摘要：微热压成型法是高效批量的精密微纳米结构制造方法之一，对设备要求相对简单、操作方便，生产成本也相对低廉。依据微纳米制造热压成型工作原理，提出基于聚合物微纳米制造的热压成型机设计思路，并采用PID控制技术，以解决热压成型过程中的温度、时间、压力及脱模等关键技术和参数的控制问题，以实现精准、快速、有效的控制是，达成微纳米制造技术的量产目标。
关键词：微纳米制造技术；热压成型；PID控制枝术
引言
微纳米制造技术带来的材料革命为机械工程、仪器科学、光学工程、生物医学及微电子工程所广泛应用，为产品品质提升、节能降耗提供新途径，如超疏水表面微纳米制造技术在远洋航行、石油管道运输等领域有着惊人的应用前景，但由于微纳米产品单件生产成本高、周期长，制约了微纳米制造技术的大范围应用，高效、低成本的批量生产技术成为微纳米制造产业化的关键。目前，高效批量的精密微纳米结构制造方法主要有微热压成型法和微注塑成型法，其中微纳米热压技术相比较具有更高的精度和更高的效率，并且对设备的要求简单、操作方便，生产成本更加低廉，因此而得到广泛关注和应用。本文就基于聚合物微纳米制造提出热压成型机的研制思路，并应用PID控制技术，解决热压成型过程中的温度、时间、压力及脱模等问题。
1热压成型机工作原理
1.1微纳米制造热压成型法简介
微纳米制造热压成型法（hotembossing）的主要工艺过程分为热压准备、热压过程和脱模三个阶段。首先将聚合物基板放置在带有微结构表面的模具中，并予以加热使聚合物软化；达到一定温度后，模具对聚合物进行施压，在施压过程中要保持一定的压力，并维持一定的时间；最后对模具和聚合物一起冷却进行脱模，从而在聚合物基片上制造出所需的微结构（如图1所示）。
1.2基于聚合物的热压成型机设计思路
依据微纳米制造热压成型原理，本文设计开发了一款热压成形机，主要由压力机、模具体和真空脱模机构等三个部分组成（如图2所示），其总体工作原理设计如下：首先将待加工聚合物材料放置在下模板上面，当上下模板加热到设定温度时，控制系统发出脉冲信号，促使伺服电机正转，伺服电机通过同步齿形带驱动两根滚珠丝杆同时旋转，在滚珠丝杆副的作用下，主横梁带动上模板向下施压。热压模具的凸起部分与聚合物基片接触，产生较大的压应力，此时发生塑性变形。当模具的凸起部分逐步压入基片至表面全部接触，模具的凸起部由于上模板表面具用特殊的微结构，而下模板是光滑的平板，因此在分模时，聚合物材料会吸附在上模表面。为了保护好在聚合物材料表面上形成的微结构，采用真空吸附的方式是比较理想的脱模方式。当完成分模动作后，控制系统通过气缸将真空脱模机构送入到上下模板之间并开启真空泵，此时上模板下移至与真空吸盘接触位置，在真空的作用下，将聚合物材料吸附在真空盘上，而后上模板向上移动，完成脱模动作。
2热压成型机检测与控制系统设计
2.1控制系统整体设计及组成
热压成型过程中，主要控制的工艺参数包括温度、压力、位移和时间。压力的大小、温度的高低、位移的定位精度和时间的长短对批量制作聚合物表面微结构的质量和稳定具有十分重要的意义，因此实时恒温控制技术、恒力控制技术、精密的位移控制技术是本文研究的关键性技术。本机采用PID控制技术对整个加工过程进行精准、快速、有效的控制，控制系统由PLC、检测系统和伺服驱动等构成（如图3所示）。PLC是控制系统的核心，本机采用日本三菱公司的可编程控制器FX2N-32MT。检测系统包括了压力检测、温度检测、位移检测，温度检测采用插入式一体化温度变送器，压力检测采用广测高精度抗偏载轮辐式称重传感器YZC-219（1T），位移检测采用NOC-S5000-2MD编码器。伺服驱动由定位模块FX2N-1PG、伺服装置驱动器MR-J2S及交流伺服电机等组成，定位模块FX2N-1PG是三菱PLC功能模块之一，可单轴控制，针对定位控制的特点，该模块具有完善的控制参数设定，如定位目标跟踪、运行速度、爬行速度、加减速时间等。由于FX2N系列PLC不具备内置位置定位指令，我们可通过FROM/TO指令与扩展单元FX2N-1PG脉冲输出模块进行数据交换，向伺服放大器发送指定数量的脉冲串，从而完成对伺服电动机的精确定位控制，其最高波特率为100kHz。
2.2恒温、恒力和位置控制
图4所示为FX2N系列PLC的交流伺服控制系统接线图。温度传感器将采集到的模拟量温度信号通过FX2N-4AD-PT模块转换成数字信号，再输入到PLC中，PLC将其与设定值进行比对并进行运算，输出对应的理想数值，然后通过FX2N-2DA模块输出0～10V的模拟量电压，从而有效控制加热模块的输出电压值，达到实时恒温控制效果。恒力控制、精密的位移控制是本文研究的重点技术，恒力控制与精密的位移控制需要相互配合，实时计算才能达到理想的效果。压力传感器通过FX2N-2AD模块向FX2N-32MT输入压力信号，系统根据当前输的压力信号和设定值进行比对，若当前压力小于设定值，FX2N-32MT和FX2N-1PG通过的数据线进行数据通信，输给FX2N-1PG脉冲和旋转方向，从而FX2N-1PG定位模块向MR-J2S发出正向或反向位置脉冲信号，再由MR-J2S驱动交流伺服电机，实现通道转角的精确定位。伺服电机末端的光电编码器将电机轴的角位移和电机转速以脉冲的形式反馈至MR-J2S的CN2口，在MR-J2S中完成位置控制和速度控制，整个位置控制系统实际上是位置闭环的伺服系统。
2.3控制系统端口定义
本机FX2N系列PLC的交流伺服控制系统各端口定义如下：X0～X2为来自滚珠丝杆上的编码器信号；X6、X7为正负限位，接接近开关SQ0.0和SQ1.0的输入；X8为伺服准备好输入信号，来自MR-J2S伺服驱动RDY输出；X9为伺服报警输入，来自MR-J2S伺服报警ALM输出；X10为紧停开关输入；X11为伺服结束信号输入，来自MR-J2S伺服驱动INP输出；Y0为紧停输出；Y1伺服ON；Y2为复位输出；Y3、Y4为伺服正负限位输出；Y5为伺服停止输出。回参考点接近开关SQ2.0与定位模块FX2N-1PG的DOG相接，FX2N1PG的正向FP和反向RP脉冲输出口分别与MRJ2S的PP和NP口相接，其余连线按标准连接。
3结束语
根据热压成型机的设计，笔者试制了相应设备，经过试验证明模拟量实时温控系统、恒压控制和可编程控制器的伺服精确控制大大提高了热压成型机的精度，增强了系统的抗干扰能力。通过测试，达到了很好的效果。该项目的成果研制，使微纳米制造的批量化生产成为现实，并且生产成本相当低廉，具体一定的经济效益。但目前所设计的热压成型机仅针对平面的板材的加工，不能适应各个领域的应用需求，在此基础上，我们将开发第二代热压成型机，它将能完成各类异形结构的微纳米制造，其控制精度也将更高。
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作者：章振周 邱建忠 单位：温州技师学院
