制造業論文微納米制造技術的熱壓成型機

　　微納米制造熱壓成型法項目的成果研制，本制造業論文使微納米制造的批量化生產成為現實，并且生產成本相當低廉，具體一定的經濟效益。《制造業自動化》(半月刊)創刊于1979年，由北京機械工業自動化研究所主辦，國家機械工業局主管。主要刊載制造業自動化領域所取得的新技術、新成果、新產品、新方法以及自動化技術應用成果、科技動態與信息等。

　　摘要：微熱壓成型法是高效批量的精密微納米結構制造方法之一，對設備要求相對簡單、操作方便，生產成本也相對低廉。依據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設計思路，并采用PID控制技術，以解決熱壓成型過程中的溫度、時間、壓力及脫模等關鍵技術和參數的控制問題，以實現精準、快速、有效的控制是，達成微納米制造技術的量產目標。

　　關鍵詞：微納米制造技術;熱壓成型;PID控制枝術

　　微納米制造技術帶來的材料革命為機械工程、儀器科學、光學工程、生物醫學及微電子工程所廣泛應用，為產品品質提升、節能降耗提供新途徑，如超疏水表面微納米制造技術在遠洋航行、石油管道運輸等領域有著驚人的應用前景，但由于微納米產品單件生產成本高、周期長，制約了微納米制造技術的大范圍應用，高效、低成本的批量生產技術成為微納米制造產業化的關鍵。目前，高效批量的精密微納米結構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相比較具有更高的精度和更高的效率，并且對設備的要求簡單、操作方便，生產成本更加低廉，因此而得到廣泛關注和應用。本文就基于聚合物微納米制造提出熱壓成型機的研制思路，并應用PID控制技術，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構表面的模具中，并予以加熱使聚合物軟化;達到一定溫度后，模具對聚合物進行施壓，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行脫模，從而在聚合物基片上制造出所需的微結構(如圖1所示)。

　　1.2基于聚合物的熱壓成型機設計思路

　　依據微納米制造熱壓成型原理，本文設計開發了一款熱壓成形機，主要由壓力機、模具體和真空脫模機構等三個部分組成(如圖2所示)，其總體工作原理設計如下：首先將待加工聚合物材料放置在下模板上面，當上下模板加熱到設定溫度時，控制系統發出脈沖信號，促使伺服電機正轉，伺服電機通過同步齒形帶驅動兩根滾珠絲桿同時旋轉，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，產生較大的壓應力，此時發生塑性變形。當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構，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。為了保護好在聚合物材料表面上形成的微結構，采用真空吸附的方式是比較理想的脫模方式。當完成分模動作后，控制系統通過氣缸將真空脫模機構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熱壓成型機檢測與控制系統設計

　　2.1控制系統整體設計及組成

　　熱壓成型過程中，主要控制的工藝參數包括溫度、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構的質量和穩定具有十分重要的意義，因此實時恒溫控制技術、恒力控制技術、精密的位移控制技術是本文研究的關鍵性技術。本機采用PID控制技術對整個加工過程進行精準、快速、有效的控制，控制系統由PLC、檢測系統和伺服驅動等構成(如圖3所示)。PLC是控制系統的核心，本機采用日本三菱公司的可編程控制器FX2N-32MT。檢測系統包括了壓力檢測、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。伺服驅動由定位模塊FX2N-1PG、伺服裝置驅動器MR-J2S及交流伺服電機等組成，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設定，如定位目標跟蹤、運行速度、爬行速度、加減速時間等。由于FX2N系列PLC不具備內置位置定位指令，我們可通過FROM/TO指令與擴展單元FX2N-1PG脈沖輸出模塊進行數據交換，向伺服放大器發送指定數量的脈沖串，從而完成對伺服電動機的精確定位控制，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模塊轉換成數字信號，再輸入到PLC中，PLC將其與設定值進行比對并進行運算，輸出對應的理想數值，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，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，系統根據當前輸的壓力信號和設定值進行比對，若當前壓力小于設定值，FX2N-32MT和FX2N-1PG通過的數據線進行數據通信，輸給FX2N-1PG脈沖和旋轉方向，從而FX2N-1PG定位模塊向MR-J2S發出正向或反向位置脈沖信號，再由MR-J2S驅動交流伺服電機，實現通道轉角的精確定位。伺服電機末端的光電編碼器將電機軸的角位移和電機轉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，整個位置控制系統實際上是位置閉環的伺服系統。

　　2.3控制系統端口定義

　　本機FX2N系列PLC的交流伺服控制系統各端口定義如下：X0～X2為來自滾珠絲桿上的編碼器信號;X6、X7為正負限位，接接近開關SQ0.0和SQ1.0的輸入;X8為伺服準備好輸入信號，來自MR-J2S伺服驅動RDY輸出;X9為伺服報警輸入，來自MR-J2S伺服報警ALM輸出;X10為緊停開關輸入;X11為伺服結束信號輸入，來自MR-J2S伺服驅動INP輸出;Y0為緊停輸出;Y1伺服ON;Y2為復位輸出;Y3、Y4為伺服正負限位輸出;Y5為伺服停止輸出。回參考點接近開關SQ2.0與定位模塊FX2N-1PG的DOG相接，FX2N1PG的正向FP和反向RP脈沖輸出口分別與MRJ2S的PP和NP口相接，其余連線按標準連接。

　　3結束語

　　根據熱壓成型機的設計，筆者試制了相應設備，經過試驗證明模擬量實時溫控系統、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的精度，增強了系統的抗干擾能力。通過測試，達到了很好的效果。但目前所設計的熱壓成型機僅針對平面的板材的加工，不能適應各個領域的應用需求，在此基礎上，我們將開發第二代熱壓成型機，它將能完成各類異形結構的微納米制造，其控制精度也將更高。

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