基于弹性模量连续变化研抛盘的层积式制备装置及方法与流程

本发明涉及超精密加工技术领域，更具体的说，尤其涉及一种基于弹性模量连续变化研抛盘的层积式制备装置及方法。

背景技术：

传统的利用研磨盘或研抛盘的加工方法将研磨和抛光工艺分开，使得由研磨过度到抛光时需要更换研抛盘，加工效率难以提高。同时，当前对研磨盘或研抛盘的制备都是一次性制成圆盘，或者是通过整体固结制备。根据preston方程可知，工件与研抛盘接触压强的分布不均以及相对速度分布的非均匀性所引起的材料去除非均匀是工件加工平坦度差的重要根源。同时，由于非均匀性去除导致的研抛盘磨损不一致，以及研抛盘自身磨料选择、工艺参数控制等问题，也是造成基片表面产生过重划痕和损伤的重要根源。

过去的几十年里，对材料的研究和发展主要集中在均匀材料上，即其整体结构和性能并不随空间位置而变化。随着学科的不断交叉发展，一种梯度功能材料的概念飞速兴起。梯度功能材料是两种或多种材料复合且成分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料，是应现代航天航空工业等高技术领域的需要，为满足在极限环境下能反复地正常工作而发展起来的一种新型功能材料。它的设计要求功能、性能随机件内部位置的变化而变化，通过优化构件的整体性能而得以满足。从材料的结构角度来看，梯度功能材料与均一材料、复合材料不同。它是选用两种或多种性能不同的材料，通过连续地改变这两种或多种材料的组成和结构，使其界面消失导致材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化，形成梯度功能材料。这些都表明了设计一种采用梯度功能材料的研抛盘对工件进行加工是研磨抛光加工发展的必然趋势。

现有的梯度功能材料的研抛盘制备方法通过对研抛盘的表面进行梯度划分，将研抛盘表面划分成多个磨粒体积比相等的梯度区域，确定研抛盘表面梯度分布中的最大磨粒体积比和最小磨粒体积比，然后通过混合这两种磨粒体积比的原料静置一段时间后固结形成相应的研抛盘。这种制备方法存在以下几个问题：1、磨粒沉降严重，制作得到的成品研抛盘质量不理想；2、磨粒混合物黏附在管路管道及阀门处，容易固结并堵塞装置；3、每次需要制备新配比的研抛盘时，需要更换或清洁装置的容器及其相应管路，避免前次制备的污染。由此可知，设计一种基于弹性模量连续变化研抛盘的层积式制备装置及方法显得尤为必要。

技术实现要素：

本发明的目的就在于解决现有的基于弹性模量连续变化研抛盘的制备时磨粒沉降严重，制作得到的成品研抛盘质量不理、磨粒混合物黏附在管路管道及阀门处，容易固结成块并堵塞装置以及每次需要制备新配比的研抛盘时，需要更换或清洁装置的容器及其相应管路的问题，提出了一种基于弹性模量连续变化研抛盘的层积式制备装置及方法，具有制备效率高，植被效果好的特点。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：基于弹性模量连续变化研抛盘的层积式制备装置，包括x轴运动模组、y轴运动模组、z轴运动模组、机架、控制面板、热床、调平校准平台、高聚物保温箱、高聚物输送泵、磨粒桶、粉体输送泵和控制单元，

所述调平校准平台作为整个装置的安装基础固定在地面上，机架作为整体框架固定在调平校准平台上，所述y轴运动模组水平安装在机架上，热床固定在y轴运动模组的活动端，y轴运动模组运动时带动热床在y轴方向直线运动；所述x轴运动模组水平固定在机架上，z轴运动模组竖直安装在x轴运动模组的活动端，静电磨粒喷枪设置在z轴运动模组的活动端，高聚物混合阀接头连接在静电磨粒喷枪的入口处，点胶阀固定在静电磨粒喷枪的侧面；所述静电磨粒喷枪和点胶阀均设置在所述热床的上方；所述磨粒桶和高聚物保温箱均设置在调平校准平台一侧的地面上，粉体输送泵安装在磨粒桶上，粉体输送泵通过管道将磨粒桶中的磨粒输送到静电磨粒喷枪中，高聚物输送泵安装在高聚物保温箱上，高聚物输送泵通过管道将高聚物保温桶中的高聚物经高聚物混合阀接头与引发剂和固化剂混合输送到点胶阀中；

所述高聚物混合阀接头包括混合阀外壳、混合高聚物出口、高聚物入口、引发剂入口和固化剂入口，混合高聚物出口、高聚物入口、引发剂入口和固化剂入口均设置在混合阀外壳上，混合高聚物出口连接点胶阀的入口；所述高聚物输送泵安装在高聚物保温箱上，高聚物输送泵通过管道连接高聚物混合阀接头的高聚物入口；所述粉体输送泵设置在磨粒桶上方，粉体输送泵通过管道连接固化剂入口；

所述机架上还设置有控制面板，控制单元安装在控制面板上；

所述热床包括y轴从动运动模块、加热调节模块和加工平台，所述y轴从动运动模块平行于y轴运动模组设置，y轴从动运动模块固定安装在机架上，加工平台安装在y轴运动模组和y轴从动运动模块的活动端，y轴运动模组和y轴从动运动模块共同对加工平台进行支撑，y轴运动模组运动时带动加工平台在y轴方向直线运动；所述加热调节模块包括电加热器、温度传感器和电热控制单元，电加热器安装在加工平台下方用于对加工平台进行加热，温度传感器安装在加热平台上用于检测加工平台各个位置的温度，加热调节模块采用位置式pid反馈调节控制，温度传感器检测加工平台各个位置的温度并将温度数据传输至电热控制单元，电热控制单元控制电机热气的开馆时间使热床温度趋于恒定；

所述调平校准平台包括上平台、下平台、一号电动推杆、二号电动推杆、三号电动推杆、双轴倾角传感器和活动支撑杆，所述双轴倾角传感器安装在上平台上，所述活动支撑杆与下平台通过铰链连接，活动支撑杆的上端与上平台通过球铰链连接，所述二号电动推杆和三号电动推杆对称分布在活动支撑杆的两侧，二号电动推杆和三号电动推杆的上端均与上平台通过球铰链连接，二号电动推杆和三号电动推杆的下端与下平台通过铰链连接，二号电动推杆、三号电动推杆和活动支撑杆沿一条直线分布；所述一号电动推杆的上端与上平台通过球铰链连接，一号电动推杆的下端与下平台通过铰链连接，一号电动推杆与活动支撑杆的连线垂直于二号电动推杆和三号电动推杆的连线。

进一步的，所述控制面板上设置有操作面板、电源接口、温度调节开关和usb数据接口，操作面板、电源接口、温度调节开关和usb数据接口均与控制单元电连接。

进一步的，所述y轴运动模组包括y轴伺服电机、第一y轴丝杠传动模块和第一y轴滑台，y轴伺服电机连接第一y轴丝杠传动模块的输入端，第一y轴滑台套装在第一y轴丝杠传动模块上，y轴伺服电机运动时通过驱动第一y轴丝杠传动模块转动带动y轴滑台沿y轴直线运动。

进一步的，所述y轴从动运动模块包括第二y轴丝杠传动模块、第二y轴滑台、第一同步轮、第二同步轮和同步带，y轴伺服电机的输出轴上装有第一同步轮，第二y轴丝杠传动模块上转有第二同步轮，第一同步轮和第二同步轮通过同步带连接，y轴伺服电机运动时通过同步带带动第二y轴丝杠传动模块转动，进而带动第二y轴滑台沿y轴直线运动。

进一步的，所述磨粒桶内置可拆卸式流化板，流化板采用微孔板制成，流化板将磨粒桶分隔成上下两层。

进一步的，所述高聚物保温箱内置搅拌装置，搅拌装置运动时充分搅拌高聚物保温箱内的高聚物并保持高聚物的恒温，壁面高聚物在桶中固化成块状。

进一步的，所述x轴运动模组包括x轴伺服电机、x轴丝杠传动模块、x轴滑台，x轴伺服电机连接x轴丝杠传动模块的一端并驱动x轴丝杠传动模块的运动，x轴滑台套装在x轴丝杠传动模块上并在x轴伺服电机驱动x轴丝杠传动模块运动时沿着水平的x轴左右滑动；所述z轴运动模组包括z轴伺服电机、z轴丝杠传动模块、z轴滑台和模组连接板；所述模组连接板固定在x轴滑台上，z轴丝杠传动模块固定在模组连接板上，z轴伺服电机连接z轴丝杠传动模块并驱动z轴丝杠传动模块的转动，所述z轴滑台套装在z轴丝杠传动模块上，z轴伺服电机驱动z轴丝杠传动模块转动时带动z轴滑台沿着竖直方向直线运动，z轴滑台连接压力调节反馈模块的传感器连接板。

进一步的，所述x轴丝杠传动模块和y轴丝杠传动模块和z轴丝杠传动模块均由滚珠丝杠、丝杠底座、两个丝杠座组成，滚珠丝杠通过两个丝杠座固定在丝杠底座上。

基于弹性模量连续变化研抛盘的层积式制备方法，基于基于弹性模量连续变化研抛盘的层积式制备装置，包括如下步骤：

第一步：根据加工要求，选择高聚物、引发剂、固化剂、磨粒的种类和比例，启动高聚物保温箱中内置搅拌装置，通过搅拌装置的充分搅拌和保持温度在某一范围，避免高聚物在桶中固化成块；

第二步：将调平校准平台启动，调平校准平台进行自动校准，调平校准平台的自动校准原理是通过双轴倾角传感器检测平台角度信号，并将检测的平台角度信号传输给控制单元，控制单元对平台角度信号进行处理和分析并作出决策驱动一号电动推杆、二号电动推杆和三号电动推杆的运动，直至双轴倾角传感器检测到上平台为水平状态；

第三步：启动热床，将温度调节至高聚物较快固化温度，同时避免过快冷却导致加工制得的成品存在较大的残留热应力与瑕疵；

第四步：：导入加工程序，通过x轴丝杠传动模块、z轴丝杠传动模块带动静电磨粒喷枪和点胶阀，实现x轴与z轴方向运动；通过y轴丝杠传动模块带动热床，实现y轴方向运动；定位到初始点，点胶阀在加工平台铺下第一层高聚物层，静电磨粒喷枪略滞后于点胶阀工作，喷涂磨粒在第一层高聚物层上，形成第一层磨粒层；通过导入程序自动控制静电磨粒喷枪在运动路径上的单位时间的喷粉量；

第五步：重新定位到初始点，点胶阀在第一层磨粒层上铺下第二层高聚物层，静电磨粒喷枪略滞后于点胶阀工作，喷涂磨粒在第二层高聚物层上；

第六步：重复步骤五，可以实现研抛盘的磨粒体积比在轴向与径向上连续变化，直至制备出满足需求的研抛盘。

本发明的有益效果在于：本发明通过粉量控制器，控制静电磨粒喷枪在运动路径上的单位时间的喷粉量，与高聚物层、磨粒层的层层铺垫解决磨粒易于沉降现象，制作得到的成品研抛盘质量不理想的问题；通过高聚物、引发剂、固化剂和磨粒分离存储解决了磨粒混合物黏附在管路管道及阀门处，容易固结并堵塞装置的问题；通过替换廉价塑料件高聚物混合阀接头，避免了每次需要制备新配比的研抛盘时，需要更换或清洁装置的容器及其相应管路，避免前次制备的污染的问题。

附图说明

图1是本发明基于弹性模量连续变化研抛盘的层积式制备装置的整体结构示意图。

图2是本发明x轴运动模组、y轴运动模组、热床和机架的连接机构示意图。

图3是本发明高聚物混合阀接头的结构示意图。

图4是本发明调平校准平台的结构示意图。

图中，1-z轴运动模组、2-x轴运动模组、3-y轴从动运动模块、4-控制面板、5-热床、6-y轴运动模组、7-机架、8-调平校准平台、9-高聚物保温箱、10-高聚物输送泵、11-磨粒桶、12-粉体输送泵、13-控制单元、14-静电磨粒喷枪、15-高聚物混合阀接头、16-点胶阀、17-电源接口、18-usb数据接口、19-操作面板、20-温度调节开关、21-混合阀外壳、22-混合高聚物出口、23-高聚物入口、24-引发剂入口、25-固化剂入口、26-上平面、27-第二电动推杆、28-活动支撑杆、29-第三电动推杆、30-下平台、31-第一电动推杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1～4所示，一种基于弹性模量连续变化研抛盘的层积式制备装置，包括x轴运动模组2、y轴运动模组6、z轴运动模组1、机架7、控制面板4、热床5、调平校准平台8、高聚物保温箱9、高聚物输送泵10、磨粒桶11、粉体输送泵12和控制单元13。

所述调平校准平台8作为整个装置的安装基础固定在地面上，机架7作为整体框架固定在调平校准平台8上，所述y轴运动模组6水平安装在机架7上，热床5固定在y轴运动模组6的活动端，y轴运动模组6运动时带动热床5在y轴方向直线运动；所述x轴运动模组2水平固定在机架7上，z轴运动模组1竖直安装在x轴运动模组2的活动端，静电磨粒喷枪14设置在z轴运动模组1的活动端，高聚物混合阀接头15连接在静电磨粒喷枪14的入口处，点胶阀16固定在静电磨粒喷枪14的侧面；所述静电磨粒喷枪14和点胶阀16均设置在所述热床5的上方；所述磨粒桶11和高聚物保温箱9均设置在调平校准平台8一侧的地面上，粉体输送泵12安装在磨粒桶11上，粉体输送泵12通过管道将磨粒桶11中的磨粒经高聚物混合阀接头15输送到静电磨粒喷枪14中，高聚物输送泵10安装在高聚物保温箱9上，高聚物输送泵10通过管道将高聚物保温箱9中的高聚物经高聚物混合阀接头15输送到点胶阀16中。

所述高聚物混合阀接头15包括混合阀外壳21、混合高聚物出口22、高聚物入口23、引发剂入口24和固化剂入口25，混合高聚物出口22、高聚物入口23、引发剂入口24和固化剂入口25均设置在混合阀外壳21上，混合高聚物出口22连接静电磨粒喷枪14的入口；所述高聚物输送泵10安装在高聚物保温箱9上，高聚物输送泵10通过管道连接高聚物混合阀接头的高聚物入口23；所述粉体输送泵12设置在磨粒桶11上方，粉体输送泵12通过管道连接固化剂入口25。

所述机架7上还设置有控制面板4，控制单元13安装在控制面板4上；

所述热床5包括y轴从动运动模块3、加热调节模块和加工平台，所述y轴从动运动模块3平行于y轴运动模组6设置，y轴从动运动模块3固定安装在机架7上，加工平台安装在y轴运动模组6和y轴从动运动模块3的活动端，y轴运动模组6和y轴从动运动模块3共同对加工平台进行支撑，y轴运动模组6运动时带动加工平台在y轴方向直线运动；所述加热调节模块包括电加热器、温度传感器和电热控制单元13，电加热器安装在加工平台下方用于对加工平台进行加热，温度传感器安装在加热平台上用于检测加工平台各个位置的温度，加热调节模块采用位置式pid反馈调节控制，温度传感器检测加工平台各个位置的温度并将温度数据传输至电热控制单元13，电热控制单元13控制电机热气的开馆时间使热床5温度趋于恒定。

所述调平校准平台8包括上平台26、下平台30、第一电动推杆31、第二电动推杆27、第三电动推杆29、双轴倾角传感器和活动支撑杆28，所述双轴倾角传感器安装在上平台26上，所述活动支撑杆28与下平台30通过铰链连接，活动支撑杆28的上端与上平台26通过球铰链连接，所述第二电动推杆27和第三电动推杆29对称分布在活动支撑杆28的两侧，第二电动推杆27和第三电动推杆29的上端均与上平台26通过球铰链连接，第二电动推杆27和第三电动推杆29的下端与下平台30通过铰链连接，第二电动推杆27、第三电动推杆29和活动支撑杆28沿一条直线分布；所述第一电动推杆31的上端与上平台26通过球铰链连接，第一电动推杆31的下端与下平台30通过铰链连接，第一电动推杆31与活动支撑杆28的连线垂直于第二电动推杆27和第三电动推杆29的连线。

所述控制面板4上设置有操作面板19、电源接口17、温度调节开关20和usb数据接口18，操作面板19、电源接口17、温度调节开关20和usb数据接口18均与控制单元13电连接。

所述y轴运动模组6包括y轴伺服电机、第一y轴丝杠传动模块和第一y轴滑台，y轴伺服电机连接第一y轴丝杠传动模块的输入端，第一y轴滑台套装在第一y轴丝杠传动模块上，y轴伺服电机运动时通过驱动第一y轴丝杠传动模块转动带动y轴滑台沿y轴直线运动。

所述y轴从动运动模块3包括第二y轴丝杠传动模块、第二y轴滑台、第一同步轮、第二同步轮和同步带，y轴伺服电机的输出轴上装有第一同步轮，第二y轴丝杠传动模块上转有第二同步轮，第一同步轮和第二同步轮通过同步带连接，y轴伺服电机运动时通过同步带带动第二y轴丝杠传动模块转动，进而带动第二y轴滑台沿y轴直线运动。

所述磨粒桶11内置可拆卸式流化板，流化板采用微孔板制成，流化板将磨粒桶11分隔成上下两层。

所述高聚物保温箱9内置搅拌装置，搅拌装置运动时充分搅拌高聚物保温箱9内的高聚物并保持高聚物的恒温，壁面高聚物在桶中固化成块状。

所述x轴运动模组2包括x轴伺服电机、x轴丝杠传动模块、x轴滑台，x轴伺服电机连接x轴丝杠传动模块的一端并驱动x轴丝杠传动模块的运动，x轴滑台套装在x轴丝杠传动模块上并在x轴伺服电机驱动x轴丝杠传动模块运动时沿着水平的x轴左右滑动；所述z轴运动模组1包括z轴伺服电机、z轴丝杠传动模块、z轴滑台和模组连接板；所述模组连接板固定在x轴滑台上，z轴丝杠传动模块固定在模组连接板上，z轴伺服电机连接z轴丝杠传动模块并驱动z轴丝杠传动模块的转动，所述z轴滑台套装在z轴丝杠传动模块上，z轴伺服电机驱动z轴丝杠传动模块转动时带动z轴滑台沿着竖直方向直线运动，z轴滑台连接压力调节反馈模块的传感器连接板。

所述x轴丝杠传动模块和y轴丝杠传动模块和z轴丝杠传动模块均由滚珠丝杠、丝杠底座、两个丝杠座组成，滚珠丝杠通过两个丝杠座固定在丝杠底座上。

基于弹性模量连续变化研抛盘的层积式制备方法，基于基于弹性模量连续变化研抛盘的层积式制备装置，第一步：根据加工要求，选择高聚物、引发剂、固化剂、磨粒的种类和比例，启动高聚物保温箱9中内置搅拌装置，通过搅拌装置的充分搅拌和保持温度在某一范围，避免高聚物在桶中固化成块；

第二步：将调平校准平台8启动，调平校准平台8进行自动校准，调平校准平台8的自动校准原理是通过双轴倾角传感器检测平台角度信号，并将检测的平台角度信号传输给控制单元13，控制单元13对平台角度信号进行处理和分析并作出决策驱动第一电动推杆31、第二电动推杆27和第三电动推杆29的运动，直至双轴倾角传感器检测到上平台26为水平状态；

第三步：启动热床5，将温度调节至高聚物较快固化温度，同时避免过快冷却导致加工制得的成品存在较大的残留热应力与瑕疵；

第四步：：导入加工程序，通过x轴丝杠传动模块、z轴丝杠传动模块带动静电磨粒喷枪14和点胶阀16，实现x轴与z轴方向运动；通过y轴丝杠传动模块带动热床5，实现y轴方向运动；定位到初始点，点胶阀16在加工平台铺下第一层高聚物层，静电磨粒喷枪14略滞后于点胶阀16工作，喷涂磨粒在第一层高聚物层上，形成第一层磨粒层；通过导入程序自动控制静电磨粒喷枪14在运动路径上的单位时间的喷粉量；

第五步：重新定位到初始点，点胶阀16在第一层磨粒层上铺下第二层高聚物层，静电磨粒喷枪14略滞后于点胶阀16工作，喷涂磨粒在第二层高聚物层上；

第六步：重复步骤五，可以实现研抛盘的磨粒体积比在轴向与径向上连续变化，直至制备出满足需求的研抛盘。

步骤二中具体的自动校准方法如下：上平台26先在第一电动推杆31、第二电动推杆27、第三电动推杆29的驱动下沿着垂直于地面方向进行调平运动；再通过第二电动推杆27、第三电动推杆29沿着水平方向进行调平，并且该过程中一直利用双轴倾角传感器进行反馈调节，使上平台26在实验过程中一直保持水平状态。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。