专利名称：基于动铁式电-机械转换器的大幅面微结构加工系统及其加工方法
技术领域：
本发明涉及一种基于动铁式电-机械转换器的大幅面微结构加工系统及其加工方法，主要应用于大幅面微结构元件的加工和批量生产。
背景技术：
面形精度达亚微米级、表面粗糙度达纳米级的微结构表面，常见于微光学元件、微传感器、微电子元件等，在军事、航空航天和民用工业等领域具有重要的应用价值和应用前景。现有技术的微结构加工方法主要有刻蚀法和基于快速刀具伺服(Fast Tool Servo, FTS)的车削加工法。离子交换法、熔融光刻胶法等刻蚀技术，不适用于加工复杂结构的微结构元件。基于快速刀具伺服的加工法能够加工复杂三维结构，加工零件的深宽比大，成形精度达亚微米级，表面粗糙度达纳米量级，而且适用于多种材料的加工，成本低，周期短。现有技术的快速刀具伺服，一般为压电陶瓷(PZT)驱动，HaraJhamoto、Moriwaki和Kim等人研制的多种压电陶瓷驱动快速刀具伺服，行程达几十微米，频响达2kHz以上，但压电陶瓷 (PZT)存在严重的迟滞现象，需采用反滞环补偿等方法，才能得到较高的定位精度和良好的动态性能。此外，Douglass等人研制的音圈马达(VCM)式快速刀具伺服，频响可达1kHz，工作行程达40;动铁式电-机械转换器的频响较高，输出力(矩)大，输出线性较好，是快速刀具伺服研究的重要方向，如Richard Montesanti等人研制的动铁式电-机械转换器快速刀具伺服，行程达几十微米，频响达几千赫兹。现有技术的快速刀具伺服加工系统，如Precitech公司的Nanoform 200等，在精密车床上安装快速刀具伺服作为辅助加工轴，所加工的表面视为由基面(即回转曲面，含对称与非对称)和基面上的微结构组成，其中基面的轨迹由精密车床的数控程序驱动进给方向及进刀方向的溜板实现，微结构则由快速刀具伺服实现，该系统只能加工工件的端面， 所能加工的工件表面较小。而目前广泛使用的微结构元件(如液晶显示器中的背光模组等)的幅面较大，现有技术已无法满足其生产要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，而提供一种能实现微结构元件的加工与批量生产，加工精度高，幅面大，速度快的基于动铁式电-机械转换器的大幅面微结构加工系统及其加工方法。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是一种基于动铁式电-机械转换器的大幅面微结构加工系统，所述的光电编码器与主传动机构相连，金刚石刀具与金刚石规尺分别安装于电-机械转换器上，电-机械转换器与浮动刀架相连，浮动刀架与进给机构、 光栅尺分别相连，控制器与电-机械转换器、主传动机构、进给机构、光电编码器、光栅尺以及带有控制程序发计算机分别相连。
所述的电-机械转换器包括上弹性装置、下弹性装置、衔铁、转轴、永久磁钢、左导磁体、右导磁体、左导磁块、右导磁块、左控制线圈、右控制线圈和壳体。衔铁固定在转轴上；转轴的上、下两端分别由结构相同的上弹性装置和下弹性装置支撑，上弹性装置和下弹性装置分别固定在壳体上，共同形成电-机械转换器的高刚度弹簧；左控制线圈、右控制线圈分别固定在左导磁体和右导磁体上；左导磁体与衔铁共同形成气隙δ ρ S3，右导磁体与衔铁共同形成气隙δ2、S4;金刚石刀具安装在转轴上，金刚石规尺固定在壳体上，壳体固定在浮动刀架上。永久磁钢产生极化磁场，使衔铁处于最佳工作状态，经调整，使衔铁在两个控制线圈未输入电流时处于中位和相对平衡状态，各气隙的长度一致；当左控制线圈和右控制线圈分别输入一定极性的电流时，产生控制磁场，控制磁场与极化磁场差动叠加，气隙δ ρ ~的磁场增强，而δ2、S3的减弱，衔铁受力不再平衡，在电磁力矩的作用下，克服上弹性装置、下弹性装置的弹力矩和负载力矩，向磁场增强方向转动一个角度，直至电磁力矩与上弹性装置、下弹性装置的弹力矩和负载力矩达到平衡为止；当输入电流极性相反时， 衔铁向另一方向转动。所述进给机构包括进给电机、丝杠和导轨，所述的丝杠与进给电机、浮动刀架分别相连，进给电机与控制器相连，浮动刀架安装在导轨上。所述主传动机构包括主电机、减速器和主轴，所述的减速器与主电机、主轴相连， 主电机与控制器相连，主轴与光电编码器相连。所述控制器包括主控制单元、数据输入单元、主轴位置检测单元、进给位置检测单元、主驱动单元、副驱动单元和电-机械转换器驱动单元；主控制单元是以DSP为处理器的嵌入式微处理系统，由DSP及外围接口电路、数据缓存和输入输出接口组成；数据输入单元是基于SCSI总线的数据接口电路；数据输入单元的数据输入接口通过SCSI总线与计算机相连，其控制输入接口与主控制单元的输出接口相连，其数据输出接口与主控制单元的输入接口相连；主轴位置检测单元的输入接口与光电编码器相连，主轴位置检测单元的输出接口与主控制单元的输入接口相连；进给位置检测单元的输入接口与光栅尺相连，进给位置检测单元的输出接口与主控制单元的输入接口相连；主驱动单元和副驱动单元的输入接口分别与主控制单元的输出接口相连，主驱动单元的输出接口与主电机相连，副驱动单元的输出接口与进给电机相连。所述电-机械转换器驱动单元包括数模转换电路(D/A)和功率放大器，所述数模转换器(D/A)的输入接口与主控制单元的输出接口相连，数模转换电路(D/A)的输出接口与功率放大器的输入接口相连，功率放大器的输出接口与电-机械转换器相连。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案还包括一种如上所述的基于动铁式电-机械转换器的大幅面微结构加工系统的加工方法，包括以下步骤
1)、采用光学设计软件如TracePro、机械设计软件如Pro-E进行微结构设计，形成设计文件；
2)、设计文件转换成加工轨迹数据；
3)、加工轨迹数据转换成电-机械转换器、主电机、进给电机的控制信号，分别加载并驱动电-机械转换器、主电机、进给电机；
4)、精密车削加工工件，形成模具；
5)、采用热压印等后处理工艺对微结构进行复制。
本发明采用动铁式电-机械转换器作为执行元件，对辊筒式工件的外圆表面进行加工，为大幅面微结构元件的加工和批量生产提供一种高速、精密加工系统及加工方法。本发明具有以下技术优点和效果
1、采用高频动铁式电-机械转换器作为执行元件，加工速度快、精度高；
2、采用辊筒式工件，在其外圆表面上进行微结构加工，幅面大；
3、采用浮动刀架和金刚石规尺，实时保持金刚石刀具与工件的外圆表面间距一致，克服工件形位误差可能给加工带来的误差，提高了加工精度；
4、采用轨迹加工法，加工速度快。
图1为本发明所述主要机构的立体结构示意图2为本发明选用的动铁式电-机械转换器的结构示意图； 图3为本发明所述控制系统的示意图； 图4为本发明所述加工方法的流程图。图中所示的标号为主电机1，光电编码器2，减速器3，进给电机4，主轴5，丝杠6， 导轨7，浮动刀架8，金刚石刀具9，金刚石规尺10，电-机械转换器11，光栅尺12，工件13， 下弹性装置14，左导磁体15，左控制线圈16，上弹性装置17，转轴18，右控制线圈19，衔铁 20，右导磁体21，左导磁块22，永久磁钢23，右导磁块M，内圈25，高刚度钢片26，外圈27， 支座观，计算机四，控制器30。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。图1、2、3所示，本发明主要包括计算机四、控制器30、电-机械转换器11、主传动机构、进给机构、浮动刀架8、光电编码器2和光栅尺12，所述的光电编码器2与主传动机构相连，金刚石刀具与金刚石规尺分别安装于电-机械转换器11上，电-机械转换器11与浮动刀架8相连，浮动刀架8与进给机构、光栅尺12分别相连，控制器30与电-机械转换器11、主传动机构、进给机构、光电编码器2、光栅尺12以及带有控制程序发计算机四分别相连。所述的进给机构包括进给电机4、丝杠6和导轨7，所述丝杠6与进给电机4、 浮动刀架8分别相连，浮动刀架8安装在导轨7上；主传动机构包括主电机1、减速器3和主轴5，所述减速器3与主电机1、主轴5分别相连，主轴5与光电编码器2相连；金刚石刀具9、金刚石规尺10分别安装于电-机械转换器11上，电-机械转换器11与浮动刀架8相连，浮动刀架8与光栅尺12相连；工件13与主轴5相连，金刚石规尺10在浮动刀架8的弹力作用下与工件13的外圆表面实时保持接触，使金刚石刀具9与工件13的外圆表面的间距始终保持不变，克服工件13的形位误差可能给加工带来的误差；控制器30与电-机械转换器11、主电机1、进给电机4、光电编码器2、光栅尺12以及计算机四分别相连；计算机四设置有控制程序。本发明选用的电-机械转换器11包括上弹性装置17、下弹性装置14、衔铁20、转轴18、永久磁钢23、左导磁体15、右导磁体21、左导磁块22、右导磁块Μ、左控制线圈16、右控制线圈19和壳体(图中未示出)。所述的衔铁20固定在转轴18上；上弹性装置17和下弹性装置14分别由外圈27、内圈25、4片高刚度弹簧钢片沈和支座观组成；4片高刚度弹簧钢片沈均经过热处理，其一端固定于内圈25上，另一端固定于外圈27上，且呈轮辐状对称布置，外圈27固定于支座28上；上弹性装置17和下弹性装置14的内圈25分别与转轴 18的上端、下端相连，上弹性装置17和下弹性装置14的支座观则分别固定于电-机械转换器11的壳体(图中未示出)上，共同为转轴18提供高刚度弹性支撑，形成电-机械转换器11的高刚度弹簧；左控制线圈16固定在左导磁体15上，右控制线圈19固定在右导磁体 21上；左导磁体15与衔铁20共同形成气隙δ ρ J3，右导磁体21与衔铁20共同形成气隙 δ2、Si ；金刚石刀具9安装在转轴18上，金刚石规尺10固定在壳体上，壳体固定在浮动刀架8上。永久磁钢10产生极化磁场，使衔铁7处于最佳工作状态，经调整，使衔铁7在左控制线圈16和右控制线圈19未输入电流时处于中位和相对平衡状态，各气隙长度一致。当左控制线圈16和右控制线圈19分别输入一定极性的电流时，产生控制磁场，控制磁场与极化磁场差动叠加，气隙、~的磁场增强，而々,、~的减弱，衔铁20受力不再平衡，在电磁力矩的作用下，克服上弹性装置17、下弹性装置14的弹力矩和负载力矩，向磁场增强方向转动一个角度，直至电磁力矩与上弹性装置17、下弹性装置14的弹力矩和负载力矩达到平衡为止；当输入电流极性相反时，衔铁20向另一方向转动。实验结果表明，电-机械转换器11的最大角位移为0. 0065rad，其非线性度小于0. 5% ；导磁材料的磁滞特性导致电_机械转换器11的静态特性存在磁滞现象，但滞回较小，约为1. 8% ；电-机械转换器11的频响 (-3dB)达10. 5kHz。金刚石刀具9的刀柄长度为10_，因此，加工深度达0. 065mm。本发明所述的控制器30包括主控制单元、数据输入单元、主轴位置检测单元、进给位置检测单元、主驱动单元、副驱动单元和电-机械转换器驱动单元。主控制单元是以 DSP为处理器的嵌入式微处理系统，由DSP及外围接口电路、数据缓存和输入输出接口组成；数据输入单元是基于SCSI总线的数据接口电路，数据输入单元的数据输入接口通过 SCSI总线与计算机四相连，其控制输入接口与主控制单元的输出接口相连，其数据输出接口与主控制单元的输入接口相连；主轴位置检测单元的输入接口与光电编码器2相连，主轴位置检测单元的输出接口与主控制单元的输入接口相连；进给位置检测单元的输入接口与光栅尺12相连，进给位置检测单元的输出接口与主控制单元的输入接口相连；主驱动单元和副驱动单元的输入接口分别与主控制单元的输出接口相连，主驱动单元的输出接口与主电机1相连，副驱动单元的输出接口与进给电机4相连。电-机械转换器驱动单元由数模转换电路(D/A)、功率放大器组成。数模转换器(D/A)的输入接口与主控制单元的输出接口相连，数模转换电路(D/A)的输出接口与功率放大器的输入接口相连，功率放大器的输出接口与电-机械转换器11相连。图4所示，本发明解决上述技术问题所采用的技术方案包括基于动铁式电-机械转换器的大幅面微结构加工系统的加工方法，包括以下步骤
1)、采用光学设计软件如TracePro、机械设计软件如Pro-E进行微结构设计，形成设计文件；
2)、设计文件转换成加工轨迹数据；
3)、加工轨迹数据转换成电-机械转换器11、主电机1、进给电机4的控制信号，分别加载并驱动电-机械转换器11、主电机1、进给电机4 ；
4)、精密车削工件13，形成模具；
5)、采用热压印等后处理工艺对微结构进行复制。具体实施时，通过设计形成微结构的设计文件，设计文件经过计算机四的控制程序中的轨迹数据生成软件转换为加工轨迹数据后，送到控制器30中；控制器30检测光电编码器2、光栅尺12的信号分别作为金刚石刀具9在工件13圆周方向和进给方向上的位置， 并控制主电机1、进给电机4动作，主电机1通过减速器3和主轴5带动工件13转动，并控制金刚石刀具9在工件13圆周方向上的位置，进给电机4通过丝杠6控制金刚石刀具9在导轨7上的位置，同时，控制器30通过数模转换电路(D/A)和功率放大器驱动电-机械转换器11动作，带动金刚石刀具9对工件13的外圆表面进行精密车削加工，从而在其表面上加工出微结构，形成模具；然后采用热压印等后处理等工艺，将微结构复制到热固树脂等材料上，实现大幅面微结构元件的批量加工。本发明的等效变换均应认为落入本发明的保护范围。
权利要求
1.一种基于动铁式电-机械转换器的大幅面微结构加工系统，它主要包括计算机、控制器、电-机械转换器、主传动机构、进给机构、浮动刀架、光电编码器和光栅尺，其特征在于所述的光电编码器与主传动机构相连，金刚石刀具与金刚石规尺分别安装于电-机械转换器上，电-机械转换器与浮动刀架相连，浮动刀架与进给机构、光栅尺分别相连，控制器与电-机械转换器、主传动机构、进给机构、光电编码器、光栅尺以及带有控制程序发计算机分别相连。
2.根据权利要求1所述的基于动铁式电-机械转换器的大幅面微结构加工系统，其特征在于所述的电-机械转换器包括上弹性装置、下弹性装置、衔铁、转轴、永久磁钢、左导磁体、右导磁体、左导磁块、右导磁块、左控制线圈、右控制线圈和壳体；所述的衔铁固定在转轴上，转轴的上、下两端分别由结构相同的上弹性装置和下弹性装置支撑，上弹性装置和下弹性装置分别固定在壳体上，共同形成电-机械转换器的高刚度弹簧；左控制线圈、右控制线圈分别固定在左导磁体和右导磁体上；左导磁体与衔铁共同形成气隙δ” 53，右导磁体与衔铁共同形成气隙δ2、S4 ；金刚石刀具安装在转轴上，金刚石规尺固定在壳体上，壳体固定在浮动刀架上；永久磁钢产生极化磁场，使衔铁处于最佳工作状态，经调整，使衔铁在两个控制线圈未输入电流时处于中位和相对平衡状态，各气隙的长度一致；当左控制线圈和右控制线圈分别输入一定极性的电流时，产生控制磁场，控制磁场与极化磁场差动叠力口，气隙δ ρ Si的磁场增强，而δ2、~的减弱，衔铁受力不再平衡，在电磁力矩的作用下， 克服上弹性装置、下弹性装置的弹力矩和负载力矩，向磁场增强方向转动一个角度，直至电磁力矩与上弹性装置、下弹性装置的弹力矩和负载力矩达到平衡为止；当输入电流极性相反时，衔铁向另一方向转动。
3.根据权利要求1所述的基于动铁式电-机械转换器的大幅面微结构加工系统，其特征在于所述进给机构包括进给电机、丝杠和导轨；所述的丝杠与进给电机、浮动刀架分别相连，进给电机与控制器相连，浮动刀架安装在导轨上。
4.根据权利要求1所述的基于动铁式电-机械转换器的大幅面微结构加工系统，其特征在于所述主传动机构包括主电机、减速器和主轴；所述的减速器与主电机、主轴相连， 主电机与控制器相连，主轴与光电编码器相连。
5.根据权利要求1或4所述的基于动铁式电-机械转换器的大幅面微结构加工系统， 其特征在于所述控制器包括主控制单元、数据输入单元、主轴位置检测单元、进给位置检测单元、主驱动单元、副驱动单元和电-机械转换器驱动单元；所述的主控制单元是以DSP 为处理器的嵌入式微处理系统，由DSP及外围接口电路、数据缓存和输入输出接口组成；数据输入单元是基于SCSI总线的数据接口电路；数据输入单元的数据输入接口通过SCSI总线与计算机相连，其控制输入接口与主控制单元的输出接口相连，其数据输出接口与主控制单元的输入接口相连；主轴位置检测单元的输入接口与光电编码器相连，主轴位置检测单元的输出接口与主控制单元的输入接口相连；进给位置检测单元的输入接口与光栅尺相连，进给位置检测单元的输出接口与主控制单元的输入接口相连；主驱动单元和副驱动单元的输入接口分别与主控制单元的输出接口相连，主驱动单元的输出接口与主电机相连， 副驱动单元的输出接口与进给电机相连。
6.根据权利要求5所述的基于动铁式电-机械转换器的大幅面微结构加工系统，其特征在于所述电-机械转换器驱动单元包括数模转换电路(D/A)和功率放大器；所述数模转换器(D/A)的输入接口与主控制单元的输出接口相连，数模转换电路(D/A)的输出接口与功率放大器的输入接口相连，功率放大器的输出接口与电-机械转换器相连。
7. 一种根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的基于动铁式电-机械转换器的大幅面微结构加工系统的加工方法，其特征在于该加工方法包括以下步骤1)、采用光学设计软件如TracePro、机械设计软件如Pro-E进行微结构设计，形成设计文件；2)、设计文件转换成加工轨迹数据；3)、加工轨迹数据转换成电-机械转换器、主电机、进给电机的控制信号，分别加载并驱动电-机械转换器、主电机、进给电机；4)、精密车削工件，形成模具；5)、采用热压印等后处理工艺对微结构进行复制。
全文摘要
一种基于动铁式电-机械转换器的大幅面微结构加工系统及其加工方法，它主要包括计算机、控制器、电-机械转换器、主传动机构、进给机构、浮动刀架、光电编码器和光栅尺，所述的光电编码器与主传动机构相连，金刚石刀具与金刚石规尺分别安装于电-机械转换器上，电-机械转换器与浮动刀架相连，浮动刀架与进给机构、光栅尺分别相连，控制器与电-机械转换器、主传动机构、进给机构、光电编码器、光栅尺以及带有控制程序发计算机分别相连；所述的加工方法包括采用光学设计软件如TracePro、机械设计软件如Pro-E进行微结构设计，形成设计文件；设计文件转换成加工轨迹数据；加工轨迹数据转换成电-机械转换器、主电机、进给电机的控制信号，分别加载并驱动电-机械转换器、主电机、进给电机；它具有能实现微结构元件的加工与批量生产，加工精度高，幅面大，速度快等特点。
文档编号B81C1/00GK102530849SQ201210061009
公开日2012年7月4日 申请日期2012年3月9日 优先权日2012年3月9日
发明者方平 申请人:方平