[发明专利]在回转件上快速加工出大面积三维微纳结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在回转件上快速加工出大面积三维微纳结构的方法。

背景技术

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。

采用本发明公开的具有测力模块的快速刀具伺服控制系统(FS-FTS，ForceSensitive-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。另一方面，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。最后本发明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。

发明内容

本发明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。

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。

本发明与背景技术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；

图2是FS-FST系统切削装置和微小力检测装置的结构图；

图3是本发明具体实施时加工的工件示意图；

图4是采用FS-FST系统单晶金刚石刀具切削机理示意图；

图中：切削刀具1、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。

具体实施方式

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。