[发明专利]用于大尺寸微结构阵列接力加工的换刀拼接结构和方法

说明书

本发明提供了一种用于大尺寸微结构阵列接力加工的换刀拼接方法，包括如下步骤：S1、检测刀具与工件在纵向和横向的接触力大小；S2、控制刀具在工件表面沿着加工微结构的形貌进行位移扫描，同时结合参考信号通过闭环控制使所述纵向和横向接触力的大小保持不变；S3、基于位移传感器测得的刀具位移，获取刀具扫描路径；S4、基于获取的刀具扫描路径，将新刀具定位到旧刀具加工停止点。本发明的方法直接将刀具自身作为扫描探针使用，在加工功能基础上集成测量功能，利用加工系统自身完成定位功能，避免了加工仪器和测量仪器的相互独立而引起的坐标难以标定问题。

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，具体涉及一种自定位换刀拼接结构。

背景技术

超精密器件的尺寸和功能不断向极端化发展，如大尺寸光学镜头、大型平板、大型光伏发电板等，整体尺寸可达数m^2甚至数十m^2，而表面微结构的尺寸要求达到亚微米的量级，因此大尺寸超精密器件加工是一个宏/微/纳跨尺度的制造过程。为了批量生产大尺寸超精密器件，需要利用模具进行大批量压印，而基于单点金刚石刀具切削的超精密机械加工是制造大尺寸超精密模具的有效手段。快速刀具伺服机构是基于单点金刚石刀具切削机械加工的典型代表。

不同于传统的快刀伺服切削加工小尺寸超精密器件，随着尺寸的极端化发展，在频繁的高频响切削加工状态下，快刀伺服刀具磨损问题越来越突出，单把刀具很难实现大尺寸器件的整体加工。为了保证大尺寸模具微结构的加工质量，更换快刀伺服刀具进行接力加工成为了有效选择：在一把刀具达到加工极限，快要产生磨损之前，将这把刀具更换成新刀具，并将新刀具定位到上一把刀具加工停止点继续加工，以此接力，完成大尺寸器件的整体加工。

快刀伺服更换刀具接力加工的技术难点之一在于如何将新刀具准确定位到上一把刀具的加工停止点，而这涉及到新刀具位置的测量和已加工微结构停止点的位置测量。

现有的测量新刀具位置的方法有以下三种：1)接触式探针；2)CCD视觉；3)激光传感器。

现有的测量已加工微结构停止点的方法有以下三种：1)扫描隧道显微镜；2)原子力显微镜；3)接触式探针轮廓仪。

上述测量新刀具位置的方法中，接触式探针是接触式测量，探针需要与金刚石刀具尖端接触测量，可能会损伤金刚石刀具；CCD视觉虽然有快速和无损伤测量的特质，但是受到光学衍射的限制，测量精度无法摆脱光学衍射极限的限制；激光传感器测量方式同样受到光学衍射极限的限制。

而测量已加工微结构停止点的扫描隧道显微镜、原子力显微镜、接触式探针轮廓仪三种方法，虽然都能准确地测出所加工微结构的停止加工点，但是却无法解决如下主要矛盾：

测量刀具位置的仪器与测量加工表面停止点的仪器相互独立。测量仪器的独立引发的关键问题是，即使可以分别准确的测得新刀具的位置和加工停止点的位置，但是由于两种仪器自身的坐标的难以标定，从而导致两者位置相对参考坐标系的不统一，进而无法将新刀具准确定位到加工停止点。

发明内容

基于此，本发明提出了一种自定位换刀拼接结构，在快刀伺服机构上集成测量功能，将金刚石刀具自身作为扫描探针，通过力闭环反馈控制扫描加工工件表面，自循位加工轨迹，自定位加工停止点，集加工、测量一体化，从而克服不同仪器测量的坐标难以标定问题，实现新刀具准确定位到微结构加工停止点。

为解决上述问题，本发明的第一个方面提供了一种用于大尺寸微结构阵列接力加工的换刀拼接结构，包括：

两轴快速刀具伺服系统，其配置有纵向/横向PZT驱动模块，所述纵向/横向PZT驱动模块分别集成有力传感器和电容式位移传感器；

可更换刀具，其安装于所述两轴快速刀具伺服系统上；

X/Y/Z方向滑座，用于驱动所述两轴快速刀具伺服系统在X/Y/Z方向位移，进而带动刀具在X/Y/Z方向移动；