制造業(yè)論文微納米制造技術(shù)的熱壓成型機(jī)

　　微納米制造熱壓成型法項目的成果研制，本制造業(yè)論文使微納米制造的批量化生產(chǎn)成為現(xiàn)實，并且生產(chǎn)成本相當(dāng)?shù)土�，具體一定的經(jīng)濟(jì)效益�！�制造業(yè)自動化》(半月刊)創(chuàng)刊于1979年，由北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所主辦，國家機(jī)械工業(yè)局主管。主要刊載制造業(yè)自動化領(lǐng)域所取得的新技術(shù)、新成果、新產(chǎn)品、新方法以及自動化技術(shù)應(yīng)用成果、科技動態(tài)與信息等。

　　摘要：微熱壓成型法是高效批量的精密微納米結(jié)構(gòu)制造方法之一，對設(shè)備要求相對簡單、操作方便，生產(chǎn)成本也相對低廉。依據(jù)微納米制造熱壓成型工作原理，提出基于聚合物微納米制造的熱壓成型機(jī)設(shè)計思路，并采用PID控制技術(shù)，以解決熱壓成型過程中的溫度、時間、壓力及脫模等關(guān)鍵技術(shù)和參數(shù)的控制問題，以實現(xiàn)精準(zhǔn)、快速、有效的控制是，達(dá)成微納米制造技術(shù)的量產(chǎn)目標(biāo)。

　　關(guān)鍵詞：微納米制造技術(shù);熱壓成型;PID控制枝術(shù)

　　微納米制造技術(shù)帶來的材料革命為機(jī)械工程、儀器科學(xué)、光學(xué)工程、生物醫(yī)學(xué)及微電子工程所廣泛應(yīng)用，為產(chǎn)品品質(zhì)提升、節(jié)能降耗提供新途徑，如超疏水表面微納米制造技術(shù)在遠(yuǎn)洋航行、石油管道運輸?shù)阮I(lǐng)域有著驚人的應(yīng)用前景，但由于微納米產(chǎn)品單件生產(chǎn)成本高、周期長，制約了微納米制造技術(shù)的大范圍應(yīng)用，高效、低成本的批量生產(chǎn)技術(shù)成為微納米制造產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。目前，高效批量的精密微納米結(jié)構(gòu)制造方法主要有微熱壓成型法和微注塑成型法，其中微納米熱壓技術(shù)相比較具有更高的精度和更高的效率，并且對設(shè)備的要求簡單、操作方便，生產(chǎn)成本更加低廉，因此而得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。本文就基于聚合物微納米制造提出熱壓成型機(jī)的研制思路，并應(yīng)用PID控制技術(shù)，解決熱壓成型過程中的溫度、時間、壓力及脫模等問題。

　　1熱壓成型機(jī)工作原理

　　1.1微納米制造熱壓成型法簡介

　　微納米制造熱壓成型法(hotembossing)的主要工藝過程分為熱壓準(zhǔn)備、熱壓過程和脫模三個階段。首先將聚合物基板放置在帶有微結(jié)構(gòu)表面的模具中，并予以加熱使聚合物軟化;達(dá)到一定溫度后，模具對聚合物進(jìn)行施壓，在施壓過程中要保持一定的壓力，并維持一定的時間;最后對模具和聚合物一起冷卻進(jìn)行脫模，從而在聚合物基片上制造出所需的微結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。

　　1.2基于聚合物的熱壓成型機(jī)設(shè)計思路

　　依據(jù)微納米制造熱壓成型原理，本文設(shè)計開發(fā)了一款熱壓成形機(jī)，主要由壓力機(jī)、模具體和真空脫模機(jī)構(gòu)等三個部分組成(如圖2所示)，其總體工作原理設(shè)計如下：首先將待加工聚合物材料放置在下模板上面，當(dāng)上下模板加熱到設(shè)定溫度時，控制系統(tǒng)發(fā)出脈沖信號，促使伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)，伺服電機(jī)通過同步齒形帶驅(qū)動兩根滾珠絲桿同時旋轉(zhuǎn)，在滾珠絲桿副的作用下，主橫梁帶動上模板向下施壓。熱壓模具的凸起部分與聚合物基片接觸，產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，此時發(fā)生塑性變形。當(dāng)模具的凸起部分逐步壓入基片至表面全部接觸，模具的凸起部由于上模板表面具用特殊的微結(jié)構(gòu)，而下模板是光滑的平板，因此在分模時，聚合物材料會吸附在上模表面。為了保護(hù)好在聚合物材料表面上形成的微結(jié)構(gòu)，采用真空吸附的方式是比較理想的脫模方式。當(dāng)完成分模動作后，控制系統(tǒng)通過氣缸將真空脫模機(jī)構(gòu)送入到上下模板之間并開啟真空泵，此時上模板下移至與真空吸盤接觸位置，在真空的作用下，將聚合物材料吸附在真空盤上，而后上模板向上移動，完成脫模動作。

　　2熱壓成型機(jī)檢測與控制系統(tǒng)設(shè)計

　　2.1控制系統(tǒng)整體設(shè)計及組成

　　熱壓成型過程中，主要控制的工藝參數(shù)包括溫度、壓力、位移和時間。壓力的大小、溫度的高低、位移的定位精度和時間的長短對批量制作聚合物表面微結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和穩(wěn)定具有十分重要的意義，因此實時恒溫控制技術(shù)、恒力控制技術(shù)、精密的位移控制技術(shù)是本文研究的關(guān)鍵性技術(shù)。本機(jī)采用PID控制技術(shù)對整個加工過程進(jìn)行精準(zhǔn)、快速、有效的控制，控制系統(tǒng)由PLC、檢測系統(tǒng)和伺服驅(qū)動等構(gòu)成(如圖3所示)。PLC是控制系統(tǒng)的核心，本機(jī)采用日本三菱公司的可編程控制器FX2N-32MT。檢測系統(tǒng)包括了壓力檢測、溫度檢測、位移檢測，溫度檢測采用插入式一體化溫度變送器，壓力檢測采用廣測高精度抗偏載輪輻式稱重傳感器YZC-219(1T)，位移檢測采用NOC-S5000-2MD編碼器。伺服驅(qū)動由定位模塊FX2N-1PG、伺服裝置驅(qū)動器MR-J2S及交流伺服電機(jī)等組成，定位模塊FX2N-1PG是三菱PLC功能模塊之一，可單軸控制，針對定位控制的特點，該模塊具有完善的控制參數(shù)設(shè)定，如定位目標(biāo)跟蹤、運行速度、爬行速度、加減速時間等。由于FX2N系列PLC不具備內(nèi)置位置定位指令，我們可通過FROM/TO指令與擴(kuò)展單元FX2N-1PG脈沖輸出模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，向伺服放大器發(fā)送指定數(shù)量的脈沖串，從而完成對伺服電動機(jī)的精確定位控制，其最高波特率為100kHz。

　　2.2恒溫、恒力和位置控制

　　圖4所示為FX2N系列PLC的交流伺服控制系統(tǒng)接線圖。溫度傳感器將采集到的模擬量溫度信號通過FX2N-4AD-PT模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再輸入到PLC中，PLC將其與設(shè)定值進(jìn)行比對并進(jìn)行運算，輸出對應(yīng)的理想數(shù)值，然后通過FX2N-2DA模塊輸出0～10V的模擬量電壓，從而有效控制加熱模塊的輸出電壓值，達(dá)到實時恒溫控制效果。恒力控制、精密的位移控制是本文研究的重點技術(shù)，恒力控制與精密的位移控制需要相互配合，實時計算才能達(dá)到理想的效果。壓力傳感器通過FX2N-2AD模塊向FX2N-32MT輸入壓力信號，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前輸?shù)膲毫π盘柡驮O(shè)定值進(jìn)行比對，若當(dāng)前壓力小于設(shè)定值，F(xiàn)X2N-32MT和FX2N-1PG通過的數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，輸給FX2N-1PG脈沖和旋轉(zhuǎn)方向，從而FX2N-1PG定位模塊向MR-J2S發(fā)出正向或反向位置脈沖信號，再由MR-J2S驅(qū)動交流伺服電機(jī)，實現(xiàn)通道轉(zhuǎn)角的精確定位。伺服電機(jī)末端的光電編碼器將電機(jī)軸的角位移和電機(jī)轉(zhuǎn)速以脈沖的形式反饋至MR-J2S的CN2口，在MR-J2S中完成位置控制和速度控制，整個位置控制系統(tǒng)實際上是位置閉環(huán)的伺服系統(tǒng)。

　　2.3控制系統(tǒng)端口定義

　　本機(jī)FX2N系列PLC的交流伺服控制系統(tǒng)各端口定義如下：X0～X2為來自滾珠絲桿上的編碼器信號;X6、X7為正負(fù)限位，接接近開關(guān)SQ0.0和SQ1.0的輸入;X8為伺服準(zhǔn)備好輸入信號，來自MR-J2S伺服驅(qū)動RDY輸出;X9為伺服報警輸入，來自MR-J2S伺服報警ALM輸出;X10為緊停開關(guān)輸入;X11為伺服結(jié)束信號輸入，來自MR-J2S伺服驅(qū)動INP輸出;Y0為緊停輸出;Y1伺服ON;Y2為復(fù)位輸出;Y3、Y4為伺服正負(fù)限位輸出;Y5為伺服停止輸出�；貐⒖键c接近開關(guān)SQ2.0與定位模塊FX2N-1PG的DOG相接，F(xiàn)X2N1PG的正向FP和反向RP脈沖輸出口分別與MRJ2S的PP和NP口相接，其余連線按標(biāo)準(zhǔn)連接。

　　3結(jié)束語

　　根據(jù)熱壓成型機(jī)的設(shè)計，筆者試制了相應(yīng)設(shè)備，經(jīng)過試驗證明模擬量實時溫控系統(tǒng)、恒壓控制和可編程控制器的伺服精確控制大大提高了熱壓成型機(jī)的精度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。通過測試，達(dá)到了很好的效果。但目前所設(shè)計的熱壓成型機(jī)僅針對平面的板材的加工，不能適應(yīng)各個領(lǐng)域的應(yīng)用需求，在此基礎(chǔ)上，我們將開發(fā)第二代熱壓成型機(jī)，它將能完成各類異形結(jié)構(gòu)的微納米制造，其控制精度也將更高。

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