基于聲壓力的自動(dòng)化微加工裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及了一種微加工裝置，具體涉及了一種基于聲壓力的自動(dòng)化微加工裝置，利用聲壓力作為驅(qū)動(dòng)源在薄層材料表面進(jìn)行自動(dòng)化微加工。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，微型化設(shè)備在生物、醫(yī)療、化學(xué)等科研領(lǐng)域以及人類的生活中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，人們對(duì)微型化設(shè)備的需求也越發(fā)強(qiáng)烈，層次不窮的微型化設(shè)備也正不斷地在改善人們的生活水平、推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。隨著設(shè)備尺度的微型化，使得人們對(duì)微細(xì)加工技術(shù)也提出了更高的要求。比如:在分析化學(xué)、生化檢測領(lǐng)域，常需要在微流控芯片表面上刻畫微米甚至納米級(jí)的微流道或微細(xì)圖案；在國防工業(yè)及航空航天領(lǐng)域，常需要在單晶石英材料上刻畫特定溝槽以安裝微納傳感器；在金屬材料領(lǐng)域，常需要利用微加工的方法在金屬表面形成具有裝飾效果的圖案；在新能源制造領(lǐng)域，常需要在基片上刻畫特殊形狀的微型溝槽以加快反應(yīng)的進(jìn)行等?？梢?，是否能實(shí)現(xiàn)對(duì)微納尺度物體的加工成為了設(shè)備能否微型化的關(guān)鍵。
[0003]根據(jù)目前現(xiàn)有的專利顯示，微納加工技術(shù)主要有:1.數(shù)控機(jī)床微加工，像申請(qǐng)?zhí)枮?4.11.4,200910238941.8的專利分別提出數(shù)字控制刻畫圖像的方法及裝置和一種金屬表面紋路的微加工方法。利用數(shù)控機(jī)床來實(shí)現(xiàn)圖像的刻畫與紋理微加工，這種加工的精度取決于機(jī)床零件的性能，高檔數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，價(jià)格也比較貴。2.化學(xué)蝕刻及鐳雕，像申請(qǐng)?zhí)枮?4115524.2,201310342463.1的專利分別提出了一種不銹鋼超微精細(xì)電化學(xué)蝕刻方法及一種金屬工件的涂裝鐳雕刻蝕新工藝。此種方法通常是利用化學(xué)試劑對(duì)材料的腐蝕作用，對(duì)樣品和環(huán)境都會(huì)造成污染。3.激光微加工，像申請(qǐng)?zhí)枮?01110173580.0、201210090526.4的專利分別提出利用激光空化微射流裝配微細(xì)元件的方法及飛秒激光輔助超臨界流體進(jìn)行高分子材料微加工方法。激光微加工具有高精度、高效率等優(yōu)點(diǎn)，但其設(shè)備結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，價(jià)格相當(dāng)昂貴。
[0004]綜上所述，目前用于微加工的設(shè)備不是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，就是對(duì)被加工材料和環(huán)境要求較高，無法滿足個(gè)性化定制及大規(guī)模的生產(chǎn)要求。此外，在上述的微加工方法中，只有傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床具有較高的自動(dòng)化能力，但其操作比較復(fù)雜，需要操作員具備一定的專業(yè)素養(yǎng)?？梢?，亟需開發(fā)一種工藝簡單且適應(yīng)性強(qiáng)的自動(dòng)化微納加工裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有微加工設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、不易操作且難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工等缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種基于聲壓力的自動(dòng)化微加工裝置，能夠在材料表面尤其是薄層材料進(jìn)行自動(dòng)化微加工。本發(fā)明裝置利用球諧函數(shù)作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使用球諧波合成的聲壓力作為驅(qū)動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)微刀，通過自動(dòng)化控制水平方向聲壓節(jié)點(diǎn)位置與垂直方向聲壓力大小實(shí)現(xiàn)微刀在水平方向及縱向進(jìn)給方向的自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]本發(fā)明包括功率放大器、高速攝像機(jī)、圖像采集卡和工控機(jī)，功率放大器通過數(shù)據(jù)線與工控機(jī)相連接，高速攝像機(jī)通過數(shù)據(jù)線與圖像采集卡相連接，圖像采集卡通過PXI總線與工控機(jī)相連接；還包括加工模塊，加工模塊通過通訊口經(jīng)數(shù)據(jù)線與功率放大器相連接；加工模塊包括驅(qū)動(dòng)座、換能器、擱物臺(tái)和用于與換能器配合實(shí)現(xiàn)加工的微刀，驅(qū)動(dòng)座中心盲孔的內(nèi)邊緣沿圓周一圈間隔均布裝有換能器，換能器均向驅(qū)動(dòng)座中心傾斜安裝，驅(qū)動(dòng)座中心放置有用于放置加工工件的擱物臺(tái)。
[0008]所述的驅(qū)動(dòng)座中心盲孔的內(nèi)側(cè)壁間隔均布開有用于安裝換能器的安裝槽，安裝槽側(cè)壁的中間設(shè)有用于換能器背部開合嵌入的燕尾槽，燕尾槽兩側(cè)的安裝槽側(cè)壁設(shè)有驅(qū)動(dòng)座電極片，驅(qū)動(dòng)座電極片分為正負(fù)極；驅(qū)動(dòng)座盲孔底部中心設(shè)有用于安裝擱物臺(tái)的擱物槽，擱物槽底部開有與擱物臺(tái)相配合定位的定位槽，驅(qū)動(dòng)座外側(cè)壁設(shè)有通訊口，各個(gè)安裝槽的驅(qū)動(dòng)座電極片經(jīng)驅(qū)動(dòng)座管線連接到通訊口輸出。
[0009]所述的圓周一圈的安裝槽均向驅(qū)動(dòng)座中心傾斜，傾斜角度相同。
[0010]所述的換能器包括壓電片和安裝在壓電片背部中間的燕尾形卡板，卡板嵌入所述驅(qū)動(dòng)座的燕尾槽中定位，卡板兩側(cè)的壓電片背部為壓電片電極，壓電片電極與驅(qū)動(dòng)座電極片配合接觸，壓電片電極的正負(fù)極分別與壓電片的正負(fù)極相連接。
[0011]所述的擱物臺(tái)由剛性材料制成，擱物臺(tái)底部中心設(shè)有與所述定位槽配合的定位塊。
[0012]所述的微刀形狀為圓錐形或多邊形棱錐，且由剛性材料構(gòu)成，微刀刀尖部內(nèi)含有配重塊。
[0013]所述的壓電片所采用的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是球諧函數(shù)信號(hào)。
[0014]所述的壓電片為長寬不等的矩形壓電片。
[0015]所述的定位槽為矩形槽。
[0016]本發(fā)明采用的擱物臺(tái)是用來放置被加工物體，整個(gè)聲場的操縱范圍與擱物臺(tái)相同。被加工物體的大小不應(yīng)該超出擱物臺(tái)的大小，被加工物體可以放置在擱物臺(tái)的任意位置處。
[0017]本發(fā)明采用的高速攝像機(jī)是為了采集擱物臺(tái)上被加工物體的形狀及位置信息，通過該信息可以獲得被加工物體的輪廓及在擱物臺(tái)上所處的位置，以便用戶在被加工物體上繪制軌跡或圖像。同時(shí)便于用戶實(shí)時(shí)了解加工過程，達(dá)到整個(gè)加工過程動(dòng)態(tài)監(jiān)控的目的。
[0018]本發(fā)明采用了至少由6個(gè)換能器組成的驅(qū)動(dòng)座，換能器前端面的中心軸與驅(qū)動(dòng)座底面成a角度傾斜放置于驅(qū)動(dòng)座上。采用傾斜放置有別于其它平放式陣列，使其可以實(shí)現(xiàn)在水平與縱向方向的運(yùn)動(dòng)。換能器采用球諧函數(shù)作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使其合成的聲場具有高單一性與強(qiáng)約束力，實(shí)現(xiàn)對(duì)微刀穩(wěn)定的夾持。工控機(jī)會(huì)根據(jù)用戶定制的軌跡，自動(dòng)計(jì)算應(yīng)該加在每個(gè)換能器上的球諧函數(shù)參數(shù)，通過調(diào)整球諧函數(shù)的階數(shù)、相位信息可以實(shí)現(xiàn)聲壓節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，從而使得俘獲在聲壓節(jié)點(diǎn)上微刀也隨之運(yùn)動(dòng)，通過調(diào)整球諧函數(shù)的幅值信息可以實(shí)現(xiàn)微刀在縱向上的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
[0019]本發(fā)明的工控機(jī)上自帶有顯示器，工控機(jī)可以對(duì)手繪在顯示器上的圖形或?qū)氲膱D形所包含的每一個(gè)像素的坐標(biāo)值進(jìn)行提出，根據(jù)該坐標(biāo)值自動(dòng)地計(jì)算驅(qū)動(dòng)信號(hào)并下發(fā)給功率放大器，通過自動(dòng)化控制水平方向聲壓節(jié)點(diǎn)位置與垂直方向聲壓力大小實(shí)現(xiàn)微刀在水平方向及縱向進(jìn)給方向的自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)。
[0020]利用上述本發(fā)明裝置，在用戶自定義加工路徑之后，工控機(jī)會(huì)根據(jù)軌跡形狀依次載入每一個(gè)離散點(diǎn)所需要加在各個(gè)換能器上的球諧函數(shù)的階數(shù)、相位、幅值信息，工控機(jī)可以自動(dòng)地控制微刀按照所繪制的圖形軌跡或?qū)氲膱D形軌跡精確的移動(dòng)，同時(shí)在縱向方向上工控機(jī)會(huì)按照設(shè)置好的單次進(jìn)給量與進(jìn)給次數(shù)精確地控制總切削深度，從而實(shí)現(xiàn)微刀在水平方向及縱向進(jìn)給方向的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化地控制微刀進(jìn)行微加工。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0022]1.本發(fā)明通過圖像像素坐標(biāo)自動(dòng)控制換能器上所加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，容易實(shí)現(xiàn)微刀的自動(dòng)化加工，操作相當(dāng)簡單。
[0023]2.本發(fā)明通過球波函數(shù)的合成實(shí)現(xiàn)微刀在水平及縱向方向的運(yùn)動(dòng)，控制精度高、加工速度快。
[0024]3.本發(fā)明裝置相當(dāng)結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低。
[0025]4.本發(fā)明采用球波函數(shù)作為壓電片的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，具有更強(qiáng)的夾持力與進(jìn)給力。
[0026]5.本發(fā)明采用的微刀結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡單且其刀尖極細(xì)，可以實(shí)現(xiàn)微納米級(jí)別的加工。
[0027]6.本發(fā)明采用聲壓力實(shí)現(xiàn)對(duì)微刀的非接觸夾持，對(duì)微刀形狀沒有固定要求，不需要復(fù)雜的刀柄與夾持工具，微刀容易制造。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖2是本發(fā)明加工模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖3是本發(fā)明驅(qū)動(dòng)座立體示意圖。
[0031]圖4是本發(fā)明驅(qū)動(dòng)座俯視圖。
[0032]圖5是本發(fā)明驅(qū)動(dòng)座的半剖示圖。
[0033]圖6是本發(fā)明換能器結(jié)構(gòu)立體示意圖。
[0034]圖7是本發(fā)明換能器結(jié)構(gòu)俯視圖。
[0035]圖8是本發(fā)明的擱物臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖9是本發(fā)明的微刀形狀結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]圖中:加工模塊1、功率放大器2、高速攝像機(jī)3、圖像采集卡4、工控機(jī)5、驅(qū)動(dòng)座6、換能器7、擱物臺(tái)8、微刀9、安裝槽6-1、驅(qū)動(dòng)座電極片6-2、燕尾槽6-3、擱物槽6_4、通訊口6-5、定位槽6-6、壓電片7-1、壓電片電極7-2、卡板7-3、定位塊8_1。
[0038]具體實(shí)施
[0039]下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0040]如圖1所示，本發(fā)明包括功率放大器2、高速攝像機(jī)3、圖像采集卡4、工控機(jī)5和加工模塊1，功率放大器2通過數(shù)據(jù)線與工控機(jī)5相連接，高速攝像機(jī)3通過數(shù)據(jù)線與圖像采集卡4相連接，圖像采集卡4通過PXI總線與工控機(jī)5相連接；加工模塊I通過通訊口 6-5經(jīng)數(shù)據(jù)線與功率放大器2相連接；如圖2所示，加工模塊I包括驅(qū)動(dòng)座6、換能器7、擱物臺(tái)8和用于與換能器7配合實(shí)現(xiàn)加工的微刀9，驅(qū)動(dòng)座6中心盲孔的內(nèi)邊緣沿圓周一圈間隔均布裝有換能器7，換能器7均向驅(qū)動(dòng)座6中心傾斜安裝，驅(qū)動(dòng)座6中心放置有用于放置加工工件的擱物臺(tái)8。
[0041]如圖3所示，驅(qū)動(dòng)座6中心盲孔的內(nèi)側(cè)壁間隔均布開有用于安裝換能器7的安裝槽6-1，安裝槽6-1側(cè)壁的中間設(shè)有用于換能器7背部開合嵌入的燕尾槽6-3，燕尾槽6-3兩側(cè)的安裝槽6-1側(cè)壁設(shè)有驅(qū)動(dòng)座電極片6-2，驅(qū)動(dòng)座電極片6-2分為正負(fù)極；如圖4所示，驅(qū)動(dòng)座6盲孔底部中心設(shè)有用于安裝擱物臺(tái)8的擱物槽6-4，擱物槽6-4底部開有與擱物臺(tái)8相配合定位的定位槽6-6，驅(qū)動(dòng)座6外側(cè)壁設(shè)有通訊口 6-5，各個(gè)安裝槽6-1的驅(qū)動(dòng)座電極片6-2經(jīng)驅(qū)動(dòng)座6管線連接到通訊口 6-5輸出。
[0042]如圖5所示，圓周一圈的安裝槽6-1均向驅(qū)動(dòng)座6中心傾斜，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)縱向進(jìn)給力的控制，傾斜角度相同。即安裝槽6-1的側(cè)壁和底面呈直角并向向驅(qū)動(dòng)座6中心整體傾斜，安裝槽6-1的底面與驅(qū)動(dòng)座6的底面成一定傾斜角度。傾斜角度的大小與擱物臺(tái)8的直徑有關(guān)，需要保證在整個(gè)擱物臺(tái)8上都可以進(jìn)行有效的操縱，直徑越大傾斜角度越小，傾斜角度優(yōu)選的為15-45度。
[0043]所有換能器7的前端面中心軸相交于擱物臺(tái)8的上表面圓心，換能器7的前端面中心軸與驅(qū)動(dòng)座6底面保持傾斜角度。當(dāng)所有換能器發(fā)射出來的聲波相同時(shí)，其將聚焦于擱物臺(tái)8的上表面圓心。保持傾斜角度的目的是為了實(shí)現(xiàn)微刀的縱向進(jìn)給。
[0044]如圖6和圖7所示，換能器7包括壓電片7-1和安裝在壓電片7_1背部中間的燕尾形卡板7-3，卡板7-3嵌入所述驅(qū)動(dòng)座6的燕尾槽6-3中定位，卡板7-3兩側(cè)的壓電片7_1背部為壓電片電極7-2，壓電片電極7-2與驅(qū)動(dòng)座電極片6-2配合接觸，壓電片電極7-2的正負(fù)極分別與壓電片7-1的正負(fù)極相連接