Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Классические делительные машины: устройство, характеристики, динамическая точность и методы исследований 20
1.1. Устройство, принцип работы и основные характеристики делительных машин.. 20
1.2. Динамическая точность резцовых кареток классических делительных машин 31
1.3. Методы экспериментального исследования точности работы резцовых кареток классических делительных машин 37
1.4. Постановка задачи исследований и формулировка основных концепций ее решения 39
Выводы по главе 1 43
Глава 2. Делительная машина маятникового типа 45
2.1. Общие принципы построения делительной машины маятникового типа 45
2.2. Функциональные схемы делительных машин маятникового типа и описание их работы 52
2.3. Принципы построения и конструирования резцовой каретки и ее привода 59
2.4. Принципы построения и конструирования делительной каретки... 67
Выводы по главе 2 68
Глава 3. Построение математической модели динамики резцовой каретки делительной машины маятникового типа 70
3.1. Механическая модель 70
3.2. Системы координат 73
3.3. Обобщенные координаты и принятые обозначения 78
3.4. Кинетическая энергия системы 82
3.5. Обобщенные силы 84
3.6. Математическая модель 90
3.7. Расчет жесткости подвеса и положения центра масс резцедержателя... 104
3.8. О выборе критерия качества изготовления штриха нарезной
периодической штриховой структуры 105
Выводы по главе 3 107
Глава 4. Экспериментальное исследование макета делительной машины маятникового типа 109
4.1. Действующий макет делительной машины маятникового типа 109
4.1.1. Описание конструкции макета 109
4.1.2. Работа макета 118
4.1.3. Условия проведения экспериментов 122
4.2. Методики экспериментальных исследований и их результаты 123
4.2.1.. Исследование динамики резцовой каретки с помощью коллимированного лазерного луча 123
4.2.2. Исследование динамики резцовой каретки по интерференционной картине 125
4.2.3. Идентификация параметров резцовой каретки макета 129
4.2.4. Исследование экспериментальных нарезок периодических штриховых структур 138
4.2.5. Экспериментальное сравнение работы макета делительной машины маятникового типа и классической делительной машины типаИГ-91 141
4.3. Численное моделирование динамики резцовой каретки делитель ной машины маятникового типа 143
4.3.1. Определение параметров математической модели простран ственного движения резцовой каретки 143
4.3.2. Пространственная модель движения резцовой каретки на базе пакета прикладных программ Mathcad 7.0 PRO. 147
4.3.3. Результаты численного моделирования 148
4.4. Рекомендации по выбору конструктивных параметров резцовой каретки делительной машины маятникового типа 153
Выводы по главе 4 156
Результаты работы, общие выводы 160
Библиографический список использованной литературы..
- Методы экспериментального исследования точности работы резцовых кареток классических делительных машин
- Функциональные схемы делительных машин маятникового типа и описание их работы
- Обобщенные координаты и принятые обозначения
- Исследование динамики резцовой каретки с помощью коллимированного лазерного луча
Введение к работе
Актуальность темы
Эффективная работа разнообразных контрольно-измерительных, спектральных, лазерных приборов и устройств, применяемых в научных исследованиях и производстве, зависит от точностных параметров используемой элементной базы, в том числе линейных штриховых мер, линейных, радиальных и цилиндрических решетчатых растров, дифракционных решеток (ДР), решеток-поляризаторов, синтезированных линейных голограмм, линейных и радиальных тест-объектов (например, для калибровки атомных силовых, растровых туннельных и электронных микроскопов), измерительных решеток, шкал и других элементов с периодической штриховой структурой (ПШС), и, в частности таких, у которых соотношение длины штриха к общей ширине нарезки менее чем 1:5 [1 -6]. Приведенные выше ПШС имеют широкий диапазон пространственных частот от единиц до нескольких тысяч штрихов на 1 мм в зависимости от назначения и области применения.
К настоящему времени известны несколько способов изготовления ПШС [1,2,6-8]: механический способ нарезания поверхностного рельефа; оптический (проекционный); интерференционный (голографический); фотолитографический; прямая графическая запись штриховых структур (ШС) с помощью лазерных или электронно-лучевых устройств; создание ШС с помощью ионной технологии.
Наиболее широкое применение в технологии изготовления ПШС получили механический и голографический способы.
Механический способ - непосредственное формирование (нарезание, гравирование) поверхностного рельефа в тонких металлических слоях или на стекле; формирование ПШС осуществляется с помощью специальных алмазных
7 резцов на автоматизированном граверно-делительном оборудовании, в том числе на делительных машинах (ДМ). Цикл формирования одного штриха лежит в диапазоне от 3 до 12 с. Данный способ изготовления не имеет промежуточных операций, является одноступенчатым, полностью автоматизированным, ПШС изготавливается последовательно, штрих за штрихом, что предъявляет жесткие требования к стабильности параметров окружающей среды в технологическом помещении - температуре, влажности, вибрациям и др. У нарезных ПШС профиль штриха определяется формой и пространственной ориентацией алмазного резца, скоростью его износа, локальной упругостью металлического покрытия и силами, действующими при формировании штриха. Траектория штриха нарезной ПШС, очевидно, есть зафиксированный след траектории движения резцовой каретки (РК), зависящий также от состояния поверхностей направляющих РК, с учетом накопленного и местного случайного износа, попавших пылинок и прочих случайных факторов. РК должна обеспечивать повторяемость траектории перемещения резца с точностями изготовления шага микро- и наноструктуры в соответствии с назначением ПШС.
Сущность голограф ического способа состоит в регистрации на светочувствительном материале (слоях фоторезистов, полупроводников и др.) системы интерференционных полос, образующихся в результате взаимодействия двух когерентных волн с последующей физико-химической обработкой светочувствительного материала с образованием рельефной структуры.
Исторически первыми, еще в 90-х годах XIX века, были изготовлены нарезные ДР-матрицы американским физиком Роуландом (Rowland) с помощью алмазного резца на стеклянной подложке с металлическим слоем на ДМ, названной впоследствии его именем [3]. С тех пор не прекращается процесс усовершенствования ДМ и технологии изготовления нарезных ПШС в силу имеющихся достоинств механического способа [1]. Достоинства данного способа изготовления выражаются в предсказуемости профиля штриха (треугольный профиль, повторяющий профиль алмазного резца), высокой лучевой стойкости изготовленных этим способом решеток, что особенно важно при работе с
8 лазерами, обладающими плотностями мощности излучения до нескольких киловатт на см , отсутствии выделения газов при работе в космических условиях и т.п. Достоинства голограммных ПШС - отсутствие «духов», большие размеры при больших пространственных частотах, более быстрое изготовление по сравнению с нарезными ПШС. Однако, ограниченность разрешающей способности светочувствительных слоев и сложность работы с источниками лазерного излучения в ультрафиолетовой области спектра лимитируют предельные пространственные частоты голограммных ПШС величиной порядка 5000 - 6000 мм*'. Нельзя не сказать, что некоторые типы ПШС, в частности, радиальные растры и растры на цилиндре, практически невозможно изготовить голографическим способом.
Технология нарезных ПШС, не зависящая от указанных выше проблем, в принципе, обеспечивает возможность перехода рубежа в 6000 мм"1 и выше. Такое высокое разрешение может быть достигнуто на основе реализации физических свойств материалов металлических пленок, например, золота [9], технологии прецизионной заточки алмазных резцов (толщина лезвия алмазного резщ; бицилиндрической формы, по косвенным оценкам, составляет несколько нанометров [10]) при соблюдении особых требований термостабилизации и виброизоляции технологического помещения [1,2].
Как следствие указанных выше достоинств и ограничений рассматриваемых способов изготовления ПШС нарезные и голограммные их типы занимают свои «ниши» в спектральном приборостроении, метрологической и лазерной технике. Поэтому совершенствование техники и технологии получения как нарезных, так и голограммных ПШС, с целью повышения точности изготовления и снижения времени формирования штриховой структуры является приоритетной задачей в области станкостроения и научного приборостроения; и решение подобной задачи важно для экономики машиностроения.
Основное ограничение нарезной технологии связано с тем фактом, что делительные машины, построенные по схеме Роуланда (Rowland), достигли своих предельных возможностей. Прежде всего, это касается РК, которая остается та-
9 кой же, как и у механических ДМ, и не имеет систем слежения, движение РК происходит практически бес контрол ьно'. Следовательно, требования к РК предъявляются очень жесткие для обеспечения микронных и субмикронных точностей. Это положение касается как оптимального построения РК, так и обеспечения приемлемых динамических процессов при формировании штрихов. Еще одним существенным фактором на пути повышения точности изготовления нарезных ГТШС выступает уменьшение времени формирования штриха. Увеличение быстродействия делительных машин в 3 - 5 и более раз значительно сократит общее время изготовления нарезных радиальных и «длинных» линейных ПШС, что особенно актуально для высокочастотных ГТШС и ГТШС, у которых длина штриха в пять и более раз меньше, чем общая ширина нарезки. Более быстрое изготовление ПШС увеличит производительность ДМ, удешевит себестоимость готовой продукции и снизит влияние изменений внешних факторов окружающей среды в технологическом помещении - температуры, влажности, вибраций, что также повысит точность изготовления нарезных ПШС.
Поэтому весьма актуальным является поиск новых принципов построения ДМ с целью перехода нарезной технологии на более высокий качественный уровень и более высокую производительность. В первую очередь, необходимо провести поиск нового построения РК, обеспечивающего увеличение быстродействия с сохранением оптимального динамического процесса при нарезке штрихов и высокой пространственной стабильности траектории движения резца.
Основой диссертации является поиск и обоснование новых принципов построения ДМ, в частности РК, комплексное исследование динамики РК, построенной на основе реализации новых принципов, составление ее математиче- 1 Имеются сведения [12] о попытке ввести управление траекторией движения РК, вызванное необходимостью изготовления криволинейных штрихов вогнутых ДР. Такой механизм РК отличается чрезвычайной сложностью и, как следствие, - относительно низкой надежностью; поэтому он широкого распространения не получил. Причем в этой конструкции ДМ точность возвратно-поступательного движения алмазного резца определяется качеством изготовления плоской стеклянной поверхности направляющей с трением скольжения.
10 ской модели, выявление основных факторов, влияющих на траекторию штриха, и выдача рекомендаций по оптимальному построению РК.
Цель настоящей работы состоит в разработке принципов построения делительной машины маятникового типа, позволяющей повысить производительность и точность механического формообразования периодических штриховых структур (дифракционных решеток, шкал, растров и подобных им изделий), и моделировании ее работы.
Основные задачи диссертационной работы
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие основные задачи: изучение и анализ современного состояния и развития делительной техники, механических и математических моделей движения РК, методов экспериментального исследования динамической точности РК; проведение поиска и обоснования новых принципов построения ДМ, позволяющих снизить время формирования штриха, повысить производительность и точность изготовления нарезных ПШС, преимущественно таких типов, у которых соотношение длины штриха к общей ширине нарезки менее чем 1:5; обоснование принципов построения РК делительной машины маятникового типа (ДММТ); разработка математической модели динамики РК, построенной на новых принципах, с учетом основных пространственно действующих факторов, влияющих на процесс формирования штриха; разработка и изготовление действующего макета предложенной ДМ, проведение идентификации параметров РК; экспериментальная оценка перемещения РК макета ДММТ по нефункциональным координатам, используя метод коллимированного лазерного луча и интерференционный метод; изготовление экспериментальных нарезок ПШС на подложках с высоким оптическим качеством и исследование геометрии штрихов полученных образцов; создание программного обеспечения и проведение численного моделирования динамики РК на основе разработанной математической модели с це- лью определения рациональных параметров РК, используя предложенный критерий качества изготовления штриха; - выработка рекомендаций по модернизации макета ДММТ.
На защиту выносятся:
Принципы построения и варианты функциональных схем ДММТ для изготовления ПШС, РК которой построена либо на основе реализации динамических свойств физического маятника на опорах с трением упругости, либо — в виде «обращенного» пружинного параллелограмма с жесткими накладками, привод РК - в виде автоколебательного спускового регулятора или приводного устройства «с нитью».
Математическая модель динамики пространственного движения РК, построенной в виде физического маятника на опорах с трением упругости, с учетом влияния внешних воздействий (в том числе влияния географической ориентации установки станины, вибраций фундамента, кориолисовых сил инерции, вызванных вращением Земли) на динамику РК и параметры формируемого штриха (его глубину, ширину и длину).
Результаты численного моделирования динамики пространственного движения предложенной РК, реализующей свойства физического маятника на опорах с трением упругости.
Методики и результаты экспериментальных исследований динамики РК разработанного действующего макета ДММТ, основанные на проведении оценки динамики РК с контролем при помощи коллимированного лазерного луча и по интерференционной картине, полученной с использованием интерферометра Физо.
Научная новизна работы заключается в том, что в ее рамках: 1. Впервые предложено решение проблемы снижения времени формирования штриха, повышения точности и производительности механического формообразования ПШС путем использования принципов построения ДММТ, резцовые каретки которой реализуют динамические свойства либо физического маятника на опорах с трением упругости, либо - «обращенного» пружинного
12 параллелограмма с жесткими накладками, привод РК основан на использовании автоколебательного спускового регулятора или приводного устройства «с нитью». Предложено и разработано шесть вариантов функциональных схем построения ДММТ;
Впервые разработана пространственная математическая модель динамики РК, построенной на основе физического маятника на опорах с трением упругости, позволяющая проводить анализ и оптимизацию конструктивных и динамических параметров РК предложенного типа, в рамках процесса формирования штриха, на основе сформулированного критерия качества изготовления штриха нарезной ПШС;
На базе пакета прикладных программ Mathcad 7.0 PRO проведено численное моделирование динамики РК, изучено влияние конструктивных и динамических параметров РК, технологических параметров и внешних факторов на процесс нарезки штриха;
Проведены экспериментальные исследования динамики РК и идентификация ее параметров на основе разработанного действующего макета ДММТ;
5. Выданы рекомендации по выбору рациональных параметров РК. Практическая значимость диссертации состоит в том, что на ее основе разработаны и использованы в опытном производстве дифракционной оптики ФГУП «НПО "Государственный институт прикладной оптики"»:
Защищенные патентом РФ принципы построения ДММТ, характеризующиеся универсальностью и применимостью в разработках ДМ для изготовления как линейных, так и радиальных нарезных ПШС;
Различные варианты технических решений основных узлов конструкции таких машин;
Алгоритм построения пространственной математической модели динамики РК с целью ее рационального проектирования в соответствии с предложенным критерием качества изготовления штриха;
Программа на базе прикладного математического пакета Mathcad 7.0 PRO для численного моделирования динамики РК ДММТ;
5. Техническое задание на опытно-конструкторскую работу по проектированию опытного образца ДММТ.
Связь с научно-техническими программами
Работы по диссертации выполнялись по планам НИР КГТУ им. А.Н. Туполева по теме «Исследование динамики движения резцовой каретки делительной машины маятникового типа для изготовления периодических штриховых структур» (дог. № 5409/280, шифр «МДМ») и ФГУП «НПО ТИПО"» по теме: «Разработка новых производительных технологий для организации серийного выпуска конкурентоспособных на мировом рынке дифракционных оптических элементов для ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областей спектра» (дог. РАВ-79-2000, шифр «Основа-Д»),
Апробация результатов
Основные результаты работы докладывались на: VIII Четаевской международной конференции «Аналитическая механика, устойчивость и управление движением», Казань, 2002 г.; XI Международной научной конференции «Оптика лазеров - 2003», Санкт-Петербург, 2003 г.;
III Всероссийском Ахметгалеевском семинаре «Аналитическая механика, устойчивость и управление движением», Казань, 1997 г.; XXIII Всероссийской молодежной научной конференции «Гагаринские чтения», Москва, 1997 г.;
Всероссийской научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование», Казань, 2004 г.;
IX Всероссийской научно-технической конференции «Туполевские чтения студентов», Казань, 2000 г.; XV Научно-технической конференции в Казанском ВАКИУ, Казань, 1997 г.;
Юбилейной научной и научно-методической конференции, посвященной 65-летию КГТУ им. АЛ. Туполева «Актуальные проблемы научных исследований и высшего профессионального образования», Казань, 1997 г.;
14 XVI Военно-технической конференции в Казанском филиале ВАУ, Казань, 1999 г.;
2-ом Всероссийском конкурсе «Компьютерный инжиниринг - 2000», проводившимся в рамках XXVI Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения», Москва, 2000 г. (Получен диплом конкурса, отметившего автора как руководителя студенческой работы, занявшей третье место.)
Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в 13 работах, включая 1 патент РФ, 4 статьи, а также подготовлен 1 рукописный научно-технический отчет.
Личный вклад автора
Автору диссертации принадлежат все основные идеи и результаты исследований. Построение математической модели пространственного движения РК выполнено им совместно с соавторами. Автор является ответственным исполнителем научно-исследовательской работы по разработке и исследованию ДММТ. Ему принадлежит разработка и изготовление действующего макета ДММТ, выбор методов и разработка методик проведения экспериментальных исследований макета, обработка результатов экспериментов, проведение численного моделирования динамики РК с целью определения рациональных ее параметров при достижении заданного качества выполнения штриха, обобще ние на основе анализа результатов собственных исследований и анализа литературных данных. Автор принимал участие во внедрении результатов работы в опытном производстве дифракционной оптики ФГУП «НПО "ГИПО"».
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений.
Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы и необходимость ее проведения. Сформулированы цель диссертации и задачи исследований, представлены основные защищаемые положения, обоснована практическая значимость работы, даны сведения о публикациях и апробации работы. Приведено описание структуры диссертации.
В главе 1 представлен обзор литературы. Приведены области применения и основные требования к параметрам особой группы нарезных ПШС, у которых длина штриха существенно (в пять и более раз) меньше, чем общая ширина нарезки.
Приведен обзор ДМ, используемых для изготовления данной группы нарезных ПШС, дано описание особенностей их конструкций и характеристик, проведен анализ и сделан вывод о существовании у ДМ ряда недостатков, которые не позволяют повысить точность изготовления рассматриваемой группы ПШС, в первую очередь, из-за несовершенства конструкции механизма РК. Таким образом, проведено обоснование актуальности решения проблемы создания ДМ, построенных на основе новых физических принципов действия.
Рассмотрены существующие динамические (механические) и математические модели динамики РК классических ДМ. Показано, что эти модели выполнены без учета влияния вибраций фундамента в рамках плоских задач динамики РК. Сделан вывод, что имеющиеся модели не полны и не позволяют оценить нефункциональные перемещения РК, следовательно, и рабочего лезвия алмазного резца по координате подачи подложки в зависимости от влияния основных пространственно действующих факторов. Показана актуальность разработки пространственной модели динамики РК с учетом основных влияющих факторов с целью последующей выработки требований к конструктивным параметрам ДМ и, в частности, к конструктивным параметрам РК.
Приводятся три группы методов исследования точности работы ДМ* 1)«прямые» — методы экспериментальных исследований динамики механизмов ДМ, 2) «опосредованные» - методы экспериментальных исследований образцов нарезных ПШС, по качественным и количественным значениям отклонений от заданных параметров которых определяют погрешности работы отдельных механизмов и ДМ в целом, и 3) метод численного моделирования (численного эксперимента) динамики механизмов ДМ. Показана необходимость использования интерференционного метода исследования динамики РК, метода иссле- дования геометрических параметров нарезки образца ПШС с помощью сканирующего зондового микроскопа и численного моделирования динамики РК.
Определены основные задачи исследования и сформулированы концепции их решения.
Методы экспериментального исследования точности работы резцовых кареток классических делительных машин
Методы экспериментального исследования точности работы классических ДМ можно условно подразделить на три вида:
1) «прямые» - экспериментальные исследования непосредственно механизмов ДМ - ДК и РК в динамике; такие исследования проводятся на основе использования оптических, в том числе интерференционных методов исследований;
2) «опосредованные» - методы экспериментальных исследований образцов нарезных ПШС, по качественным и количественным значениям отклонений от заданных параметров которых определяют погрешности работы отдельных механизмов и ДМ в целом; эти исследования основаны на измерениях оптических, спектральных и геометрических параметров ТШІС;
3) численный эксперимент (моделирование) динамики ДК и РК на базе математических моделей их движения, используя различные методы численного решения дифференциальных уравнений движения с привлечением ЭВМ и соответствующих прикладных программных средств.
К наиболее точным методам, используемым при экспериментальных исследованиях механизмов ДМ, относятся, безусловно, интерференционные, в которых основными средствами измерений выступают как классические интерферометры (типа Майкельсона, Физо, Фабри-Перо и др.) [45], так и интерферометры, построенные на измерительных решетках [1]. Погрешность интерференционных методов оценивается сотыми долями длины световой волны. Например, в работе [11] приведены данные об интерференционных исследованиях точности работы ДК, в работе [46] - работы РК делительной машины типа ДМШ-4.
При исследованиях волновых аберраций ПШС используются метод измерения разрешающей способности, теневой метод исследования волнового фронта, интерференционный метод [11]. Последний из приведенных методов выявляет распределение погрешностей периода ПШС по ее поверхности, позволяет судить о точности работы ДМ и её механизмов, а также определять величину погрешностей волнового фронта с точностью до нескольких сотых долей длины световой волны.
К геометрическим параметрам ПШС относятся линейные размеры штриха, конфигурация его профиля, в частности период, глубина штриха, углы рабочей и нерабочей грани и др. в зависимости от назначения ПШС. Основной геометрический параметр - профиль штриха. Исследование формы профиля штрихов проводят с помощью интерференционных микроскопов типа МИИ-4 (при про странственных частотах исследуемых образцов до 600 мм"1), с помощью электронных, растровых туннельных микроскопов и СЗМ (свыше 600 мм"1) [5, 8, 11, 15,47-49].
В частности, СЗМ представляет собой настольный прибор с компьютерным управлением, который производит «ощупывание» объекта микрозондом. Общее управление и обработка полученной с помощью СЗМ информация ведется с использованием персонального компьютера. Имеющееся программные обеспечения позволяют наглядно и удобно представлять полученные изображения микрорельефа как трехмерного объекта, так и различные его сечения.
Полученные изображения позволяют судить о качестве изготовленного микрорельефа ПШС, классифицировать и устанавливать причины возникновения дефектов без повреждения поверхности оптического элемента. Компьютерная обработка полученных экспериментальных данных позволяют детализировать отсканированный фрагмент ПШС.
Высокая точность (разрешающая способность СЗМ по горизонтальным координатам X и Y - не хуже 10 нм, по вертикальной координате Z - не хуже 1 нм) и существенно меньшая цена по сравнению с электронными микроскопами (на несколько порядков), неразрушающий способ контроля позволяют классифицировать СЗМ как эффективное средство измерений при изготовлении ПШС.
ДМ, являясь автоматизированным гравировальным комплексом для изготовления нарезных ПШС, достигли свои точностные пределы и требуют дальнейшего усовершенствования.
Как отмечают авторы [1], применение интерференционного управления в любом варианте не снимает высоких требований к механической части ДМ, но перемещает их в несколько другую область. Механизм подачи подложки, в ча 40 стности, винт, в этом случае не несет функцию точного отсчета, но должен обеспечивать плавное и стабильное движение ДК. РК остается такой же, как и в чисто механических ДМ (без собственной следящей системы5). Следовательно, точность работы РК, заключающаяся в воспроизведении траектории движения алмазного резца от одного штриха к последующему при нарезке, должна обеспечиваться точностью конструкции РК.
Из приведенных выше сведений о конструкциях ДК и РК классических ДМ можно отметить, что ДК и её привод с имеющими следящими системами на основе интерференционных ДЛП любого исполнения являются очень точными механизмами. Комбинация механического (на основе червячного механизма и пары «винт - гайка») и немеханического приводов на основе, например, пьезоэлектрического, магнитострикционного или гидравлического исполнительного органа, также позволяют обеспечить точные перемещения ДК в направлении подачи подложки ІШ1С, характеризуемые субмикронными величинами. Поэтому существенный прогресс в усовершенствовании ДМ с точки зрения уменьшения погрешностей периода ПШС лежит на современный момент, в первую очередь, в сфере модернизации РК, её направляющих и приводной части. В связи с вышесказанным, среди вопросов, связанных с поиском и разработкой новых принципов построения ДМ в целом, в диссертационной работе наибольшее внимание уделено именно резцовой каретке.
Функциональные схемы делительных машин маятникового типа и описание их работы
Используя предложенные и обоснованные выше новые принципы построения ДММТ, а также известные принципы построения классических ДМ с интерференционным управлением, предлагаются шесть вариантов построения -шесть принципиальных схем ДММТ. Их функциональные схемы приведены на рис. 5 [52].
ДММТ по варианту I исполнения (см. рис. 5, а) содержит станину 1, делительную 2 и резцовую 3 каретки, приводы 4, 5 делительной 2 и резцовой 3 кареток, привод 4 делительной каретки 2 выполнен с возможностью электронного управления процессом перемещения, механизм 6 подъема и опускания алмазного резца, блок управления 7 приводами 4, 5 делительной 2 и резцовой 3 кареток и измерительную систему 8 линейного перемещения делительной каретки 2. Резцовая каретка 3 выполнена в виде физического маятника, укрепленного не менее, чем на двух опорах с трением упругости, а привод 5 резцовой каретки 3 - в виде автоколебательного спускового регулятора. На делительной каретке 2 закреплена подложка периодической штриховой структуры 9, на резцовой каретке 3 - алмазный резец 10. Вход измерительной системы 8 линейного перемещения делительной каретки 2 сопряжен с делительной кареткой 2. Выход измерительной системы 8 линейного перемещения делительной каретки 2 подключен на вход блока управления 7 приводами 4, 5 делительной 2 и резцовой 3 кареток. Первый выход блока управления 7 приводами 4, 5 делительной 2 и резцовой 3 кареток подключен на вход привода 4 делительной каретки 2, выход которого сопряжен с делительной кареткой 2. Второй выход блока управления 7 приводами 4, 5 делительной 2 и резцовой 3 кареток подключен на вход механизма 6 подъема и опускания алмазного резца. Третий выход блока управле
Предлагаемая ДММТ в варианте I исполнения работает следующим образом (см. рис. 5, а, и 6). При включении ДММТ блок управления приводами ДК и РК выводит в режим устойчивых автоколебаний РК с помощью привода резцовой каретки и синхронизирует работу трех основных систем - привода ДК, привода РК и механизма подъема и опускания алмазного резца. Амплитуда и частота автоколебаний РК предварительно задаются, исходя из требуемых размеров ПШС (например, ДР) и размеров самой РК. В момент времени t = О РК проходит отрицательный максимальный угол отклонения Ф (см. рис. 6, а), блок управления приводами ДК и РК подает управляющий сигнал U1 в виде питаю щего пилообразного напряжения на привод ДК, который перемещает ДК с подложкой ДР на расстояние, равное периоду ШС (см. рис. 6, б), а на механизм подъема и опускания алмазного резца подано питающее напряжение U2 (см. рис, 6, в), поэтому алмазный резец поднят и находится в нерабочем положении. При этом величина перемещения ДК контролируется измерительной системой линейного перемещения делительной каретки. В момент времени t = 1 по сигналу измерительной системы линейного перемещения делительной каретки блок управления приводами ДК и РК останавливает привод ДК и стабилизирует координату до момента времени t=2, при этом пилообразное напряжение U1 равно нулю. В этот же момент (t = 1) РК в виде физического маятника занимает положительный максимальный угол Ф в плоскости качания и начинает движение в противоположном направлении. Так же в момент времени t = 1 блок управления приводами ДК и РК снимает управляющий сигнал в виде питающего прямоугольного напряжения U2 с механизма подъема и опускания алмазного резца, который отрабатывает опускание алмазного резца в рабочее положение,
В виде физического маятника (ФМ), укрепленного не менее, чем на двух опорах с трением упругости (ОТУ) В виде ФМ, укрепленного не менее, чем на двух ОТУ В виде ОПП на упругих направляющих поступательного движения с ЖН В виде ФМ, укрепленного не менее, чем на двух ОТУ В виде «обращенно го» пружинного па раллелограмма (ОПП) на упругих направ ляющих поступатель ного движения с же сткими накладками (ЖН) В виде автоколебательного спускового регулятора В виде привода «с нитью» («старт-стопный» режим) В виде привода на основе пьезоэлектрического элемента В виде привода на основе магнитострикциоиного элемента В виде гидравлического привода
В виде комбинированного привода («грубого» - механического на основе микрометрической пары «винт-гайка» и «точного» - немеханического на основе, например, пьезоэлектрического или магнитострикциоиного элемента) На основе классического интерферометра в - диаграмма работы механизма подъема и опускания алмазного резца продолжающийся до момента времени t = 2. С момента времени t = 1 до момента времени t = 2 РК совершает рабочий ход, длящийся половину периода автоколебания физического маятника, и алмазный резец формирует штрих на рабочей поверхности подложки ДР. В момент времени t = 2, когда РК достигает отрицательный максимальный угол Ф, блок управления приводами ДК и РК подает управляющий сигнал в виде прямоугольного напряжения U2 на механизм подъема и опускания алмазного резца, который поднимает алмазный резец и выводит его в нерабочее положение из соприкосновения с подложкой ДР до момента времени t = 3. Так же в момент времени t = 2 блок управления приводами ДК и РК подает управляющий сигнал в виде треугольного напряжения U1 на привод ДК, перемещающий делительную каретку на следующее расстояние, равное периоду изготавливаемой ДР. До момента времени t = 3 синхронно с перемещением ДК резцовая каретка совершает холостой ход до величины положительного максимального угла в плоскости качания. И в момент времени t = 3 снова ДК останавливается и стабилизируется, и снова опускается и переводится алмазный резец в рабочее положение с помощью механизма подъема и опускания резца при снятом управляющем сигнал U2 блока управления приводами ДК и РК. Формируется следующий штрих, и процесс повторяется до полной нарезки заданного количества штрихов ДР, определяющего её ширину.
Обобщенные координаты и принятые обозначения
Будем полагать, что резец имеет форму полусферы и процесс образования штриха обеспечивается вдавливанием, что характерно для высокочастотных ДР с пространственными частотами v свыше 600 мм"1. (Процесс изготовления ДР с v свыше 600 мм 1 является более сложным технологическим процессом с более жестким допуском на динамическую точность РК. И с этой точки зрения и с точки зрения перспектив получения высокочастотных ПШС он более актуальный. Поэтому в данной работе мы ограничимся рассмотрением формообразования ПШС лишь в рамках процесса вдавливания. Необходимо отметить, что дифракционные решетки с v менее 600 мм 1 получают путем микрорезания. Разрабатываемая математическая модель динамики РК позволяет перейти к изучению случая изготовления ПШС путем микрорезания. Случай микрорезания возникает при выполнении условия h/R 0,1, где h — глубина внедрения резца, имеющего форму полусферы радиуса R [31]).
Итак, в случае модели резца в форме полусферы и процесса образования штриха путем вдавливания, в соответствии с табл. 4, сила, возникающая при вдавливании состоит из двух составляющих [43]; FT = crR 5hU5aT (3.49) F„=c„Rh rTt (3.50) где FT - модуль проекции силы на направление касательной к траектории движения нижней точки полусферы резца (его «характерной» точки 0$), Ftt — проекция силы на направление главной нормали, R — радиус полусферы резца, h — глубина вдавливания, тт - предел текучести вдавливаемого материала, сг, с„ коэффициенты пропорциональности, определяются экспериментально. Составляющие обобщенных сил, вызванные действием силы, возникающей при вдавливании, определяются ее касательной составляющей (нормальная составляющая на любом виртуальном перемещении точки Ог не совершает работы): 90 Сложив соответствующие составляющие обобщенных сил, получим обобщенные силы рассматриваемой системы: й, = й1(д-/ш)+й1(Фс)+й1( )+й1(/;), (3.61) S2 = g2(?-H+S2M+a2( )+S2( ), (3.63) QZ2 = - )+ ( ) + 0.( )+). (3.64) здесь составляющие обобщенных сил определены равенствами (3.33) — (3.36), (3.37) - (3.40), (3.43), (3.44), (3.47), (3.48) и (3.57) - (3.60).
Математическая модель
Для составления упрощенной математической модели пространственного движения РК с 7-ю степенями свободы примем следующие дополнительные допущения: 1) учитывая то, что жесткость связей по обобщенным координатам х2, уг, г, 92, \/2 на несколько порядков выше жесткости по другим обобщенным координатам, будем полагать, что обобщенные координаты х2 уг = z2 = 02 = Уг - 0, а остальные обобщенные координаты и обобщенные скорости малы; 2) установочные углы ai = pi = a2 = P2 = 0; 3) плоскости 0\y\Z\ и Оіуг г для каркаса РК 1 и узла резцедержателя 2 являются плоскостями материальной симметрии, следовательно, Лвд =Лд = х7У2 - & = - - -x(h =0; 4) «характерная» точка алмазного резца находится в плоскости ( сле довательно, - =0.
При сделанных выше допущениях введенные выше матрицы и векторы принимают следующие значения:
В отличие от известных моделей динамики резцового механизма классических ДМ (см. их обзор в разделе 1.2. настоящей работы) предложенная нами математическая модель динамики РК обладает рядом преимуществ при аналитическом исследовании влияния основных факторов на точность периода ІШІС в процессе формирования штриха.
К преимуществам разработанной модели, на наш взгляд, относятся: 1. Расширение возможностей совместного исследования процесса профилирования штриха и динамики рассматриваемой механической системы за счет перехода в рамки пространственной задачи динамики (полная модель имеет 12 степеней свободы, модель первого приближения - 7 степеней свободы); тогда как известные модели работают в рамках плоских задач динамики и позволяют оценить погрешность периода ПШС как отклонение от заданной величины периода только лишь по изменению глубины штриха, возникающему за счет вибрации в вертикальной плоскости, проведенной вдоль длины штриха; предложенная модель позволяет оценить погрешность периода ПШС, обусловленную не только изменением глубины штриха, так и за счет перемещения резца по другим нефункциональным линейным и угловым координатам, в частности, в направлении подачи подложки ПШС, вызванных как за счет вибраций резца и РК, так и за счет других факторов;
Исследование динамики резцовой каретки с помощью коллимированного лазерного луча
1. Макет РК, построенной на реализации динамических свойств физиче ского маятника на опорах с трением упругости (упругом пружинном подвесе), являющийся составной частью конструкции макета ДММТ и использованный в исследовании динамики, может быть в своей основе рекомендован для дальнейшей разработки и изготовления прецизионных ДМ. При выполнении следующих рекомендаций исследуемая механическая система улучшит имеющиеся динамические свойства: - собственные (парциальные) частоты механической системы упругих пружинных подвесов РК должны быть разнесены друг от друга как минимум на порядок и не быть кратными, не совпадать со спектром вибрационных возму щений, что достигается выбором конструктивных параметров пружинных под весов; в частности, частоты по координатам / и z/ должны быть разнесены пу тем изменения конструкции подвеса, что требует дополнительного исследова ния; - самой низкой должна быть частота подвеса РК по координате ф& - собственные (парциальные) частоты механической системы упругого пружинного подвеса резцедержателя также должны быть разнесены друг от друга как минимум на порядок, не быть кратными и не совпадать с частотами упругого пружинного подвеса РК;
- упругие пружинные подвесы РК - правый и левый — должны иметь симметрию относительно осей, проходящих через центр масс тела подвеса, иметь одинаковые схемы крепления пружин к жестким телам, иметь защемления как минимум 1/3 -4-1/4 от длины упругих пластин;
- для увеличения демпфирования в 100 раз необходимо упругие пружинные подвесы выполнить из нескольких многослойных пластинчатых пружин, покрытых резиной (пластиком или другим высоко фрикционным материалом), что требует дополнительной конструктивной проработки.
2. Для уменьшения перекрестных связей в пространственном движении РК необходимо обеспечить, чтобы РК и резцедержатель были динамически сбалансированы относительно оси вращения подвесных систем соответственно. Это требует дополнительного исследования и конструктивной проработки.
3. Влияние вибраций фундамента можно уменьшить двумя путями: - введением системы активной виброзащиты основания; - использованием специального антивибрационного фундамента.
4. Дополнительные исследования можно проводить с помощью получен ной математической модели для алмазного резца любой другой формы, при из вестном силовом взаимодействии с металлическим слоем ГШІС. Сравним характеристики классических делительных машин типа ИГ-91, УДМ-150 и делительной машины маятникового типа (численные модели и действующий макет) по трем параметрам: по производительности, точности и энергопотреблению.
У классических делительных машин: - производительность (цикл нарезки) лежит в диапазоне от 3 до 6 с; - точность резцовой каретки (по рассматриваемому критерию качества) -от 1 до 0,1; - привод для резцовой и делительной кареток является общим, он построен на базе двигателя марки СЛ-571К с потребляемой мощностью 95 Вт.
У делительной машины маятникового типа: - производительность (цикл нарезки) - от 0,5 до 1,2 с (численная модель), 1 с (действующий макет); - точность резцовой каретки (по рассматриваемому критерию качества) -от 1 до 10"5 (численная модель); 0,8 (действующий макет), включает погрешность делительной каретки и ее привода, влияние виброфона и другие факторы; - у действующего макета - приводы для резцовой и делительной кареток раздельные; у резцовой каретки привод построен на основе импульсного спускового регулятора; у делительной каретки привод - на основе пьезоэлектрического элемента ППУ-5; суммарное энергопотребление этих двух приводов составляет не более 5 Вт.
Как видно из сравнения, перспективы у ДММТ имеются. Основываясь на результатах как физического, так и численного эксперимента, отметим следующие преимущества делительной машины маятникового типа, рассмотренной в настоящей диссертации, и перспективы ее применения: - показаны работоспособность, быстродействие и принципиальная возможность использования предложенной ДММТ для изготовления ПШС (дифракционных решеток, шкал, растров и подобных им изделий), преимущественно таких, у которых ширина нарезки значительно больше, чем длина штриха; - ДММТ позволит изготавливать дифракционные решетки, шкалы, растры, тест-объекты, решетки-поляризаторы для видимого и УФ диапазонов спектра, и линейные синтезированные голограммные оптические элементы [см., например, 62,101]; - кроме того, новый принцип построения резцовой каретки дает возможность распространить его на делительные машины, предназначенные для изготовления радиальных измерительных растров, характеризуемых относительно небольшой длиной штриха порядка 2-20 мм, и с высоким быстродействием их изготовления;
