在线磨削与检测一体化系统的制作方法

本发明涉及机械加工设备技术领域，尤其涉及一种在线磨削与检测一体化系统，具体涉及一种能提高硬脆材料的加工检测效率、节省占地面积的在线磨削与检测一体化系统。

背景技术：

硬脆材料，如石英玻璃、硅、陶瓷、蓝宝石玻璃等，在光电成像、光纤通信、信息处理、生物医学、燃料电池、微电子封装等领域有着广泛的应用，其加工通常采用磨削法，加工出如显示面板用的导光板槽、微型燃料电池硅极板槽、阵列光纤基板V形定位槽、电子集成器件散热微槽等三维微纳功能结构。该结构特点有：(1)可使元件具有更小的体积和更轻的重量；(2)可使元件更适应于机械设计约束；(3)可将新颖的光学设计概念应用于元件上；(4)可使元件同时具有光学功能和机械功能。

硬脆材料的加工方法有能量束直写技术、光刻技术、刻蚀技术、微放电加工技术、LIGA(Lithographie，Galvanoformung和Abformung三个词，即光刻、电铸和注塑的缩写)技术、超精密磨削加工技术等。能量束直写技术可分为激光束加工技术和电子束加工技术，其中激光束加工技术只能进行原理性的加工实验研究，加工精度和效率低；电子束加工技术与激光束加工技术相比，加工精度高，但效率低。光刻技术由于视场深度的限制，难以实现大深宽比的三维微结构加工。刻蚀技术设备造价昂贵、且以引起较大的加工损伤。微放电加工技术对材料有限制，必须是导电材料才行，且难以保证微结构尖角特征。LIGA技术虽然可加工大深宽比的三维微结构表面，但其设备造价昂贵，难以批量生产。超精密磨削加工技术不但能实现具有纳米级表面的光洁度和亚微米级面形精度的大深宽比三维微纳结构表面加工，而且材料适用性强，可用于晶体、玻璃、陶瓷等，是批量加工三维微纳功能结构的理想加工方法。

目前国内外有多家公司可提供硬脆材料磨削加工的装备，如日本DISCO、日本东芝精密、以色列ADT等公司，这些公司的设备可实现硬脆材料的磨削加工，但不能提供在线检测，不能实现所加工微纳结构的在线检测，需要从工件台上取下加工样品，采用专门的仪器，如台阶仪、光学轮廓仪等进行检测。如果加工样品由于刀具磨损等原因出现较大尺寸偏差或者缺陷等，由于二次装夹的原因，以致不能返回工件台上进行修正，只能报废，从而导致费时费力，加工检测效率低下。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是：提供一种能提高硬脆材料的加工检测效率、节省占地面积的在线磨削与检测一体化系统，以解决现有的磨削加工设备不能实现在线检测，导致加工检测效率低且容易报废的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种在线磨削与检测一体化系统，其包括控制系统、安装架座及设于所述安装架座上的磨削装置、检测装置及供样品放置的定位装置，所述控制系统分别与所述磨削装置、检测装置及定位装置连接；所述控制系统控制所述定位装置，使得所述定位装置与所述安装架座在平面内相对运动。

其中，所述安装架座包括底座及设于所述底座上的龙门架，所述底座与龙门架构成L字型结构；所述定位装置与所述底座连接，所述磨削装置及检测装置分别与所述龙门架连接。

其中，所述定位装置包括第一驱动机构、复合动平台单元及设于所述复合动平台单元上的夹具单元，所述第一驱动机构与所述复合动平台单元连接，用于驱动所述复合动平台单元移动；所述复合动平台单元包括与所述底座可转动连接的旋转平台子单元及与所述底座可平动连接的平动平台子单元，且所述旋转平台子单元及平动平台子单元分别与控制系统连接。

其中，所述平动平台子单元包括x轴运动模块及y轴运动模块，所述旋转平台子单元包括用于固定安装所述夹具单元的旋转运动模块；所述x轴运动模块、y轴运动模块及旋转运动模块分别与所述第一驱动机构连接，且由下至上依次固定安装在所述底座上；所述x轴运动模块、y轴运动模块及旋转运动模块分别与所述控制系统连接。

其中，所述夹具单元包括水槽及设于水槽内的装夹盘，所述水槽通过螺钉与所述旋转运动模块固定连接。

其中，所述装夹盘上对应于所述待加工样品设有多个均匀间隔布置的真空吸附气孔及真空回路通道；所述真空回路通道分别与每个所述真空吸附气孔连通以形成连通的负压环境，将所述待加工样品吸附在所述装夹盘上。

其中，所述磨削装置包括第二驱动机构、z轴运动模块及可竖直移动的刀具模块，所述第二驱动机构与所述z轴运动模块连接，用于驱动所述z轴运动模块移动；所述刀具模块通过所述z轴运动模块与所述龙门架可滑动连接，用于对所述待加工样品进行磨削作业；所述z轴运动模块与所述控制系统连接。

其中，所述刀具模块包括安装座及固定于所述安装座上的旋转主轴，且所述旋转主轴与所述控制系统连接；所述旋转主轴的一端设有输出轴，且所述输出轴上设有磨削刀片。

其中，所述磨削刀片与所述待加工样品间设有磨削液喷头，所述磨削液喷头用于向所述磨削刀片及待加工样品喷射磨削液。

其中，所述检测装置包括第三驱动机构、高度调节模块及可竖直移动的扫描测头，所述第三驱动机构与所述高度调节模块连接，用于驱动所述高度调节模块移动；所述扫描测头通过所述高度调节模块与所述龙门架可滑动连接，用于对所述待加工样品进行检测作业；所述扫描测头及高度调节模块分别与所述控制系统连接。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种在线磨削与检测一体化系统，其包括控制系统、安装架座及设于安装架座上的磨削装置、检测装置及供样品放置的定位装置，控制系统分别与磨削装置、检测装置及定位装置连接；控制系统控制定位装置，使得定位装置与安装架座在平面内相对运动。本申请通过将磨削装置与检测装置集成于一体化，结构简单，安装方便，在对硬脆材料表面加工三维微纳功能结构的同时，能测量上述三维微纳功能结构是否达到加工要求，如未达到加工要求，可立即加工修正，极大地提高了加工及检测效率；同时，减少了加工检测机台，只需通过一个机台即可完成加工与检测两个功能，有利于节省占地面积，且全程均通过控制系统自动完成，加工精度高，避免了因人工操作而造成的加工误差。

附图说明

图1是本发明在线磨削与检测一体化系统实施例的在线磨削与检测一体化系统的具体结构图；

图2是本发明在线磨削与检测一体化系统实施例的底座、x轴运动平台、y轴运动平台及旋转平台的具体结构图；

图3是本发明在线磨削与检测一体化系统实施例的旋转模块的具体结构图。

图中：1：底座；2：x轴运动平台；3：y轴运动平台；4：旋转运动平台；5：装夹盘；6：磨削液喷头；7：刀具模块；701：安装座；702：旋转主轴；703：输出轴；704：第一法兰；705：磨削刀片；706：第二法兰；8：z轴运动模块；9：第一转接板；10：龙门架；11：水槽；12：样品；13：扫描测头；14：隔板；15：第二转接板；16：高度调节模块；17：第三转接板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本实施例中，x、y及z轴的指向如附图1中的图示方向。

如图1至图3所示，本发明实施例提供了一种在线磨削与检测一体化系统，包括控制系统、安装架座及设于安装架座上的磨削装置、检测装置及供样品12放置的定位装置，控制系统分别与磨削装置、检测装置及定位装置连接；控制系统控制定位装置，使得定位装置与安装架座在平面内相对运动，在本实施例中，相对运动包括相对转动及相对平动。通过控制系统控制定位装置，使得待加工样品12移动至指定位置，并对其进行加工检测作业。本申请通过将磨削装置与检测装置集成于一体化，结构简单，安装方便，在对硬脆材料表面加工三维微纳功能结构的同时，能测量上述三维微纳功能结构是否达到加工要求，如未达到加工要求，可立即加工修正，极大地提高了加工及检测效率；同时，减少了加工检测机台，只需通过一个机台即可完成加工与检测两个功能，有利于节省占地面积及节约制作成本。

具体地，在本实施例中，控制系统为安装有处理软件的计算机，将定位装置移动至指定位置之后，通过计算机实现对待加工样品12的精密磨削及对待加工样品12的在线检测。全程自动化操作，既有利于提高加工检测效率及精度，也有利于避免因人工操作而造成的操作误差。

具体地，安装架座包括底座1及设于底座1上的龙门架10，底座1与龙门架10构成L字型结构；定位装置与底座1连接，磨削装置及检测装置分别与龙门架10连接。在本实施例中，底座1及龙门架10均采用大理石或铸铁制成，稳定性高、抗振动性强，有利于维护本申请提供的在线磨削与检测一体化系统的稳定作业。

进一步地，定位装置包括第一驱动机构、复合动平台单元及设于复合动平台单元上的夹具单元，第一驱动机构与复合动平台单元连接，用于驱动复合动平台单元移动；复合动平台单元包括与底座1可转动连接的旋转平台子单元及与底座1可平动连接的平动平台子单元，且控制系统分别与旋转平台子单元及平动平台子单元连接，通过控制系统来控制旋转平台子单元及平动平台子单元的移动。具体地，平动平台子单元包括x轴运动模块及y轴运动模块，旋转平台子单元包括用于固定安装夹具单元的旋转运动模块；x轴运动模块、y轴运动模块及旋转运动模块分别与控制系统连接，且由下至上依次固定安装在底座1上；x轴运动模块、y轴运动模块及旋转运动模块三者之间无相对位移。其中，第一驱动机构为直线电机或者旋转电机。

具体地，x轴运动模块包括x轴运动平台2，x轴运动平台2的上下端均设有安装面，且x轴运动平台2的下安装面通过紧固螺钉与底座1连接；x轴运动平台2的下安装面上设有精密交叉滚柱导轨，使得在第一驱动机构的驱动作用下，使得x轴运动平台2能沿着底座1的x轴方向移动；为保障平台移动的精确度，x轴运动模块还设于高精度光栅尺(光栅尺分辨率至少为100nm)。其中，x轴运动模块的典型构成为：包括直线电机、精密交叉滚柱导轨及光栅尺；或者超声电机、联轴器、滚珠丝杠、精密交叉滚柱导轨及光栅尺；或者精密步进电机或直流电机、联轴器、滚珠丝杠、精密交叉滚柱导轨及光栅尺；其中，x轴运动模块的最小步进小于0.1μm。

具体地，y轴运动模块包括y轴运动平台3，y轴运动平台3的上下端均设有安装面，且y轴运动平台3的下安装面通过紧固螺钉与x轴运动平台2的上安装面连接；y轴运动平台3的下安装面上设有精密交叉滚柱导轨，使得在第一驱动机构的驱动作用下，使得y轴运动平台3能沿着底座1的y轴方向移动；为保障平台移动的精确度，y轴运动模块还设于高精度光栅尺(光栅尺分辨率至少为100nm)。其中，y轴运动模块的典型构成为：包括直线电机、精密交叉滚柱导轨及光栅尺；或者超声电机、联轴器、滚珠丝杠、精密交叉滚柱导轨及光栅尺；或者精密步进电机或直流电机、联轴器、滚珠丝杠、精密交叉滚柱导轨及光栅尺；其中，y轴运动模块的最小步进小于0.1μm。

上述x轴运动模块与y轴运动模块可复合在一起，根据所加工材料的大小和装置结构设计选择相应的行程。如针对100×100mm的石英玻璃，可选择PRIOR公司的型号为HE05的运动平台，行程为154mm×154mm(x轴向位移×y轴向位移)，最小步进为0.04μm。

具体地，旋转运动模块包括可360度旋转的旋转运动平台4，可带动待加工样品12360度旋转。旋转运动平台4的上下端均设有安装面，旋转运动平台4的下安装面通过紧固螺钉与y轴运动平台3的上安装面连接；旋转运动平台4的上安装面通过紧固螺钉与夹具单元连接。为保障平台移动的精确度，旋转运动模块还设于高精度光栅尺。其中，旋转运动模块的典型构成为：包括直驱电机、精密交叉滚柱导轨及光栅尺；或者精密步进电机或直流电机、联轴器、精密交叉滚柱导轨、蜗轮蜗杆及光栅尺；其中，旋转运动模块的最小步进小于0.01度。

具体地，通过控制系统分别控制x轴运动模块、y轴运动模块及旋转运动模块移动，通过各个模块的光栅尺读取相应的步进位移并反馈至控制系统中，由此形成一个闭环反馈系统。其中，x轴运动模块、y轴运动模块及旋转运动模块可同时移动(也即联动)，也可以每次只移动一个模块。具体地，可根据工艺需求，如在设备初始化时，各模块可同时回零位。

具体地，夹具单元包括水槽11及设于水槽11内的装夹盘5，装夹盘5通过紧固螺钉与水槽11连接；水槽11通过螺钉与旋转运动模块固定连接；进一步地，装夹盘5上对应于待加工样品12设有多个均匀间隔布置的真空吸附气孔及真空回路通道；真空回路通道分别与每个真空吸附气孔连通，通入真空负压后真空回路通道与真空吸附气孔形成了连通的负压环境，将待加工样品12吸附在装夹盘5上；在本实施例中，装夹盘5采用303等不锈钢材料或者7085航空铝制成，且装夹盘5根据加工样品12的大小设有多个直径为1mm左右的真空吸附气孔。水槽11采用303等不锈钢板制成，设置水槽11的作用是收集磨削液并通过管道排走，防止磨削液流到其它地方。其中，水槽11及装夹盘5上的紧固螺钉均需做防水处理。

具体地，磨削装置包括第二驱动机构、z轴运动模块8及朝向待加工样品12设置且可竖直移动的刀具模块7，第二驱动机构与z轴运动模块8连接，用于驱动z轴运动模块8移动；刀具模块7通过z轴运动模块8与龙门架10可滑动连接，且z轴运动模块8与控制系统连接；刀具模块7通过紧固螺钉与z轴运动模块8连接。其中，刀具模块7包括安装座701及固定于安装座701上的旋转主轴702，且旋转主轴702与控制系统连接，安装座701采用不锈钢制成；旋转主轴702的一端设有输出轴703，输出轴703对应于待加工样品12设有磨削刀片705。其中，旋转主轴702可以是空气静压主轴或精密电主轴，其功率为1.2kW以上且其转速可达到10000rad/min以上。加工时，通过控制系统控制磨削刀片705与待加工样品12的间距，并通过控制系统来控制旋转主轴702的转速，由此实现对待加工样品12的精确加工。

在本实施例中，磨削刀片705通过第一法兰704及第二法兰706固定在输出轴703上，其中，磨削刀片705设于第一法兰704及第二法兰706之间。

具体地，z轴运动模块8包括z轴运动平台，z轴运动平台通过第一转接板9与龙门架10连接，在第一转接板9上设有精密交叉滚柱导轨，使得在第二驱动机构的驱动作用下，使得z轴运动平台带动旋转主轴702沿着第一转接板9的走向(即沿着z轴方向)竖直移动，以调整磨削刀片705与待加工样品12的距离，以实现磨削刀片705对待加工样品12的磨削加工；为保障平台移动的精确度，z轴运动模块8还设于高精度光栅尺(光栅尺分辨率至少为100nm)。其中，z轴运动模块8的典型构成为：包括精密步进电机或直流电机、联轴器、滚珠丝杠、精密交叉滚柱导轨及光栅尺；其中，z轴运动模块8的最小步进小于0.1μm；第一转接板9采用303等不锈钢材料或者7085航空铝制成。

具体地，磨削刀片705与待加工样品12间设有磨削液喷头6，磨削液喷头6用于向磨削刀片705及待加工样品12喷射磨削液，其中，磨削液为恒温无杂质的水或其有润滑作用的液体。在本实施例中，磨削液喷头6通过螺钉固定于安装架座上。

具体地，检测装置包括第三驱动机构、高度调节模块16及朝向待加工样品12设置且可竖直移动的扫描测头13，第三驱动机构与高度调节模块16连接，用于驱动高度调节模块16移动；扫描测头13通过高度调节模块16与龙门架10可滑动连接，且扫描测头13及高度调节模块16分别与控制系统连接。其中，扫描测头13选择型号为LT-9031M的激光共聚焦扫描测头13，其对应的驱动与控制器为LT-9501HSO；该激光共聚焦扫描测头13自带显微镜功能，可实现自动聚焦，视觉检测加工样品12表面的微沟槽等结构；LT-9031M激光共聚焦扫描测头13的工作距离为6mm。

具体地，高度调节模块16包括高度调节平台，高度调节平台通过第三转接板17与龙门架10连接，在第三转接板17上设有精密交叉滚柱导轨，使得在第三驱动机构的驱动作用下，使得高度调节平台带动扫描测头13沿着第三转接板17的走向(即沿着z轴方向)竖直移动，以调整激光共聚焦扫描测头13与待加工样品12的距离，以实现激光共聚焦扫描测头13对待加工样品12的检测。其中，高度调节平台通过第二转接板15固定在第三转接板17上，且第二转接板15通过固定螺钉与第三转接板17连接；第二转接板15采用303等不锈钢材料或者7085航空铝制成。其中，高度调节模块16的典型构成为：包括精密步进电机或直流电机、联轴器、滚珠丝杠、精密交叉滚柱导轨及光栅尺；其中，z轴运动模块8的最小步进小于0.1μm。

特别的，在本实施例中，第一驱动机构、第二驱动机构及第三驱动机构即可独立设置，也可集成为一个驱动机构，节约占地面积，也有利于节约制作成本。

为防止磨削液喷头6喷出的磨削液溅射到扫描测头13上，磨削液喷头6与扫描测头13间设有隔板14，隔板14采用303等不锈钢材料制成。其中，隔板14通过紧固螺钉固定在第三转接板17上。

本申请提供的在线磨削与检测一体化系统的具体操作过程为：

(1)首先将待加工样品12放置在装夹盘5上，打开真空吸附，以固定加工样品12；

(2)对刀与加工，通过扫描测头13、定位装置和控制系统调整磨削刀片705与待加工样品12的间距，设定好进给速度、经给量和旋转主轴702的转速，对待加工样品12进行磨削加工；在磨削加工的同时，通过磨削液喷头6往磨削刀片705和待加工样品12上喷淋磨削液；

(3)待加工样品12磨削加工完成之后，用干燥的空气吹扫加工样品12，然后通过控制系统控制x轴运动平台2，通过扫描测头13和控制系统调整扫描测头13与加工样品12的间距，对加工样品12进行检测；

(4)通过扫描测头13和控制系统对检测到的数据进行分析，是否存在加工误差，如果有，则再次通过控制系统控制x轴运动平台2，调整磨削刀片705与加工样品12的间距，并设定好进给速度、经给量和旋转主轴702的转速，对加工样品12再次进行磨削加工，重复(3)和(4)的操作，直到检测结果满足加工要求。

在本实施例中，待加工样品可以为石英玻璃或硅或陶瓷或蓝宝石或玻璃等硬质材料。

综上所述，本发明提供了一种在线磨削与检测一体化系统，其包括控制系统、安装架座及设于安装架座上的磨削装置、检测装置及供样品放置的定位装置，控制系统分别与磨削装置、检测装置及定位装置连接；控制系统控制定位装置，使得定位装置与安装架座在平面内相对运动。本申请通过将磨削装置与检测装置集成于一体化，结构简单，安装方便，在对硬脆材料表面加工三维微纳功能结构的同时，能测量上述三维微纳功能结构是否达到加工要求，如未达到加工要求，可立即加工修正，极大地提高了加工及检测效率；同时，减少了加工检测机台，只需通过一个机台即可完成加工与检测两个功能，有利于节省占地面积，且全程均通过控制系统自动完成，加工精度高，避免了因人工操作而造成的加工误差。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。