超精密加工的监控测量仪

超精密加工的监控

超精密加工的监控 2011年12月04日 来源： 超精密加工的监控方案保证了工艺的稳定性以及工件的表面质量和精度。反射器、显示器或衍射光学元器件所使用的显微构造的塑料薄膜的质量主要受到具有超精密表面成形模具的影响，这些模具在注塑或热加工过程中用于产品的复制。使用具有规定几何形状切削刃的单晶体金刚石刀具，对这种有色金属模具的结构进行刨削、车削和铣削加工。这种超精密的切削加工的加工时间往往要持续几天，甚至长达几个星期，以实现对这些表面面积达到好几平方米的扁平或圆柱状的工件进行结构加工。具有恒定表面质量保障的工艺稳定性受到金刚石刀具磨损的影响，这种磨损不仅直接影响结构几何形状的精度，也会影响其表面精度。目前，只是在一个完整的加工流程后才会对损坏的成形模具进行鉴别，这就导致产生巨大的废品成本，特别对于中小型企业来说，这往往使他们达到财务承受能力的极限。

制造用于生产微型薄膜结构或显示器的成形模具是一个长时间复杂的工艺过程

使用具有规定几何形状切削刃的单晶体金刚石刀具，对这种有色金属模具的结构进行刨削、车削和铣削加工。这种超精密的切削加工的加工时间往往要持续几天，甚至长达几个星期，以实现对这些表面面积达到好几平方米的扁平或圆柱状的工件进行结构加工。具有恒定表面质量保障的工艺稳定性受到金刚石刀具磨损的影响，这种磨损不仅直接影响结构几何形状的精度，也会影响其表面精度。目前，只是在一个完整的加工流程后才会对损坏的成形模具进行鉴别，这就导致产生巨大的废品成本，特别对于中小型企业来说，这往往使他们达到财务承受能力的极限。重复精度达到200nm或更小Frauenhof生产技术研究所（IPT）为金刚石车削以及钻削和刨削加工开发了适用的工艺监控和自动化方案，这种方案可以实现完全自动化的更换刀具以及在加工过程中对金刚石磨损标记的监控。这样，可以确保在长达数日的切削加工中仍达到很高的工艺稳定性和均衡的表面质量。和目前采用的精度范围为2~5mm的常用的精密装夹技术不同的是，新的方案可以达到光学制造技术所要求的200nm或更高的重复精度。通过安装附加的组件，可以完全自动地辨别刀具切削刃在亚微米范围的损坏情况，在必要的情况下可以更换磨损的刀具，并且接着以亚微米的精度测量由于换刀而引起的位置偏差，并借助机器控制装置将其纠正。目前生产技术研究所已经在一台机床上装备了这些附加组件，正在设计第二台。生产技术研究所制造了一台UHM型超精密加工中心，该中心可以通过使用单晶体金刚石刀具对面积达到1m2的光学表面进行车削、铣削和刨削的组合加工（图1）。该研究所又和工业界的伙伴合作进行了第二台机床的设计，用来加工直径达600mm、长度达2000mm的具有光学表面质量的辊筒状工件。

图1 在这台加工中心上可以对工件进行超精密的车削、铣削和刨削等组合加工

这两台机器都配备了自动化刀具更换系统，该系统由一台高分辨率的CCD（计算机控制数码）照相机和一个用于换刀的转塔或一个曲臂机器人组成。在这些机器上对工件进行加工,由于超精密加工技术中切削量和进给量很小的原因而往往要延续数周的时间，因此会产生渐进式的刀具磨损。毫无偏差地放大金刚石刀具的刀尖通过使用一台Sony －HRC 照相机可以获得1024 × 768像素（ Pixel ）的单幅尺寸为4.65 ×4.65 mm的照片。在照相机上使用可放大10倍的遥控对中的镜头可以在聚焦距离为48mm时得到一个 0.49 mm × 0.37 mm的有效视野，从而可以对金刚石刀尖进行分析。由于镜头可以毫无偏差地放大，一个单一的像素就反映了4.65mm× 4.65mm的尺寸，因此达到了光学可分辨度的极限。通过安放在照相机对面同样是遥控对中的发光二极管（LED）可以提高视野内的感光度。为了在加工中不受污物和环境因素的影响（图2），整个装置安装在一个带保护盖的结构紧凑的壳体内。此外，壳体可以在4个自由度进行定向，以便使在光学光程中的成象误差减到最小。

图2 在加工过程中光学刀具测量站可用于防止污染及外界环境的影响

两个不同的刀具更换系统刀具更换装置有两种不同的系统。一个带有气动夹持器并可以固定Posalux金刚石刀架的电动螺旋装置的6轴机器人可以启动刀具库，以便把磨损的刀具放下并且取出新的刀具。接下来可以选择将金刚石装夹在一个刨削加工或高速切削主轴的刀架上，不仅是为了更换刀具，更是为了测定金刚石刀尖的特性，以便将轴承的主轴固定在一个确定的几何位置上。主轴固定的重复精度对于更换新刀具所达到的精确度是具有决定性意义的。通过使用一个自己设计的Posalux 金刚石刀具柄适配器，装夹精度可以达到微米级，但是仅这样还不能达到精度的要求，接着仍需进行认真的定位。作为替代方案，Frauenhof 生产技术研究所（IPT）研制了一个刀具转塔，将它整合后安装在超精密车床上。和通常的高速切削加工不同的是，为了在刀具转塔内部可重复地并且高度精确地装夹刀具，使用了一个专用适配的HSK 25 装置，以便在刀具和机床之间创建一个接口（连接点）。使用HSK装置可以确保在具有很高刚性的情况下达到高达500nm的纯机械的装夹精度。而通过一个附加的整合的固定螺栓可以防止该装置的旋转（图3）。HSK夹具特殊的内部设计是专门用于装夹6 ×6 mm刀具柄的，这是一种典型地用于金刚石刀具切削的刀具柄。

图3 测量装置用于确保在更换刀具时达到纳米级别的精度

单晶体金刚石刀具的磨损是随机出现的，因此不可能准确地通过经验性的系列试验来预见。特别是在蕴藏着巨大成本效益潜力、大面积、表面微型结构加工的刨削加工过程中，有时会突然出现刀具断裂从而使整个工件报废。在测量站定期进行检验为了保证达到表面精度和成形精度方面的高质量，在一轮铣削或刨削加工结束之后，要按规定的时间间隔暂停加工，并将金刚石刀具送到光学测量站进行检测。使用高分辨率的CCD照相机对刀具切削刃的状况进行鉴定，同时确定刀尖在以照相机为基准的绝对坐标系的相对位置。在预先确定的磨损标记的基础上，照相机的分析软件可以自己决定是否需要启动刀具更换的程序，或者确定刀具是否还可以满足下一步继续加工的质量要求。在需要更换刀具的情况下，机器人将刀具从机床的夹具中取出，并将其放到刀具库中去，然后将一个新的刀具从同一个刀具库中取出，并将其固定在机床的夹具上。接着通过机器人的控制将刀具重新送到光学测量站，以便对金刚石刀尖的新老位置进行比较，计算出一组校正数据，并将这组数据通过一个系列接口传输到机器的控制系统中去。在机器的控制系统中，将附属的参考坐标系统进行移位，以便在同一个位置上以小于500nm的重复精度用一个新的刀具继续进行工作。整个系统的精密度主要取决于光学测量站的的精度。除了照相机和求值算法系统分析软件的重复精度之外，对机器坐标系统光路的错误定向可能会导致几何尺寸的失真以及必要的校正数值的错误解释。但是借助一个自己研制的参考样本和一个附属的校准程序可以将照相机进行精确定向，角度剩余误差仅为0.05°。用试验工件对系统进行鉴定当所测量的径向主轴转子位置的重复精度为3mm时，相应的误差小于5nm，这明显地小于CCD照相机的分辨率精度。在理论观察的基础上，总的误差在0.5mm之下。为了对系统进行鉴定，制造出了具有线性结构的试验工件。在铣削基准槽确定之后对刀具进行更换。单纯由于换刀的原因可能在X方向测量出2.3mm的偏移，在Z方向测量出4.3mm的偏移。附带的校正值将自动地传输到机器的控制系统中，以便在同样的槽距和同样的进刀深度的情况下继续铣削其他的槽。通过使用一个Taylor-Hobson 粗糙度检查仪对结构深度和结构距离的测量，可以测量出由于换刀而引起的133nm的垂直方向偏差及178nm的水平方向偏差。在部件的无源定向的基础上，所得到的数据明显地超过目前可获得的刀具更换系统的精密度。现在所达到的数值还可能再低一些由无源的预调节和有源的测量及位置校正组成的新的混合方案首次构成了采用切削加工工艺方法进行超精密表面加工的完全自动化方案的基础。该方案的优点在于，在和机器整合的超精密金刚石切削刀具特性测定和更换系统的基础上，在工艺过程中通过在亚微米范围内对磨损标记宽度的测定实现了对切削刃状况的监控，并在必要时以200nm或更高的精度对刀具进行更换补偿。通过清洁技术和改善试验中固定的空气轴承主轴的方法，这些数值还可以降低。Frauenhof 生产技术研究所（IPT）的机床系统可提供工业界和科研界用于制造具有光学表面质量的复杂的大面积的成形模具。该项研究工作是在宏大项目（Projekt Gross-Mikro, 标记13525 N ）的框架内进行的，通过德国工业研究联合会（AiF）得到了德国联邦经济和技术部（BMWi）的资金赞助，并且得到了欧洲Excellence 4M网络的支持。MM《现代制造》杂志(end)

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