CN1946514A - 用于形成微结构的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于形成微结构的装置和方法，该装置包括：主轴，该主轴被驱动以绕主轴轴线旋转，在该主轴上设有用于夹持工件的壳体；以及致动器(30)，该致动器具有快速驱动器(36)，特别是压电驱动器，用于使刀具(32)沿基本上垂直于工件表面的方向快速运动，从而所述致动器(30)可通过另一驱动器(24)定位，用于沿着工件表面产生沿第一方向的线性运动，以进行加工(24)。所述快速驱动器(36)通过引导装置(38)与刀具(32)连接，该引导装置抵抗回复力的作用允许刀具(32)沿所述快速驱动器(36)的轴向方向进行调节，并在垂直于所述方向的平面中呈现很高的刚性。所应用的控制技术允许利用动态系统特性精密且可重现地形成微结构。

Description

用于形成微结构的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于通过主轴形成微结构的装置，所述主轴适于被驱动以绕其纵向轴线旋转并设有用于夹持工件的夹具，该装置具有设有快速驱动器的致动器，该快速驱动器适于使刀具沿大致垂直于工件表面的方向快速运动，该致动器可沿工件表面定位以借助适于产生沿第一方向的线性进给运动的附加驱动器工作。

本发明还涉及一种适用于这种装置的致动器。

最后，本发明涉及一种方法，该方法用于利用刀具在可通过主轴旋转的工件上形成微结构表面，所述刀具可被致动器驱动并可借助于驱动器沿工件定位成沿线性方向，而且可通过所述致动器沿相对于所述线性方向的垂直方向朝工件表面运动。

背景技术

从EP 0 439 425 B1公知所述类型的装置和方法。

所述公知方法和公知装置用于利用车削工序制造接触透镜。根据该工序，将待加工的接触透镜用坯件安装在主轴上。被主轴旋转驱动的工件可通过借助于压电驱动器定位的车削刀具加工。车床包括设成绕枢转轴线枢转运动的柱状旋转头。在该旋转头上安装有刀架引导件。该刀架引导件用于相对于旋转头的枢转轴线沿线性和径向方向引导刀架。在刀架上支撑有车刀(优选为车削金刚石形式)的刀架。为了使车刀绕旋转头的枢转轴线快速进给，可借助于电机驱动器使刀架沿刀架引导件运动。为了精细定位车刀，设有可包括两个压电传输装置的压电驱动器。第一压电传输装置允许进行沿刀架引导件方向的运动，而第二压电传输装置适于允许进行垂直于所述第一运动的运动。可响应于主轴绕主轴轴线的旋转角度对压电传输装置的定位运动进行控制。

所述布置允许通过金刚石刀具进行高精度的透镜表面加工，甚至允许形成旋转非对称表面。

例如从US 5 467 675或GB 2 314 452 A已公知用于借助压电驱动器通过车削形成旋转非对称表面的类似装置。

尽管公知装置和公知方法能利用金刚石刀具进行精细结构表面加工，然而由于动力特性不够，这样的装置和方法不适于以高精度加工非常坚硬的金属材料。例如通过热压制造透镜需要这样的材料作为模具材料。所述材料可例如为硬质合金。在称为投射式聚光灯(PES聚光灯)的聚光灯中使用的用于照明的透镜的生产中，例如必需提供这种具有特定微结构的模具，所述模具接着在热压工序期间转印成相应的透镜。所述微结构充当这样制造的透镜中的微光学部件，以满足聚光灯的给定的预定光强分布特性。

现今已能仅仅借助几何可变工序(geometrically uncertain process)以设想形式制造例如含有硬质合金或铸铁的所述模具。开始，通过车削以相应透镜的宏观形式加工模具，必要时在模具表面抛光后进行。之后，通过若干操作形成待由其在透镜上生成散射中心的模具区域，例如通过金刚砂喷砂工序，其中利用掩膜来覆盖不以这种方式形成微结构的区域。接着，在喷砂工序后部分继之以二维后处理。因此，为制造所述模具，需要大量手动工序，这意味着为形成所需的表面结构必需进行极其耗时且昂贵的加工。此外，这样的一连串操作很容易产生误差和错误，这些误差和错误对于给定光强分布特性的可重复性具有不利影响。

前述带有压电驱动器的公知装置不适于这样的成形操作，这是由于其缺乏为此所需的机械稳定性以及以所需切削速度精密加工硬质金属压电工件所必需的动力特性。

尽管利用公知装置也许能进行位置控制加工，但是自然只有通过距相应系统的第一谐振频率足够大才可以进行，这意味着最大仅达到大约1,000Hz才可能通过公知系统进行加工。然而，这样可获得的切削速度不足以以足够的表面质量正确加工前述材料，特别是当待形成前述类型的旋转非对称表面结构时更是如此。

发明内容

于是，本发明的目的是提供一种用于形成微结构的装置和方法，该装置和方法允许即使对诸如硬质合金和铸铁的硬质金属材料也能以高切削速度进行加工，并且同时允许获得旋转非对称微结构。具体地，本发明能制造这样的模具，该模具用于通过热压制造适于PES聚光灯所用透镜并设有散射透镜微结构的透镜。

本发明借助上述类型的装置如此实现了该目的，即致动器通过引导装置与刀具连接，该引导装置抵抗回复力的作用使刀具沿快速驱动器的轴向方向进给，并且在垂直于所述方向的平面中具有很高的刚性。

本发明的目的因此完全实现。

通过将快速驱动器与沿在垂直于该快速驱动器的运动方向的平面中的所有方向都具有很高刚性的、用户定制的引导装置连接，能提供一种用于车刀运动的致动器控制系统，其呈现伴随高动态刚性的足够高的谐振频率，从而允许即使对诸如硬质合金和铸铁的硬质材料也能以足够高的切削速度进行加工。同时在该情况下避免了振动，否则在加工诸如铸铁的硬质材料时会发生振动，这会使表面质量变差。

优选地，所述快速驱动器为压电驱动器。

然而，同样可设想所述快速驱动器的其它实施例，例如水压驱动器。与本发明相关使用的术语快速驱动器描述的是这样的驱动器，其能够沿轴向进行快速受控运动，但是不能在垂直于所述方向的平面中进行受控运动，并且在所述方向中仅受到很小的力。就此而论术语“快速”是指当被特定控制信号控制时，该驱动器能以至少500Hz或更大的频率进行运动。

根据本发明的进一步优选改进，所述引导装置在垂直于该引导装置的进给方向的平面中具有至少50N/μm的静态刚度，优选为至少100N/μm。

这样的装置特别是能制造用于PES聚光镜所用透镜的热压的模具，所述透镜的表面设有微结构或被“磨砂”。这样的装置在加工铸铁或硬质合金时能获得60米/分的量级的切削速度。这足以确保在可接受时间段内正确加工旋转非对称表面。在该情况下所用的插入物(insert)可以是传统类型。

根据本发明的进一步有利改进，所述引导装置包括优选支撑在第一和第二弹簧元件上的滑枕，所述弹簧元件沿该滑枕的径向很大程度上不能弯曲，但是能抵抗所述弹簧元件的弹簧力而沿滑枕轴线的方向挠曲。

根据所述实施例的进一步有利改进，所述弹簧元件为此构造成板簧，所述板簧的长度方向端部卡在保持件中并可横向于该长度方向运动。

根据所述实施例的进一步方便的改进，所述弹簧元件在该情况下包括塞尺条(feeler gauge strip)，所述塞尺条沿径向以交叉布置卡在保持件和滑枕之间。

可选地，如径向对称弹簧元件的构造，例如呈盘簧形式，也是可行的，在该情况下滑枕会连接在中心处。

所述结构允许获得引导装置沿快速驱动器的运动方向的足够弹力，同时在垂直于该方向的平面中提供很高的刚性。

根据本发明的进一步有利改进，所述刀具卡在滑枕的第一端，而该滑枕在与该刀具相对的第二端处偏靠所述快速驱动器。

这确保了所需的回复力，快速驱动器抵抗该回复力而作用。

根据该实施例的进一步有利改进，所述滑枕通过流体压力偏靠所述快速驱动器。

尽管通常还可通过机械装置(例如通过弹簧)实现偏置，然而该特征具有降低切削功率噪声影响的效果。

根据该实施例的进一步有利改进，所述滑枕保持在壳体中，该壳体和该滑枕形成了压力密闭空间，可在该空间施加流体压力，该空间通过在压电侧与所述滑枕连接的第一膜片以及通过在刀具侧与所述滑枕连接的第二膜片沿轴向朝外部密封，并且第一膜片暴露于流体压力的有效表面大于第二膜片。

根据该实施例的进一步有利改进，所述膜片由铝构成。

这样能以简单而可靠的方式确保用于压电驱动器的回复力，同时降低切削功率噪声的可能影响。

根据该实施例的进一步有利改进，所述壳体包括至少一个由烧结材料，优选为烧结金属制成的减震元件。在该情况下，所述减震元件优选显示出很多开放孔隙。

此外，在该设计中，可在所述减震元件和相关膜片之间形成宽度优选为介于0.1和1毫米之间并填充有减震介质的间隙。所述减震介质可例如为空气、油脂或油。

这些特征有助于进一步降低切削功率噪声的影响。

根据本发明的进一步有利改进，压电驱动器的与滑枕相对的第一端卡在保持夹具上，而与第一端相对的第二端通过补偿元件与滑枕连接，该补偿元件能补偿滑枕轴线和压电驱动器的纵向轴线之间的对齐误差。

在该情况下，压电驱动器的第二端可通过凸形元件(例如特别是球或球状元件)倚靠滑枕的相关对中装置。

以这种方式能大大消除沿径向的静态和动态横向力的施加，例如通过压电驱动器和滑枕之间的对齐误差可产生该力，并可由切削功率噪声导致产生该力。

根据本发明的可选实施例，所述压电驱动器的第二端终止于通过收缩部与滑枕相连接的覆盖板。

通过这种方式可进一步减小整个系统的质量，并且如需要可节省一个接头，就整个系统的动态性而言这是有利的。

根据本发明的进一步改进，所述驱动器使得能沿垂直于主轴轴线的方向进行进给运动，而所述致动器使得刀具能沿主轴轴向方向运动。

通过该实施例，由于通过压电驱动器使刀具大致沿主轴轴向方向(即，沿z方向)进给，因而通过端面加工方式实现了车削操作。

所述结构例如适于在用于制造PES聚光灯用透镜的模具上形成微结构。

根据本发明的又一实施例，所述驱动器沿平行于主轴轴线的方向进行进给运动，而所述致动器使得刀具能沿垂直于该方向的方向运动。

在该布置的情况下，能沿纵向方向通过在工件的外表面上形成微结构而对该工件进行表面加工。因此，由于致动器允许刀具在垂直于主轴轴线(例如，沿x方向)的平面中进给，因此所述布置以纵向车床的方式进行加工。

这种布置例如适于例如为提高油脂的粘附力而在受到摩擦应力的表面(例如，轴承外表面)上形成微结构，从而实现润滑特性和抗咬死(anti-seizure)性能的明显提高。

根据本发明的进一步方便的改进，提供了用于控制致动器运动的电子控制器，该控制器响应于工件的角位置和致动器沿第一方向的位置对致动器相对于工件的运动进行控制。

这使得能借助于刀具的压电进给运动获得旋转非对称表面结构。

根据本发明的又一构造，所述控制器包括这样的装置，该装置用于将由笛卡尔坐标定义的、待在模具中形成的特定微结构转换成由极坐标定义的坐标转换结构，其中存储有致动值，该致动值为包括转动角和半径的极坐标的函数。

这种坐标转换使得能在端面加工的情况下确定用于致动器的相应致动值。

在该情况下，所述坐标转换结构优选存储在对照表(LUT)中，电子控制器从该对照表导出致动值，该致动值被供给至放大器，以对所述致动器进行控制。

根据所述实施例的进一步优选改进，所述电子控制器包括用于对供给至放大器的致动信号进行插值的装置，该插值是线性进给运动沿第一方向的位置增量的函数。

尽管由于机械系统的惯性，在自动具有某种平滑效果的压电驱动器的工作方向不必要进行插值，但是作为线性进给运动的位置增量的函数供应给放大器的致动信号插值仍有意义。从而避免了在绘制微结构的相邻像素时，形成类似于由于沿径向的线性进给运动而产生的刀具痕迹的痕迹。

根据本发明的又一有利实施例，所述致动器的第一谐振频率至少为1,500Hz，优选为至少2,000Hz，更优选为至少3,000Hz，所述控制装置设计成供给该致动器低通滤波或带通滤波的信号，该信号的上截止频率小于致动器的谐振频率。

该实施例使得能在不具有致动器的位置控制的情况下以高切削速度进行加工，所述切削速度选择成确保待形成的所需微结构的截止频率略低于致动器的谐振频率。因此，对于不具有位置控制的开环系统能以仍与致动器的谐振频率充分隔开的最高可能切削速度进行工作。

本发明的目的通过适于利用压电驱动器使用于形成微结构表面的车床刀具运动的致动器进一步实现，所述压电驱动器通过引导装置与刀具连接，所述引导装置使所述刀具能抵抗回复力的作用沿压电驱动器的轴向进给，并在垂直于所述方向的平面中呈现很高的刚性。

对于方法而言，本发明的目的通过以下方法得以实现，即利用致动器驱动的刀具在通过主轴旋转的工件上形成微结构表面，所述刀具可通过致动器沿朝向工件表面的方向运动，并可通过另一驱动器沿着工件表面沿垂直于该表面的方向线性定位，所述方法包括以下步骤：

(a)提供用于待加工工件的所需微结构；

(b)将所述的所需微结构转换成包括沿垂直加工方向的致动位置的文件(对照表，LUT)，该致动位置为所述工件的所述转角和所述刀具沿所述工件表面的线性进给行程的函数，用于所述刀具的压电控制进给运动；

(c)对所述的所需微结构进行空间频率分析，并确定用于进给位置的信号的最大截止频率，所述进给位置为所述转角、所述致动器沿所述工件表面的所述线性进给运动和所述切削速度的函数；

(d)设定工件的车削操作的切削速度，使得所述所需微结构的所述最大截止频率小于所述致动器的所述第一谐振频率；

(e)驱动所述主轴和一驱动器，从而沿所述工件表面线性定位所述致动器，并基于从所述对照表中导出的致动值借助于该致动器通过抵靠所述工件表面进给刀具而在工件上形成微结构，所述致动值为所述切削速度、所述转角和所述致动器沿所述工件表面的所述进给运动长度的函数。

因此，根据本发明的方法确保了在所述工件上形成微结构的过程中，可使用所述最高可能切削速度的同时仍以低于致动器谐振频率的频率操作该致动器。这使得能以达到由所述致动器的所述谐振频率限定的最高切削速度的速度利用所述系统，而不需要进行位置控制。

根据本发明的方法基本上还适于与用于利用致动器控制刀具通过车削操作在工件上形成微结构的传统装置结合使用。然而，优选地，根据本发明的方法用于与根据本发明的装置结合使用。

根据本发明方法的进一步有利改进，若可根据步骤(d)进行调节的切削速度不足，则对用于致动器的进给运动的信号进行低通滤波或带通滤波。

在以下情况下，即待形成的所述所需微结构的空间频率分析显示出包含例如在尖锐边缘过渡的情况下所发生的类型的极高频率，正常选定的切削速度会明显减小，以保持与系统的谐振频率充分隔开。在该情况下，上述特征确保了即使在所述的所需微结构的情况下也能使用高切削速度。通过在最初过滤信号，所述所需微结构有些平滑从而确保能使用足够高的切削速度加工例如诸如铸铁或硬质合金的硬质材料。

根据本发明的另一实施例，借助于算法形成工件的所述所需微结构，从而在空间频率分析中出现受低通限制的白噪声。

在该情况下可通过借助低通滤波器(deep-pass filter)(优选为二项式滤波器)重叠而由抽查生成器(random-check generator)生成的点模式形成工件的所需微结构。

通过微结构的该构造，能确保早在形成所需微结构期间就获得低通滤波信号，该信号特别适于在略低于致动器的谐振频率的情况下工作。

可选地，通过生成随机生成的点模式而形成这种所需微结构，所述点模式接着被转换到频率空间、低通滤波并重新转换到当前空间。

这种所需结构特别好地适于制造用于通过热压制造PES聚光灯所用透镜的模具，其中在透镜表面上形成散射透镜微结构。

根据本发明的方法，可有利地沿主轴轴向方向进给所述致动器，并可通过第一驱动器沿垂直于所述方向的方向定位该致动器。

这使得能以端面加工方式进行加工。

可选地，可通过第一致动器沿平行于主轴轴线的z方向定位所述致动器，并可抵靠所述工件表面沿垂直于所述方向的方向进给该致动器。

在该实施例的情况下，能以纵向车削操作方式实现工件的微结构。

如以上所述，根据本发明的方法特别好地适于在光学元件上形成微结构，特别是透镜微结构或散射微结构，或者适于制造用于这种光学元件的热压模具。

此外，根据本发明的方法适于其中待在工件表面上形成微结构的许多其它目的。这其中包括在受到摩擦应力的表面上形成微结构，特别是用于摩擦轴承。

应当理解本发明的上述特征以及有待以下说明的其它特征不仅可用于所示的相应组合，而且可用于其它组合或单独使用，而不脱离本发明的范围。

附图说明

参考附图，从根据某些优选实施例的描述中将清楚本发明的其它特征和优点，在附图中：

图1示出了表示根据本发明装置的非常简化的示意图；

图2表示通过根据图1所示的本发明的致动器的纵剖视图；

图2a表示根据本发明致动器的细节，与图2相比略有修改，示出了致动器和滑枕之间的连接区域；

图3表示根据图2的致动器的立体图；

图4表示根据图2的、带有刀具的致动器的频率响应特性和相位响应特性；

图5表示为制造模具而待形成的所需透镜微结构的放大细节，该模具用于制造PES聚光灯所用的透镜；

图6示出了根据图5的所需微结构的像素图表示；

图7表示根据图6的所需微结构沿以R＝34mm为半径的外周进行的空间频率分析；

图8表示包括用于致动器的控制的方框图；

图9表示用于驱动致动器的算法的图解表示；以及

图10表示通过本发明致动器的纵剖视图，该致动器与图2所示的实施例相比略有修改。

具体实施方式

在图1中，非常概略地示出了根据本发明的装置，该装置整体由附图标记10表示。

根据本发明的装置10是一车床，为了使刀具32能相对于工件16进行快速压电控制运动而附加配备有致动器30。装置10包括主轴12，其可被驱动从而绕其主轴轴线25旋转，如箭头28所示。在主轴12上安装有呈适于夹持工件16的卡盘形式的夹具14。在装置10的床身13上沿着沿z方向(平行于主轴轴线25)延伸的引导件设有驱动器20，借助于该驱动器可使刀架18如双箭头26所示沿z方向移动。刀架18设有驱动器22，借助于该驱动器可使刀架24如双箭头27所示沿垂直方向(y方向)移动。刀架24又设有允许其沿水平方向(x方向，垂直于主轴轴线25)运动的另一驱动器。

最后，刀架24支撑致动器30，刀具32借助于该致动器可如双箭头34所示沿z方向附加移动。

为控制所述车床和所述致动器，设有用附图标记17示意表示的中央控制器。主轴12的角位置可通过编码器31进行监测。

于是，为在工件16的表面上形成微结构，可以以这样的方式使用装置10，即在通过刀架24沿x方向定位致动器30的同时，通过主轴12使工件16绕主轴轴线25旋转，通过致动器30使刀具32响应于致动器30的空间坐标以及由编码器31确定的工件16的角位置而朝工件表面沿x方向进给。以这种方式，能在工件表面上形成微结构，并能以高精度形成旋转非对称表面结构。

参照图1所述的结构使工件能以端面加工方式被加工，这意味着使工件转动，在致动器30沿z方向(即，沿主轴轴线25的方向)进行快速进给运动的同时，刀具32主要沿横向于主轴轴线的水平方向(x方向)或沿工件16的径向运动。当然另外可能产生沿其它方向的其它运动，例如为车削轮廓而沿z方向的运动。

应理解，以纵向切削操作方式加工工件同样是可行的。在该情况下，通过驱动器20实现致动器30沿z方向的定位运动，同时可通过驱动器30在垂直于该方向的平面(xy平面)中进行进给运动。方便的是，为了所述目的以压电轴线沿x方向(或者沿y方向)延伸的方式将致动器定位在刀架24上。这样的布置例如适于以外圆车削操作或内圆车削操作方式在工件的外表面上(或者在其内表面上)形成微结构。

以下将参照图2和图3更详细地描述致动器的具体结构，该致动器可抵抗回复力的作用而沿压电轴线的方向非常快速地运动，但其在垂直于压电轴线的平面中呈现很高的刚性。

在图2和图3中示出并整体由附图标记30表示的致动器主要包括压电驱动器36，该压电驱动器接收在壳体上并通过引导装置38作用在刀具32上。压电驱动器36仅允许沿该压电驱动器轴向方向的运动，而不能在垂直于该方向的平面中产生进给动力。于是，通过引导装置38确保压电驱动器36沿其轴向方向的进给运动可直接传递给刀具32，而整个致动器30在垂直于压电轴线的平面中呈现很高的刚性。

引导装置28为此包括滑枕40，该滑枕的滑枕轴线41尽可能准确地与压电驱动器36的纵向轴线37对齐。滑枕40可抵抗第一弹簧元件44和第二弹簧元件48的力而沿着其滑枕轴线41沿轴向运动，但是由于弹簧元件44、48的特殊设计和夹持布置，该滑枕以特别是不能弯曲的方式悬浮在垂直于滑枕轴线41的平面中。弹簧元件44和48为由宽度大而厚度小的弹簧钢制成的板簧，如例如从作为塞尺条的应用中公知的那样。板簧的外端卡在保持件中，而滑枕40安装在板簧的中部。第一弹簧元件44被卡在环形保持件45、46之间，而第二弹簧元件48被卡在环形保持件49、50之间。

总而言之，以此方式滑枕可获得大约0.5mm量级的可能轴向偏移，因而滑枕40在垂直于所述方向的平面中保持成非常刚硬(静态刚度为100N/μm以上)。在该情况下，作用在压电驱动器36上的必要回复力气动产生而不是机械产生。滑枕40为此悬浮在壳体64中，从而形成空腔72，该空腔向外部气密密封，并可通过压缩空气连接器74供应有压缩空气。空腔72在其面向压电驱动器36的端部通过第一膜片68并在其面向刀具的端部通过第二膜片70而沿轴向密封。在该情况下，面向压电驱动器36的第一膜片68的外部(环境空气)有效直径显然大于相对侧上的膜片70的直径。这形成了压力差，该压力差沿压电驱动器36的方向偏压在中心由这两个膜片68、70相连的滑枕40。该偏压力当然应大于由压电驱动器36产生的加速力，可通过正确选择膜片68、70的表面积关系以及通过施加的压力来调节该偏压力。

膜片68、70优选由相对刚硬的铝元件构成，并且它们的外周分别与薄的平衡膜片69或71接触，由于在空腔72中过压占优势，因而所述平衡膜片分别压靠膜片68或70。此外，烧结金属板66在空腔72的面向压电驱动器的轴向端保持成距平衡膜片69非常小的距离，该烧结金属板大大延伸超过空腔72的整个横截面。烧结金属板66例如由烧结钢构成，并呈现特定量的开放孔隙率。

因此，烧结金属板36能透过空气，从而空腔72内部较大的压力可传递到膜片68，而由开放孔隙形成的细通道导致显著的减震效应，从而致动器操作过程中的切削功率噪声影响明显降低。

所述刀具32可例如构造成插入安装在夹具42上，该夹具安装在滑枕40的外轴向端(通过未示出的螺钉)，同时通过交叉的弹簧条安装在第二弹簧元件48上。滑枕40的相对端与所述两个第一交叉弹簧元件44牢固连接。这通过螺钉80实现，该螺钉延伸穿过所述两个交叉的弹簧元件44中的相应中央凹口并穿过中间垫片76及中间件78，进入滑枕40的端部与其螺纹连接。

压电驱动器36远离滑枕40的一端通过压电座借助螺纹连接与尾端件60刚性接合。在面对滑枕40的一端，压电驱动器36通过球82和对中元件86与螺钉80接触。以这种方式避免了由于压电驱动器36的纵向轴线37和滑枕轴线41之间的对齐误差而可能产生的、作用在压电驱动器36上的任何径向力。因此，确保了仅沿其纵向轴线37的方向对压电驱动器36进行加载。

由压电驱动器36及其悬挂件形成的单元和尾端件60借助螺栓52和中间间隔套54通过保持件45、46直接拧在一起。

这样，整个布置形成了紧凑的致动器30，其中压电驱动器36可抵抗气动回复力而沿轴向运动，并在垂直于该方向的平面中呈现较高的刚性。

诸如适于保护压电驱动器36在切削操作过程中免受切削油的完全防溅的附加特征对本领域的技术人员是周知的，因而在这里不需要详细描述。

压电驱动器36和滑枕40之间的连接的修改例可参见图2a。这里，同样在压电驱动器36和滑枕40之间设置补偿元件43，用于补偿压电驱动器36的纵向轴线37和滑枕轴线41之间潜在的对齐误差。然而，在该情况下，补偿元件36构造成与压电驱动器36的端板39和滑枕40直接连接的收缩部47，从而形成了压电驱动器36和滑枕40之间的直接但横向柔性的连接。

在图3中另外还可见横向托架84，致动器30例如通过该托架安装在刀架24上。

这时，图4表示根据图2和图3的致动器的测量频率响应特性和工作范围。在目前情况下，使用最大进给为40μm的压电晶体作为压电驱动器36。用频率范围为0至4,000Hz的1V振幅激励压电驱动器36。图4中的上图示出了作为激励电压的函数的行程。直接记录在刀具32上的振动计行程示出了0至约2250Hz的非常恒定的幅值特性，约为2.5μm/V。第一谐振频率为大约2,400Hz。

图4的下部视图示出了作为频率的函数的相位响应特性图示。相位响应特性从0至2250Hz是非常线性的。

由于其非常良好的动态特性，根据本发明的致动器特别良好地适于在表面上形成微结构，特别是适于在硬质材料上进行加工操作，这样的加工操作需要高切削速度。例如，在结构幅值为5μm的情况下，可达到高达2.25kHz的进给频率。对于更高的进给幅值或者非常大的材料移除率，最大进给频率会略有降低。看起来没有必要利用传统闭环控制(而不是这里所用的开环控制)进一步改善动态特性，而且根据测量到的相位响应特性，不太可能达到略低于谐振频率。

所用的致动器30的最大致动器行程大约为40μm，从而谐振频率在大约2,400Hz的范围内。然而，在许多应用中，最大致动器行程为20μm的压电驱动器就足够了。于是这使得最小谐振频率增加至大约3.5kHz。

现在将参照图5至图7更加详细地描述用于形成透镜微结构的正确加工条件的选择。

以上已参照图2至图4详细描述过的致动器30与1978年制造的Index型车床一起使用，该车床包括径向偏心为0.4μm量级的高精度主轴。

该装置用于热压PES聚光灯用的透镜所用的模具的制造。为满足给定光强分布特性，在该情况下，相应透镜的选定表面区域必须设有呈微透镜形式的微结构。当用于相应的投射式聚光灯中时，这种微结构或“磨砂”透镜产生特殊的光强分布特性。在通过热压制造透镜期间，模具中所限定的表面微结构转印到透镜表面上。

图5表示这样的微结构的放大细节。垂直轴线上绘出的灰度值为h_min＝0和h_max＝255，这对应于0至大约10μm的峰-谷深度。

这样的结构还可通过借助二项式滤波器重叠的随机生成的点模式形成。为了形成这样的结构，如图6所示，可以通过抽查生成器(random-check generator)例如在801×801像素的图像中为各个像素编址。若之前在n个像素的空间距离内没有寻址到像素(即，该外接圆中的所有相邻像素的灰度值为0)，那么寻址像素处的灰度值设为1。抽查生成器以这种方式进行几十万次循环。结果形成具有灰度值为1的无序像素的图像，其中每对相邻像素不会低于该界限。接着，通过二项式滤波器对该图像进行二维重叠，如需要则重叠多次。形象地说，二项式滤波器将各个灰度值为1的像素中的每一个“放”在中心处。结果形成具有随机布置的“峰”和“谷”的图像，该图像非常有效地模拟根据图5的透镜微结构的形状。由于这种二项式滤波器具有低通属性，因而整个图像也具有低通属性。这非常适合利用所采用的致动器进行制造。

在所示情况下，在图5或图6中所示的微结构分别待通过利用致动器30的端面加工而施加在模具的表面上。在该情况下，当然有必要将由笛卡尔坐标限定的所需微结构转换到极坐标系。转换到极坐标的结构可例如以对照表(LUT)形式存储。于是该表将致动器的输出值G(c，n)定义为致动器的转角(c)和沿径向方向的位置(n)的函数。

图7表示从根据图6的结构导出的空间频率分析。在该情况下，通过FFT傅立叶分析(快速傅立叶变换)记录在待研究结构的外周(在当前情况下以34mm为半径)上的空间频率。从所示的周边部分上的表面光谱显示出，从零至大约两周期/毫米的空间频率响应特性相对恒定。从大约每毫米2.8个结构开始，空间频率响应特性接近于零。

图7中的下部视图表示在假设刀具切削速度为50m/min的基础上，通过FFT分析记录的空间频率特性向振荡频率特性的转换。结果是直到大约1.7kHz存在非常线性的相位特性，而2,350Hz之后空间频率特性的线性下降至接近于零。

根据本发明，切削速度选定成确保幅值响应特性将在致动器的第一谐振频率处(在图4中示出为大约2,400Hz)下降至零。因此，选定的结构允许切削速度设置成50米/分，这是由于致动器的空间频率特性已在大约2,350Hz处下降至接近于零。因此，如图6所示的借助于抽查生成器生成的所需表面(其对应于图5中所示的空间结构)具有受低通滤波限制的白噪声的幅值响应特性，并可有利地借助于根据本发明的致动器30以大约50米/分的切削速度形成。这甚至允许对非常坚硬的金属材料(例如硬质合金)进行加工，这些材料需要足够高的切削速度，否则会发生振动。

图8表示形成微结构所用的装置10在以端面加工方式进行加工时的总体控制。

作为第一步骤，形成随机透镜微结构(分别对照图5和图6)。可选地，当然还可设想其它结构，例如转换照片(converted photo)、符号等。

接着将这些结构转换成极坐标。

然后，基于空间频率分析选择加工条件并模拟加工条件。使用合适的切削速度，于是驱动致动器所用的实时计算机(其可包括带有信号处理卡的PC)产生用于致动器以及用于沿径向定位致动器的必要的致动器信号。该实时计算机为此计算由用于旋转轴线的编码器31产生的脉冲以及由用于径向轴线的另一编码器产生的脉冲，并产生用于加工操作的起始脉冲和终止脉冲。

空间频率分析决定待形成的所需微结构的截止频率。若空间频率分析预示很高的截止频率，则结果是可选择很低的切削速度，这仅仅为了确保最大截止频率会保持低于致动器的第一谐振频率。例如，若待形成的所需微结构包括尖锐边缘等就会如此。

接着，方便的是首先通过应用低通滤波器或带通滤波器(例如，Sobel滤波器)使所需微结构平滑，从而获得可有利地使用根据本发明的致动器系统工作的低通滤波信号。

待形成的所需微结构(对照图6)应为方形，且具有例如801×801像素的奇数成像像素。基于该方形结构，于是可在端面加工期间加工直径为801像素的圆。为了在图像的外轮廓也获得方形像素，图像格式应和与PI(像素精度)相除的用于主轴轴线的编码器的分辨率近似一致。例如，若深度选定成1Byte(＝255灰度等级)，则所用的编码器可具有2,500增量。作为示例，255灰度等级应稍后对应于用于致动器的深度进给运动的0至10μm的深度。

图9表示用于所述加工操作的相关算法。

将待形成的所需微结构转换成极坐标，并以极坐标图像G(c，n)存储在2,500×401像素的LUT中，给定的致动器致动值为1Byte精度。致动值G因而可采用介于0和255之间的值，该值可对应于介于0与最大40μm之间的致动器偏移，或者是例如0至10μm的较小范围。

以BMP格式将图9中所示的极坐标图像存储在LUT中。

如图9中所示，通过主轴编码器C拾取主轴12的角位置并通过边缘计数器(edge counter)记录，在转换成数字值后基于初始“主轴初始”值处理成“c值”。

同样地，通过编码器Y拾取致动器的径向位置，并在转换成数字值后通过边缘计数器进行处理。

利用用于z方向的致动值通过实时计算机对压电驱动器进行控制(行程为h_min到h_max)。放大器通过数模转换器根据合适算法接收来自LUT和来自用于角位置和径向位置的编码器的输入值。

在g＝0处的放大器输入电压U_min对应于h_min，而在g＝255处的放大器输入电压U_max对应于最大致动值h_max。术语“完全半径”描述用于从R_max到R₀(即，从外径到中心)的行程的径向脉冲数。图9中的术语“floor(y)”表示被圆整成相邻较小偶数的数。

利用图9所示的算法，基于来自LUT的值以及用于主轴的编码器C值和用于径向位置的径向编码器Y的值通过数模转换器对放大器进行控制。

该算法利用两个沿径向紧邻的像素的插值通过沿径向的一个像素对放大器的输出电压进行平滑，用于致动器的进给运动。如在极坐标图像右侧旁的第一个框中所示，算法进行插值g＝G(c，n+1)*(1-d)+G(c，n+2)*d。根据该式得到用于放大器输出电压的数字值u为u＝U_min+g*(U_max-U_min)/255。通过数模转换器将该值转换成用于控制放大器的模拟值。

这样，对沿轴向的相邻像素进行致动值的线性插值，但是不对转角进行插值。从而避免了沿车削方向出现的“车削痕迹”，否则“车削痕迹”就会很明显。

在恒定的径向位置不需要对致动值进行插值，致动器的机械系统具有足够高的惯性从而提供沿周向的平滑效果。

在图10中，示出了通过根据本发明致动器的纵向剖面，该致动器与图2中所示的实施例相比略有修改，且整体以附图标记30’表示。这里，相应部件用相应附图标记表示。

致动器30’的设计很大程度上与先前参照图2所述的致动器相符。与图2的实施例相比，现在刀具保持件42定位成使刀具精确对中。从而可避免垂直于轴向的分力，该分力会引起离轴配置。这可进一步降低切削功率噪声

此外，滑枕30’和压电驱动器36之间的定心件在螺钉80处设有冠状面88并在压电驱动器36处设有平坦相对面90。

最后，此外在烧结板66分别与膜片68或相对膜片69之间形成约0.1至1毫米(优选为0.1至0.5毫米)宽的小间隙73，该间隙填充有减震介质。该减震介质可例如为空气、油脂或油。

而且，从而进一步降低了切削功率噪声。

Claims (36)

1、一种用于通过主轴(12)形成微结构的装置，所述主轴适于被驱动以绕其纵向轴线(25)旋转并设有用于夹持工件(16)的夹具，该装置具有设有快速驱动器(36)的致动器(30)，该快速驱动器适于使刀具(32)沿大致垂直于工件表面的方向快速运动，该致动器(30)可沿工件表面定位以借助适于产生沿第一方向(x)的线性进给运动的附加驱动器(24)工作，所述装置的特征在于，所述快速驱动器(36)通过引导装置(38)与所述刀具(32)连接，该引导装置抵抗回复力的作用使刀具(32)沿所述快速驱动器(36)的轴向方向进给，并且在垂直于所述方向的平面中具有很高的刚性。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述快速驱动器是压电驱动器。

3、根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述引导装置(38)在垂直于该引导装置(38)的进给方向的平面中具有至少50N/μm的静态刚度，优选为至少100N/μm。

4、根据权利要求1、2或3所述的装置，其特征在于，所述引导装置(38)包括可动地支撑在第一和第二弹簧元件(44，48)上的滑枕(40)，所述弹簧元件(44，48)沿该滑枕(40)的径向很大程度上不能弯曲，但是能抵抗所述弹簧元件(44，48)的弹簧力而沿滑枕轴线(41)的方向挠曲。

5、根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述弹簧元件(44，48)构造成板簧，所述板簧的长度方向端卡在保持件(45，46，49，50)中并可横向于该长度方向运动。

6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述弹簧元件(44，48)包括塞尺条，所述塞尺条沿径向以交叉布置方式卡在所述保持件(45，46，49，50)和所述滑枕(40)之间。

7、根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述弹簧元件构造成径向对称的盘，特别是呈盘簧形式。

8、根据权利要求4至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述刀具(32)卡在所述滑枕(40)的第一端，而该滑枕(40)在其与该刀具(32)相对的第二端偏靠所述快速驱动器(36)。

9、根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述滑枕(40)通过流体压力或弹簧压力偏靠所述快速驱动器(36)。

10、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述滑枕(40)保持在壳体(64)中，该滑枕(40)和该壳体(64)形成了压力密闭空间(72)，可在该空间施加流体压力，该空间(72)通过在压电侧与所述滑枕(40)连接的第一膜片(68)以及在刀具侧与所述滑枕(40)连接的第二膜片(70)沿轴向朝外部密封，并且所述第一膜片(68)暴露于流体压力的有效表面大于所述第二膜片(70)暴露于流体压力的有效表面。

11、根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述膜片(68，70)中的至少一个由铝构成。

12、根据权利要求2至11中任一项所述的装置，其特征在于，所述压电驱动器(36)的与滑枕(40)相对的第一端卡在保持夹具(60)上，而与第一端相对的第二端通过补偿元件(43，82)与该滑枕(40)连接，该补偿元件能补偿滑枕轴线(41)和压电驱动器(36)的纵向轴线(37)之间的对齐误差。

13、根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述压电驱动器(36)的第二端通过凸形元件，特别是球(82)或球状元件，倚靠所述滑枕(40)。

14、根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述压电驱动器(36)的第二端终止于通过收缩部(47)与所述滑枕(40)相连接的覆盖板(39)。

15、根据权利要求10至14中任一项所述的装置，其特征在于，所述壳体(64)包括至少一个由烧结材料，优选为烧结金属制成的减震元件(66)。

16、根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述减震元件(66)包括很多开放孔隙。

17、根据权利要求15或16所述的装置，其特征在于，在所述减震元件(66)和相对的膜片(69)之间形成填充有减震介质的间隙(73)。

18、根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述间隙填充有空气、油脂或油作为减震介质，并且宽度优选为0.1至1毫米。

19、根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述驱动器(24)使得能沿垂直于主轴轴线(25)的方向(x)进行进给运动，而所述致动器(30)使得所述刀具(32)能沿主轴轴线(25)的方向(z)运动。

20、根据权利要求1至16中任一项所述的装置，其特征在于，所述驱动器(24)使得能沿平行于主轴轴线(25)的方向(z)进行进给运动，而所述致动器(30)使得所述刀具(32)能沿垂直于该方向的方向(x，y)运动。

21、根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，该装置提供了用于控制所述致动器(30)运动的电子控制器(17)，其响应于工件(16)的角位置(c)和致动器(30)沿所述第一方向(x)的位置(n)对该致动器(30)相对于工件(16)的运动进行控制。

22、根据权利要求21所述的装置，其特征在于，所述控制器(17)包括这样的装置，该装置用于将待在工件中形成的特定微结构转换成由极坐标定义的坐标转换结构，该极坐标包括用于致动器(30)的致动值(G(c，n))，其为转角(c)和沿着工件表面沿所述第一方向(x)的线性进给(n)的函数。

23、根据权利要求20和21所述的装置，其特征在于，所述控制器包括这样的装置，该装置用于将由笛卡尔坐标定义的、待在工件(16)中形成的特定微结构转换成由极坐标定义的坐标转换结构，其中存储致动值(G(c，n))，该致动值为包括转动角(c)和半径(n)的极坐标(c，n)的函数。

24、根据权利要求22或23所述的装置，其特征在于，所述坐标转换结构可存储在对照表(LUT)中，所述电子控制器(17)从该对照表导出致动信号(h)，该致动信号被供给至放大器，以对所述致动器(30)进行驱动。

25、根据权利要求24所述的装置，其特征在于，所述电子控制器(17)包括用于对供给至所述放大器的所述致动信号进行插值的装置，该插值是线性进给运动(n)沿第一方向(x)的位置增量的函数。

26、根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述致动器(30)的第一谐振频率(f_R)至少为1,500Hz，优选为至少2,000Hz，更优选为至少3,000Hz，所述控制装置(17)设计成供给该致动器(30)低通滤波或带通滤波的信号，该信号的上截止频率(f_G)小于致动器(30)的所述谐振频率(f_R)。

27、一种致动器(30)，其用于使工件在车床(10)上运动，从而通过快速驱动器，特别是压电驱动器(36)形成微结构表面，该致动器的特征在于，所述快速驱动器(36)通过引导装置(38)与所述刀具(32)连接，该引导装置抵抗回复力的作用使刀具(32)沿所述快速驱动器(36)的轴向方向进给，并且在垂直于所述方向的平面中具有很高的刚性。

28、一种用于利用通过致动器(30)驱动的刀具(32)在通过主轴(12)旋转的工件(16)上形成微结构表面的方法，所述刀具可通过致动器(30)沿朝向工件表面的方向(z)运动，并可通过另一驱动器(24)沿着所述工件表面沿垂直于该表面的方向线性定位，所述方法包括以下步骤：

(a)提供用于待加工工件(16)的所需微结构；

(b)将所述的所需微结构转换成包括沿垂直加工方向的致动位置G(c，n)的文件(对照表，LUT)，该致动位置为工件(16)的转角(c)和刀具沿工件表面的线性进给行程(n)的函数，用于刀具的致动器控制进给运动；

(c)对所述的所需微结构进行空间频率分析，并确定用于进给位置G(c，n)的信号的最大截止频率(f_G)，所述进给位置为所述转角(c)、所述致动器沿所述工件表面的所述线性进给运动(n)和切削速度(v)的函数；

(d)设定工件(16)的车削操作的切削速度(v)，使得所需微结构的最大截止频率(f_G)小于所述致动器(30)的所述第一谐振频率(f_R)，f_G＜f_R；

(e)驱动所述主轴(12)和驱动器(24)，从而沿工件表面线性定位所述致动器，并基于从对照表中导出的致动值借助于该致动器(30)通过抵靠所述工件表面进给所述刀具(32)而在所述工件(16)上形成微结构，所述致动值为所述切削速度(v)、所述转角(C)和所述致动器沿所述工件表面的所述进给运动长度(n)的函数。

29、根据权利要求28所述的方法，其特征在于，若可根据步骤(d)进行调节的切削速度不足，则对用于致动器的进给运动的信号进行低通滤波或带通滤波。

30、根据权利要求28或29所述的方法，其特征在于，借助于算法形成工件(16)的所需微结构，从而在空间频率分析中获得受低通限制的白噪声。

31、根据权利要求30所述的方法，其特征在于，借助由低通滤波器、特别是二项式滤波器重叠而随机生成的点模式形成所述所需微结构。

32、根据权利要求28、29、30或31所述的方法，其特征在于，通过随机生成的点模式而形成所述所需微结构，所述点模式被转换到频率空间、被低通滤波并重新转换到当前空间。

33、根据权利要求28至32中任一项所述的方法，其特征在于，可沿主轴轴线(25)的方向(z)进给所述致动器(30)，并可通过附加驱动器(24)沿垂直于所述方向的方向(x)定位该致动器。

34、根据权利要求28至32中任一项所述的方法，其特征在于，通过所述附加致动器沿平行于主轴轴线(25)的z方向定位所述致动器(30)，并抵靠所述工件表面沿垂直于所述方向的方向(x，y)进给该致动器(30)。

35、根据权利要求28至34中的任一项所述的方法，该方法用于在光学元件上形成微结构，特别是透镜微结构或衍射结构，用于制造所述光学元件所用的压力模具。

36、根据权利要求28至34中的任一项所述的方法，该方法用于在受摩擦载荷的表面上形成微结构，特别是用于摩擦轴承。

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