專利名稱：基于動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的大幅面微結(jié)構(gòu)加工系統(tǒng)及其加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的大幅面微結(jié)構(gòu)加工系統(tǒng)及其加工方法，主要應(yīng)用于大幅面微結(jié)構(gòu)元件的加工和批量生產(chǎn)。
背景技術(shù)：
面形精度達(dá)亞微米級(jí)、表面粗糙度達(dá)納米級(jí)的微結(jié)構(gòu)表面，常見于微光學(xué)元件、微傳感器、微電子元件等，在軍事、航空航天和民用工業(yè)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。現(xiàn)有技術(shù)的微結(jié)構(gòu)加工方法主要有刻蝕法和基于快速刀具伺服(Fast Tool Servo, FTS)的車削加工法。離子交換法、熔融光刻膠法等刻蝕技術(shù)，不適用于加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)元件。基于快速刀具伺服的加工法能夠加工復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，加工零件的深寬比大，成形精度達(dá)亞微米級(jí)，表面粗糙度達(dá)納米量級(jí)，而且適用于多種材料的加工，成本低，周期短?，F(xiàn)有技術(shù)的快速刀具伺服，一般為壓電陶瓷(PZT)驅(qū)動(dòng)，HaraJhamoto、Moriwaki和Kim等人研制的多種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)快速刀具伺服，行程達(dá)幾十微米，頻響達(dá)2kHz以上，但壓電陶瓷 (PZT)存在嚴(yán)重的遲滯現(xiàn)象，需采用反滯環(huán)補(bǔ)償?shù)确椒?，才能得到較高的定位精度和良好的動(dòng)態(tài)性能。此外，Douglass等人研制的音圈馬達(dá)(VCM)式快速刀具伺服，頻響可達(dá)1kHz，工作行程達(dá)40;動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的頻響較高，輸出力(矩)大，輸出線性較好，是快速刀具伺服研究的重要方向，如Richard Montesanti等人研制的動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器快速刀具伺服，行程達(dá)幾十微米，頻響達(dá)幾千赫茲。現(xiàn)有技術(shù)的快速刀具伺服加工系統(tǒng)，如Precitech公司的Nanoform 200等，在精密車床上安裝快速刀具伺服作為輔助加工軸，所加工的表面視為由基面(即回轉(zhuǎn)曲面，含對(duì)稱與非對(duì)稱)和基面上的微結(jié)構(gòu)組成，其中基面的軌跡由精密車床的數(shù)控程序驅(qū)動(dòng)進(jìn)給方向及進(jìn)刀方向的溜板實(shí)現(xiàn)，微結(jié)構(gòu)則由快速刀具伺服實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)只能加工工件的端面， 所能加工的工件表面較小。而目前廣泛使用的微結(jié)構(gòu)元件(如液晶顯示器中的背光模組等)的幅面較大，現(xiàn)有技術(shù)已無法滿足其生產(chǎn)要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，而提供一種能實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)元件的加工與批量生產(chǎn)，加工精度高，幅面大，速度快的基于動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的大幅面微結(jié)構(gòu)加工系統(tǒng)及其加工方法。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種基于動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的大幅面微結(jié)構(gòu)加工系統(tǒng)，所述的光電編碼器與主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，金剛石刀具與金剛石規(guī)尺分別安裝于電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器上，電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器與浮動(dòng)刀架相連，浮動(dòng)刀架與進(jìn)給機(jī)構(gòu)、 光柵尺分別相連，控制器與電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器、主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、光電編碼器、光柵尺以及帶有控制程序發(fā)計(jì)算機(jī)分別相連。
所述的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器包括上彈性裝置、下彈性裝置、銜鐵、轉(zhuǎn)軸、永久磁鋼、左導(dǎo)磁體、右導(dǎo)磁體、左導(dǎo)磁塊、右導(dǎo)磁塊、左控制線圈、右控制線圈和殼體。銜鐵固定在轉(zhuǎn)軸上；轉(zhuǎn)軸的上、下兩端分別由結(jié)構(gòu)相同的上彈性裝置和下彈性裝置支撐，上彈性裝置和下彈性裝置分別固定在殼體上，共同形成電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的高剛度彈簧；左控制線圈、右控制線圈分別固定在左導(dǎo)磁體和右導(dǎo)磁體上；左導(dǎo)磁體與銜鐵共同形成氣隙δ ρ S3，右導(dǎo)磁體與銜鐵共同形成氣隙δ2、S4;金剛石刀具安裝在轉(zhuǎn)軸上，金剛石規(guī)尺固定在殼體上，殼體固定在浮動(dòng)刀架上。永久磁鋼產(chǎn)生極化磁場(chǎng)，使銜鐵處于最佳工作狀態(tài)，經(jīng)調(diào)整，使銜鐵在兩個(gè)控制線圈未輸入電流時(shí)處于中位和相對(duì)平衡狀態(tài)，各氣隙的長(zhǎng)度一致；當(dāng)左控制線圈和右控制線圈分別輸入一定極性的電流時(shí)，產(chǎn)生控制磁場(chǎng)，控制磁場(chǎng)與極化磁場(chǎng)差動(dòng)疊加，氣隙δ ρ ~的磁場(chǎng)增強(qiáng)，而δ2、S3的減弱，銜鐵受力不再平衡，在電磁力矩的作用下，克服上彈性裝置、下彈性裝置的彈力矩和負(fù)載力矩，向磁場(chǎng)增強(qiáng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，直至電磁力矩與上彈性裝置、下彈性裝置的彈力矩和負(fù)載力矩達(dá)到平衡為止；當(dāng)輸入電流極性相反時(shí)， 銜鐵向另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。所述進(jìn)給機(jī)構(gòu)包括進(jìn)給電機(jī)、絲杠和導(dǎo)軌，所述的絲杠與進(jìn)給電機(jī)、浮動(dòng)刀架分別相連，進(jìn)給電機(jī)與控制器相連，浮動(dòng)刀架安裝在導(dǎo)軌上。所述主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括主電機(jī)、減速器和主軸，所述的減速器與主電機(jī)、主軸相連， 主電機(jī)與控制器相連，主軸與光電編碼器相連。所述控制器包括主控制單元、數(shù)據(jù)輸入單元、主軸位置檢測(cè)單元、進(jìn)給位置檢測(cè)單元、主驅(qū)動(dòng)單元、副驅(qū)動(dòng)單元和電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)單元；主控制單元是以DSP為處理器的嵌入式微處理系統(tǒng)，由DSP及外圍接口電路、數(shù)據(jù)緩存和輸入輸出接口組成；數(shù)據(jù)輸入單元是基于SCSI總線的數(shù)據(jù)接口電路；數(shù)據(jù)輸入單元的數(shù)據(jù)輸入接口通過SCSI總線與計(jì)算機(jī)相連，其控制輸入接口與主控制單元的輸出接口相連，其數(shù)據(jù)輸出接口與主控制單元的輸入接口相連；主軸位置檢測(cè)單元的輸入接口與光電編碼器相連，主軸位置檢測(cè)單元的輸出接口與主控制單元的輸入接口相連；進(jìn)給位置檢測(cè)單元的輸入接口與光柵尺相連，進(jìn)給位置檢測(cè)單元的輸出接口與主控制單元的輸入接口相連；主驅(qū)動(dòng)單元和副驅(qū)動(dòng)單元的輸入接口分別與主控制單元的輸出接口相連，主驅(qū)動(dòng)單元的輸出接口與主電機(jī)相連，副驅(qū)動(dòng)單元的輸出接口與進(jìn)給電機(jī)相連。所述電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)單元包括數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(D/A)和功率放大器，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)的輸入接口與主控制單元的輸出接口相連，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(D/A)的輸出接口與功率放大器的輸入接口相連，功率放大器的輸出接口與電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器相連。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案還包括一種如上所述的基于動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的大幅面微結(jié)構(gòu)加工系統(tǒng)的加工方法，包括以下步驟
1)、采用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件如TracePro、機(jī)械設(shè)計(jì)軟件如Pro-E進(jìn)行微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，形成設(shè)計(jì)文件；
2)、設(shè)計(jì)文件轉(zhuǎn)換成加工軌跡數(shù)據(jù)；
3)、加工軌跡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器、主電機(jī)、進(jìn)給電機(jī)的控制信號(hào)，分別加載并驅(qū)動(dòng)電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器、主電機(jī)、進(jìn)給電機(jī)；
4)、精密車削加工工件，形成模具；
5)、采用熱壓印等后處理工藝對(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)制。
本發(fā)明采用動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器作為執(zhí)行元件，對(duì)輥筒式工件的外圓表面進(jìn)行加工，為大幅面微結(jié)構(gòu)元件的加工和批量生產(chǎn)提供一種高速、精密加工系統(tǒng)及加工方法。本發(fā)明具有以下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)和效果
1、采用高頻動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器作為執(zhí)行元件，加工速度快、精度高；
2、采用輥筒式工件，在其外圓表面上進(jìn)行微結(jié)構(gòu)加工，幅面大；
3、采用浮動(dòng)刀架和金剛石規(guī)尺，實(shí)時(shí)保持金剛石刀具與工件的外圓表面間距一致，克服工件形位誤差可能給加工帶來的誤差，提高了加工精度；
4、采用軌跡加工法，加工速度快。


圖1為本發(fā)明所述主要機(jī)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明選用的動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明所述控制系統(tǒng)的示意圖； 圖4為本發(fā)明所述加工方法的流程圖。圖中所示的標(biāo)號(hào)為主電機(jī)1，光電編碼器2，減速器3，進(jìn)給電機(jī)4，主軸5，絲杠6， 導(dǎo)軌7，浮動(dòng)刀架8，金剛石刀具9，金剛石規(guī)尺10，電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器11，光柵尺12，工件13， 下彈性裝置14，左導(dǎo)磁體15，左控制線圈16，上彈性裝置17，轉(zhuǎn)軸18，右控制線圈19，銜鐵 20，右導(dǎo)磁體21，左導(dǎo)磁塊22，永久磁鋼23，右導(dǎo)磁塊M，內(nèi)圈25，高剛度鋼片26，外圈27， 支座觀，計(jì)算機(jī)四，控制器30。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖1、2、3所示，本發(fā)明主要包括計(jì)算機(jī)四、控制器30、電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器11、主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、浮動(dòng)刀架8、光電編碼器2和光柵尺12，所述的光電編碼器2與主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，金剛石刀具與金剛石規(guī)尺分別安裝于電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器11上，電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器11與浮動(dòng)刀架8相連，浮動(dòng)刀架8與進(jìn)給機(jī)構(gòu)、光柵尺12分別相連，控制器30與電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器11、主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、光電編碼器2、光柵尺12以及帶有控制程序發(fā)計(jì)算機(jī)四分別相連。所述的進(jìn)給機(jī)構(gòu)包括進(jìn)給電機(jī)4、絲杠6和導(dǎo)軌7，所述絲杠6與進(jìn)給電機(jī)4、 浮動(dòng)刀架8分別相連，浮動(dòng)刀架8安裝在導(dǎo)軌7上；主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括主電機(jī)1、減速器3和主軸5，所述減速器3與主電機(jī)1、主軸5分別相連，主軸5與光電編碼器2相連；金剛石刀具9、金剛石規(guī)尺10分別安裝于電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器11上，電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器11與浮動(dòng)刀架8相連，浮動(dòng)刀架8與光柵尺12相連；工件13與主軸5相連，金剛石規(guī)尺10在浮動(dòng)刀架8的彈力作用下與工件13的外圓表面實(shí)時(shí)保持接觸，使金剛石刀具9與工件13的外圓表面的間距始終保持不變，克服工件13的形位誤差可能給加工帶來的誤差；控制器30與電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器11、主電機(jī)1、進(jìn)給電機(jī)4、光電編碼器2、光柵尺12以及計(jì)算機(jī)四分別相連；計(jì)算機(jī)四設(shè)置有控制程序。本發(fā)明選用的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器11包括上彈性裝置17、下彈性裝置14、銜鐵20、轉(zhuǎn)軸18、永久磁鋼23、左導(dǎo)磁體15、右導(dǎo)磁體21、左導(dǎo)磁塊22、右導(dǎo)磁塊Μ、左控制線圈16、右控制線圈19和殼體(圖中未示出)。所述的銜鐵20固定在轉(zhuǎn)軸18上；上彈性裝置17和下彈性裝置14分別由外圈27、內(nèi)圈25、4片高剛度彈簧鋼片沈和支座觀組成；4片高剛度彈簧鋼片沈均經(jīng)過熱處理，其一端固定于內(nèi)圈25上，另一端固定于外圈27上，且呈輪輻狀對(duì)稱布置，外圈27固定于支座28上；上彈性裝置17和下彈性裝置14的內(nèi)圈25分別與轉(zhuǎn)軸 18的上端、下端相連，上彈性裝置17和下彈性裝置14的支座觀則分別固定于電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器11的殼體(圖中未示出)上，共同為轉(zhuǎn)軸18提供高剛度彈性支撐，形成電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器11的高剛度彈簧；左控制線圈16固定在左導(dǎo)磁體15上，右控制線圈19固定在右導(dǎo)磁體 21上；左導(dǎo)磁體15與銜鐵20共同形成氣隙δ ρ J3，右導(dǎo)磁體21與銜鐵20共同形成氣隙 δ2、Si ；金剛石刀具9安裝在轉(zhuǎn)軸18上，金剛石規(guī)尺10固定在殼體上，殼體固定在浮動(dòng)刀架8上。永久磁鋼10產(chǎn)生極化磁場(chǎng)，使銜鐵7處于最佳工作狀態(tài)，經(jīng)調(diào)整，使銜鐵7在左控制線圈16和右控制線圈19未輸入電流時(shí)處于中位和相對(duì)平衡狀態(tài)，各氣隙長(zhǎng)度一致。當(dāng)左控制線圈16和右控制線圈19分別輸入一定極性的電流時(shí)，產(chǎn)生控制磁場(chǎng)，控制磁場(chǎng)與極化磁場(chǎng)差動(dòng)疊加，氣隙、~的磁場(chǎng)增強(qiáng)，而々,、~的減弱，銜鐵20受力不再平衡，在電磁力矩的作用下，克服上彈性裝置17、下彈性裝置14的彈力矩和負(fù)載力矩，向磁場(chǎng)增強(qiáng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，直至電磁力矩與上彈性裝置17、下彈性裝置14的彈力矩和負(fù)載力矩達(dá)到平衡為止；當(dāng)輸入電流極性相反時(shí)，銜鐵20向另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器11的最大角位移為0. 0065rad，其非線性度小于0. 5% ；導(dǎo)磁材料的磁滯特性導(dǎo)致電_機(jī)械轉(zhuǎn)換器11的靜態(tài)特性存在磁滯現(xiàn)象，但滯回較小，約為1. 8% ；電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器11的頻響 (-3dB)達(dá)10. 5kHz。金剛石刀具9的刀柄長(zhǎng)度為10_，因此，加工深度達(dá)0. 065mm。本發(fā)明所述的控制器30包括主控制單元、數(shù)據(jù)輸入單元、主軸位置檢測(cè)單元、進(jìn)給位置檢測(cè)單元、主驅(qū)動(dòng)單元、副驅(qū)動(dòng)單元和電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)單元。主控制單元是以 DSP為處理器的嵌入式微處理系統(tǒng)，由DSP及外圍接口電路、數(shù)據(jù)緩存和輸入輸出接口組成；數(shù)據(jù)輸入單元是基于SCSI總線的數(shù)據(jù)接口電路，數(shù)據(jù)輸入單元的數(shù)據(jù)輸入接口通過 SCSI總線與計(jì)算機(jī)四相連，其控制輸入接口與主控制單元的輸出接口相連，其數(shù)據(jù)輸出接口與主控制單元的輸入接口相連；主軸位置檢測(cè)單元的輸入接口與光電編碼器2相連，主軸位置檢測(cè)單元的輸出接口與主控制單元的輸入接口相連；進(jìn)給位置檢測(cè)單元的輸入接口與光柵尺12相連，進(jìn)給位置檢測(cè)單元的輸出接口與主控制單元的輸入接口相連；主驅(qū)動(dòng)單元和副驅(qū)動(dòng)單元的輸入接口分別與主控制單元的輸出接口相連，主驅(qū)動(dòng)單元的輸出接口與主電機(jī)1相連，副驅(qū)動(dòng)單元的輸出接口與進(jìn)給電機(jī)4相連。電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)單元由數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(D/A)、功率放大器組成。數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)的輸入接口與主控制單元的輸出接口相連，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(D/A)的輸出接口與功率放大器的輸入接口相連，功率放大器的輸出接口與電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器11相連。圖4所示，本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括基于動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的大幅面微結(jié)構(gòu)加工系統(tǒng)的加工方法，包括以下步驟
1)、采用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件如TracePro、機(jī)械設(shè)計(jì)軟件如Pro-E進(jìn)行微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，形成設(shè)計(jì)文件；
2)、設(shè)計(jì)文件轉(zhuǎn)換成加工軌跡數(shù)據(jù)；
3)、加工軌跡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器11、主電機(jī)1、進(jìn)給電機(jī)4的控制信號(hào)，分別加載并驅(qū)動(dòng)電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器11、主電機(jī)1、進(jìn)給電機(jī)4 ；
4)、精密車削工件13，形成模具；
5)、采用熱壓印等后處理工藝對(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)制。具體實(shí)施時(shí)，通過設(shè)計(jì)形成微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)文件，設(shè)計(jì)文件經(jīng)過計(jì)算機(jī)四的控制程序中的軌跡數(shù)據(jù)生成軟件轉(zhuǎn)換為加工軌跡數(shù)據(jù)后，送到控制器30中；控制器30檢測(cè)光電編碼器2、光柵尺12的信號(hào)分別作為金剛石刀具9在工件13圓周方向和進(jìn)給方向上的位置， 并控制主電機(jī)1、進(jìn)給電機(jī)4動(dòng)作，主電機(jī)1通過減速器3和主軸5帶動(dòng)工件13轉(zhuǎn)動(dòng)，并控制金剛石刀具9在工件13圓周方向上的位置，進(jìn)給電機(jī)4通過絲杠6控制金剛石刀具9在導(dǎo)軌7上的位置，同時(shí)，控制器30通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(D/A)和功率放大器驅(qū)動(dòng)電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器11動(dòng)作，帶動(dòng)金剛石刀具9對(duì)工件13的外圓表面進(jìn)行精密車削加工，從而在其表面上加工出微結(jié)構(gòu)，形成模具；然后采用熱壓印等后處理等工藝，將微結(jié)構(gòu)復(fù)制到熱固樹脂等材料上，實(shí)現(xiàn)大幅面微結(jié)構(gòu)元件的批量加工。本發(fā)明的等效變換均應(yīng)認(rèn)為落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的大幅面微結(jié)構(gòu)加工系統(tǒng)，它主要包括計(jì)算機(jī)、控制器、電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器、主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、浮動(dòng)刀架、光電編碼器和光柵尺，其特征在于所述的光電編碼器與主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，金剛石刀具與金剛石規(guī)尺分別安裝于電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器上，電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器與浮動(dòng)刀架相連，浮動(dòng)刀架與進(jìn)給機(jī)構(gòu)、光柵尺分別相連，控制器與電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器、主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、光電編碼器、光柵尺以及帶有控制程序發(fā)計(jì)算機(jī)分別相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的大幅面微結(jié)構(gòu)加工系統(tǒng)，其特征在于所述的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器包括上彈性裝置、下彈性裝置、銜鐵、轉(zhuǎn)軸、永久磁鋼、左導(dǎo)磁體、右導(dǎo)磁體、左導(dǎo)磁塊、右導(dǎo)磁塊、左控制線圈、右控制線圈和殼體；所述的銜鐵固定在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸的上、下兩端分別由結(jié)構(gòu)相同的上彈性裝置和下彈性裝置支撐，上彈性裝置和下彈性裝置分別固定在殼體上，共同形成電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的高剛度彈簧；左控制線圈、右控制線圈分別固定在左導(dǎo)磁體和右導(dǎo)磁體上；左導(dǎo)磁體與銜鐵共同形成氣隙δ” 53，右導(dǎo)磁體與銜鐵共同形成氣隙δ2、S4 ；金剛石刀具安裝在轉(zhuǎn)軸上，金剛石規(guī)尺固定在殼體上，殼體固定在浮動(dòng)刀架上；永久磁鋼產(chǎn)生極化磁場(chǎng)，使銜鐵處于最佳工作狀態(tài)，經(jīng)調(diào)整，使銜鐵在兩個(gè)控制線圈未輸入電流時(shí)處于中位和相對(duì)平衡狀態(tài)，各氣隙的長(zhǎng)度一致；當(dāng)左控制線圈和右控制線圈分別輸入一定極性的電流時(shí)，產(chǎn)生控制磁場(chǎng)，控制磁場(chǎng)與極化磁場(chǎng)差動(dòng)疊力口，氣隙δ ρ Si的磁場(chǎng)增強(qiáng)，而δ2、~的減弱，銜鐵受力不再平衡，在電磁力矩的作用下， 克服上彈性裝置、下彈性裝置的彈力矩和負(fù)載力矩，向磁場(chǎng)增強(qiáng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，直至電磁力矩與上彈性裝置、下彈性裝置的彈力矩和負(fù)載力矩達(dá)到平衡為止；當(dāng)輸入電流極性相反時(shí)，銜鐵向另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的大幅面微結(jié)構(gòu)加工系統(tǒng)，其特征在于所述進(jìn)給機(jī)構(gòu)包括進(jìn)給電機(jī)、絲杠和導(dǎo)軌；所述的絲杠與進(jìn)給電機(jī)、浮動(dòng)刀架分別相連，進(jìn)給電機(jī)與控制器相連，浮動(dòng)刀架安裝在導(dǎo)軌上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的大幅面微結(jié)構(gòu)加工系統(tǒng)，其特征在于所述主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括主電機(jī)、減速器和主軸；所述的減速器與主電機(jī)、主軸相連， 主電機(jī)與控制器相連，主軸與光電編碼器相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的基于動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的大幅面微結(jié)構(gòu)加工系統(tǒng)， 其特征在于所述控制器包括主控制單元、數(shù)據(jù)輸入單元、主軸位置檢測(cè)單元、進(jìn)給位置檢測(cè)單元、主驅(qū)動(dòng)單元、副驅(qū)動(dòng)單元和電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)單元；所述的主控制單元是以DSP 為處理器的嵌入式微處理系統(tǒng)，由DSP及外圍接口電路、數(shù)據(jù)緩存和輸入輸出接口組成；數(shù)據(jù)輸入單元是基于SCSI總線的數(shù)據(jù)接口電路；數(shù)據(jù)輸入單元的數(shù)據(jù)輸入接口通過SCSI總線與計(jì)算機(jī)相連，其控制輸入接口與主控制單元的輸出接口相連，其數(shù)據(jù)輸出接口與主控制單元的輸入接口相連；主軸位置檢測(cè)單元的輸入接口與光電編碼器相連，主軸位置檢測(cè)單元的輸出接口與主控制單元的輸入接口相連；進(jìn)給位置檢測(cè)單元的輸入接口與光柵尺相連，進(jìn)給位置檢測(cè)單元的輸出接口與主控制單元的輸入接口相連；主驅(qū)動(dòng)單元和副驅(qū)動(dòng)單元的輸入接口分別與主控制單元的輸出接口相連，主驅(qū)動(dòng)單元的輸出接口與主電機(jī)相連， 副驅(qū)動(dòng)單元的輸出接口與進(jìn)給電機(jī)相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的大幅面微結(jié)構(gòu)加工系統(tǒng)，其特征在于所述電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)單元包括數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(D/A)和功率放大器；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)的輸入接口與主控制單元的輸出接口相連，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(D/A)的輸出接口與功率放大器的輸入接口相連，功率放大器的輸出接口與電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器相連。
7. 一種根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5或6所述的基于動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的大幅面微結(jié)構(gòu)加工系統(tǒng)的加工方法，其特征在于該加工方法包括以下步驟1)、采用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件如TracePro、機(jī)械設(shè)計(jì)軟件如Pro-E進(jìn)行微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，形成設(shè)計(jì)文件；2)、設(shè)計(jì)文件轉(zhuǎn)換成加工軌跡數(shù)據(jù)；3)、加工軌跡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器、主電機(jī)、進(jìn)給電機(jī)的控制信號(hào)，分別加載并驅(qū)動(dòng)電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器、主電機(jī)、進(jìn)給電機(jī)；4)、精密車削工件，形成模具；5)、采用熱壓印等后處理工藝對(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)制。
全文摘要
一種基于動(dòng)鐵式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的大幅面微結(jié)構(gòu)加工系統(tǒng)及其加工方法，它主要包括計(jì)算機(jī)、控制器、電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器、主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、浮動(dòng)刀架、光電編碼器和光柵尺，所述的光電編碼器與主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，金剛石刀具與金剛石規(guī)尺分別安裝于電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器上，電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器與浮動(dòng)刀架相連，浮動(dòng)刀架與進(jìn)給機(jī)構(gòu)、光柵尺分別相連，控制器與電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器、主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、光電編碼器、光柵尺以及帶有控制程序發(fā)計(jì)算機(jī)分別相連；所述的加工方法包括采用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件如TracePro、機(jī)械設(shè)計(jì)軟件如Pro-E進(jìn)行微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，形成設(shè)計(jì)文件；設(shè)計(jì)文件轉(zhuǎn)換成加工軌跡數(shù)據(jù)；加工軌跡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器、主電機(jī)、進(jìn)給電機(jī)的控制信號(hào)，分別加載并驅(qū)動(dòng)電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器、主電機(jī)、進(jìn)給電機(jī)；它具有能實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)元件的加工與批量生產(chǎn)，加工精度高，幅面大，速度快等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102530849SQ201210061009
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者方平 申請(qǐng)人:方平