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

技术特征：
1.一种微纳结构辊筒模具加工与压印成形机床，其特征在于，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(7)x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。2.如权利要求1所述的一种微纳结构辊筒模具加工与压印成形机床，其特征在于，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)分别通过键安装在蜗轮轴(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。3.如权利要求1所述的一种微纳结构辊筒模具加工与压印成形机床，其特征在于，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)。4.如权利要求1所述的一种微纳结构辊筒模具加工与压印成形机床，其特征在于，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)、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。5.如权利要求1所述的一种微纳结构辊筒模具加工与压印成形机床，其特征在于，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
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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。6.如权利要求5所述的一种微纳结构辊筒模具加工与压印成形机床，其特征在于，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。7.如权利要求1所述的一种微纳结构辊筒模具加工与压印成形机床，其特征在于，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。8.如权利要求1所述的一种微纳结构辊筒模具加工与压印成形机床，其特征在于，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向扭轮摩擦传动系统(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。9.如权利要求8所述的一种微纳结构辊筒模具加工与压印成形机床，其特征在于，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
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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。10.一种微纳结构辊筒模具加工与压印成形机床的控制方法，其特征在于，模具加工与压印成形过程包括以下步骤：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；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；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；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；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；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；步骤七、压印完成后，停止机床，结束加工。

技术总结
本发明公开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，两个硬质材料纳米压印装备和两个软质材料纳米压印装备安装在旋转底座的安装板上，旋转底座可带动主轴箱、软质材料纳米压印装备以及硬质材料纳米压印装备旋转，四个压印装备上的动力输入端与主轴箱上的动力输出轴相连，通过主轴箱提供旋转驱动力，X向液体静压导轨安装在Z向液体静压导轨上，X向液体静压导轨上有两个滑板，用于安装双刀架的两个刀具系统。本发明将超精密加工技术与纳米压印技术相结合，实现了柱面模具一次装夹后同时进行加工与使用，避免了二次装夹误差，可以在加工完模具之后四个方向同时进行压印，保证机床根据加工者的实际需求进行多样化加工。加工。加工。


技术研发人员：冀世军 田豪霞 赵继 杨俊 胡志清 代汉达 刘振泽
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2021.08.11
技术公布日：2021/11/9