一種具有微刀具監控能力的超精密三軸聯動微銑削裝置製造方法

2023-12-12 15:47:52

一種具有微刀具監控能力的超精密三軸聯動微銑削裝置製造方法
【專利摘要】一種具有微刀具監控能力的超精密三軸聯動微銑削裝置，涉及一種超精密三軸聯動微銑削裝置。為了解決目前無大口徑KDP晶體元件表面微缺陷修復設備的問題。刀具移動部分布線板、刀具移動部分墊塊及手動升降調整平臺均固定在底部安裝平板的上端面，刀具三軸聯動平臺固定在刀具移動部分墊塊上，切屑收集總成與刀具三軸聯動平臺連接，刀具顯微鏡移動平臺、手動升降調整平臺及顯微鏡連接板由上至下依次連接，顯微鏡連接板與底部安裝平板的上端面連接。本發明用於大口徑KDP晶體元件表面微缺陷的超精密修復。
【專利說明】一種具有微刀具監控能力的超精密三軸聯動微銑削裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種超精密三軸聯動微銑削裝置。
【背景技術】
[0002]目前，微銑削是一項重要的先進位造技術，在電子、生物、國防等領域中均有著重要作用。通常微銑削研究的對象是加工特徵尺寸在微米至亞毫米量級、銑刀直徑一般小於
0.5_。然而，在該尺度下，傳統的銑削加工參數以及加工工藝不再適合微銑削加工，例如，由於微銑刀直徑很小，為了達到一定的線切削速度，往往需要微銑刀每分鐘達到幾萬轉的轉速洞時，人幾乎不能通過肉眼來看清迴轉過程中的刀刃，因此就很難通過肉眼來進行對刀操作以及實時觀察、監控加工表面質量，顯微鏡輔助對刀和實時監控技術在微銑削中就顯得非常重要。特別地，在核聚變點火裝置中，如果大口徑KDP晶體元件表面產生了微缺陷，它在後續高能雷射打靶過程中快速增長，這極大的降低了 KDP晶體雷射損傷閾值、縮短了晶體的使用壽命。採用微銑削的方法，用高速微銑刀對晶體表面微缺陷附近的晶體材料進行去除，形成一個特定的表面質量很高的微小三維形貌，從而能夠提高微缺陷附近的雷射損傷閾值、延長晶體光學元件使用性能與使用壽命。基於微機械修複方法，需要設計用於大口徑KDP晶體表面微缺陷修復的專用設備。

【發明內容】

[0003]本發明的目的是為了解決目前無大口徑KDP晶體元件表面微缺陷修復設備的問題，進而提供一種具有微刀具監控能力的超精密三軸聯動微銑削裝置。
[0004]本發明可實現對大口徑晶體表面微缺陷附近材料的去除，使其成為形狀規則的修復輪廓，在加工之前需要實現快速對刀，以及在加工過程中要能夠對加工過程進行監控。
[0005]本發明實現上述目的採取的技術方案是:
[0006]一種具有微刀具監控能力的超精密三軸聯動微銑削裝置，所述具有微刀具監控能力的超精密三軸聯動微銑削裝置包括底部安裝平板、手動升降調整平臺、顯微鏡連接板、刀具顯微鏡移動平臺、切屑收集總成、刀具三軸聯動平臺、刀具移動部分布線板及刀具移動部分墊塊；
[0007]刀具移動部分布線板、刀具移動部分墊塊及手動升降調整平臺均固定在底部安裝平板的上端面，底部安裝平板上沿其厚度方向加工有三個連接孔，三個連接孔均布設置在同一圓周上，刀具三軸聯動平臺固定在刀具移動部分墊塊上，切屑收集總成與刀具三軸聯動平臺連接，刀具顯微鏡移動平臺、手動升降調整平臺及顯微鏡連接板由上至下依次連接，顯微鏡連接板與底部安裝平板的上端面連接。
[0008]本發明相對於現有技術的有益效果是:
[0009]1、該裝置能夠實現微銑削刀具的高速轉動，其最高轉速達到80000rpm，迴轉精度優於Iym;同時還能實現微銑刀的超精密三軸聯動，三軸聯動的的行程為50mmX 50mmX 20mm,其單軸的定位精度優於±0.5 μ m,可實現微小特徵尺寸塑性域的超精密銑削加工。
[0010]2、該裝置包含了監控顯微鏡及其三軸運動單元，監控顯微鏡運動的行程為20mmX 20mmX 10mm,其單軸的定位精度優於±1 μ m。能夠實現加工前的快速對刀操作,在加工過程中能夠對零件加工表面質量、刀具磨損情況等進行實時監控。
[0011]3、該裝置含有兩個小型的高亮點光源(CCS點光源)，保證了加工過程中的照明需求，與常規光源相比，大大縮小了結構尺寸，使得整個裝置結構緊湊。
[0012]4、該裝置包含了切屑收集部分，在加工過程中，所產生的切屑能夠及時地被負壓吸走，保證了整個裝置不會被切屑汙染。
[0013]5、該裝置整體結構緊湊，各部分的線纜布置清晰合理，整個裝置加工運行安全可
O
[0014]綜上，本發明可以實現微銑刀的高速旋轉、高精度三軸聯動加工、顯微鏡輔助對刀、實時監控、切削自動收集等功能，它可用於尺度為430mm X 430mm的大口徑KDP晶體元件表面微缺陷修復。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發明的具有微刀具監控能力的超精密三軸聯動微銑削裝置的整體結構主視圖；圖2是圖1的俯視圖；圖3是刀具二軸聯動平臺的主視圖；圖4是圖3的俯視圖；圖5是圖3的左視圖；圖6是刀具三軸聯動平臺的軸測圖；圖7是刀具顯微鏡移動平臺的主視圖；圖8是圖7的俯視 圖；圖9是圖7的左視圖；圖10是刀具顯微鏡移動平臺的軸測圖；圖11是切屑收集總成的主視圖；圖12是圖11的A-A剖視圖；圖13是圖12的俯視圖；圖14是切屑收集總成的軸測圖；圖15是利用本發明的具有微刀具監控能力的超精密三軸聯動微銑削裝置銑削工件的原理圖，圖中水平箭頭所示方向為工件進給方向，tc為理論切削厚度；圖16是兩刃銑刀刀尖運動軌跡示意圖，圖中標號64表示的是第一條刀刃，標號65表示的是第二條刀刃；圖17是銑刀刀刃軌跡示意圖。
[0016]圖中，電主軸1、電主軸夾具2、底部連接頭3、切屑收集頭4、光源支撐件5、底部平臺總線卡6、Z軸連接件7、刀具XY總線卡8、刀具Z軸總線卡10、刀具運動Z軸單元11、刀具顯微鏡總線卡12、刀具顯微鏡小線卡13、刀具運動X軸單元14、夾具連接件16、底部安裝平板17、手動升降調整平臺18、刀具顯微鏡卡具19、顯微鏡連接板21、刀具顯微鏡大線卡23、刀具顯微鏡移動平臺25、切屑收集總成26、刀具三軸聯動平臺28、電主軸總線卡31、刀具移動部分布線板32、刀具移動部分墊塊33、刀具運動Y軸單元50、光源連接板51、光源夾具52、CCS點光源53、刀具顯微鏡Z軸單元54、刀具顯微鏡導軌連接件55、刀具顯微鏡XY軸單元56、金屬軟管57、金屬軟管接頭58、鎖緊螺母59、切屑收集安裝件60、底部平臺防護罩61、連接孔62、監控顯微鏡63、第一條刀刃64、第二條刀刃65。
【具體實施方式】
[0017]【具體實施方式】一:結合圖1~圖14說明，本實施方式的一種具有微刀具監控能力的超精密三軸聯動微銑削裝置，所述具有微刀具監控能力的超精密三軸聯動微銑削裝置包括底部安裝平板17、手動升降調整平臺18、顯微鏡連接板21、刀具顯微鏡移動平臺25、切屑收集總成26、刀具三軸聯動平臺28、刀具移動部分布線板32及刀具移動部分墊塊33 ；[0018]刀具移動部分布線板32、刀具移動部分墊塊33及手動升降調整平臺18均固定在底部安裝平板17的上端面，底部安裝平板17上沿其厚度方向加工有三個連接孔62，三個連接孔62均布設置在同一圓周上(用於將該裝置安裝於其它設備上)，刀具三軸聯動平臺28固定在刀具移動部分墊塊33上，切屑收集總成26與刀具三軸聯動平臺28連接，刀具顯微鏡移動平臺25、手動升降調整平臺18及顯微鏡連接板21由上至下依次連接，顯微鏡連接板21與底部安裝平板17的上端面連接。
[0019]手動升降調整平臺18為現有技術，其生產廠家為北京茂豐光電科技有限公司，型號為 MVS120-1A.[0020]【具體實施方式】二:結合圖1及圖3說明，本實施方式所述刀具三軸聯動平臺28包括電主軸1、電主軸夾具2、Z軸連接件7、刀具運動Z軸單元11、刀具運動Y軸單元50及刀具運動X軸單元14 ；Z軸連接件7、刀具運動Z軸單元11、刀具運動Y軸單元50及刀具運動X軸單元14由上至下依次連接，電主軸卡具2坐落在Z軸連接件7上且二者連接，電主軸I設置在電主軸卡具2內，電主軸I通過電主軸卡具2夾緊固定。
[0021]刀具三軸聯動平臺28通過電主軸I的高速旋轉實現了微銑削刀具的高速轉動，以及微銑刀的高精度三軸聯動。電主軸I最高轉速達到80000rpm，迴轉精度優於I μ m ;三軸聯動的行程為50mmX 50mmX 20mm,其單軸的定位精度優於±0.5μηι。
[0022]所述電主軸I的軸線與水平面之間的夾角為α，α=45°。本實施方式中未公開的技術特徵與【具體實施方式】一相同。
[0023]刀具運動Z軸單元11、刀具運動Y軸單元50及刀具運動X軸單元14均為現有技術，生產廠家均為美國Newport公司。其中，刀具運動Z軸單元11的型號為GTS30V，刀具運動Y軸單元50和刀具運動X軸單元的型號均為XMS50。
[0024]【具體實施方式】三:結合圖1、圖7及圖8說明，本實施方式所述刀具顯微鏡移動平臺25包括光源連接板51、刀具顯微鏡Z軸單元54、刀具顯微鏡導軌連接件55、刀具顯微鏡XY軸單元56、夾具連接件16、監控顯微鏡63、刀具顯微鏡卡具19和兩個光源組件，每個光源組件包括光源支撐件5、光源夾具52及CCS點光源53 ;夾具連接件16、光源連接板51、刀具顯微鏡XY軸單元56、刀具顯微鏡導軌連接件55及刀具顯微鏡Z軸單元54由上至下依次連接，刀具顯微鏡卡具19固定在夾具連接件16上，監控顯微鏡63裝在刀具顯微鏡卡具19內並通過刀具顯微鏡卡具19夾持固定，兩個光源支撐件5均與光源連接板51的上端面連接，光源夾具52固定在光源支撐件5上，CCS點光源53固定在光源夾具52內(CCS點光源53通過頂絲與光源夾具52固定)。本實施方式中未公開的技術特徵與【具體實施方式】一或二相同。
[0025]該刀具顯微鏡移動平臺25能夠實現監控顯微鏡63的三軸直線移動，以及對加工區域的照明和圖像採集。該監控顯微鏡63運動的行程為20mmX20mmX IOmm,其單軸的定位精度優於± I μ m。
[0026]所述監控顯微鏡63的中心線與水平面之間的夾角為β，β =15° ;所述CCS點光源53的中心線在水平面上的投影與豎直面之間的夾角為Y，Y =45°。
[0027]刀具顯微鏡Z軸單元54、刀具顯微鏡XY軸單元56均為現有技術，生產廠家均為日本西格瑪光機公司。其中，刀具顯微鏡Z軸單元54的型號為SGSP60-10ZF，刀具顯微鏡XY軸單元56的型號為SGSP20-20 (XY)。[0028]【具體實施方式】四:結合圖8說明，本實施方式所述光源連接板51為長條形板，兩個光源支撐件5相對於光源連接板51長度方向的中心線對稱設置。本實施方式中未公開的技術特徵與【具體實施方式】三相同。
[0029]【具體實施方式】五:結合圖1、圖11和圖12說明，本實施方式所述切屑收集總成26包括金屬軟管57、金屬軟管接頭58、底部連接頭3、切屑收集頭4、鎖緊螺母59及切屑收集安裝件60 ;所述切屑收集頭4外側壁的下部設有外螺紋，底部連接頭3設有內螺紋孔，切屑收集頭4與底部連接頭3螺紋連接，鎖緊螺母59與切屑收集頭4螺紋連接且與底部連接頭3上端面相抵靠(鎖緊螺母59起到鎖緊的作用，為六角薄螺母)，切屑收集安裝件10安裝在底部連接頭3上，金屬軟管I通過金屬軟管接頭2與底部連接頭3連接。本實施方式中未公開的技術特徵與【具體實施方式】一相同。
[0030]【具體實施方式】六:結合圖11和圖12說明，本實施方式所述切屑收集安裝件60為倒置的圓臺形筒，切屑收集安裝件60的上端為敞口端，切屑收集安裝件60的下端通過底板封堵，切屑收集安裝件60的底板中部設有安裝孔，底部連接頭3的上端設有凸臺，底部連接頭3的下端穿出切屑收集安裝件60底板上的安裝孔，底部連接頭3的凸臺貼靠在底板的上端面。本實施方式中未公開的技術特徵與【具體實施方式】五相同。
[0031]【具體實施方式】七:結合圖1和圖2說明，本實施方式所述具有微刀具監控能力的超精密三軸聯動微銑削裝置還包括底部平臺防護罩61 ;底部安裝平板17固定在底部平臺防護罩61內部(通過螺釘固定)。本實施方式中未公開的技術特徵與【具體實施方式】一相同。
[0032]【具體實施方式】八:結合圖1和圖2說明，本實施方式所述具有微刀具監控能力的超精密三軸聯動微銑削裝置還包括底部平臺總線卡6、刀具XY總線卡8、刀具Z軸總線卡10、刀具顯微鏡總線卡12、刀具顯微鏡小線卡13、刀具顯微鏡大線卡23及電主軸總線卡31 ;所述底部平臺總線卡6、刀具XY總線卡8、刀具Z軸總線卡10及刀具顯微鏡總線卡12 (為了保證該裝置的線路布置規整)均固定安裝在底部安裝平板17的上端面，刀具顯微鏡小線卡13及刀具顯微鏡大線卡23均固定安裝在顯微鏡連接板21上，電主軸總線卡31與刀具移動部分布線板32連接。本實施方式中未公開的技術特徵與【具體實施方式】一相同。
[0033]理論分析
[0034]一般微銑削所用刀具為兩刃，所以下面以兩刃立銑刀為例分析刀刃的運動軌跡，以期獲得刀刃運動的動態軌跡。假設一 X-Y坐標平面，坐標原點選在銑刀底面中心處。
[0035]第一條刀刃64在起始點處的坐標值為:
【權利要求】
1.一種具有微刀具監控能力的超精密三軸聯動微銑削裝置，其特徵在於:所述具有微刀具監控能力的超精密三軸聯動微銑削裝置包括底部安裝平板(17)、手動升降調整平臺(18)、顯微鏡連接板(21)、刀具顯微鏡移動平臺(25)、切屑收集總成(26)、刀具三軸聯動平臺(28)、刀具移動部分布線板(32)及刀具移動部分墊塊(33)； 刀具移動部分布線板(32)、刀具移動部分墊塊(33)及手動升降調整平臺(18)均固定在底部安裝平板(17)的上端面，底部安裝平板(17)上沿其厚度方向加工有三個連接孔(62),三個連接孔(62)均布設置在同一圓周上，刀具三軸聯動平臺(28)固定在刀具移動部分墊塊(33)上，切屑收集總成(26)與刀具三軸聯動平臺(28)連接，刀具顯微鏡移動平臺(25)、手動升降調整平臺(18)及顯微鏡連接板(21)由上至下依次連接，顯微鏡連接板(21)與底部安裝平板(17)的上端面連接。
2.根據權利要求1所述一種具有微刀具監控能力的超精密三軸聯動微銑削裝置，其特徵在於:所述刀具三軸聯動平臺(28)包括電主軸(I)、電主軸夾具(2)、Z軸連接件(7)、刀具運動Z軸單元(11)、刀具運動Y軸單元(50)及刀具運動X軸單元(14) ；Z軸連接件(7)、刀具運動Z軸單元(11)、刀具運動Y軸單元(50)及刀具運動X軸單元(14)由上至下依次連接，電主軸卡具(2)坐落在Z軸連接件(7)上且二者連接，電主軸(I)設置在電主軸卡具(2)內，電主軸(I)通過電主軸卡具(2)夾緊固定。
3.根據權利要求1或2所述一種具有微刀具監控能力的超精密三軸聯動微銑削裝置，其特徵在於:所述刀具顯微 鏡移動平臺(25)包括光源連接板(51)、刀具顯微鏡Z軸單元(54)、刀具顯微鏡導軌連接件(55)、刀具顯微鏡XY軸單元(56)、夾具連接件(16)、監控顯微鏡(63)、刀具顯微鏡卡具(19)和兩個光源組件，每個光源組件包括光源支撐件(5)、光源夾具(52)及CCS點光源(53);夾具連接件(16)、光源連接板(51)、刀具顯微鏡XY軸單元(56)、刀具顯微鏡導軌連接件(55)及刀具顯微鏡Z軸單元(54)由上至下依次連接，刀具顯微鏡卡具(19)固定在夾具連接件(16)上，監控顯微鏡(63)裝在刀具顯微鏡卡具(19)內並通過刀具顯微鏡卡具(19 )夾持固定，兩個光源支撐件(50均與光源連接板(51)的上端面連接，光源夾具(52)固定在光源支撐件(5)上，CCS點光源(53)固定在光源夾具(52)內。
4.根據權利要求3所述一種具有微刀具監控能力的超精密三軸聯動微銑削裝置，其特徵在於:所述光源連接板(51)為長條形板，兩個光源支撐件(5)相對於光源連接板(51)長度方向的中心線對稱設置。
5.根據權利要求1所述一種具有微刀具監控能力的超精密三軸聯動微銑削裝置，其特徵在於:所述切屑收集總成(26)包括金屬軟管(57)、金屬軟管接頭(58)、底部連接頭(3)、切屑收集頭(4)、鎖緊螺母(59)及切屑收集安裝件(60);所述切屑收集頭(4)外側壁的下部設有外螺紋，底部連接頭(3)設有內螺紋孔，切屑收集頭(4)與底部連接頭(3)螺紋連接，鎖緊螺母(59)與切屑收集頭(4)螺紋連接且與底部連接頭(3)上端面相抵靠，切屑收集安裝件(10)安裝在底部連接頭(3)上，金屬軟管(I)通過金屬軟管接頭(2)與底部連接頭(3)連接。
6.根據權利要求5所述一種具有微刀具監控能力的超精密三軸聯動微銑削裝置，其特徵在於:所述切屑收集安裝件(60)為倒置的圓臺形筒，切屑收集安裝件(60)的上端為敞口端，切屑收集安裝件(60)的下端通過底板封堵，切屑收集安裝件(60)的底板中部設有安裝孔，底部連接頭(3)的上端設有凸臺，底部連接頭(3)的下端穿出切屑收集安裝件(60)底板上的安裝孔，底部連接頭(3 )的凸臺貼靠在底板的上端面。
7.根據權利要求1所述一種具有微刀具監控能力的超精密三軸聯動微銑削裝置，其特徵在於:所述具有微刀具監控能力的超精密三軸聯動微銑削裝置還包括底部平臺防護罩(61);底部安裝平板(17)固定在底部平臺防護罩(61)內部。
8.根據權利要求1所述一種具有微刀具監控能力的超精密三軸聯動微銑削裝置，其特徵在於:所述具有微刀具監控能力的超精密三軸聯動微銑削裝置還包括底部平臺總線卡(6)、刀具XY總線卡(8)、刀具Z軸總線卡(10)、刀具顯微鏡總線卡(12)、刀具顯微鏡小線卡(13)、刀具顯微鏡大線卡(23)及電主軸總線卡(31);所述底部平臺總線卡(6)、刀具XY總線卡(8)、刀具Z軸總線卡(10)及刀具顯微鏡總線卡(12)均固定安裝在底部安裝平板(17)的上端面，刀具顯微鏡小線卡(13)及刀具顯微鏡大線卡(23)均固定安裝在顯微鏡連接板(21)上，電主軸總線卡( 31)與刀具移動部分布線板(32)連接。
【文檔編號】B28D5/00GK103586986SQ201310631580
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年12月2日 優先權日:2013年12月2日
【發明者】陳明君, 肖勇, 郭佔玥, 張文明, 李旦, 梁迎春 申請人:哈爾濱工業大學