一种精密加载装置及精密加载板对板热压印设备

1.本发明属于模压成形技术设备领域，尤其涉及一种精密加载装置及精密加载板对板热压印设备。


背景技术：

2.电子、医疗诊断、视觉检测系统、成像系统和激光辐射等领域，具有较高的经济和科研效能。具有特殊结构的光学玻璃器件有其对应的应用场景，例如，菲涅尔透镜常用于太阳能光伏系统；非球面透镜和微透镜阵列常用于成像或视觉检测系统。随着高新科学技术的迅猛发展，应用在上述领域的光学玻璃器件在性能上的要求不断提高，不仅需求量越来越大，而且精度要求越来越高，结构更加复杂。但是精密光学玻璃器件难以加工，成本较高的问题亟待解决。
3.光学玻璃元件的加工方法分别有超精密冷加工技术、高能束流加工技术和基于模板复制技术等。其中，超精密冷加工技术包括单点金刚石车削、磁流变磨削和飞削等，虽然能够加工出面形精度较高光学玻璃元件，但工艺步骤繁多，效率较低。高能束流加工技术包括激光直写技术、离子束加工技术和紫外光刻技术等，虽然能够加工出精细的微纳结构，但加工设备结构复杂，价格昂贵，而且效率极低。
4.模板复制技术包括板对板热压印技术、辊对板热压印技术和注塑成型技术等。其中，板对板热压印技术具有生产效率高、加工成本低、设备简单、结构复制保真度高、环保等特点，是一种加工光学玻璃元件微纳结构的有效方法。近年来受到世界各光学元件制造厂商和国内外研究人员的广泛关注。
5.目前，板对板热压印设备多采用直线电机进行压力的施加，但是，直线电机在沿竖直方向的施力过程中受其固有的系统误差的影响，其施加的作用力的方向与竖直方向具有比较大的夹角，从而不利于光学玻璃表面精度和形状精度的提高。


技术实现要素：

6.本技术实施例的目的在于提供一种精密加载装置，旨在解决如何提高对玻璃的施力精度，以提高玻璃模压的精度的问题。
7.为实现上述目的，本技术采用的技术方案是：
8.第一方面，提供一种精密加载装置，其包括：
9.支撑结构，包括沿竖直方向布置的竖直导轨，所述竖直导轨间隔设置两个，所述模具结构位于两所述竖直导轨之间；以及
10.施力结构，包括两竖直滑块、横梁以及连接所述横梁的压头构件，两所述竖直滑块沿竖直方向分别滑动连接两所述竖直导轨，所述横梁的两端分别连接两所述竖直滑块，所述压头构件位于所述模具结构的正上方，并所述压头构件能够在重力的作用下抵接并压紧所述模具结构。
11.在一些实施例中，所述竖直滑块开设有导向槽，所述竖直导轨上凸设有与所述导
向槽适配的导向部，所述导向槽与所述导向部滑动配合，以连接对应的所述竖直滑块和所述竖直导轨。
12.在一些实施例中，所述压头构件包括轴销以及施压件，所述轴销的上端连接所述横梁，所述轴销的下端连接所述施压件，所述轴销能够抵接并压紧所述模具结构。
13.在一些实施例中，所述施压件包括变径轴套以及连接所述变径轴套的施力块，所述变径轴套外套于所述轴销的下端。
14.在一些实施例中，所述施压件还包括连接所述轴销下端面的滚珠压头，所述滚珠压头能够抵接所述模具结构。
15.在一些实施例中，所述压头构件还包括滑动轴承、下限位垫片以及上限位垫片，所述横梁开设有定位孔，所述滑动轴承部分容置于所述定位孔，所述轴销的上端滑动穿设所述滑动轴承并连接所述上限位垫片，所述上限位垫片用于防止所述轴销脱离所述滑动轴承，所述轴销的下端连接所述下限位垫片，所述下限位垫片用于防止所述施压件脱离所述轴销。
16.在一些实施例中，所述支撑结构还包括水平布置的水平导轨、连接所述水平导轨的位移控制平台以及设置于所述位移控制平台上的加热组件，各所述竖直导轨的下端均滑动连接所述水平导轨，所述模具结构设置于所述加热组件，且所述位移控制平台能够朝上抬升所述模具结构。
17.在一些实施例中，所述位移控制平台包括滑座、竖直移动台以及水平调整台，所述滑座、所述竖直移动台以及所述水平调整台从下往上依次连接，且所述滑座滑动连接所述水平导轨，所述加热组件连接所述水平调整台。
18.在一些实施例中，所述加热组件包括从上往下依次连接的载物台、载物台、冷却块以及隔热块，所述载物台开设有多个加热孔，各所述加热孔内均设置有电加热棒，所述模具结构设置于所述载物台，所述隔热块连接所述位移控制平台。
19.第二方面，本技术实施例还提供一种精密加载板对板热压印设备，其包括如上所述的精密加载装置，所述精密加载板对板热压印设备还包括模具结构以及机箱，所述机箱具有真空腔，所述精密加载装置设置于所述真空腔。
20.本技术的有益效果在于：通过将模具结构设置于压头构件的下方，两竖直滑块同步且分别沿两竖直导轨朝下滑动预定距离，使压头构件仅在重力的作用下并沿竖直方向抵接模具结构，使得位于模具结构内的光学玻璃坯料能够受到压头构件的重力所形成的模压压力，提高了对光学玻璃的压力施加的精度，从而提高了光学玻璃微纳结构制造精度，且该结构简单，降低了设备研发的成本。
附图说明
21.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或示范性技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
22.图1为本技术实施例提供的精密加载板对板热压印设备立体结构示意图；
23.图2是图1的精密加载板对板热压印设备的精密加载装置的立体结构示意图；
24.图3是图2的精密加载装置的施力结构的立体结构示意图；
25.图4是图3的施力结构的爆炸示意图。
26.其中，图中各附图标记：
27.100、精密加载装置；101、机箱；102、真空腔；200、精密加载板对板热压印设备；10、支撑结构；11、竖直导轨；12、水平导轨；14、移动控制平台；141、水平调整台；142、竖直移动台；143、滑座；13、加热组件；131、载物台；132、电加热棒；133、冷却块；134、隔热块；30、模具结构；20、施力结构；21、竖直滑块；22、横梁；23、轴销；24、施力件；25、滑动轴承；26、上限位垫片；211、导向槽；111、导向部；27、压头构件；221、定位孔；
具体实施方式
28.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本技术。
29.需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
30.请参阅图1及图3，本技术实施例提供了一种精密加载装置100，其能够对模具结构30施加压力，模具结构30内收容有待热压印的坯料。可选地，坯料包括金属材料、非晶材料或非晶合金材料。本实施例中，坯料为光学玻璃。光学玻璃呈圆柱状，且玻璃的直径为7.5mm，厚度为1mm。
31.请参阅图2及图4，可选地，精密加载装置100包括支撑结构10以及施力结构20。支撑结构10包括沿竖直方向布置的竖直导轨11，竖直导轨11间隔设置两个。可选地，竖直导轨11的长度方向沿竖直方向设置，两竖直导轨11的长度方向平行。模具结构30位于两竖直导轨11之间。可以理解的是，模具结构30可以固定设置于两竖直导轨11之间，或活动设置于两竖直导轨11之间，即模具结构30可以沿某一水平面调节其水平位置，也能够沿竖直方向调节其高度位置。可选地，玻璃放置于模具结构30内，模具结构30包括上模和位于上模下方的下模，玻璃位于上模和下模之间，通过对玻璃进行加热并通过上模和下模的压合，而实现玻璃的热压印。
32.请参阅图2及图4，可选地，施力结构20包括两竖直滑块21、横梁22以及连接横梁22的压头构件27。可选地，横梁22整体呈工字形，横梁22的厚度为20mm，横梁22的中心位置开设有直径为30mm的定位孔221，用于安装压头构件27，确保压头构件27在安装后能处于垂直方向，即压头构件27只受到朝下的重力以及横梁22对其的朝上的支撑力。本实施例中，横梁22采用铝合金材料，其具有刚性好、成本低、设计灵活，以及可以支持不同尺寸的压头构件27的装配的特点。两竖直滑块21沿竖直方向分别滑动连接两竖直导轨11，横梁22的两端分
别连接两竖直滑块21，压头构件27位于模具结构30的正上方，并压头构件27能够在重力的作用下抵接并压紧模具结构30。可选地，压力构件抵接上模，下模固定设置或活动设置。上模的受力面水平设置，压头构件27沿竖直方向抵接受力面，从而使压头构件27可以沿竖直方向压印玻璃。
33.通过将模具结构30设置于压头构件27的下方，两竖直滑块21同步且分别沿两竖直导轨11朝下滑动预定距离，使压头构件27仅在重力的作用下并沿竖直方向抵接模具结构30，使得位于模具结构30内的光学玻璃坯料能够受到压头构件27的重力所形成的模压压力，提高了对光学玻璃的压力施加的精度，从而提高了光学玻璃微纳结构制造精度，且该结构简单，降低了设备研发的成本。
34.请参阅图2及图4，在一些实施例中，竖直滑块21开设有导向槽211，竖直导轨11上凸设有与导向槽211适配的导向部111，导向槽211与导向部111滑动配合，以连接对应的竖直滑块21和竖直导轨11。
35.请参阅图2及图4，可选地，竖直滑块21抵接竖直导轨11的表面开设有导向槽211，导向槽211为燕尾槽，竖直导轨11沿其长度方向凸设有导向部111，导向部111的形状与燕尾槽的形状适配，从而在燕尾槽和导向部111的配合，可以引导竖直滑块21沿竖直方向平稳滑动。
36.可选地，竖直滑块21可以通过伺服电机来控制其上下运动。在一些实施例中，压头构件27包括轴销23以及施压件，轴销23的上端连接横梁22，轴销23的下端连接施压件，轴销23能够抵接并压紧模具结构30。
37.请参阅图2及图4，可选地，销轴的下端面抵接模具结构30的受力面，施压件连接销轴并将自身的重力通过销轴而作用在模具结构30上。
38.在一些实施例中，施压件包括变径轴套以及连接变径轴套的施力块，变径轴套外套于轴销23的下端。可选地，本实施例中施力块为金属材料制成的砝码，砝码具有预定的重力，从而实现对光学玻璃的模压。
39.请参阅图2及图4，可选地，施力块的中心位置开设有固定孔，施力块外套于变径轴套，通过变径轴套可以使施力块的对轴销23的作用力分布均匀，从而提高对模具结构30的施力精度。
40.请参阅图2及图4，在一些实施例中，施压件还包括连接轴销23下端面的滚珠压头，滚珠压头能够抵接模具结构30。可选地，滚珠压头抵接受力面，且滚珠压头与受力面之间为点接触，从而使压头构件27施加的压力处于z轴方向上，即竖直方向上，从而提高玻璃热压印加工过程的稳定性。
41.可选地，在其它实施例中，滚珠压头也可以为碳化钨压头。在一些实施例中，压头构件27还包括滑动轴承25、下限位垫片以及上限位垫片26，横梁22开设有定位孔221，滑动轴承25部分容置于定位孔221，轴销23的上端滑动穿设滑动轴承25并连接上限位垫片26，上限位垫片26用于防止轴销23脱离滑动轴承25，轴销23的下端连接下限位垫片，下限位垫片用于防止施压件脱离轴销23。可选地，轴销23能够在滑动轴承25内上下往复滑动，而上限位垫片26放防止轴销23朝下完全脱离横梁22，下限位垫片可以防止轴销23朝上完全脱离横梁22，提高施压件的可靠性。可选地，定位孔221的直径范围为20～50mm。
42.请参阅图2及图4，可选地，加工前，压头构件27静置挂在横梁22上，此时上限位垫
片26限制住压头构件27位置，使其不掉落。加工时，压头构件27、模具结构30和光学玻璃坯料紧密接触，模具结构30被朝上抬升，进而使压头构件27也沿竖直方向上升，此时上限位垫片26释放，压头构件27的重量完全作用在玻璃坯料，模具结构30上的微纳结构可以复制到光学玻璃。
43.请参阅图2及图4，可以理解的是，施力结构20可以设置多个，各施力结构20沿竖直方向依次抵接，即各轴销23依次抵接，从而可以将多个施力块的重力通过最下面的轴销23而作用在模具结构30上。可选地，各施力结构20从下往上依次为：第1级加载结构、第2级加载结构
…
第n级加载结构，其中，n为自然数。在不同工艺步骤中，通过实现多级加载结构的组合和分离，从而可以根据不同的坯料和工艺要求而选择不同数量的施力结构20，提高了精密加载装置100的模压范围和使用灵活性。
44.请参阅图2及图4，可选地，本实施例中，施力结构20设置两个。
45.在一些实施例中，支撑结构10还包括水平布置的水平导轨12、连接水平导轨12的位移控制平台以及设置于位移控制平台上的加热组件13，各竖直导轨11的下端均滑动连接水平导轨12，模具结构30设置于加热组件13，且位移控制平台能够朝上抬升模具结构30。
46.可以理解的是，竖直导轨11通过水平滑块19而滑动连接水平导轨12，各竖直导轨11的下端均连接水平滑块19。两水平滑块19和水平导轨12共同形成y轴手动移动台，通过两竖直导轨11沿水平导轨12水平滑动，可以调节施力结构20相对玻璃坯料的位置，从而调整施力结构20的施力位置，使玻璃坯料受力均匀。
47.可选地，水平滑块19滑动到位后，通过设置在水平滑块19上的滚花螺母191进行水平滑块19的位置固定。请参阅图2及图4，可以理解的是，位移控制平台通过水平导轨12可以水平滑动，从而调节模具结构30相对施力结构20的相对水平位置，可选地，通过水平导轨12可以实现模具结构30和施力结构20之间第一级的水平位置调节。位移控制平台再朝上抬升模具结构30，使模具结构30抵接施力结构20，使各施力块上滑预定距离，且各施力块的重力完全沿竖直方向均施加在模具结构30上。
48.请参阅图2及图4，在一些实施例中，在一些实施例中，所述位移控制平台包括滑座143、竖直移动台142以及水平调整台141，所述滑座143、所述竖直移动台142以及所述水平调整台141从下往上依次连接，且所述滑座143滑动连接所述水平导轨12，所述加热组件13连接所述水平调整台141。
49.请参阅图2及图4，可选地，竖直移动台142是xyz电动直线运动平台，而水平调整台141为xy倾斜台。竖直移动台142和水平调整台141均采用精密的滚珠丝杆副，滚珠丝杠副误差小、精度高，而且能够在工艺进行的过程中保持整个运动系统处于较高的动平衡状态。本技术实施例所使用的位移控制平台能实现亚微米级的闭环定位。请参阅图2及图4，可选地，竖直移动台142可以驱动模具结构30上下移动，而水平调整台141可以调节受力面与水平面的位置关系，使受力面平行水平面，从而使施力块的重力方向与受力面垂直，提高对光学玻璃的施力精度。
50.可选地，通过水平调整台141实现模具结构30与施力结构20之间第二级的水平位置的调节。
51.请参阅图2，可以理解的是，两竖直导轨11和两竖直滑块21形成z轴从动位移台，横梁22的两端分别连接两竖直滑块21，两竖直滑块21分别滑动连接两竖直导轨11。
52.可以理解的是，竖直移动台142也可以称为z轴主动位移台，z轴主动位移台能够让工作人员手动操作，从而通过z轴主动位移台带动z轴从动位移台移动。
53.请参阅图2，其中，y轴手动移动台的水平导轨12和水平滑块19通过齿轮齿条传动，实现水平滑块19的定位。
54.请参阅图2，可选地，z轴主动位移台也包括滑轨与滑块的结构，且滑块和导轨之间也通过齿轮齿条传动，实现滑块的定位。
55.可选地，z轴从动位移台的竖直滑块21与竖直导轨11之间是一个简单的移动副，是低副。
56.请参阅图2，可选地，y轴手动位移台平行地安装在光学平台上，z轴主动位移台竖直地安装在y轴手动位移台水平导轨12上，而z轴从动位移台的两竖直导轨11分别安装在两水平滑块19上。z轴从动位移台上的竖直滑块21通和横梁22通过螺栓对接。调节z轴主动位移台可以带动横梁22和z轴从动位移台上的竖直滑块21在竖直方向上沿对应的竖直导轨11移动。
57.可选地，在竖直滑块21滑动到位后或安装时，也可以使用滚花螺母191进行定位。
58.请参阅图2及图4，在一些实施例中，在一些实施例中，所述加热组件13包括从上往下依次连接的载物台131、载物台131、冷却块133以及隔热块134，所述载物台131开设有多个加热孔，各所述加热孔内均设置有电加热棒132，所述模具结构30设置于所述载物台131，所述隔热块134连接所述位移控制平台。
59.可选地，载物台131的材料为导热性较好的铜。载物台131的四周均匀间隔排列着可控温的电加热棒132，载物台131的中心和侧方分布若干热电偶。工作时热电偶与模具结构30或模具结构30的石墨套筒接触，用于检测光学玻璃在成型工艺中的实时温度。由于较高的温度可能会对位移控制平台造成一定的影响，因此载物台131底部加入了冷却块133和隔热块134，整个加热组件13水平安装在位移控制平台上。
60.请参阅图1，本发明还提出了一种精密加载板对板热压印设备200，该精密加载板对板热压印设备200包括精密加载装置100，该精密加载装置100的具体结构参照上述实施例，由于本精密加载板对板热压印设备200采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此同样具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
61.在一些实施例中，种精密加载板对板热压印设备200还包括模具结构30以及机箱101，机箱101具有真空腔102，精密加载装置100设置于真空腔102。
62.可选地，机箱101的长宽高尺寸为400
×
400
×
500mm。
63.请参阅图2及图4，在一些实施例中，精密加载板对板热压印设备200还包括控制系统，控制系统包括计算机控制系统、伺服控制卡、伺服电机控制系统、加热控制系统以及辅助部件。其中，计算机控制系统包括工业控制器和软件控制。在精密加载板对板热压印设备200中，计算机控制系统对电机速度和进出气口阀门进行控制，对温度进行采集分析，根据控制算法得出的目标值对载物台131的位置、竖直滑块21位置和温度即时调整。控制软件为控制系统提供友好的人机交互界面，保证控制系统的正常运转。伺服控制卡是具有pci接口的多轴控制卡，它可以通过产生高频脉冲信号驱动伺服电机，通过模拟信号控制电加热棒132的功率，并接收来自于机械传动机构末端增量编码器、温度传感器的反馈信号，实现对设备的闭环控制。同时，伺服控制卡能接收气压传感器和微氧分析仪的实时信号，方便进行
操作人员进行工作环境的气氛调控。外围设备为控制系统提供所需的控制开关和安全按钮，包括电源开关，变压器，空气开关以及继电器等元件。
64.可选地，精密加载板对板热压印设备200的模具结构30可兼容三种方案。
65.方案一：下模加工有微纳结构，上模由碳化钨制成且未开设微纳结构，且上模与滚珠压头一体成型。
66.方案二：下模未开设微纳结构，上模由开设有微纳结构且由碳化钨制成，且上模与压头一体成型。
67.方案三：上模和下模层叠放置于石墨套筒内，且光学玻璃位于上模和下模之间，上模和/或下模开设有微纳结构，且上模和下模均由碳化钨制成。受力面设于上模，且滚珠压头抵接上模。
68.本实施例所采用的方案为方案三。下面结合精密加载板对板热压印设备200的结构阐述其工作过程。
69.请参阅图2及图4，首先，将碳化钨制成的模具结构30放置在载物台131上或已被定位在载物台131的石墨套筒内，将光学玻璃放置到上模和下模之间，初始化载物台131的位置和施力结构20的配置，对真空腔102抽取真空，并加入惰性气体。当真空度或者氧含量达到预设值，电加热棒132开始加热。当玻璃坯料被加热到玻璃坯料的玻璃转化点温度tg时，载物台131在竖直移动台142的驱使下向上移动，各竖直滑块21位置保持不变，当施力结构20中的压头构件27的重力完全作用在玻璃坯料上时，竖直移动台142停止移动，此时意味着热压印阶段的开始。
70.请参阅图2及图4，在压力的作用下，软化的玻璃坯料填充模具结构30的型腔，从而在其表面成型出微纳结构。热压印过程中，根据热电偶反馈的信号，对电加热棒132进行控制，将模具结构30和玻璃坯料的温度波动控制在较小的范围内。当微纳结构被完全复制到玻璃坯料的表面时，最上面的第n级加载结构的竖直滑块21开始朝上移动，即组合的多个施力结构20开始逐级分离，而第一级加载结构至第n-1级加载结构的位置保持不变，此时压力变为第一级加载结构至第n-1级加载结构的压力，其起到保压的效果，使玻璃坯料的压力被逐级卸载，有利于提高玻璃的成形精度以及表面精度。
71.与此同时，各电加热棒132以特定速率开始降温。当玻璃坯料温度远低于玻璃转化点温度tg时，电加热棒132停止加热，竖直移动台142向下移动，直到各施力结构20停止施加作用力。然后，进出气口阀门开始动作，使工作区域处于对流状态，光学玻璃和模具结构30开始快速冷却。最后，当玻璃的温度下降到50℃左右时，取出压印成型的玻璃元件，对其表面生成的微纳结构进行测量和表征。
72.请参阅图2及图4，可选地，工件温度、热压压力和保压压力是该工艺的重要控制参数。首先初始化载物台131位置，使加热组件13与滚珠压头在z轴线上重合。然后对载物台131进行加热，待工件温度超过玻璃转化点温度tg后，启动伺服电机，调节上压量。当各施力结构20的重力完全作用在工件时，电机停止，热压开始。热压结束后,即热压实际时间等于设定时间(t＝t0)，启动伺服电机，多级加载结构分离，最上面的施力结构20首先分离，而第一级加载结构的位置保持不变，玻璃开始保压退火。当温度远低于玻璃转化点温度tg后，启动伺服电机，调整竖直移动台142的位置，直到各施力结构20不再施加作用力。在热压过程中，温度可能会发生波动。因此在热压过程中需对温度进行监测，确保温度处于设定范围之
内，保证热压出的工件质量。热压印过程结束后，将分析热压印过程中收集到的数据，进一步改善工艺过程。
73.以上仅为本技术的可选实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。