在線磨削與檢測一體化系統的製作方法

2023-04-26 22:40:36

本發明涉及機械加工設備技術領域，尤其涉及一種在線磨削與檢測一體化系統，具體涉及一種能提高硬脆材料的加工檢測效率、節省佔地面積的在線磨削與檢測一體化系統。

背景技術：

硬脆材料，如石英玻璃、矽、陶瓷、藍寶石玻璃等，在光電成像、光纖通信、信息處理、生物醫學、燃料電池、微電子封裝等領域有著廣泛的應用，其加工通常採用磨削法，加工出如顯示面板用的導光板槽、微型燃料電池矽極板槽、陣列光纖基板V形定位槽、電子集成器件散熱微槽等三維微納功能結構。該結構特點有：(1)可使元件具有更小的體積和更輕的重量；(2)可使元件更適應於機械設計約束；(3)可將新穎的光學設計概念應用於元件上；(4)可使元件同時具有光學功能和機械功能。

硬脆材料的加工方法有能量束直寫技術、光刻技術、刻蝕技術、微放電加工技術、LIGA(Lithographie，Galvanoformung和Abformung三個詞，即光刻、電鑄和注塑的縮寫)技術、超精密磨削加工技術等。能量束直寫技術可分為雷射束加工技術和電子束加工技術，其中雷射束加工技術只能進行原理性的加工實驗研究，加工精度和效率低；電子束加工技術與雷射束加工技術相比，加工精度高，但效率低。光刻技術由於視場深度的限制，難以實現大深寬比的三維微結構加工。刻蝕技術設備造價昂貴、且以引起較大的加工損傷。微放電加工技術對材料有限制，必須是導電材料才行，且難以保證微結構尖角特徵。LIGA技術雖然可加工大深寬比的三維微結構表面，但其設備造價昂貴，難以批量生產。超精密磨削加工技術不但能實現具有納米級表面的光潔度和亞微米級面形精度的大深寬比三維微納結構表面加工，而且材料適用性強，可用於晶體、玻璃、陶瓷等，是批量加工三維微納功能結構的理想加工方法。

目前國內外有多家公司可提供硬脆材料磨削加工的裝備，如日本DISCO、日本東芝精密、以色列ADT等公司，這些公司的設備可實現硬脆材料的磨削加工，但不能提供在線檢測，不能實現所加工微納結構的在線檢測，需要從工件臺上取下加工樣品，採用專門的儀器，如臺階儀、光學輪廓儀等進行檢測。如果加工樣品由於刀具磨損等原因出現較大尺寸偏差或者缺陷等，由於二次裝夾的原因，以致不能返回工件臺上進行修正，只能報廢，從而導致費時費力，加工檢測效率低下。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

本發明的目的是：提供一種能提高硬脆材料的加工檢測效率、節省佔地面積的在線磨削與檢測一體化系統，以解決現有的磨削加工設備不能實現在線檢測，導致加工檢測效率低且容易報廢的問題。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種在線磨削與檢測一體化系統，其包括控制系統、安裝架座及設於所述安裝架座上的磨削裝置、檢測裝置及供樣品放置的定位裝置，所述控制系統分別與所述磨削裝置、檢測裝置及定位裝置連接；所述控制系統控制所述定位裝置，使得所述定位裝置與所述安裝架座在平面內相對運動。

其中，所述安裝架座包括底座及設於所述底座上的龍門架，所述底座與龍門架構成L字型結構；所述定位裝置與所述底座連接，所述磨削裝置及檢測裝置分別與所述龍門架連接。

其中，所述定位裝置包括第一驅動機構、複合動平臺單元及設於所述複合動平臺單元上的夾具單元，所述第一驅動機構與所述複合動平臺單元連接，用於驅動所述複合動平臺單元移動；所述複合動平臺單元包括與所述底座可轉動連接的旋轉平臺子單元及與所述底座可平動連接的平動平臺子單元，且所述旋轉平臺子單元及平動平臺子單元分別與控制系統連接。

其中，所述平動平臺子單元包括x軸運動模塊及y軸運動模塊，所述旋轉平臺子單元包括用於固定安裝所述夾具單元的旋轉運動模塊；所述x軸運動模塊、y軸運動模塊及旋轉運動模塊分別與所述第一驅動機構連接，且由下至上依次固定安裝在所述底座上；所述x軸運動模塊、y軸運動模塊及旋轉運動模塊分別與所述控制系統連接。

其中，所述夾具單元包括水槽及設於水槽內的裝夾盤，所述水槽通過螺釘與所述旋轉運動模塊固定連接。

其中，所述裝夾盤上對應於所述待加工樣品設有多個均勻間隔布置的真空吸附氣孔及真空迴路通道；所述真空迴路通道分別與每個所述真空吸附氣孔連通以形成連通的負壓環境，將所述待加工樣品吸附在所述裝夾盤上。

其中，所述磨削裝置包括第二驅動機構、z軸運動模塊及可豎直移動的刀具模塊，所述第二驅動機構與所述z軸運動模塊連接，用於驅動所述z軸運動模塊移動；所述刀具模塊通過所述z軸運動模塊與所述龍門架可滑動連接，用於對所述待加工樣品進行磨削作業；所述z軸運動模塊與所述控制系統連接。

其中，所述刀具模塊包括安裝座及固定於所述安裝座上的旋轉主軸，且所述旋轉主軸與所述控制系統連接；所述旋轉主軸的一端設有輸出軸，且所述輸出軸上設有磨削刀片。

其中，所述磨削刀片與所述待加工樣品間設有磨削液噴頭，所述磨削液噴頭用於向所述磨削刀片及待加工樣品噴射磨削液。

其中，所述檢測裝置包括第三驅動機構、高度調節模塊及可豎直移動的掃描測頭，所述第三驅動機構與所述高度調節模塊連接，用於驅動所述高度調節模塊移動；所述掃描測頭通過所述高度調節模塊與所述龍門架可滑動連接，用於對所述待加工樣品進行檢測作業；所述掃描測頭及高度調節模塊分別與所述控制系統連接。

(三)有益效果

本發明的上述技術方案具有如下優點：本發明提供了一種在線磨削與檢測一體化系統，其包括控制系統、安裝架座及設於安裝架座上的磨削裝置、檢測裝置及供樣品放置的定位裝置，控制系統分別與磨削裝置、檢測裝置及定位裝置連接；控制系統控制定位裝置，使得定位裝置與安裝架座在平面內相對運動。本申請通過將磨削裝置與檢測裝置集成於一體化，結構簡單，安裝方便，在對硬脆材料表面加工三維微納功能結構的同時，能測量上述三維微納功能結構是否達到加工要求，如未達到加工要求，可立即加工修正，極大地提高了加工及檢測效率；同時，減少了加工檢測機臺，只需通過一個機臺即可完成加工與檢測兩個功能，有利於節省佔地面積，且全程均通過控制系統自動完成，加工精度高，避免了因人工操作而造成的加工誤差。

附圖說明

圖1是本發明在線磨削與檢測一體化系統實施例的在線磨削與檢測一體化系統的具體結構圖；

圖2是本發明在線磨削與檢測一體化系統實施例的底座、x軸運動平臺、y軸運動平臺及旋轉平臺的具體結構圖；

圖3是本發明在線磨削與檢測一體化系統實施例的旋轉模塊的具體結構圖。

圖中：1：底座；2：x軸運動平臺；3：y軸運動平臺；4：旋轉運動平臺；5：裝夾盤；6：磨削液噴頭；7：刀具模塊；701：安裝座；702：旋轉主軸；703：輸出軸；704：第一法蘭；705：磨削刀片；706：第二法蘭；8：z軸運動模塊；9：第一轉接板；10：龍門架；11：水槽；12：樣品；13：掃描測頭；14：隔板；15：第二轉接板；16：高度調節模塊；17：第三轉接板。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

在本實施例中，x、y及z軸的指向如附圖1中的圖示方向。

如圖1至圖3所示，本發明實施例提供了一種在線磨削與檢測一體化系統，包括控制系統、安裝架座及設於安裝架座上的磨削裝置、檢測裝置及供樣品12放置的定位裝置，控制系統分別與磨削裝置、檢測裝置及定位裝置連接；控制系統控制定位裝置，使得定位裝置與安裝架座在平面內相對運動，在本實施例中，相對運動包括相對轉動及相對平動。通過控制系統控制定位裝置，使得待加工樣品12移動至指定位置，並對其進行加工檢測作業。本申請通過將磨削裝置與檢測裝置集成於一體化，結構簡單，安裝方便，在對硬脆材料表面加工三維微納功能結構的同時，能測量上述三維微納功能結構是否達到加工要求，如未達到加工要求，可立即加工修正，極大地提高了加工及檢測效率；同時，減少了加工檢測機臺，只需通過一個機臺即可完成加工與檢測兩個功能，有利於節省佔地面積及節約製作成本。

具體地，在本實施例中，控制系統為安裝有處理軟體的計算機，將定位裝置移動至指定位置之後，通過計算機實現對待加工樣品12的精密磨削及對待加工樣品12的在線檢測。全程自動化操作，既有利於提高加工檢測效率及精度，也有利於避免因人工操作而造成的操作誤差。

具體地，安裝架座包括底座1及設於底座1上的龍門架10，底座1與龍門架10構成L字型結構；定位裝置與底座1連接，磨削裝置及檢測裝置分別與龍門架10連接。在本實施例中，底座1及龍門架10均採用大理石或鑄鐵製成，穩定性高、抗振動性強，有利於維護本申請提供的在線磨削與檢測一體化系統的穩定作業。

進一步地，定位裝置包括第一驅動機構、複合動平臺單元及設於複合動平臺單元上的夾具單元，第一驅動機構與複合動平臺單元連接，用於驅動複合動平臺單元移動；複合動平臺單元包括與底座1可轉動連接的旋轉平臺子單元及與底座1可平動連接的平動平臺子單元，且控制系統分別與旋轉平臺子單元及平動平臺子單元連接，通過控制系統來控制旋轉平臺子單元及平動平臺子單元的移動。具體地，平動平臺子單元包括x軸運動模塊及y軸運動模塊，旋轉平臺子單元包括用於固定安裝夾具單元的旋轉運動模塊；x軸運動模塊、y軸運動模塊及旋轉運動模塊分別與控制系統連接，且由下至上依次固定安裝在底座1上；x軸運動模塊、y軸運動模塊及旋轉運動模塊三者之間無相對位移。其中，第一驅動機構為直線電機或者旋轉電機。

具體地，x軸運動模塊包括x軸運動平臺2，x軸運動平臺2的上下端均設有安裝面，且x軸運動平臺2的下安裝面通過緊固螺釘與底座1連接；x軸運動平臺2的下安裝面上設有精密交叉滾柱導軌，使得在第一驅動機構的驅動作用下，使得x軸運動平臺2能沿著底座1的x軸方向移動；為保障平臺移動的精確度，x軸運動模塊還設於高精度光柵尺(光柵尺解析度至少為100nm)。其中，x軸運動模塊的典型構成為：包括直線電機、精密交叉滾柱導軌及光柵尺；或者超聲電機、聯軸器、滾珠絲槓、精密交叉滾柱導軌及光柵尺；或者精密步進電機或直流電機、聯軸器、滾珠絲槓、精密交叉滾柱導軌及光柵尺；其中，x軸運動模塊的最小步進小於0.1μm。

具體地，y軸運動模塊包括y軸運動平臺3，y軸運動平臺3的上下端均設有安裝面，且y軸運動平臺3的下安裝面通過緊固螺釘與x軸運動平臺2的上安裝面連接；y軸運動平臺3的下安裝面上設有精密交叉滾柱導軌，使得在第一驅動機構的驅動作用下，使得y軸運動平臺3能沿著底座1的y軸方向移動；為保障平臺移動的精確度，y軸運動模塊還設於高精度光柵尺(光柵尺解析度至少為100nm)。其中，y軸運動模塊的典型構成為：包括直線電機、精密交叉滾柱導軌及光柵尺；或者超聲電機、聯軸器、滾珠絲槓、精密交叉滾柱導軌及光柵尺；或者精密步進電機或直流電機、聯軸器、滾珠絲槓、精密交叉滾柱導軌及光柵尺；其中，y軸運動模塊的最小步進小於0.1μm。

上述x軸運動模塊與y軸運動模塊可複合在一起，根據所加工材料的大小和裝置結構設計選擇相應的行程。如針對100×100mm的石英玻璃，可選擇PRIOR公司的型號為HE05的運動平臺，行程為154mm×154mm(x軸向位移×y軸向位移)，最小步進為0.04μm。

具體地，旋轉運動模塊包括可360度旋轉的旋轉運動平臺4，可帶動待加工樣品12360度旋轉。旋轉運動平臺4的上下端均設有安裝面，旋轉運動平臺4的下安裝面通過緊固螺釘與y軸運動平臺3的上安裝面連接；旋轉運動平臺4的上安裝面通過緊固螺釘與夾具單元連接。為保障平臺移動的精確度，旋轉運動模塊還設於高精度光柵尺。其中，旋轉運動模塊的典型構成為：包括直驅電機、精密交叉滾柱導軌及光柵尺；或者精密步進電機或直流電機、聯軸器、精密交叉滾柱導軌、蝸輪蝸杆及光柵尺；其中，旋轉運動模塊的最小步進小於0.01度。

具體地，通過控制系統分別控制x軸運動模塊、y軸運動模塊及旋轉運動模塊移動，通過各個模塊的光柵尺讀取相應的步進位移並反饋至控制系統中，由此形成一個閉環反饋系統。其中，x軸運動模塊、y軸運動模塊及旋轉運動模塊可同時移動(也即聯動)，也可以每次只移動一個模塊。具體地，可根據工藝需求，如在設備初始化時，各模塊可同時回零位。

具體地，夾具單元包括水槽11及設於水槽11內的裝夾盤5，裝夾盤5通過緊固螺釘與水槽11連接；水槽11通過螺釘與旋轉運動模塊固定連接；進一步地，裝夾盤5上對應於待加工樣品12設有多個均勻間隔布置的真空吸附氣孔及真空迴路通道；真空迴路通道分別與每個真空吸附氣孔連通，通入真空負壓後真空迴路通道與真空吸附氣孔形成了連通的負壓環境，將待加工樣品12吸附在裝夾盤5上；在本實施例中，裝夾盤5採用303等不鏽鋼材料或者7085航空鋁製成，且裝夾盤5根據加工樣品12的大小設有多個直徑為1mm左右的真空吸附氣孔。水槽11採用303等不鏽鋼板製成，設置水槽11的作用是收集磨削液並通過管道排走，防止磨削液流到其它地方。其中，水槽11及裝夾盤5上的緊固螺釘均需做防水處理。

具體地，磨削裝置包括第二驅動機構、z軸運動模塊8及朝向待加工樣品12設置且可豎直移動的刀具模塊7，第二驅動機構與z軸運動模塊8連接，用於驅動z軸運動模塊8移動；刀具模塊7通過z軸運動模塊8與龍門架10可滑動連接，且z軸運動模塊8與控制系統連接；刀具模塊7通過緊固螺釘與z軸運動模塊8連接。其中，刀具模塊7包括安裝座701及固定於安裝座701上的旋轉主軸702，且旋轉主軸702與控制系統連接，安裝座701採用不鏽鋼製成；旋轉主軸702的一端設有輸出軸703，輸出軸703對應於待加工樣品12設有磨削刀片705。其中，旋轉主軸702可以是空氣靜壓主軸或精密電主軸，其功率為1.2kW以上且其轉速可達到10000rad/min以上。加工時，通過控制系統控制磨削刀片705與待加工樣品12的間距，並通過控制系統來控制旋轉主軸702的轉速，由此實現對待加工樣品12的精確加工。

在本實施例中，磨削刀片705通過第一法蘭704及第二法蘭706固定在輸出軸703上，其中，磨削刀片705設於第一法蘭704及第二法蘭706之間。

具體地，z軸運動模塊8包括z軸運動平臺，z軸運動平臺通過第一轉接板9與龍門架10連接，在第一轉接板9上設有精密交叉滾柱導軌，使得在第二驅動機構的驅動作用下，使得z軸運動平臺帶動旋轉主軸702沿著第一轉接板9的走向(即沿著z軸方向)豎直移動，以調整磨削刀片705與待加工樣品12的距離，以實現磨削刀片705對待加工樣品12的磨削加工；為保障平臺移動的精確度，z軸運動模塊8還設於高精度光柵尺(光柵尺解析度至少為100nm)。其中，z軸運動模塊8的典型構成為：包括精密步進電機或直流電機、聯軸器、滾珠絲槓、精密交叉滾柱導軌及光柵尺；其中，z軸運動模塊8的最小步進小於0.1μm；第一轉接板9採用303等不鏽鋼材料或者7085航空鋁製成。

具體地，磨削刀片705與待加工樣品12間設有磨削液噴頭6，磨削液噴頭6用於向磨削刀片705及待加工樣品12噴射磨削液，其中，磨削液為恆溫無雜質的水或其有潤滑作用的液體。在本實施例中，磨削液噴頭6通過螺釘固定於安裝架座上。

具體地，檢測裝置包括第三驅動機構、高度調節模塊16及朝向待加工樣品12設置且可豎直移動的掃描測頭13，第三驅動機構與高度調節模塊16連接，用於驅動高度調節模塊16移動；掃描測頭13通過高度調節模塊16與龍門架10可滑動連接，且掃描測頭13及高度調節模塊16分別與控制系統連接。其中，掃描測頭13選擇型號為LT-9031M的雷射共聚焦掃描測頭13，其對應的驅動與控制器為LT-9501HSO；該雷射共聚焦掃描測頭13自帶顯微鏡功能，可實現自動聚焦，視覺檢測加工樣品12表面的微溝槽等結構；LT-9031M雷射共聚焦掃描測頭13的工作距離為6mm。

具體地，高度調節模塊16包括高度調節平臺，高度調節平臺通過第三轉接板17與龍門架10連接，在第三轉接板17上設有精密交叉滾柱導軌，使得在第三驅動機構的驅動作用下，使得高度調節平臺帶動掃描測頭13沿著第三轉接板17的走向(即沿著z軸方向)豎直移動，以調整雷射共聚焦掃描測頭13與待加工樣品12的距離，以實現雷射共聚焦掃描測頭13對待加工樣品12的檢測。其中，高度調節平臺通過第二轉接板15固定在第三轉接板17上，且第二轉接板15通過固定螺釘與第三轉接板17連接；第二轉接板15採用303等不鏽鋼材料或者7085航空鋁製成。其中，高度調節模塊16的典型構成為：包括精密步進電機或直流電機、聯軸器、滾珠絲槓、精密交叉滾柱導軌及光柵尺；其中，z軸運動模塊8的最小步進小於0.1μm。

特別的，在本實施例中，第一驅動機構、第二驅動機構及第三驅動機構即可獨立設置，也可集成為一個驅動機構，節約佔地面積，也有利於節約製作成本。

為防止磨削液噴頭6噴出的磨削液濺射到掃描測頭13上，磨削液噴頭6與掃描測頭13間設有隔板14，隔板14採用303等不鏽鋼材料製成。其中，隔板14通過緊固螺釘固定在第三轉接板17上。

本申請提供的在線磨削與檢測一體化系統的具體操作過程為：

(1)首先將待加工樣品12放置在裝夾盤5上，打開真空吸附，以固定加工樣品12；

(2)對刀與加工，通過掃描測頭13、定位裝置和控制系統調整磨削刀片705與待加工樣品12的間距，設定好進給速度、經給量和旋轉主軸702的轉速，對待加工樣品12進行磨削加工；在磨削加工的同時，通過磨削液噴頭6往磨削刀片705和待加工樣品12上噴淋磨削液；

(3)待加工樣品12磨削加工完成之後，用乾燥的空氣吹掃加工樣品12，然後通過控制系統控制x軸運動平臺2，通過掃描測頭13和控制系統調整掃描測頭13與加工樣品12的間距，對加工樣品12進行檢測；

(4)通過掃描測頭13和控制系統對檢測到的數據進行分析，是否存在加工誤差，如果有，則再次通過控制系統控制x軸運動平臺2，調整磨削刀片705與加工樣品12的間距，並設定好進給速度、經給量和旋轉主軸702的轉速，對加工樣品12再次進行磨削加工，重複(3)和(4)的操作，直到檢測結果滿足加工要求。

在本實施例中，待加工樣品可以為石英玻璃或矽或陶瓷或藍寶石或玻璃等硬質材料。

綜上所述，本發明提供了一種在線磨削與檢測一體化系統，其包括控制系統、安裝架座及設於安裝架座上的磨削裝置、檢測裝置及供樣品放置的定位裝置，控制系統分別與磨削裝置、檢測裝置及定位裝置連接；控制系統控制定位裝置，使得定位裝置與安裝架座在平面內相對運動。本申請通過將磨削裝置與檢測裝置集成於一體化，結構簡單，安裝方便，在對硬脆材料表面加工三維微納功能結構的同時，能測量上述三維微納功能結構是否達到加工要求，如未達到加工要求，可立即加工修正，極大地提高了加工及檢測效率；同時，減少了加工檢測機臺，只需通過一個機臺即可完成加工與檢測兩個功能，有利於節省佔地面積，且全程均通過控制系統自動完成，加工精度高，避免了因人工操作而造成的加工誤差。

最後應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和範圍。