CN104485290B - 一种动态特性自适应匹配的微结构阵列精密加工机床 - Google Patents
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Abstract
一种动态特性自适应匹配的微结构阵列精密加工机床，包括Y向运动机构、X向运动机构和Z向精密冲压机构，所述X向运动机构通过X向支架固定于底座上，所述Z向精密冲压机构通过X&Z联动平台和X&Z复合导轨滑块安装于所述X向运动机构的X向导轨，并在所述X向运动机构的X向驱动带动下实现X向运动；工件放置在所述Y向运动机构的Y向运动平台上，并通过所述Y向运动机构实现Y向运动。Z向精密冲压机构能够根据不同冲压频率对动态特性精细调整，获得一致的动态响应性能，并可以实现位力切换复合控制，实现微结构阵列的一致性加工。本发明提出一种缩短对位时间，减少运动偏差，提高加工效率和加工精度的精密微冲压机床。
Description
技术领域
本发明涉及精密运动平台，尤其涉及一种动态特性自适应匹配的微结构阵列精密加工机床。
背景技术
在半导体封装领域，经常需要在工件上加工制造一些精密微结构。精密冲压机床是一种完成上述工序的加工设备。当前冲压设备存在的问题有：(1)冲压机的冲压精度有限；(2)冲压机的加工效率不高；(3)冲压设备的工艺调节较为复杂。现有技术的微冲压机床中在常规XY平台上设置一个Z向精密冲压机构，在Z向精密冲压机构中采用压电陶瓷驱动器和弹性装置等来带动微冲压头在工件上加工出微形结构。其中，Z向冲压过程采用位置控制系统。现有技术方案由于是在常规的XY平台上增设Z向精密冲压机构，整体结构上较为笨重。此外，现有技术方案中Z向运动采用位置控制系统，而冲压头在与工件的接触冲压行程中冲压力变化较大，位移控制方式会导致实际的冲压精度有限。而为达到高的冲压精度，现有技术方案中往往需要进行较为复杂的工艺调整过程，且通常会牺牲加工效率。
发明内容
本发明的目的在于提出一种缩短对位时间，减少运动偏差，提高加工效率和加工精度的动态特性自适应匹配的微结构阵列精密加工机床。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种精密微冲压机床，包括Y向运动机构、X向运动机构和Z向精密冲压机构，所述X向运动机构通过X向支架固定于底座上，所述Z向精密冲压机构通过X&Z联动平台和X&Z复合导轨滑块安装于所述X向运动机构的X向导轨，并在所述X向运动机构的X向驱动带动下实现X向运动；
工件放置在所述Y向运动机构的Y向运动平台上，并通过所述Y向运动机构1实现Y向运动。
优选的，所述Z向精密冲压机构包括Z向运动平台、Z向调节机构和微冲压机构，所述Z向调节机构和所述微冲压机构安装于所述Z向运动平台；
所述Z向调节机构包括驱动、Z向导轨、滚珠丝杆、丝杆螺母和螺母座，所述驱动和所述Z向导轨固定于所述Z向运动平台，所述滚珠丝杆安装于所述Z向运动平台上并通过所述丝杆螺母和所述螺母座与所述X&Z联动平台固定连接；
所述微冲压机构通过所述驱动控制所述滚珠丝杠的转动带动所述Z向运动平台与所述X&Z联动平台在Z向的相对运动来实现在Z向位置的调整。
优选的，所述微冲压机构包括薄膜组、刀架、驱动电机和微冲压头，所述驱动电机固定于所述Z向运动平台，所述驱动电机的动子与所述刀架连接并驱动所述刀架在Z向的微平动，所述微冲压头固定于所述刀架上。
优选的，所述微冲压机构还包括薄膜预紧力调节螺栓，所述Z向运动平台的基体与所述薄膜组连接处设置有长条形孔槽，所述薄膜预紧力调节螺栓于所述孔槽。
优选的，所述微冲压机构还设置有电容式位移传感器。
优选的，所述薄膜组与所述刀架采用一体加工方式嵌在所述Z向运动平台。
优选的，所述驱动为伺服电机或手动螺旋调节装置。
优选的，所述Y向运动机构包括底座、Y向导轨、Y向运动平台、Y向驱动、Y向导轨滑块，所述Y向导轨固定于所述底座上，所述Y向运动平台通过连接板安装于所述Y向驱动的动子，所述Y向驱动的定子固定于所述底座上，所述Y向运动平台通过所述Y向导轨滑块和Y向导轨由所述Y向驱动控制其在Y向的运动。
优选的，所述X向导轨固定于所述X向支架，所述X向驱动的定子固定于所述X向支架，所述X向驱动的动子固定于所述X&Z联动平台上。
优选的，所述Y向运动机构还包括固定在所述底座上的Y向光栅尺，所述X向运动机构还包括固定在所述X向支架的X向光栅尺。
本发明的有益效果：
1、X&Z联动的设置，带动Z向精密冲压机构完成X向运动，Y向运动机构带动工件完成Y向运动，缩短对位时间，减少运动偏差，提高加工效率和加工精度；
2、Z向精密冲压机构中的Z向调节机构通过伺服电机和滚珠丝杠方式使Z向运动平台与X&Z联动平台产生Z向相对运动，进而带动微冲压机构完成Z向位置调整，实现冲压；
3、通过调整微冲压机构中的薄膜预紧力调节螺栓可以改变薄膜组内的预应力，进而改变微冲压机构的动力学特性，匹配不同的工况及工艺要求。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的结构示意图；
图2是本发明的一个实施例的结构拆分示意图；
图3是本发明的一个实施例的Z向精密冲压机构结构示意图；
图4是本发明的一个实施例的微冲压机构结构示意图。
其中：Y向运动机构1，X向运动机构2，Z向精密冲压机构3，底座101，Y向导轨102，Y向驱动的定子103，Y向导轨滑块104，Y向运动平台105，Y向驱动的动子106，连接板107，X向支架201，X向驱动的定子202，X向导轨203，X向驱动的动子204，X&Z联动平台205，X&Z复合导轨滑块206，Z向运动平台301，驱动303，Z向导轨304，薄膜预紧力调节螺栓307，微冲压头308，滚珠丝杆311，丝杠螺母312，螺母座313，薄膜组321，刀架322，驱动电机323，孔槽325。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
一种动态特性自适应匹配的微结构阵列精密加工机床，包括Y向运动机构1、X向运动机构2和Z向精密冲压机构3，所述X向运动机构2通过X向支架201固定于底座101上，所述Z向精密冲压机构3通过X&Z联动平台205和X&Z复合导轨滑块206安装于所述X向运动机构2的X向导轨203，并在所述X向运动机构2的X向驱动带动下实现X向运动；
工件放置在所述Y向运动机构1的Y向运动平台105上，并通过所述Y向运动机构1实现Y向运动。
现有技术是在常规的XY平台上增设Z向精密冲压机构，工件需通过XY平台的X向运动和Y向运动运动到Z向精密冲压机构下方，由Z向精密冲压机构完成冲压工序，整体结构较为笨重，所需运动时间较长，降低加工效率，此外，XY方向运动的转换导致运动平台在移动时容易出现偏差，使工件冲压加工的精度降低。如图1所示，本发明是将Z向精密冲压机构3结合X向运动机构2联动安装，实现Z向精密冲压机构3的X向运动，工件通过Y向运动机构1实现Y向运动，Z向精密冲压机构3和工件分别在各自的X向或Y向上相对运动，缩短工位对准的运动时间，提高工件加工效率，而且X向和Y向的运动不相干扰，无需工件多方位的移动，减少定位偏差，提高工件冲压加工的精度，Z向精密冲压机构3与X向运动机构2的联动安装使整体结构更加简单。
优选的，所述Z向精密冲压机构3包括Z向运动平台301、Z向调节机构和微冲压机构，所述Z向调节机构和所述微冲压机构安装于所述Z向运动平台301；
所述Z向调节机构包括驱动303、Z向导轨304、滚珠丝杆311、丝杆螺母312和螺母座313，所述驱动303和所述Z向导轨304固定于所述Z向运动平台301，所述滚珠丝杆311安装于所述Z向运动平台301上并通过所述丝杆螺母312和所述螺母座313与所述X&Z联动平台205固定连接；
所述微冲压机构通过所述驱动303控制所述滚珠丝杠311的转动带动所述Z向运动平台301与所述X&Z联动平台205在Z向的相对运动来实现在Z向位置的调整。
如图3所示，Z向精密冲压机构中的Z向调节机构通过驱动303结合滚珠丝杆311的方式使Z向运动平台301与X&Z联动平台205产生Z相相对运动，进而带动微冲压机构完成Z向位置的调整，结构简单，控制性强。如图3所示，驱动303通过电机支架302固定在Z向运动平台301上，滚珠丝杠通过滚珠丝杠支撑座310、314固定在Z向运动平台301上。丝杠螺母312通过螺母座313固定在X&Z联动平台205上。
优选的，所述微冲压机构包括薄膜组321、刀架322、驱动电机323和微冲压头308，所述驱动电机323固定于所述Z向运动平台301，所述驱动电机323的动子与所述刀架322连接并驱动所述刀架322在Z向的微平动，所述微冲压头308固定于所述刀架322上。Z向精密冲压机构能够根据不同冲压频率对动态特性调整，获得一致的动态响应性能，并可以实现位力切换复合控制，实现微结构阵列的一致性加工。
如图4所示，微冲压机构通过驱动电机323驱动带有微冲压头308的刀架322完成冲压过程。
优选的，所述微冲压机构还包括薄膜预紧力调节螺栓307，所述Z向运动平台301的基体与所述薄膜组321连接处设置有长条形孔槽325，所述薄膜预紧力调节螺栓307于所述孔槽325。通过调整微冲压机构中的薄膜预紧力调节螺栓307可以改变薄膜组321内的预应力，进而改变微冲压机构的动力学特性，匹配不同的工况及工艺要求。
优选的，所述微冲压机构还设置有电容式位移传感器。用于测量刀架322的Z维运动。
优选的，所述薄膜组321与所述刀架322采用一体加工方式嵌在所述Z向运动平台301。由整块材料经过铣削、电火花加工等方式获取，避免了零件的装配误差，可以提高平台运动精度。
优选的，所述驱动303为伺服电机或手动螺旋调节装置。伺服电机使控制速度和位置精度都十分准确，体积小，响应快，速度高，可用于控制滚珠丝杆311的转动。使用手动螺旋调节装置，减少机械操控，可进一步降低机械的运动惯量，提高冲压的精准性。
优选的，所述Y向运动机构1包括底座101、Y向导轨102、Y向运动平台105、Y向驱动、Y向导轨滑块104，所述Y向导轨102固定于所述底座101上，所述Y向运动平台105通过连接板107安装于所述Y向驱动的动子106，所述Y向驱动的定子103固定于所述底座101上，所述Y向运动平台105通过所述Y向导轨滑块104和Y向导轨由所述Y向驱动控制其在Y向的运动。如图2所示，Y向驱动的定子103安装于X向支架，由其动子106带动Y向运动机构的Y向运动，质量轻，振动动能小，频率快。
优选的，所述X向导轨203固定于所述X向支架201，所述X向驱动的定子202固定于所述X向支架，所述X向驱动的动子204固定于所述X&Z联动平台205上。如图2所示，X向驱动的定子202安装于X向支架，由其动子204带动X&Z联动平台的运动，质量轻，振动动能小，频率快。
优选的，所述Y向运动机构还包括固定在所述底座101上的Y向光栅尺，所述X向运动机构还包括固定在所述X向支架201的X向光栅尺。分别用于测量Y向运动平台的Y向位置和X&Z联动平台与Z向精密冲压机构的X向位置。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种动态特性自适应匹配的微结构阵列精密加工机床，包括Y向运动机构、X向运动机构和Z向精密冲压机构，其特征在于：
所述X向运动机构通过X向支架固定于底座上，所述Z向精密冲压机构通过X&Z联动平台和X&Z复合导轨滑块安装于所述X向运动机构的X向导轨，并在所述X向运动机构的X向驱动带动下实现X向运动；
工件放置在所述Y向运动机构1的Y向运动平台上，并通过所述Y向运动机构实现Y向运动；
所述Z向精密冲压机构包括Z向运动平台、Z向调节机构和微冲压机构，所述Z向调节机构和所述微冲压机构安装于所述Z向运动平台；
所述Z向调节机构包括驱动、Z向导轨、滚珠丝杆、丝杆螺母和螺母座，所述驱动和所述Z向导轨固定于所述Z向运动平台，所述滚珠丝杆安装于所述Z向运动平台上并通过所述丝杆螺母和所述螺母座与所述X&Z联动平台固定连接；
所述微冲压机构通过所述驱动控制所述滚珠丝杠的转动带动所述Z向运动平台与所述X&Z联动平台在Z向的相对运动来实现在Z向位置的调整；
所述微冲压机构包括薄膜组、刀架、驱动电机和微冲压头，所述驱动电机固定于所述Z向运动平台，所述驱动电机的动子与所述刀架连接并驱动所述刀架在Z向的微平动，所述微冲压头固定于所述刀架上；
所述薄膜组与所述刀架采用一体加工方式嵌在所述Z向运动平台。
2.根据权利要求1所述的动态特性自适应匹配的微结构阵列精密加工机床，其特征在于：所述微冲压机构还包括薄膜预紧力调节螺栓，所述Z向运动平台的基体与所述薄膜组连接处设置有长条形孔槽，所述薄膜预紧力调节螺栓于所述孔槽。
3.根据权利要求1或2所述的动态特性自适应匹配的微结构阵列精密加工机床，其特征在于：所述微冲压机构还设置有电容式位移传感器。
4.根据权利要求1所述的动态特性自适应匹配的微结构阵列精密加工机床，其特征在于：所述驱动为伺服电机或手动螺旋调节装置。
5.根据权利要求1所述的动态特性自适应匹配的微结构阵列精密加工机床，其特征在于：所述Y向运动机构包括底座、Y向导轨、Y向运动平台、Y向驱动、Y向导轨滑块，所述Y向导轨固定于所述底座上，所述Y向运动平台通过连接板安装于所述Y向驱动的动子，所述Y向驱动的定子固定于所述底座上，所述Y向运动平台通过所述Y向导轨滑块和Y向导轨由所述Y向驱动控制其在Y向的运动。
6.根据权利要求1所述的动态特性自适应匹配的微结构阵列精密加工机床，其特征在于：所述X向导轨固定于所述X向支架，所述X向驱动的定子固定于所述X向支架，所述X向驱动的动子固定于所述X&Z联动平台上。
7.根据权利要求1所述的动态特性自适应匹配的微结构阵列精密加工机床，其特征在于：所述Y向运动机构还包括固定在所述底座上的Y向光栅尺，所述X向运动机构还包括固定在所述X向支架的X向光栅尺。
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