一种微纳结构辊筒模具加工与压印成形机床及其控制方法与流程

1.本发明设计属于机械制造技术领域，具体涉及一种微纳结构辊筒模具加工与压印成形机床及控制方法。


背景技术：

2.超精密加工技术与纳米压印技术是微纳结构加工的两种关键技术。超精密加工在国家的前沿科学技术领域占有举足轻重的地位，与电子领域、传感器、光学及计算机等多领域交叉，已成为许多尖端技术产品加工中不可或缺的关键技术之一。
3.纳米压印技术是利用纯机械复刻将模板上的微纳结构复刻到基底上，实现所需微纳结构的转移，该技术凭借其高分辨率、高效率及低成本的优点，提出以来引起了科学界的广泛关注，目前已广泛应用于高精密存储、光学、电子、太阳能电池、传感器等领域。
4.目前利用车铣的加工方法加工微纳沟槽结构模具是制造微纳表面结构零件的有效方法，但是加工完的模具在使用时存在二次装夹误差，对压印精度产生一定影响。


技术实现要素：

5.本发明为解决超精密加工机床完成模具加工后取下并转移到纳米压印装置后，受环境改变和二次装夹误差的影响，导致加工质量不理想的问题，提出了一种微纳结构辊筒模具加工与压印成形机床及其控制方法，可在一次装夹和同一环境下完成微纳结构的加工和使用模具进行压印两项工作，并且可以同时在四个方向输出完全对称的旋转驱动，在四个方向同时进行纳米压印，满足多种材料的多样化加工需求，对产品的加工生产具有重要意义。
6.本发明的目是通过以下技术方案实现的，结合附图：
7.一种微纳结构辊筒模具加工与压印成形机床，包括机床底座1、旋转底座2、软质材料纳米压印装备3、主轴箱4、硬质材料纳米压印装备5、双刀架6、x向液体静压导轨7、x轴扭轮摩擦传动系统8、z向扭轮摩擦传动系统9、z向液体静压导轨10；
8.所述旋转底座2包括旋转台212及驱动机构，旋转台212转动连接在机床底座1的上表面并通过驱动机构驱动旋转台212旋转；
9.所述主轴箱4、两个软质材料纳米压印装备3以及两个硬质材料纳米压印装备5均固定在旋转台212上，主轴箱4固定在旋转台212中间位置，两个软质材料纳米压印装备3对称布置在主轴箱4两侧，两个硬质材料纳米压印装备5对称布置在主轴箱4另外两侧；主轴箱4四个侧面中每个侧面伸出两个输出轴，分别与两个软质材料纳米压印装备3和两个硬质材料纳米压印装备5驱动连接；
10.所述z向液体静压导轨10布置在机床底座1一侧，z向扭轮摩擦传动系统9安装在z向液体静压导轨10上，用于驱动z向液体静压导轨10的z向滑台1003沿z向进行直线运动；
11.所述x向液体静压导轨7安装在z向液体静压导轨10的z向滑台1003上，x轴扭轮摩擦传动系统8安装到x向液体静压导轨7上，用于驱动x向液体静压导轨7的两个x向滑台702
沿x向进行直线运动；
12.所述双刀架6中包括两个结构相同的刀具系统，两个刀具系统分别固定在x向液体静压导轨7的两个x向滑台702上，且双刀架6高度与所述软质材料纳米压印装备3或硬质材料纳米压印装备5适配，可进行配合作业；
13.z向液体静压导轨10的z向滑台1003以及x向液体静压导轨7x向滑台702上分别安装有激光干涉仪，用于机床位置精度的检测。
14.进一步地，所述旋转底座2的驱动机构包括蜗轮轴201、槽轮盘202、蜗杆204、蜗轮205、棘轮轴206、棘轮208、电机209；所述蜗轮轴201通过轴承及旋转套杯安装到机床底座1的安装孔内；槽轮盘202及蜗轮205分别通过键安装在涡轮轴201上；蜗杆204与蜗轮205形成蜗轮蜗杆副，蜗杆204一端与电机209的输出轴相连，另一端通过轴承安装在机床底座1的安装孔内；棘轮208与槽轮盘202构成间歇运动机构，棘轮208通过键安装在棘轮轴206上，棘轮轴206通过轴承及旋转套杯安装在机床底座1及旋转台212中对应的安装孔内。
15.进一步地，所述软质材料纳米压印装备3包括软质压印装备下箱体301、中齿轮轴303、辅助辊筒304、模具辊筒305、软质压印装备上箱体306、两个长齿轮轴307、第一小齿轮轴312；软质压印装备下箱体301固定在旋转底座2的旋转台212上，软质压印装备上箱体306与软质压印装备下箱体301固定连接；若干辅助辊筒304转动连接在软质压印装备下箱体301上；中齿轮轴303安装在软质压印装备下箱体301上且其伸出端上空套有滚筒309；中齿轮轴303、第一小齿轮轴312以及两个长齿轮轴307位于软质压印装备下箱体301内部的轴段上均安装有圆柱直齿轮310，中齿轮轴303、第一小齿轮轴312以及一个长齿轮轴307依次通过圆柱直齿轮310啮合传动；两个长齿轮轴307位于软质压印装备下箱体301与软质压印装备上箱体306的分界面处，长齿轮轴307一侧伸出端与所述主轴箱4的动力输出端连接，长齿轮轴307另一侧输出端上套有模具辊筒305。
16.进一步地，所述硬质材料纳米压印装备5包括硬质压印装备下箱体501、两个中齿轮轴502、第二小齿轮轴503、涂胶滚筒504、硬质压印装备上箱体505、模具滚筒506、大齿轮轴507、三个大直齿轮508以及小直齿轮509；硬质压印装备下箱体501固定在旋转底座2的旋转台212上，硬质压印装备上箱体505固定在硬质压印装备下箱体501上；两个中齿轮轴502转动连接在硬质压印装备下箱体501与硬质压印装备上箱体505的结合部，中齿轮轴502一侧伸出端上套有模具滚筒506，中齿轮轴502另一侧伸出端与所述主轴箱4的动力输出端连接；第二小齿轮轴503的伸出端套有涂胶滚筒504；大齿轮轴507位于一个中齿轮轴502下方，大齿轮轴507伸出端上套有模具滚筒506；在硬质压印装备下箱体501内部，第二小齿轮轴503上安装有小直齿轮509，大齿轮轴507上安装有大直齿轮508，两个中齿轮轴502上均安装有大直齿轮508，第二小齿轮轴503上的小直齿轮509和与其相邻的中齿轮轴502上的大直齿轮508啮合传动，另一个中齿轮轴502上的大直齿轮508与其下方的大齿轮轴507上的大直齿轮508啮合传动。
17.进一步地，所述主轴箱4包括主轴箱直齿轮405、主动锥齿轮406、直齿轮轴407、从动锥齿轮408；主动锥齿轮406与四个呈90
°
均匀分布的从动锥齿轮408配合，形成四个在水平面上均匀分布的锥齿轮副；每个锥齿轮副分别通过一对互相啮合的主轴箱直齿轮405与直齿轮轴407连接，直齿轮轴407通过弹性注销联轴器与所述软质材料纳米压印装备3或硬质材料纳米压印装备5的动力输入端；动力从主动锥齿轮406传至从动锥齿轮408，从动锥齿
轮408转动带动主轴箱直齿轮405转动，进而将运动传递至直齿轮轴407上，并通过弹性注销联轴器传递至软质材料纳米压印装备3或者硬质材料纳米压印装备5的动力输入端。
18.更进一步地，所述主轴箱4还包括主轴箱上箱体412及主轴箱下箱体401，所述主动锥齿轮406安装在主动锥齿轮轴402上，主动锥齿轮轴402安装在主轴箱下箱体401内；主动锥齿轮406与从动锥齿轮408啮合，从动锥齿轮408固定在从动锥齿轮轴403末端；从动锥齿轮408后端连接同步器花键毂416，同步器花键毂416外套有同步器结合套418，同步器结合套418外安装有三个沿周向呈120
°
均匀分布的衔铁417；电磁阀外壳414套在同步器花键毂416的轴上，在同步器花键毂416和电磁阀外壳414之间安装有线圈415；电磁阀外壳414的左侧为弹簧架413，弹簧架413空套在从动锥齿轮轴403上方；主轴箱直齿轮405安装在从动锥齿轮轴403上，从动锥齿轮轴403安装在主轴箱下箱体401的安装槽内；与从动锥齿轮轴403上主轴箱直齿轮405相啮合的为直齿轮轴407上的主轴箱直齿轮405，直齿轮轴407和从动锥齿轮轴403的伸出端均安装有弹性注销联轴器，分别和软质材料纳米压印装备3和硬质材料纳米压印装备5中的对应轴连接。
19.进一步地，所述双刀架6包括两个结构相同的刀具系统，每个刀具包括车刀601、刀架602、激光测微仪604、安装板605；车刀601固定在刀架602上；刀架602固定在x向液体静压导轨7的一个x向滑板上，激光测微仪604竖直安装在安装板605上，使激光测微仪604的测量位置与车刀601走刀点位于同一高度。
20.进一步地，所述z向扭轮摩擦传动系统9包括左支撑座901、光杆902、扭轮摩擦机构903、右支撑座904、联轴器905及步进电机906；步进电机906输出动力，经联轴器905传至光杆902，光杆902旋转进而带动扭轮摩擦机构903运动，扭轮摩擦机构903上安装有固定板，固定板与z向液体静压导轨10的z向滑台1003相连；z轴扭轮摩擦传动系统9通过左支撑座901、右支撑座904安装在z向液体静压导轨10的z向导轨1002的凹槽内。
21.更进一步地，所述扭轮摩擦机构903包括三个扭轮90301、扭轮轴90302、支撑架90303、扭轮轴承端盖90304、支撑架端盖90305、角接触球轴承90306、内圈轴套90308以及外圈轴套90309；三个扭轮90301呈120
°
均匀分布，每个扭轮90301上有对应孔用于安装扭轮轴90302；每个扭轮90301内部设有四个角接触球轴承90306，中间两个角接触球轴承90306之间放置一个外圈轴套90309，从左至右每两个角接触球轴承90306之间放置一个内圈轴套90308；扭轮轴承端盖90304通过螺钉安装在扭轮90301上面；支撑架90303、扭轮轴90302与支撑架端盖90305依次安装，两端通过螺钉将支撑架90303与扭轮轴90302、扭轮轴90302与支撑架端盖90305固定。
22.本发明同时提供一种微纳结构辊筒模具加工与压印成形机床的控制方法，模具加工与压印成形过程包括以下步骤：
23.步骤一、启动机床，根据加工需求设定相关机床参数，调整两个软质材料纳米压印装备、两个硬质材料纳米压印装备、双刀架以及激光干涉仪的位置；
24.步骤二、利用测量装置对两个软质材料纳米压印装备以及两个硬质材料纳米压印装备的模具辊筒表面进行在线测量，采集相关数据，进行曲面重构，获取辊筒模具的测量模型，并根据所需的特定微纳结构获取其设计模型；
25.步骤三、将设计模型输入机床数控系统，进行特征识别后与上一步得到的测量模型进行模型匹配、比较，计算出加工余量δ1，获取相应的加工参数；
26.步骤四、根据上一步所得加工参数进行仿真加工，判断是否会发生干涉碰撞，若存在干涉，则返回步骤三重新选择加工参数；若不存在干涉碰撞，进行数控编程，确定双刀架路径轨迹，生成相应的数控代码；
27.步骤五、进行数控加工；加工结束后，对加工后辊筒模具再次进行测量，并根据曲面重构获取测量模型；计算此时的加工余量δ2，判断是否满足加工要求；
28.步骤六、满足加工要求后进行压印成形：首先将双刀架退至合适位置，避免发生干涉，随后依据压印材料种类选择压印设备及压印类型，可根据需要在至多四个方向进行压印；
29.步骤七、压印完成后，停止机床，结束加工。
30.本发明的优点在于：
31.1、本发明机床为微纳结构柱面模具加工与纳米压印成形一体化机床，实现了柱面模具一次装夹后同时进行加工与使用，避免了加工与使用分开装夹导致的二次装夹误差。
32.2、本发明中将主轴箱设计为四面对称输出的方式，配合平稳旋转的旋转底盘，实现同时向同一平面四个垂直方向输出四个相同的旋转驱动，且能按照需求将需要加工的方向旋转至刀架平面，实现四个方向的按需加工。
33.3、本发明中将纳米压印装置模块化，考虑到加工材料与加工条件的多样化，设计了既能实现硬质材料的纳米压印，又能实现软质材料的纳米压印，甚至可以配合双刀架系统实现软质材料的双面纳米压印，且不同纳米压印模块之间安装尺寸基本一致，方便根据加工这的需求选择需要的纳米压印装置。
34.4、本发明采用扭轮摩擦传动系统，配合步进电机及其驱动器，实现了纳米级的定位精度。并设计了一种预紧力可调的扭轮摩擦传动系统，配合液压缸，实现刀架的独立控制与x轴溜板的复位。以此为基础的双刀架系统可以实现同时在两个辊筒模具上同时加工出相同的微纳结构，以实现具有特殊需求材料的双面纳米压印成形。
附图说明
35.图1为本发明实施例所述一种微纳结构辊筒模具加工与压印成形机床的总体结构示意图
36.图2为本发明实施例所述旋转底座中蜗轮蜗杆副及简谐运动机构装配轴测图
37.图3为本发明实施例所述旋转底座局部结构示意图
38.图4为本发明实施例所述软质材料纳米压印装备外部结构示意图
39.图5为本发明实施例所述软质材料纳米压印装备局部结构剖视图
40.图6为本发明实施例所述主轴箱结构示意图
41.图7为本发明实施例所述主轴箱局部剖视图
42.图8为本发明实施例所述硬质材料纳米压印装备结构示意图
43.图9为本发明实施例所述硬质材料纳米压印装备局部结构剖视图
44.图10为本发明实施例所述z向扭轮摩擦传动系统结构示意图
45.图11为本发明实施例所述x轴扭轮摩擦传动系统结构示意图
46.图12为本发明实施例所述双刀架结构示意图
47.图13为本发明实施例所述x向静压导轨结构示意图
48.图14为本发明实施例所述扭轮结构示意图
49.图15为本发明实施例所述z向静压导轨结构示意图
50.图16为本发明实施例所述棘轮轴测图
51.图17为本发明实施例所述蜗杆轴测图
52.图18为本发明实施例所述直齿轮轴测图
53.图19为本发明实施例所述蜗轮轴测图
54.图20为本发明实施例所述机床控制流程图
55.图中：
[0056]1‑
机床底座；2
‑
旋转底座；3
‑
软质材料纳米压印装备；4
‑
主轴箱；5
‑
硬质材料纳米压印装备；6
‑
双刀架；7
‑
x向液体静压导轨；8
‑
x轴扭轮摩擦传动系统；9
‑
z轴扭轮摩擦传动系统；10
‑
z向液体静压导轨；201
‑
蜗轮轴；202
‑
槽轮盘；203
‑
第一深沟球轴承；204
‑
蜗杆；205
‑
蜗轮；206
‑
棘轮轴；207
‑
第一套筒；208
‑
棘轮；209
‑
电机；211
‑
旋转套杯；212
‑
旋转台；213
‑
联轴器；301
‑
软质压印装备下箱体；302
‑
小垫片；303
‑
中齿轮轴；304
‑
辅助辊筒；305
‑
模具辊筒；306
‑
软质压印装备上箱体；307
‑
长齿轮轴；308
‑
弹性垫圈；309
‑
滚筒；310
‑
圆柱直齿轮；311
‑
第一轴承；312
‑
第一小齿轮轴；401
‑
主轴箱下箱体；402
‑
主动锥齿轮轴；403
‑
从动锥齿轮轴；404
‑
第二深沟球轴承；405
‑
主轴箱直齿轮；406
‑
主动锥齿轮；407
‑
直齿轮轴；408
‑
从动锥齿轮；409
‑
圆锥滚子轴承；410
‑
大轴承端盖；411
‑
唇形密封圈；412
‑
主轴箱上箱体；413
‑
弹簧架；414
‑
电磁阀外壳；415
‑
线圈；416
‑
同步器花键毂；417
‑
衔铁；418
‑
同步器结合套；419
‑
同步器锁环；420
‑
通气塞；421
‑
小轴承端盖；422
‑
六角螺钉；423
‑
大套筒；424
‑
弹性注销联轴器；501
‑
硬质压印装备下箱体；502
‑
中齿轮轴；503
‑
第二小齿轮轴；504
‑
涂胶滚筒；505
‑
硬质压印装备上箱体；506
‑
模具滚筒；507
‑
大齿轮轴；508
‑
大直齿轮；509
‑
小直齿轮；601
‑
车刀；602
‑
刀架；603
‑
六角头螺钉；604
‑
激光测微仪；605
‑
安装板；606
‑
小螺钉；701
‑
x向导轨底座；702
‑
x向滑台；703
‑
x向导轨；704
‑
x向溜板；806
‑
固定板；901
‑
左支撑座；902
‑
光杆；903
‑
扭轮摩擦机构；904
‑
右支撑座；905
‑
联轴器；906
‑
步进电机；1001
‑
z向底座；1002
‑
z向导轨；1003
‑
z向滑台；90301
‑
扭轮；90302
‑
扭轮轴；90303
‑
支撑架；90304
‑
扭轮轴承端盖；90305
‑
支撑架端盖；90306
‑
角接触球轴承；90308
‑
内圈轴套；90309
‑
外圈轴套。
具体实施方式
[0057]
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。
[0058]
一种微纳结构辊筒模具加工与压印成形机床，包括机床底座1、旋转底座2、软质材料纳米压印装备3、主轴箱4、硬质材料纳米压印装备5、双刀架6、x向液体静压导轨7、x轴扭轮摩擦传动系统8、z向扭轮摩擦传动系统9、z向液体静压导轨10。所述旋转底座2包括旋转台212及驱动机构，旋转台212转动连接在机床底座1的上表面并通过驱动机构驱动旋转台212旋转；所述主轴箱4、两个软质材料纳米压印装备3以及两个硬质材料纳米压印装备5均固定在旋转台212上，主轴箱4固定在旋转台212中间位置，两个软质材料纳米压印装备3对称布置在主轴箱4两侧，两个硬质材料纳米压印装备5对称布置在主轴箱4另外两侧；主轴箱4四个侧面中每个侧面伸出两个输出轴，分别与两个软质材料纳米压印装备3和两个硬质材料纳米压印装备5驱动连接；所述z向液体静压导轨10布置在机床底座1一侧，z向扭轮摩擦传动系统9安装在z向液体静压导轨10上，用于驱动z向液体静压导轨10的z向滑台1003沿z
向进行直线运动；所述x向液体静压导轨7安装在z向液体静压导轨10的z向滑台1003上，x轴扭轮摩擦传动系统8安装到x向液体静压导轨7上，用于驱动x向液体静压导轨7的两个x向滑台702沿x向进行直线运动；所述双刀架6中包括两个结构相同的刀具系统，两个刀具系统分别固定在x向液体静压导轨7的两个x向滑台702上，且双刀架6高度与所述软质材料纳米压印装备3或硬质材料纳米压印装备5适配，可进行配合作业；z向液体静压导轨10的z向滑台1003以及x向液体静压导轨7x向滑台702上分别安装有激光干涉仪，用于机床位置精度的检测。
[0059]
进一步地，所述旋转底座2的驱动机构包括蜗轮轴201、槽轮盘202、蜗杆204、蜗轮205、棘轮轴206、棘轮208、电机209；所述蜗轮轴201通过轴承及旋转套杯安装到机床底座1的安装孔内；槽轮盘202及蜗轮205分别通过键安装在涡轮轴201上；蜗杆204与蜗轮205形成蜗轮蜗杆副，蜗杆204一端与电机209的输出轴相连，另一端通过轴承安装在机床底座1的安装孔内；棘轮208与槽轮盘202构成间歇运动机构，棘轮208通过键安装在棘轮轴206上，棘轮轴206通过轴承及旋转套杯安装在机床底座1及旋转台212中对应的安装孔内。
[0060]
进一步地，所述软质材料纳米压印装备3包括软质压印装备下箱体301、中齿轮轴303、辅助辊筒304、模具辊筒305、软质压印装备上箱体306、两个长齿轮轴307、第一小齿轮轴312；软质压印装备下箱体301固定在旋转底座2的旋转台212上，软质压印装备上箱体306与软质压印装备下箱体301固定连接；若干辅助辊筒304转动连接在软质压印装备下箱体301上；中齿轮轴303安装在软质压印装备下箱体301上且其伸出端上空套有滚筒309；中齿轮轴303、第一小齿轮轴312以及两个长齿轮轴307位于软质压印装备下箱体301内部的轴段上均安装有圆柱直齿轮310，中齿轮轴303、第一小齿轮轴312以及一个长齿轮轴307依次通过圆柱直齿轮310啮合传动；两个长齿轮轴307位于软质压印装备下箱体301与软质压印装备上箱体306的分界面处，长齿轮轴307一侧伸出端与所述主轴箱4的动力输出端连接，长齿轮轴307另一侧输出端上套有模具辊筒305。
[0061]
进一步地，所述硬质材料纳米压印装备5包括硬质压印装备下箱体501、两个中齿轮轴502、第二小齿轮轴503、涂胶滚筒504、硬质压印装备上箱体505、模具滚筒506、大齿轮轴507、三个大直齿轮508以及小直齿轮509；硬质压印装备下箱体501固定在旋转底座2的旋转台212上，硬质压印装备上箱体505固定在硬质压印装备下箱体501上；两个中齿轮轴502转动连接在硬质压印装备下箱体501与硬质压印装备上箱体505的结合部，中齿轮轴502一侧伸出端上套有模具滚筒506，中齿轮轴502另一侧伸出端与所述主轴箱4的动力输出端连接；第二小齿轮轴503的伸出端套有涂胶滚筒504；大齿轮轴507位于一个中齿轮轴502下方，大齿轮轴507伸出端上套有模具滚筒506；在硬质压印装备下箱体501内部，第二小齿轮轴503上安装有小直齿轮509，大齿轮轴507上安装有大直齿轮508，两个中齿轮轴502上均安装有大直齿轮508，第二小齿轮轴503上的小直齿轮509和与其相邻的中齿轮轴502上的大直齿轮508啮合传动，另一个中齿轮轴502上的大直齿轮508与其下方的大齿轮轴507上的大直齿轮508啮合传动。
[0062]
进一步地，所述主轴箱4包括主轴箱直齿轮405、主动锥齿轮406、直齿轮轴407、从动锥齿轮408；主动锥齿轮406与四个呈90
°
均匀分布的从动锥齿轮408配合，形成四个在水平面上均匀分布的锥齿轮副；每个锥齿轮副分别通过一对互相啮合的主轴箱直齿轮405与直齿轮轴407连接，直齿轮轴407通过弹性注销联轴器与所述软质材料纳米压印装备3或硬
质材料纳米压印装备5的动力输入端；动力从主动锥齿轮406传至从动锥齿轮408，从动锥齿轮408转动带动主轴箱直齿轮405转动，进而将运动传递至直齿轮轴407上，并通过弹性注销联轴器传递至软质材料纳米压印装备3或者硬质材料纳米压印装备5的动力输入端。
[0063]
更进一步地，所述主轴箱4还包括主轴箱上箱体412及主轴箱下箱体401，所述主动锥齿轮406安装在主动锥齿轮轴402上，主动锥齿轮轴402安装在主轴箱下箱体401内；主动锥齿轮406与从动锥齿轮408啮合，从动锥齿轮408固定在从动锥齿轮轴403末端；从动锥齿轮408后端连接同步器花键毂416，同步器花键毂416外套有同步器结合套418，同步器结合套418外安装有三个沿周向呈120
°
均匀分布的衔铁417；电磁阀外壳414套在同步器花键毂416的轴上，在同步器花键毂416和电磁阀外壳414之间安装有线圈415；电磁阀外壳414的左侧为弹簧架413，弹簧架413空套在从动锥齿轮轴403上方；主轴箱直齿轮405安装在从动锥齿轮轴403上，从动锥齿轮轴403安装在主轴箱下箱体401的安装槽内；与从动锥齿轮轴403上主轴箱直齿轮405相啮合的为直齿轮轴407上的主轴箱直齿轮405，直齿轮轴407和从动锥齿轮轴403的伸出端均安装有弹性注销联轴器，分别和软质材料纳米压印装备3和硬质材料纳米压印装备5中的对应轴连接。
[0064]
进一步地，所述双刀架6包括两个结构相同的刀具系统，每个刀具包括车刀601、刀架602、激光测微仪604、安装板605；车刀601固定在刀架602上；刀架602固定在x向液体静压导轨7的一个x向滑板上，激光测微仪604竖直安装在安装板605上，使激光测微仪604的测量位置与车刀601走刀点位于同一高度。
[0065]
进一步地，所述z向扭轮摩擦传动系统9包括左支撑座901、光杆902、扭轮摩擦机构903、右支撑座904、联轴器905及步进电机906；步进电机906输出动力，经联轴器905传至光杆902，光杆902旋转进而带动扭轮摩擦机构903运动，扭轮摩擦机构903上安装有固定板，固定板与z向液体静压导轨10的z向滑台1003相连；z轴扭轮摩擦传动系统9通过左支撑座901、右支撑座904安装在z向液体静压导轨10的z向导轨1002的凹槽内。
[0066]
更进一步地，所述扭轮摩擦机构903包括三个扭轮90301、扭轮轴90302、支撑架90303、扭轮轴承端盖90304、支撑架端盖90305、角接触球轴承90306、内圈轴套90308以及外圈轴套90309；三个扭轮90301呈120
°
均匀分布，每个扭轮90301上有对应孔用于安装扭轮轴90302；每个扭轮90301内部设有四个角接触球轴承90306，中间两个角接触球轴承90306之间放置一个外圈轴套90309，从左至右每两个角接触球轴承90306之间放置一个内圈轴套90308；扭轮轴承端盖90304通过螺钉安装在扭轮90301上面；支撑架90303、扭轮轴90302与支撑架端盖90305依次安装，两端通过螺钉将支撑架90303与扭轮轴90302、扭轮轴90302与支撑架端盖90305固定。
[0067]
一种微纳结构辊筒模具加工与压印成形机床的控制方法，模具加工与压印成形过程包括以下步骤：
[0068]
步骤一、启动机床，根据加工需求设定相关机床参数，调整两个软质材料纳米压印装备、两个硬质材料纳米压印装备、双刀架以及激光干涉仪的位置；
[0069]
步骤二、利用测量装置对两个软质材料纳米压印装备以及两个硬质材料纳米压印装备的模具辊筒表面进行在线测量，采集相关数据，进行曲面重构，获取辊筒模具的测量模型，并根据所需的特定微纳结构获取其设计模型；
[0070]
步骤三、将设计模型输入机床数控系统，进行特征识别后与上一步得到的测量模
型进行模型匹配、比较，计算出加工余量δ1，获取相应的加工参数；
[0071]
步骤四、根据上一步所得加工参数进行仿真加工，判断是否会发生干涉碰撞，若存在干涉，则返回步骤三重新选择加工参数；若不存在干涉碰撞，进行数控编程，确定双刀架路径轨迹，生成相应的数控代码；
[0072]
步骤五、进行数控加工；加工结束后，对加工后辊筒模具再次进行测量，并根据曲面重构获取测量模型；计算此时的加工余量δ2，判断是否满足加工要求；
[0073]
步骤六、满足加工要求后进行压印成形：首先将双刀架退至合适位置，避免发生干涉，随后依据压印材料种类选择压印设备及压印类型，可根据需要在至多四个方向进行压印；
[0074]
步骤七、压印完成后，停止机床，结束加工。
[0075]
实施例
[0076]
如附图1所示，一种微纳结构辊筒模具加工与压印成形机床，总体结构如图1所示，主要包括机床底座1、旋转底座2、软质材料纳米压印装备3、主轴箱4、硬质材料纳米压印装备5、双刀架6、x向液体静压导轨7、x轴扭轮摩擦传动系统8、z向扭轮摩擦传动系统9、z向液体静压导轨10。其中，旋转底座2中旋转台212通过螺栓转动连接在机床底座1的上表面中间位置，机床底座1内部中空，安装旋转底座2的驱动机构，驱动机构用于驱动旋转台212旋转；软质材料纳米压印装备3有两个，通过螺栓连接固定到旋转台212的两相对边的边缘位置；主轴箱4通过螺栓连接固定到旋转台212的上表面中间位置，四个侧面中每个侧面伸出两个输出轴，通过弹性注销联轴器424分别与两个软质材料纳米压印装备3和两个硬质材料纳米压印装备5的伸出轴端连接；硬质材料纳米压印装备5同样有两个，通过螺栓连接固定到旋转台212上；主轴箱4、两个软质材料纳米压印装备3以及两个硬质材料纳米压印装备5安装到旋转底座2的旋转台212上，随旋转台212一起转动；z向液体静压导轨10布置在机床底座1一侧，z向扭轮摩擦传动系统9安装在z向液体静压导轨10的z向导轨1002的中间位置处，通过螺钉固定，并通过固定板与z向液体静压导轨的z向滑台1003相连，驱动z向滑台1003沿z向的直线运动；x向液体静压导轨7通过螺栓安装在z向液体静压导轨10的z向滑台1003上；双刀架6中有两个刀具系统，分别通过螺钉固定在x向液体静压导轨7的两个溜板704上，且双刀架6高度与软质材料纳米压印装备3或硬质材料纳米压印装备5适配，可进行配合作业；x轴扭轮摩擦传动系统8安装到x向液体静压导轨7的x向导轨703的凹槽内，并通过左支撑座以及右支撑座固定在x向导轨703的中间位置，且通过两个扭轮摩擦机构分别与x向液体静压导轨7上的两个x向滑台702相连，驱动两个x向滑台702沿x向导轨703进行x向的直线运动，进而驱动双刀架6沿x方向的直线运动；在z向液体静压导轨10的z向滑台1003以及x向液体静压导轨7的x向滑台702的合适位置处，分别安装有激光干涉仪，用于机床位置精度的检测。
[0077]
如附图2、3、16、17、19所示，所述旋转底座2包括旋转台212及驱动机构，驱动机构主要包括蜗轮轴201、槽轮盘202、第一深沟球轴承203、蜗杆204、蜗轮205、棘轮轴206、第一套筒207、棘轮208、电机209、旋转套杯211、联轴器213。其中，蜗轮轴201两轴端安装有一对第一深沟球轴承203，深沟球轴承放入旋转套杯211中，旋转套杯211放置于机床底座1中相应的安装孔内；第一深沟球轴承203与蜗轮205及槽轮盘202之间安装有第一套筒207，保证槽轮盘与蜗轮205的轴向定位；槽轮盘202及蜗轮205均通过键安装在涡轮轴201上，实现周
向定位。蜗轮205与蜗杆204形成蜗轮蜗杆副，实现空间运动的传递；蜗杆204两端同样通过过盈配合安装有一对第一深沟球轴承203，蜗杆204一端通过联轴器213与电机209的输出轴相连，另一端通过第一深沟球轴承203安装在机床底座1相应的安装孔内。棘轮208与槽轮盘202构成间歇运动机构，棘轮208通过键实现在棘轮轴206上的周向定位，棘轮208上下两侧安装有第一套筒207，保证棘轮208以及棘轮轴206两端第一深沟球轴承203的轴向定位；棘轮轴206两端的第一深沟球轴承203同蜗轮轴201两端轴承一样，安装在合适大小的旋转套杯211中，两个旋转套杯211分别安装在机床底座1及旋转台212中对应的安装孔内。
[0078]
如附图4、5、18所示，所述软质材料纳米压印装备3主要包括软质压印装备下箱体301、小垫片302、中齿轮轴303、辅助辊筒304、模具辊筒305、软质压印装备上箱体306、两个长齿轮轴307、弹性垫圈308、滚筒309、四个圆柱直齿轮310、第一轴承311以及第一小齿轮轴312。其中，软质压印装备下箱体301通过螺栓固定安装在旋转底座2的旋转台212上；辅助辊筒304有8个，按一定次序在软质压印装备下箱体301上排列，空套在软质压印装备下箱体301上伸出的小轴上，通过螺母以及小垫片302固定。中齿轮轴303安装在软质压印装备下箱体301上，此轴伸出部分上空套有滚筒309，中齿轮轴303末端存在外螺纹，通过螺母以及小垫片302保证滚筒309的轴向位置。中齿轮轴303与第一小齿轮轴312以及两个长齿轮轴307在软质压印装备下箱体301内部结构相同，轴上中间位置处均安装有圆柱直齿轮310，圆柱直齿轮310在各轴上轴向定位由套筒实现，中齿轮轴303、第一小齿轮轴312以及其中一个长齿轮轴307依次通过圆柱直齿轮310啮合传动。各轴在与箱体接触的部分安装有第一轴承311，第一轴承311外圈的固定由轴承端盖311保证，轴承端盖311通过螺栓安装在软质压印装备下箱体301的相应安装孔内。两个长齿轮轴307位于软质压印装备下箱体301与软质压印装备上箱体306的分界面处，两个长齿轮轴307朝向主轴箱4的伸出端分别通过弹性注销联轴器与所述主轴箱4的直齿轮轴407和从动锥齿轮轴403连接，长齿轮轴307另一侧伸出端上套有模具辊筒305，与辅助辊筒304以及滚筒309轴向固定类似，通过螺母及小垫片302实现。软质压印装备上箱体306通过左右侧两个螺栓以及螺母与软质压印装备下箱体301固定连接。
[0079]
如附图8、9、18所示，所述硬质材料纳米压印装备5主要包括硬质压印装备下箱体501、两个中齿轮轴502、第二小齿轮轴503、涂胶滚筒504、硬质压印装备上箱体505、模具滚筒506、大齿轮轴507、三个大直齿轮508以及小直齿轮509。其中，硬质压印装备下箱体501通过螺栓固定在旋转底座2的旋转台212上；两个中齿轮轴502上均安装有大直齿轮508，均向两侧伸出一段轴径；中齿轮轴502与硬质压印装备下箱体501以及硬质压印装备上箱体505的结合部位通过一对轴承实现旋转部件与静止部件的分离，大直齿轮508的轴向定位由齿轮左右两侧的套筒保证，轴承与箱体外壁结合处均安装有轴承端盖，轴承端盖通过螺栓固定在硬质压印装备下箱体501或者硬质压印装备上箱体505的外壁上；第二小齿轮轴503有一个，靠近主轴箱4的一侧未伸出，另一侧为伸出端，上安装有小直齿轮509；大齿轮轴507上安装有大直齿轮508，各个齿轮轴在硬质压印装备下箱体501腔内的结构类似。第二小齿轮轴503的伸出端套有涂胶滚筒504，通过螺母固定；中齿轮轴502靠近x轴扭轮摩擦传动系统8一侧的伸出端上套有模具滚筒506，也通过螺母固定。两个中齿轮轴502靠近主轴箱4一侧的伸出端分别通过弹性注销联轴器与主轴箱4中的从动锥齿轮轴403以及直齿轮轴407相连，实现动力的传递。在靠近第二小齿轮轴503的中齿轮轴502的正下方有一转轴，该转轴的伸
出端上套有一个模具滚筒506，同样通过螺母轴向固定；大齿轮轴507安装在另一个中齿轮轴502的下方，中齿轮轴502上套有模具滚筒506并通过螺母固定。硬质压印装备上箱体505通过螺栓螺母安装在硬质压印装备下箱体501上。在硬质压印装备下箱体501腔内，第二小齿轮轴503上的小直齿轮509和与其相邻的中齿轮轴502上的大直齿轮508啮合传动，另一个中齿轮轴502上的大直齿轮508与其下方的大齿轮轴507上的大直齿轮508啮合传动。
[0080]
如附图6、7所示，所述主轴箱4主要包括主轴箱下箱体401、主动锥齿轮轴402、从动锥齿轮轴403、第二深沟球轴承404、八个主轴箱直齿轮405、主动锥齿轮406、四个直齿轮轴407、四个从动锥齿轮408、圆锥滚子轴承409、大轴承端盖410、唇形密封圈411、主轴箱上箱体412、弹簧架413、电磁阀外壳414、线圈415、同步器花键毂416、衔铁417、同步器结合套418、同步器锁环419、通气塞420、小轴承端盖421、六角螺钉422以及大套筒423。主轴箱4主要为两个软质材料纳米压印装备3以及两个硬质材料纳米压印装备5提供旋转驱动，主要采用一个锥齿轮与四个小锥齿轮配合组成四个相同的锥齿轮副，将垂直面上的旋转运动转变为与垂直面垂直的水平面的四个旋转运动，且四个旋转运动在水平面上均匀分布，以满足功能需求。其中，主动锥齿轮406与四个呈90
°
均匀分布的从动锥齿轮408配合，形成锥齿轮副，每个从动锥齿轮408的轴上安装有一个主轴箱直齿轮405，与直齿轮轴407上的主轴箱直齿轮405配合，动力传输至主动锥齿轮406后，主动锥齿轮406将运动传至从动锥齿轮408，从动锥齿轮408转动带动安装在上面的主轴箱直齿轮405转动，进而将运动传递至直齿轮轴407上，并通过弹性注销联轴器将运动传递至软质材料纳米压印装备3或者硬质材料纳米压印装备5上。
[0081]
如附图7所示，以其中一个锥齿轮副和直齿轮传动副为例，其中，主动锥齿轮轴402安装在主轴箱下箱体401中间位置的安装孔内，主动锥齿轮轴402与主轴箱下箱体401及主轴箱上箱体412接触处通过一对圆锥滚子轴承409连接，轴上端部分圆锥滚子轴承409的轴向定位靠小轴承端盖421实现，小轴承端盖通过螺钉固定在主轴箱上箱体412上，小轴承端盖421旁边安装有一个通气塞420，通过螺纹连接方式拧入主轴箱上箱体412的安装孔内；主动锥齿轮406安装在主动锥齿轮轴402的最粗轴径处，轴向定位通过大套筒423保证，大套筒423空套在主动锥齿轮轴402上，两端和圆锥滚子轴承409接触；主动锥齿轮406与从动锥齿轮408啮合，构成锥齿轮副。从动锥齿轮408通过六角螺钉422与垫片固定到从动锥齿轮轴403末端；从动锥齿轮408后接同步器花键毂416，通过花键连接固定在从动锥齿轴403上；同步器花键毂416外套有同步器结合套418，同步器结合套418外通过螺钉固定安装有三个沿周向呈120
°
均匀分布的衔铁417；电磁阀外壳414套在同步器花键毂416的轴上，在同步器花键毂416和电磁阀外壳414之间安装有线圈415；电磁阀外壳414的左侧为弹簧架413，弹簧架413空套在从动锥齿轮轴403上方；主轴箱直齿轮405安装在从动锥齿轮轴403最粗轴径处，右侧通过轴肩定位，左侧通过套筒定位；从动锥齿轮轴403安装在主轴箱下箱体401的安装槽内，通过圆锥滚子轴承409实现轴类旋转和箱体的静止之间的分离；安装在箱体外壁上的轴承外有一大轴承端盖410，用螺钉固定在下箱体的合适位置，主要用于轴承外圈的轴向定位，大轴承端盖410内部安装有唇形密封圈411，用于密封防尘等。与从动锥齿轮轴403上主轴箱直齿轮405相啮合的齿轮为直齿轮轴407上的主轴箱直齿轮405，直齿轮轴407与从动锥齿轮轴403结构类似，通过一对圆锥滚子轴承409与主轴箱下箱体401以及主轴箱上箱体412接触，中间最粗轴径处安装有主轴箱直齿轮405，直齿轮轴407和从动锥齿轮轴403的伸出端
均安装有弹性注销联轴器，分别和软质材料纳米压印装备3和硬质材料纳米压印装备5中的对应轴连接。主轴箱上箱体412通过螺栓固定安装在主轴箱下箱体401的上方。
[0082]
如附图12所示，所述双刀架6包括两个结构相同的刀具系统，每个刀具主要包括车刀601、刀架602、六角头螺钉603、激光测微仪604、安装板605以及小螺钉606。车刀601通过六角头螺钉603安装到刀架602上；刀架602通过六角头螺钉603固定在x向液体静压导轨7的溜板704上，激光测微仪604通过六角头螺钉603竖直安装在安装板605上，使激光测微仪604的测量位置与车刀601走刀点位于同一高度。
[0083]
如附图13所示，所述x向液体静压导轨7主要包括x向导轨底座701、x向滑台702、x向导轨703、x向溜板704。其中；x向导轨底座701通过螺钉安装在z向液体静压导轨10的z向滑台1003上的左侧位置；x向滑台702和x向溜板704均有两个，两个x向滑台702安装在x向导轨703的两侧，x向溜板704通过螺钉固定在x向滑台702上面。双刀架6的两个刀具系统分别安装在两个x向溜板704上。x轴扭轮摩擦传动系统8安装在x向导轨703的凹槽内，并通过左支撑座以及右支撑座固定在x向导轨703的中间位置，x轴扭轮摩擦传动系统8的两个扭轮摩擦机构分别通过固定板806与两个x向滑台702相连，驱动两个x向滑台702沿x向导轨703进行x向的直线运动。
[0084]
如附图15所示，所述z向液体静压导轨10主要包括z向底座1001、z向导轨1002以及z向滑台1003，z向导轨1002固定在z向底座1001上，z向滑台1003滑动连接在z向导轨1002上，且z向滑台1003底部与z轴扭轮摩擦传动系统9的扭轮摩擦机构903通过固定板连接，通过z轴扭轮摩擦传动系统9驱动其沿z向导轨1002做z向的直线运动。
[0085]
如附图10、14所示，所述z向扭轮摩擦传动系统9主要包括左支撑座901、光杆902、扭轮摩擦机构903、右支撑座904、联轴器905及步进电机906。步进电机906输出动力，经联轴器905传至光杆902，光杆902旋转进而带动扭轮摩擦机构903运动，扭轮摩擦机构903上安装有固定板，该固定板与z向液体静压导轨10的z向滑台1003相连，进而带动z向滑台1003沿z向导轨1002进行z向移动。整个z轴扭轮摩擦传动系统9通过左支撑座901、右支撑座904安装到z向液体静压导轨10的z向导轨1002的凹槽内，并通过螺栓将左支撑座901以及右支撑座904固定到z向导轨1002的中间位置处。
[0086]
如附图14所示，所述扭轮摩擦机构903主要包括扭轮90301、扭轮轴90302、支撑架90303、扭轮轴承端盖90304、支撑架端盖90305、角接触球轴承90306、内圈轴套90308以及外圈轴套90309。其中，一个扭轮摩擦机构903中包括三个扭轮90301，呈120
°
均匀分布，每个扭轮90301上有对应孔用于安装扭轮轴90302，孔与轴之间为过盈配合；每个扭轮内部包含四个角接触球轴承90306，中间两个角接触球轴承90306之间放置一个外圈轴套90309，从左至右，每两个角接触球轴承90306之间放置一个内圈轴套90308，保证各个轴承的轴向定位；最终轴承的轴向固定通过扭轮轴承端盖90304实现，扭轮轴承端盖90304通过螺钉安装在扭轮90301上面；支撑架90303、扭轮轴90302与支撑架端盖90305依次安装，两端通过螺钉将支撑架90303与扭轮轴90302、扭轮轴90302与支撑架端盖90305固定。
[0087]
如附图11所示，x向扭轮摩擦传动系统8与z轴扭轮摩擦传动系统9结构相似，主要包括左支撑座、光杆、两个扭轮摩擦机构、右支撑座、联轴器及步进电机。整个x向扭轮摩擦传动系统8通过左支撑座、右支撑座安装到x向液体静压导轨7的x向导轨703的凹槽内，并通过螺栓将左支撑座以及右支撑座固定到x向导轨703的中间位置处。步进电机输出动力，经
联轴器传至光杆，光杆旋转进而带动两个扭轮摩擦机构相向或相背运动，两个扭轮摩擦机构上安装均有固定板，每个扭轮摩擦机构通过固定板与x向液体静压导轨7的一个x向滑台702相连，进而带动两个x向滑台702沿x向导轨703进行x向移动。
[0088]
如附图20所示，本发明同时提供一种微纳结构辊筒模具加工与压印成形机床的控制方法，模具加工与压印成形过程主要包括以下几个步骤：
[0089]
步骤一、启动机床前首先完成对机床一系列的检查，确保无故障后启动机床，根据加工需求设定相关机床参数，将模具辊筒安装在对应位置，并调整好双刀架以及检测装置位置；
[0090]
步骤二、利用测量装置对模具辊筒表面进行在线测量，采集相关数据，进行曲面重构，获取辊筒模具的测量模型，并根据所需的特定微纳结构获取其设计模型；
[0091]
步骤三、将工件设计模型输入机床数控系统，进行特征识别后与上一步得到的工件测量模型进行模型匹配、比较，计算出加工余量δ1，获取相应的加工参数；
[0092]
步骤四、根据上一步所得加工参数进行仿真加工，判断是否会发生干涉碰撞，若存在干涉，则返回步骤三重新选择加工参数；若不存在干涉碰撞，进行数控编程，确定双刀架路径轨迹，生成相应的数控代码；
[0093]
步骤五、进行数控加工。加工结束后，对加工后辊筒模具再次进行测量，并根据曲面重构获取测量模型；计算此时的加工余量δ2，判断是否满足加工要求。若不满足加工要求，返回步骤一重新进行加工。
[0094]
步骤六、满足加工需求后即可进行压印成形。首先将双刀架退至合适位置，避免发生干涉，随后依据压印材料种类选择压印设备及压印类型。硬质材料采用纳米压印方式；软质材料即可采用热纳米压印方式，也可采用紫外纳米压印方式，采用热纳米压印方式时，也可根据需要采用双面压印。也可根据需要在至多四个方向进行压印。
[0095]
步骤七、压印完成后，停止机床，结束加工。