、高硬度优势，加上精确快速的控制和执 行系统，以及集成的力传感器通过检测刀具和工件的接触情况和刀具的磨损情 况保证了加工的精度，以此为基础提供了一种高精度、快速、大面积、面向多 种材料、在回转件上加工任意三维曲面的微镜头阵列等三维微纳结构的方法。 附图说明图1是具有测力模块的快速刀具伺服控制系统(FS-FTS)的原理框图2是FS-FST系统切削装置和微小力检测装置的结构图3是本专利技术具体实施时加工的工件示意图4是采用FS-FST系统单晶金刚石刀具切削机理示意图中切削刀具l、前罩2、连接套3、预加载荷4、外壳5、压电执行器6、微小力传感器7、微小力传感器固定器8。具体实施例方式是具有测力模块的快 速刀具伺服控制系统使用压电致动器伺服控制微金刚石刀具的进给运动，具有 测力模块的快速刀具伺服控制系统使用微小力传感器检测金刚石刀具尖端与工 件表面的接触力和切削力，当切削刀具与工件接触时，压电致动器开始振荡， 此时微小力传感器输出稳定信号，使用PID控制器对微小力传感器输出的信号 和输入的切削深度参数进行运算，将运算结果输出到压电致动器控制切削刀具 对工件表面进行加工，从而实现了在回转件的表面快速加工出大面积三维微纳 结构。如图l、 2所示，具有测力模块的快速刀具伺服控制系统包括具有测力模块 的快速刀具伺服控制装置、PID控制器、驱动放大器，具有测力模块的快速刀具 伺服控制装置包括切削刀具l、前罩2、连接套3、预加载荷4、外壳5、压电执行器6、微小力传感器7、微小力传感器固定器8，微小力传感器固定器8内设 有微小力传感器7，微小力传感器固定器8外设有连接套3、压电执行器6，连 接套3、压电执行器6外设有外壳5，外壳5前端内侧设有预加载荷4，连接套 3上设有前罩2，前罩2上安装切削刀具1。具有测力模块的快速刀具伺服控制系统(FS-FTS， Force Sensitive-Fast Tool Servo)安装在金刚石车削机床的横轴上，回转件安装在机床的转轴上，使用压 电致动器伺服控制金刚石刀具的进给运动。FS-FST系统结合了力传感器来测量 刀具尖端与工件表面的接触力和切削力。当使得微切削刀具与工件接触时，让 压电致动器以某个特定的频率振荡，此时力传感器的输出是稳定的，同时对工 件表面进行了加工，从而实现了在回转件的表面加工出大面积三维微纳结构。如图3所示是利用FS-FST系统加工的工件(LCD导光板模具)。其中加工 面积可达到lOOOmmxlOOOmm，精度可达到形状误差±1%以下。具体实施方式为选择一个(p55xl50mm铝材回转件，因为只有当工件为回转件时，用FS-FST 系统才可以做到大面积加工。主轴回转数5rpm，加工时间0.5min/line。选择正弦波信号，振幅lOOnm,波长100mm。本专利技术中加工装置运行时工件和刀具运动方向如图4所示，刀具的进给方 向为加工的深度方向，从而控制了三维微纳结构的波形。本专利技术用来驱动单晶金刚石刀具，其刀尖具有大倾斜角度，达30°,有助于 达到很大的切削深度。另外，为了获取更好的动态响应，制造三维微纳结构时 采用PID开环控制，但是此时压电致动器就会产生位移误差。为了消除这个误 差对压电致动器的位移采用了反馈控制。在中空型的压电致动器内装上位移传 感器得到压电致动器真实的位移数据，比较理想状况下的位移与真实的位移可 以计算出这种模式下的误差值，在这个基础上，就可以修正原始的信号，从而 得到理想的三维微纳结构。采用集成了力传感器的FS-FST系统既可以减少切削刀具的破损磨耗也可以 保证整个加工系统的安全运行。权利要求1、一种，其特征在于具有测力模块的快速刀具伺服控制系统使用压电致动器伺服控制微金刚石刀具的进给运动，具有测力模块的快速刀具伺服控制系统使用微小力传感器检测金刚石刀具尖端与工件表面的接触力和切削力，当切削刀具与工件接触时，压电致动器开始振荡，此时微小力传感器输出稳定信号，使用PID控制器对微小力传感器输出的信号和输入的切削深度参数进行运算，将运算结果输出到压电致动器控制切削刀具对工件表面进行加工，从而实现在回转件的表面快速加工出大面积三维微纳结构。2、 根据权利要求1所述的一种在回转件上快速制造大面积微镜头阵列的方 法，其特征在于所述的具有测力模块的快速刀具伺服控制系统包括具有测力模块的快速刀具伺服控制装置、PID控制器、驱动放大器，具有测力模块的快速刀 具伺服控制装置包括切削刀本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在回转件上快速加工出大面积三维微纳结构的方法，其特征在于：具有测力模块的快速刀具伺服控制系统使用压电致动器伺服控制微金刚石刀具的进给运动，具有测力模块的快速刀具伺服控制系统使用微小力传感器检测金刚石刀具尖端与工件表面的接触力和切削力，当切削刀具与工件接触时，压电致动器开始振荡，此时微小力传感器输出稳定信号，使用ＰＩＤ控制器对微小力传感器输出的信号和输入的切削深度参数进行运算，将运算结果输出到压电致动器控制切削刀具对工件表面进行加工，从而实现在回转件的表面快速加工出大面积三维微纳结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：居冰峰，金伟锋，伏明明，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]