光柵機械刻劃工藝試驗裝置制造方法
【專利摘要】光柵機械刻劃工藝試驗裝置屬于光柵工藝【技術(shù)領(lǐng)域】。現(xiàn)有技術(shù)無法調(diào)節(jié)刻劃刀具裝夾角度，無法調(diào)整工件水平度。在本實用新型中，龍門懸架安裝在底座上，刀架剛性懸掛在龍門懸架橫梁中部；刻劃刀具安裝在刀架下端；定位平臺與刀架在Z方向上對應(yīng)并安裝在底座上；定位平臺中的直線位移平臺由X向平移平臺、Y向平移平臺、Z向平移平臺三者疊加連接而成；龍門懸架的兩根立柱豎直固定在底座上，橫梁兩端與兩根立柱內(nèi)側(cè)通過燕尾槽連接；定位平臺中的弧線位移平臺由X軸弧線位移平臺與Y軸弧線位移平臺疊加而成；直線位移平臺與弧線位移平臺疊加連接在一起；XYZ三向微力測力儀位于定位平臺上部；刀架中的X軸調(diào)節(jié)座、Y軸調(diào)節(jié)座、Z軸調(diào)節(jié)座三者疊加連接在一起。
【專利說明】光柵機械刻劃工藝試驗裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種光柵機械刻劃工藝試驗裝置，屬于光柵工藝【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]衍射光柵作為光譜儀器中的核心器件，在工業(yè)、國防、科研等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。相對于復(fù)制和全息離子刻蝕來說，光柵機械刻劃是一種適合于大面積、低刻線密度原刻衍射光柵的制作工藝，該工藝在實現(xiàn)大面積刻劃的同時應(yīng)當具有較高的刻劃精度，從而提高光柵衍射效率。
[0003]一個與所述光柵機械刻劃機有關(guān)的方案為“微納米原位納米壓痕刻劃測試系統(tǒng)”。該測試系統(tǒng)包括X、Y軸方向精密定位平臺、Z軸方向精密線性定位平臺和精密壓入驅(qū)動單元、載荷信號檢測單元、位移信號檢測單元以及高分辨率數(shù)字顯微成像系統(tǒng)，所述高分辨率數(shù)字顯微成像系統(tǒng)用于觀測和存儲在測試過程中材料的變形及損傷狀況。由于該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征所限，其刻劃刀具只有Z方向一個自由度，不能繞X、Y、Z軸轉(zhuǎn)動，無法實現(xiàn)刻劃刀具的裝夾角度的調(diào)節(jié)，或者說不能設(shè)置安裝角度；其定位平臺雖然具有X、Y方向自由度，但是，無法實現(xiàn)工件的水平度調(diào)整。另外，其載荷信號檢測單元只能檢測Z方向力的變化，無法對整個刻劃過稈三向力變化講行監(jiān)測。因此，所述微納米原位納米壓痕刻劃測試系統(tǒng)不適用于對光柵機械刻劃工藝進行多自由度、多向載荷檢測的研究。
實用新型內(nèi)容
[0004]對光柵薄膜機械刻劃工藝的研究主要通過“光柵機械刻劃機”來進行，即使用光柵機械刻劃機通過試刻進行試驗。要求裝夾刻劃刀具的刀架不僅要能夠?qū)崿F(xiàn)刻劃刀具的進給，還需要能夠預(yù)先給刻劃刀具設(shè)置安裝角度，包括俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、方位角；固定工件的定位平臺除了能夠?qū)崿F(xiàn)工件在一個平面內(nèi)兩個相互垂直的方向上平移外，還應(yīng)當能夠確保所述平面與刻劃刀具進給方向垂直，如果刻劃刀具的進給方向為垂直方向，則需要的是定位平臺能夠調(diào)整水平度；載荷信號檢測單元不僅能夠檢測刻劃刀具施加到工件上的初始壓力，還需要能夠分別檢測在兩個方向上刻劃施加到工件上的力。為此，我們發(fā)明了一種光柵機械刻劃工藝試驗裝置。
[0005]一種光柵機械刻劃工藝試驗裝置，如圖1所示，龍門懸架安裝在底座I上，刀架2剛性懸掛在龍門懸架橫梁3中部；刻劃刀具4安裝在刀架2下端；定位平臺與刀架2在Z方向上對應(yīng)并安裝在底座I上；定位平臺中的直線位移平臺5由X向平移平臺、Y向平移平臺、Z向平移平臺6三者疊加連接而成，如圖1、圖2所示；其特征在于，龍門懸架的兩根立柱7豎直固定在底座I上，橫梁3兩端與兩根立柱7內(nèi)側(cè)通過燕尾槽連接；定位平臺中的弧線位移平臺8由X軸弧線位移平臺與Y軸弧線位移平臺疊加而成，如圖3所示；直線位移平臺5與弧線位移平臺8疊加連接在一起，如圖1所示；XYZ三向微力測力儀9位于定位平臺上部，如圖1所示；刀架2中的X軸調(diào)節(jié)座、Y軸調(diào)節(jié)座、Z軸調(diào)節(jié)座三者疊加連接在一起。
[0006]本實用新型其技術(shù)效果如下。[0007]從宏觀上看，本實用新型之光柵機械刻劃工藝試驗裝置自下而上依次為底座1、定位平臺、刻劃刀具4、刀架2、龍門懸架。工件10固定在定位平臺最上端?？虅澋毒?朝下，調(diào)節(jié)龍門懸架橫梁3在Z向上位置，粗略調(diào)整刻劃刀具4在Z向上位置，直到接觸工件10刻劃表面，完成粗落刀。調(diào)節(jié)定位平臺中的直線位移平臺5中的Z向平移平臺6，精密調(diào)整工件10與刻劃刀具4的Z向相對位置，使刻劃刀具4達到刻劃深度，完成對刀、細落刀。調(diào)節(jié)定位平臺中的弧線位移平臺8，當調(diào)節(jié)所述弧線位移平臺8中的X軸弧線位移平臺，工件10刻劃表面以X軸為軸旋轉(zhuǎn)，當調(diào)節(jié)所述弧線位移平臺8中的Y軸弧線位移平臺，工件10刻劃表面以Y軸為軸旋轉(zhuǎn)，直到工件10刻劃表面呈水平狀態(tài)，完成工件10水平度的調(diào)整。分別調(diào)節(jié)刀架2中的X軸調(diào)節(jié)座、Y軸調(diào)節(jié)座、Z軸調(diào)節(jié)座，分別實現(xiàn)刻劃刀具4的俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、方位角的調(diào)整，以適應(yīng)不同刻劃槽形的需要，或者說依此研究刻劃刀具4的安裝角度對光柵機械刻劃槽形質(zhì)量的影響。完成光柵機械刻劃工藝試驗裝置的調(diào)節(jié)后，啟動定位平臺中的直線位移平臺5中的X向平移平臺和Y向平移平臺，確定X向平移平臺和Y向平移平臺的平移量和平移周期，實現(xiàn)光柵的X向刻劃或者Y向刻劃。在刻劃過程中，由XYZ三向微力測力儀9 一并測試刻劃刀具4在X向、Y向、Z向作用在工件10刻劃表面的力。當進行光柵的X向刻劃時，測試刻劃刀具4在X向作用在工件10刻劃表面的力；當進行光柵Y向刻劃時，測試刻劃刀具4在Y向作用在工件10刻劃表面的力；在前兩種光柵刻劃方式中，均測試刻劃刀具4在Z向作用在工件10刻劃表面的力，也就是初始壓力。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型的各項目的均得到實現(xiàn)。可見，本實用新型能夠?qū)崿F(xiàn)多尺度、多自由度、開放性的光柵機械刻劃工藝試驗研究。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為本實用新型之光柵機械刻劃工藝試驗裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖，該同還表示定位平臺各組成部分的結(jié)構(gòu)關(guān)系，該圖兼作為摘要附圖。圖2為本實用新型之光柵機械刻劃工藝試驗裝置中的定位平臺中的直線位移平臺中的X向平移平臺、Y向平移平臺結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本實用新型之光柵機械刻劃工藝試驗裝置中的定位平臺中的弧線位移平臺中的X軸弧線位移平臺、Y軸弧線位移平臺結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本實用新型之光柵機械刻劃工藝試驗裝置中的平面真空吸附轉(zhuǎn)臺其結(jié)構(gòu)示意圖，該圖同時表示工件與平面真空吸附轉(zhuǎn)臺的位置關(guān)系。圖5為本實用新型之光柵機械刻劃工藝試驗裝置中的刀架結(jié)構(gòu)示意圖，該圖同時表示刻劃刀具與刀架的連接關(guān)系。
【具體實施方式】
[0009]一種光柵機械刻劃工藝試驗裝置，如圖1所示，龍門懸架安裝在底座I上，刀架2剛性懸掛在龍門懸架橫梁3中部?？虅澋毒?安裝在刀架2下端。定位平臺與刀架2在Z方向上對應(yīng)并安裝在底座I上。定位平臺中的直線位移平臺5由X向平移平臺、Y向平移平臺、Z向平移平臺6三者疊加連接而成，如圖1、圖2所示。龍門懸架的兩根立柱7豎直固定在底座I上，橫梁3兩端與兩根立柱7內(nèi)側(cè)通過燕尾槽連接。定位平臺中的弧線位移平臺8由X軸弧線位移平臺與Y軸弧線位移平臺疊加而成，如圖3所示。直線位移平臺5與弧線位移平臺8疊加連接在一起，直線位移平臺5在上、弧線位移平臺8在下，如圖1所示。XYZ三向微力測力儀9位于定位平臺上部，具體位于定位平臺中的直線位移平臺5中的Z向平移平臺6的下面，如圖1所示。在定位平臺的上端還安裝有平面真空吸附轉(zhuǎn)臺11，由平面真空吸附轉(zhuǎn)臺11吸附固定工件10。在刀架2中，X軸調(diào)節(jié)座、Y軸調(diào)節(jié)座、Z軸調(diào)節(jié)座三者疊加連接在一起，在刀架2的下端還安裝有刀座12，由刀座12固定刻劃刀具4 ;X軸調(diào)節(jié)座、Y軸調(diào)節(jié)座、Z軸調(diào)節(jié)座、刀座12、刻劃刀具4具有共同的Z向幾何軸線。萬向數(shù)字顯微裝置13安裝在底座I上，其取景器瞄向刻劃刀具4與工件10接觸處，萬向數(shù)字顯微裝置13中的數(shù)字顯微鏡通過數(shù)據(jù)線連接到裝有數(shù)據(jù)采集卡的計算機上。
[0010]所述定位平臺中的弧線位移平臺8中的X軸弧線位移平臺與Y軸弧線位移平臺結(jié)構(gòu)相同，弧線位移的軸線相互垂直。X軸弧線位移平臺或者Y軸弧線位移平臺其結(jié)構(gòu)為，如圖3所示，上滑塊14與下滑塊15之間的接觸面為柱面，上滑塊14與下滑塊15通過弧線燕尾槽結(jié)構(gòu)滑動連接，絲杠螺母弧線位移驅(qū)動機構(gòu)中的絲杠16沿與所述柱面母線垂直的方向穿過上滑塊14，與下滑塊15柱面表面上的半螺母螺紋嚙合。電機17固定在上滑塊14上，電機17轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器18與絲杠16同軸連接。由計算機控制電機17轉(zhuǎn)動，通過絲杠螺母弧線位移驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動上滑塊14與下滑塊15的相對弧線運動，實現(xiàn)X軸弧線位移平臺或者Y軸弧線位移平臺的調(diào)節(jié)。X軸弧線位移平臺、Y軸弧線位移平臺的分辨率為0.01°、精度為0.02°。
[0011]所述定位平臺中的直線位移平臺5中的X向平移平臺、Y向平移平臺結(jié)構(gòu)相同，直線位移方向相互垂直。X向平移平臺或者Y向平移平臺其結(jié)構(gòu)為，如圖2所示，滑塊19與滑套20之間的接觸面為平面，滑塊19與滑套20通過直線滑軌滑動連接，絲杠螺母平移驅(qū)動機構(gòu)中的平移絲杠21與滑塊19中的螺母嚙合。平移電機22固定在滑套20上，平移電機22轉(zhuǎn)軸通過平移聯(lián)軸器23與平移絲杠21同軸連接。由計算機控制平移電機22轉(zhuǎn)動，通過絲杠螺母平移驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動滑塊19與滑套20的相對直線運動，實現(xiàn)光柵的X向刻劃或者Y向刻劃。X向平移平臺、Y向平移平臺的分辨率為200nm，精度為400nm。
[0012]所述XYZ三向微力測力儀9通過數(shù)據(jù)線與計算機連接。在刻劃刀具4的粗落刀、對刀、細落刀過程中，XYZ三向微力測力儀9檢測刻劃刀具4與工件10刻劃表面之間作用力的變化，一是實現(xiàn)刻劃刀具4的精確定位；二是在刻劃過程中，考察刻劃震動現(xiàn)象。XYZ三向微力測力儀9的分辨率為0.002N。
[0013]所述定位平臺中的直線位移平臺中的Z向平移平臺6位于XYZ三向微力測力儀9上，如圖1所示。在刻劃刀具4的對刀、細落刀過程中，由計算機控制Z向平移平臺6的升降，完成刻劃刀具4的精確定位。Z向平移平臺6的分辨率為lnm、精度為2nm。
[0014]所述平面真空吸附轉(zhuǎn)臺11其結(jié)構(gòu)為，如圖4所示，臺面24與臺座25同軸連接，調(diào)整桿26—端與臺面24下方的開口箍螺紋連接，開口箍套在臺面24的轉(zhuǎn)軸上。手動旋轉(zhuǎn)調(diào)整桿26，松開開口箍，手動扳動調(diào)整桿26，調(diào)整臺面24偏轉(zhuǎn)角度，之后手動反向旋轉(zhuǎn)調(diào)整桿26，鎖緊開口箍。臺面24上開有真空吸附孔，由真空泵為真空吸附孔提供負壓，吸附固定工件10。平面真空吸附轉(zhuǎn)臺11的分辨率為0.05°、精度為0.1°。
[0015]刀架2中的X軸調(diào)節(jié)座、Y軸調(diào)節(jié)座結(jié)構(gòu)相同，二者的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)軸線相互垂直。刀架2中的X軸調(diào)節(jié)座或者Y軸調(diào)節(jié)座的結(jié)構(gòu)為，如圖5所示，定塊27與動塊28之間的接觸面為柱面，定塊27與動塊28通過弧線燕尾槽結(jié)構(gòu)滑動連接，絲杠螺母調(diào)角驅(qū)動機構(gòu)中的調(diào)角絲杠29沿與所述柱面母線垂直的方向穿過定塊27，與動塊28柱面表面上的半螺母螺紋嚙合。手動旋轉(zhuǎn)調(diào)角絲杠29，使動塊28相對定塊27做弧線運動，實現(xiàn)刻劃刀具4俯仰角或者滾轉(zhuǎn)角的調(diào)整。
[0016]刀架2中的Z軸調(diào)節(jié)座其結(jié)構(gòu)為，如圖5所示，轉(zhuǎn)盤30的轉(zhuǎn)軸嵌入基座31中，轉(zhuǎn)軸的軸線為Z軸，調(diào)角螺桿32安裝在基座31側(cè)面，調(diào)角螺桿32與轉(zhuǎn)盤30的轉(zhuǎn)軸之間由齒輪傳動機構(gòu)連接。手動旋轉(zhuǎn)調(diào)角螺桿32，驅(qū)動轉(zhuǎn)盤30以Z軸為軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)刻劃刀具4方位角的調(diào)整。
[0017]刀架2中的X軸調(diào)節(jié)座、Y軸調(diào)節(jié)座、Z軸調(diào)節(jié)座的分辨率均為0.05°、精度均為0.1。。
[0018]在刀架2中，自上而下依次是Y軸調(diào)節(jié)座、X軸調(diào)節(jié)座、Z軸調(diào)節(jié)座、刀座12，如圖5所示，Y軸調(diào)節(jié)座的定塊27與龍門懸架的橫梁3固定連接，X軸調(diào)節(jié)座的定塊27與Y軸調(diào)節(jié)座的動塊28固定連接，Z軸調(diào)節(jié)座的基座31與X軸調(diào)節(jié)座的動塊28固定連接，刀座12與Z軸調(diào)節(jié)座的轉(zhuǎn)盤30固定連接。
[0019]通過萬向數(shù)字顯微裝置13、XYZ三向微力測力儀9觀測刻劃刀具4在粗落刀、對刀、細落刀過程中以及在光柵機械刻劃過程中工件10刻劃表面的回彈、隆起以及塑性流動的規(guī)律，還能夠觀察刻劃之后的槽形形貌及槽形表面狀態(tài)，判定槽形質(zhì)量。
【權(quán)利要求】
1.一種光柵機械刻劃工藝試驗裝置，龍門懸架安裝在底座(I)上，刀架(2)剛性懸掛在龍門懸架橫梁(3)中部；刻劃刀具(4)安裝在刀架(2)下端；定位平臺與刀架(2)在Z方向上對應(yīng)并安裝在底座(I)上；定位平臺中的直線位移平臺(5)由X向平移平臺、Y向平移平臺、Z向平移平臺(6)三者疊加連接而成；其特征在于，龍門懸架的兩根立柱(7)豎直固定在底座(I)上，橫梁(3)兩端與兩根立柱(7)內(nèi)側(cè)通過燕尾槽連接；定位平臺中的弧線位移平臺(8)由X軸弧線位移平臺與Y軸弧線位移平臺疊加而成；直線位移平臺(5)與弧線位移平臺(8)疊加連接在一起；XYZ三向微力測力儀(9)位于定位平臺上部；刀架(2)中的X軸調(diào)節(jié)座、Y軸調(diào)節(jié)座、Z軸調(diào)節(jié)座三者疊加連接在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光柵機械刻劃工藝試驗裝置，其特征在于，直線位移平臺(5)在上、弧線位移平臺(8)在下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光柵機械刻劃工藝試驗裝置，其特征在于，XYZ三向微力測力儀(9)位于定位平臺中的直線位移平臺(5)中的Z向平移平臺(6)的下面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光柵機械刻劃工藝試驗裝置，其特征在于，在定位平臺的上端還安裝有平面真空吸附轉(zhuǎn)臺(11 )。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光柵機械刻劃工藝試驗裝置，其特征在于，在刀架(2)的下端還安裝有刀座(12)，由刀座(12)固定刻劃刀具(4);Χ軸調(diào)節(jié)座、Y軸調(diào)節(jié)座、Z軸調(diào)節(jié)座、刀座(12)、刻劃刀具(4)具有共同的Z向幾何軸線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光柵機械刻劃工藝試驗裝置，其特征在于，所述定位平臺中的弧線位移平臺(8)中的X軸弧線位移平臺與Y軸弧線位移平臺結(jié)構(gòu)相同，弧線位移的軸線相互垂直；Χ軸弧線位移平臺或者Y軸弧線位移平臺其結(jié)構(gòu)為，上滑塊(14)與下滑塊(15)之間的接觸面為柱面，上滑塊(14)與下滑塊(15)通過弧線燕尾槽結(jié)構(gòu)滑動連接，絲杠螺母弧線位移驅(qū)動機構(gòu)中的絲杠(16)沿與所述柱面母線垂直的方向穿過上滑塊(14)，與下滑塊(15)柱面表面上的半螺母螺紋嚙合；電機(17)固定在上滑塊(14)上，電機(17)轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器(18)與絲杠(16)同軸連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光柵機械刻劃工藝試驗裝置，其特征在于，所述平面真空吸附轉(zhuǎn)臺(11)其結(jié)構(gòu)為，臺面(24)與臺座(25)同軸連接，調(diào)整桿(26)—端與臺面(24)下方的開口箍螺紋連接，開口箍套在臺面(24)的轉(zhuǎn)軸上；臺面(24)上開有真空吸附孔，由真空泵為真空吸附孔提供負壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光柵機械刻劃工藝試驗裝置，其特征在于，刀架(2)中的X軸調(diào)節(jié)座、Y軸調(diào)節(jié)座結(jié)構(gòu)相同，二者的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)軸線相互垂直；所述X軸調(diào)節(jié)座或者Y軸調(diào)節(jié)座的結(jié)構(gòu)為，定塊(27)與動塊(28)之間的接觸面為柱面，定塊(27)與動塊(28)通過弧線燕尾槽結(jié)構(gòu)滑動連接，絲杠螺母調(diào)角驅(qū)動機構(gòu)中的調(diào)角絲杠(29)沿與所述柱面母線垂直的方向穿過定塊(27)，與動塊(28)柱面表面上的半螺母螺紋嚙合；刀架(2)中的Z軸調(diào)節(jié)座其結(jié)構(gòu)為，轉(zhuǎn)盤(30)的轉(zhuǎn)軸嵌入基座(31)中，轉(zhuǎn)軸的軸線為Z軸，調(diào)角螺桿(32)安裝在基座(31)側(cè)面，調(diào)角螺桿(32)與轉(zhuǎn)盤(30)的轉(zhuǎn)軸之間由齒輪傳動機構(gòu)連接；在刀架(2)中，自上而下依次是Y軸調(diào)節(jié)座、X軸調(diào)節(jié)座、Z軸調(diào)節(jié)座，Y軸調(diào)節(jié)座的定塊(27)與龍門懸架的橫梁(3)固定連接，X軸調(diào)節(jié)座的定塊(27)與Y軸調(diào)節(jié)座的動塊(28)固定連接，Z軸調(diào)節(jié)座的基座(31)與X軸調(diào)節(jié)座的動塊(28)固定連接。
【文檔編號】B26D5/00GK203409814SQ201320432781
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年7月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月19日
【發(fā)明者】石廣豐, 史國權(quán), 宋林森, 王磊, 肖為, 呂洋洋, 蔡宏彬, 丁健生, 胡明亮, 周銳奇 申請人:長春理工大學(xué)