[发明专利]基于锁相放大的微纳切削刀具切削刃轮廓原位测量方法

说明书

本发明提供了一种基于锁相放大的微纳切削刀具切削刃轮廓原位测量方法，包括如下步骤：S1、离线评定参考结构；所述参考结构是由集成力传感器的两轴快速刀具伺服机构驱动微纳切削刀具加工得到的微纳结构，使用微纳形貌测量仪器测量所述参考结构的轮廓曲线e(x)/e(y)；S2、在机原位测量刀具轮廓；基于集成力传感器的两轴快速刀具伺服的力闭环反馈，控制刀具尖端沿X/Y方向对所述参考结构进行扫描，得到刀具扫描轨迹m(x)/m(y)；S3、根据离线测量的参考结构的轮廓曲线e(x)/e(y)和在机扫描得到的刀具扫描轨迹m(x)/m(y)计算刀具切削刃圆弧轮廓形状t(x)＝m(x)‑e(x)/t(y)＝m(y)‑e(y)。本发明所述方法可以通过与加工机床集成实现，基于锁相闭环可以实现在强环境噪声干扰下高精度测出微纳切削刀具切削刃表面几何轮廓。

技术领域

本发明涉及超精密加工技术领域，具体涉及一种基于锁相放大的微纳切削刀具切削刃轮廓原位测量方法。

背景技术

微结构阵列是具有微观集合拓扑形状及特定功能的一类表面，是超精密器件的重要组成部件，常见的使用微结构阵列的超精密器件如大型太阳能平板抗反射膜，大尺寸衍射光栅，仿生蛾眼结构阵列等。快速刀具伺服技术是有效实现加工微结构阵列的基于单点金刚石刀具的机械方法。

随着超精密技术的发展，很多应用场合对微结构阵列的几何精度要求越来越高，纳米级精度的需求也越来越频繁。用于加工微结构阵列的微纳切削刀具切削刃几何精度是影响微结构阵列精度的主要因素之一，而微纳切削刀具切削刃的轮廓精度是几何精度的重要组成部分。因此，了解微纳切削刀具切削刃的几何轮廓，是保证加工高精度微结构阵列的重要前提。

目前有很多技术可以实现测量微纳切削刀具切削刃几何轮廓，但在生产过程当中仍有以下几个难点需要克服：(1)现有测量金刚石刀具几何轮廓方案多是脱机测量，脱机测量加大了加工工具的集成难度，同时微纳切削刀具脱机测量后需要重新定位，影响加工效率；(2)现有接触式测量方法是检测微纳切削刀具几何轮廓的重要手段，而接触式测量方法却容易对刀具表面轮廓造成损伤；(3)由于加工环境比较复杂，而微纳切削刀具切削刃几何轮廓又是在纳米数量级，如何在强环境噪声的干扰下实现高精度(纳米级)微纳切削刀具切削刃的几何轮廓测量，需要测试方法的革新。

现有的测量微纳切削刀具切削刃的方法有以下三种：

(1)扫描电子显微镜(SEM)，SEM通过对三维物体进行投影，常用于定性观测，难以定量测量，同时要求真空环境，限制了与加工机床集成的可能性，生产效率低。

(2)光学测量方法，包括光学显微镜、光学三坐标测量仪，可以实现高速、无损伤刀具轮廓检测，但受限于衍射极限，难以实现刀具切削刃几何轮廓的超精密测量。

(3)接触式测量是检测刀具切削刃轮廓的有效手段，包括接触式探针轮廓仪、原子力显微镜(AFM)等。接触式测量方法可以实现高精度的几何轮廓检测，但由于是接触测量，容易对刀具切削刃表面造成损伤；同时，无论是接触式探针轮廓仪还是AFM，都需要将探针定位到刀具切削刃轮廓表面，过程繁琐，限制生产效率。

发明内容

基于此，本发明提出了一种基于锁相放大的微纳切削刀具切削刃轮廓原位测量方法，通过在两轴快速刀具伺服机构上集成伺服方向上的力传感器，在加工功能基础上开发了测量功能，解决了脱机测量的弊端，实现在机原位测量，提高了生产效率；同时，基于锁相闭环的方法，利用高频振动，间歇性接触，有效减小了刀具切削刃表面轮廓的损伤；此外，本发明的方法可以通过与加工机床集成实现，对环境要求不高，基于锁相闭环，可以实现在强环境噪声干扰下高精度测出微纳切削刀具切削刃表面几何轮廓。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于锁相放大的微纳切削刀具切削刃轮廓原位测量方法，包括如下步骤：