一种微结构高精度压印加工方法技术

本发明专利技术公开了一种微结构高精度压印加工方法，属于微纳结构制造技术领域。微结构压印装置刚性固定于Z向平移台，并通过Z向平移台支撑结构固定于工作台上；工件固定于由X向平移台和Y向平移台构成的XY轴二维平移台上，二维平移台同样固定于工作台上。微结构压印装置设计为：压电叠堆驱动器可驱动微结构压印头伸缩，微结构压印头压印工件时产生的压力使柔性运动部位位移，此位移量可由位移传感器实时测量。本发明专利技术方法通过控制系统以控制微结构压印头的压印深度为目的并结合压电叠堆驱动器快速响应、精准定位的特点，能够实现一定深度的微结构高精度快速压印加工。微结构高精度快速压印加工。微结构高精度快速压印加工。

【技术实现步骤摘要】
一种微结构高精度压印加工方法


[0001]本专利技术属于微纳结构制造
，涉及一种微结构高精度压印加工方法。

技术介绍

[0002]微纳结构表面具有一定的物理、化学等功能，如有些微纳结构表面能实现防菌、减阻、防污等效果。另外，一些高精度的微纳结构，如多相交线阵组成的线槽组织和微槽结构、棱柱体基体、棱锥体基体以及特殊反射面涂层、薄膜的微观结构等，在成像、探测、太阳能等高科技领域有着广泛应用前景。具有一定精度的微纳结构大多采用3D打印材料堆积成型、聚焦离子束加工、电子束加工、激光加工、快刀伺服技术等，但这些加工方法依赖于昂贵的设备、严苛的加工工艺及加工条件，如需要通过精密或者超精密设备且在防振、防尘、恒温等严苛的条件下实现，加工成本高，限制了微纳结构表面的广泛应用。另外，对于在有些材料的复杂微结构表面上进一步加工微纳结构，采用上述方法的加工工艺将会更加复杂，加工成本更高。

技术实现思路

[0003]针对以上问题，本专利技术提供了一种微结构高精度压印加工方法，基于本专利技术中的加工方法可以实现对微纳结构甚至在较为复杂的微纳结构上进一步加工微纳结构的高精度低成本加工。
[0004]本专利技术的目的通过如下技术方案实现：
[0005]一种微结构高精度压印加工方法，该方法包括如下步骤：
[0006]步骤一：将微结构压印装置刚性固定于Z向平移台，并通过Z向平移台支撑结构固定于工作台上；工件固定于由X向平移台和Y向平移台构成的XY轴二维平移台上，二维平移台同样固定于工作台上。微结构压印装置的结构特征为：微结构压印头固定在柔性运动部位上，压电叠堆驱动器可通过伸长缩短，驱动柔性运动部位将位移量传递到微结构压印头；微结构压印头在工件表面压印时产生的压力将使另一柔性运动部位产生相应的位移，压电叠堆驱动器的预紧螺栓固定于此柔性运动部位，位移传感器可通过测量预紧螺栓来精确获取此柔性运动部位的位移。
[0007]步骤二：获取微结构压印头压印到所要加工的微结构最低处时的位移传感器测量预紧螺栓的测量值，将此测量值作为反馈控制系统中的目标值。
[0008]步骤三：通过Z向平移台调整微结构压印头与工件的初始位置，并确保微结构压印头和工件的相对距离控制在微结构压印头伸缩的精确控制范围内，驱动电动平移台移动，使压印头以设定的目标值在加工表面进行微结构压印。如加工表面与压印装置相对位置发生变化，在间隔的下一次压印过程中，控制系统实时比较位移传感器的测量值与目标值，控制压电叠堆驱动器驱动微结构压印头伸缩，直至位移传感器的测量值与目标值一致，从而实现一定深度的微结构高精度压印。
[0009]进一步地，步骤三中，闭环反馈控制系统中的控制参数应调整为能使微结构压印
头快速响应且不产生过冲现象，避免微结构压印深度大于所要加工微结构的设定深度。
[0010]进一步地，步骤二、三中，预紧螺栓被位移传感器测量的端面表面质量应使位移传感器能测得微结构压印头的纳米级位置变化。
[0011]本专利技术的优点在于：以控制微结构压印头的压印深度为目的并结合压电叠堆驱动器快速响应、精准定位的特点，除能够在常规平面进行快速且一定深度的微结构高精度压印加工外，还能在小曲率曲面（微观近似平面的曲面）或平面高低不一的微结构，如槽栅型微结构、方柱阵列微结构等上进一步加工一定深度的高精度微结构；实现本专利技术方法的结构设计简单、成本低，在不占用精密甚至超精密设备资源的条件下可实现高精度微结构的高附加值产品加工。
附图说明
[0012]图1是本专利技术实施例的加工装置图；
[0013]图2是本专利技术实施例的微结构压印装置图；
[0014]图3是本专利技术的Z向一定深度高精度微结构压印原理图；
[0015]图4是本专利技术的在微结构上进一步压印微结构实例图。
具体实施方式
[0016]下面结合附图进一步说明本专利技术的详细内容及其具体实施方式。
[0017]一种微结构高精度压印加工方法，该方法包括如下步骤：
[0018]步骤一：由图1所示，为加大微结构压印装置3在工件表面的压印范围，使用延长块2将微结构压印装置3与Z向高精度平移台1刚性固定，Z向高精度平移台1通过Z向高精度平移台支撑结构8固定于工作台6上。工件7固定在由X向高精度平移台4和Y向高精度平移台5构成的XY轴二维平移台上，此二维平移台同样固定在工作台6上。由图2所示，微结构压印装置3的结构为：圆锥型压印头（根据所需压印微结构的特点，可选用不同形状的压印头，如三棱状或四棱状压印头等）14固定在左右两端为直圆型柔性铰链（柔性铰链结构不限定，如也可采用直梁型柔性铰链）13的柔性运动部位上，为使此柔性运动部位驱动压印头14实现高频高精度的位移，采用了压电叠堆驱动器12，并通过预紧螺栓10对压电叠堆驱动器12进行预紧，预紧螺栓10固定在左右两端同样为直圆型柔性铰链11的柔性运动部位上。通过柔性铰链的设计，压电叠堆驱动器12驱动压印头14伸缩但未压印工件时不会使预紧螺栓10产生相应的位移，而当压电叠堆驱动器12驱动压印头14伸缩且压印工件产生压力时会致使预紧螺栓10产生相应的位移，此位移量由固定在微结构压印装置3后端的电容式位移传感器9实时精确测量。
[0019]步骤二：获取微结构压印头14压印到所要加工微结构最低处时的电容式位移传感器9测量预紧螺栓10的测量值，将此测量值作为反馈控制系统中的目标值。获取该测量值（目标值）的具体实施方法为：将另一电容式位移传感器与微结构压印头14刚性固定，此电容式位移传感器可测量加工时微结构压印头14与工件7间的相对位移变化，该变化的位移值即为微结构的压印深度，当此电容式位移传感器测得的位移值达到所要加工微结构的深度值时，记录电容式位移传感器9的测量值，此测量值即为目标值。该实施方法的前提为所压印材料不发生回弹，即压印深度为所压印微结构的深度。若压印材料发生一定的回弹，可
根据不断尝试加深压印深度并测量微结构回弹后的最终深度，当达到所需微结构的深度时，记录电容式位移传感器9的测量值。
[0020]步骤三：通过调整Z向高精度平移台1来调节微结构压印头14与工件7间的初始相对距离，确保在加工过程中该距离处于压电叠堆驱动器12的有效工作范围内（高响应频率、高定位精度），驱动电动平移台移动，使微结构压印头14以设定的目标值在加工表面进行微结构压印。如图3所示，在进给方向上，如加工表面与压印装置相对位置发生变化，在间隔的下一次压印过程中，反馈控制系统实时将电容式位移传感器9的测量值与目标值比较，不断控制压电叠堆驱动器12驱动微结构压印头14伸缩，直至位移传感器9的测量值与目标值一致，从而实现一定深度的微结构高精度压印。
[0021]在该实施方法中采用了I
‑
PD的反馈控制法（但不限于此控制方法），闭环反馈控制系统中的控制参数应调整为能使微结构压印头快速响应且不产生过冲现象，避免微结构压印深度大于所要加工微结构的设定深度。
[0022]图4为在槽栅型微结构表面上进一步加工出微结构的示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微结构高精度压印加工方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一：将微结构压印装置刚性固定于Z向平移台，并通过Z向平移台支撑结构固定于工作台上；工件固定于由X向平移台和Y向平移台构成的XY轴二维平移台上，二维平移台同样固定于工作台上。微结构压印装置的结构特征为：微结构压印头固定在柔性运动部位上，压电叠堆驱动器可通过伸长缩短，驱动柔性运动部位将位移量传递到微结构压印头；微结构压印头在工件表面压印时产生的压力将使另一柔性运动部位产生相应的位移，压电叠堆驱动器的预紧螺栓固定于此柔性运动部位，位移传感器可通过测量预紧螺栓来精确获取此柔性运动部位的位移；步骤二：获取微结构压印头压印到所要加工的微结构最低处时的位移传感器测量预紧螺栓的测量值，将此测量值作为反馈控制系统中的目标值；步骤三：通过Z向平移台调整微结构压印头与工件的初始位置，并...

【专利技术属性】
技术研发人员：王金辉，姜珊珊，田业冰，
申请(专利权)人：潍坊科技学院，
类型：发明
国别省市：