一種基于聲壓力的自動化微加工裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型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化微加工裝置，利用聲壓力作為驅動源在薄層材料表面進行自動化微加工。
【背景技術】
[0002]近年來，微型化設備在生物、醫療、化學等科研領域以及人類的生活中得到了越來越廣泛的應用，人們對微型化設備的需求也越發強烈，層次不窮的微型化設備也正不斷地在改善人們的生活水平、推動科學技術的發展。隨著設備尺度的微型化，使得人們對微細加工技術也提出了更高的要求。比如:在分析化學、生化檢測領域，常需要在微流控芯片表面上刻畫微米甚至納米級的微流道或微細圖案；在國防工業及航空航天領域，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；在新能源制造領域，常需要在基片上刻畫特殊形狀的微型溝槽以加快反應的進行等。可見，是否能實現對微納尺度物體的加工成為了設備能否微型化的關鍵。
[0003]根據目前現有的專利顯示，微納加工技術主要有:1.數控機床微加工，像申請號為94.11.4,200910238941.8的專利分別提出數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。利用數控機床來實現圖像的刻畫與紋理微加工，這種加工的精度取決于機床零件的性能，高檔數控機床的結構十分復雜，價格也比較貴。2.化學蝕刻及鐳雕，像申請號為94115524.2,201310342463.1的專利分別提出了一種不銹鋼超微精細電化學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試劑對材料的腐蝕作用，對樣品和環境都會造成污染。3.激光微加工，像申請號為201110173580.0、201210090526.4的專利分別提出利用激光空化微射流裝配微細元件的方法及飛秒激光輔助超臨界流體進行高分子材料微加工方法。激光微加工具有高精度、高效率等優點，但其設備結構相當復雜，價格相當昂貴。
[0004]綜上所述，目前用于微加工的設備不是結構復雜、價格昂貴，就是對被加工材料和環境要求較高，無法滿足個性化定制及大規模的生產要求。此外，在上述的微加工方法中，只有傳統的數控機床具有較高的自動化能力，但其操作比較復雜，需要操作員具備一定的專業素養。可見，亟需開發一種工藝簡單且適應性強的自動化微納加工裝置。
【實用新型內容】
[0005]針對現有微加工設備結構復雜、價格昂貴、不易操作且難以實現自動化加工等缺點，本實用新型的目的是提供一種基于聲壓力的自動化微加工裝置，能夠在材料表面尤其是薄層材料進行自動化微加工。本實用新型裝置利用球諧函數作為驅動信號，使用球諧波合成的聲壓力作為驅動力來驅動微刀，通過自動化控制水平方向聲壓節點位置與垂直方向聲壓力大小實現微刀在水平方向及縱向進給方向的自動化運動。
[0006]本實用新型的技術方案如下:
[0007]本實用新型包括功率放大器、高速攝像機、圖像采集卡和工控機，功率放大器通過數據線與工控機相連接，高速攝像機通過數據線與圖像采集卡相連接，圖像采集卡通過PXI總線與工控機相連接；還包括加工模塊，加工模塊通過通訊口經數據線與功率放大器相連接；加工模塊包括驅動座、換能器、擱物臺和用于與換能器配合實現加工的微刀，驅動座中心盲孔的內邊緣沿圓周一圈間隔均布裝有換能器，換能器均向驅動座中心傾斜安裝，驅動座中心放置有用于放置加工工件的擱物臺。
[0008]所述的驅動座中心盲孔的內側壁間隔均布開有用于安裝換能器的安裝槽，安裝槽側壁的中間設有用于換能器背部開合嵌入的燕尾槽，燕尾槽兩側的安裝槽側壁設有驅動座電極片，驅動座電極片分為正負極；驅動座盲孔底部中心設有用于安裝擱物臺的擱物槽，擱物槽底部開有與擱物臺相配合定位的定位槽，驅動座外側壁設有通訊口，各個安裝槽的驅動座電極片經驅動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動座中心傾斜，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，卡板嵌入所述驅動座的燕尾槽中定位，卡板兩側的壓電片背部為壓電片電極，壓電片電極與驅動座電極片配合接觸，壓電片電極的正負極分別與壓電片的正負極相連接。
[0011]所述的擱物臺由剛性材料制成，擱物臺底部中心設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，且由剛性材料構成，微刀刀尖部內含有配重塊。
[0013]所述的壓電片所采用的驅動信號是球諧函數信號。
[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]本實用新型采用的擱物臺是用來放置被加工物體，整個聲場的操縱范圍與擱物臺相同。被加工物體的大小不應該超出擱物臺的大小，被加工物體可以放置在擱物臺的任意位置處。
[0017]本實用新型采用的高速攝像機是為了采集擱物臺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。同時便于用戶實時了解加工過程，達到整個加工過程動態監控的目的。
[0018]本實用新型采用了至少由6個換能器組成的驅動座，換能器前端面的中心軸與驅動座底面成a角度傾斜放置于驅動座上。采用傾斜放置有別于其它平放式陣列，使其可以實現在水平與縱向方向的運動。換能器采用球諧函數作為驅動信號，使其合成的聲場具有高單一性與強約束力，實現對微刀穩定的夾持。工控機會根據用戶定制的軌跡，自動計算應該加在每個換能器上的球諧函數參數，通過調整球諧函數的階數、相位信息可以實現聲壓節點的運動，從而使得俘獲在聲壓節點上微刀也隨之運動，通過調整球諧函數的幅值信息可以實現微刀在縱向上的進給運動。
[0019]本實用新型的工控機上自帶有顯示器，工控機可以對手繪在顯示器上的圖形或導入的圖形所包含的每一個像素的坐標值進行提出，根據該坐標值自動地計算驅動信號并下發給功率放大器，通過自動化控制水平方向聲壓節點位置與垂直方向聲壓力大小實現微刀在水平方向及縱向進給方向的自動化運動。
[0020]利用上述本實用新型裝置，在用戶自定義加工路徑之后，工控機會根據軌跡形狀依次載入每一個離散點所需要加在各個換能器上的球諧函數的階數、相位、幅值信息，工控機可以自動地控制微刀按照所繪制的圖形軌跡或導入的圖形軌跡精確的移動，同時在縱向方向上工控機會按照設置好的單次進給量與進給次數精確地控制總切削深度，從而實現微刀在水平方向及縱向進給方向的運動，實現自動化地控制微刀進行微加工。
[0021]與現有技術相比，本實用新型的優點在于:
[0022]1.本實用新型通過圖像像素坐標自動控制換能器上所加驅動信號，容易實現微刀的自動化加工，操作相當簡單。
[0023]2.本實用新型通過球波函數的合成實現微刀在水平及縱向方向的運動，控制精度高、加工速度快。
[0024]3.本實用新型裝置相當結構簡單，生產成本低。
[0025]4.本實用新型采用球波函數作為壓電片的驅動信號，具有更強的夾持力與進給力。
[0026]5.本實用新型采用的微刀結構相當簡單且其刀尖極細，可以實現微納米級別的加工。
[0027]6.本實用新型采用聲壓力實現對微刀的非接觸夾持，對微刀形狀沒有固定要求，不需要復雜的刀柄與夾持工具，微刀容易制造。
【附圖說明】
[0028]圖1是本實用新型的主體結構示意圖。
[0029]圖2是本實用新型加工模塊的結構示意圖。
[0030]圖3是本實用新型驅動座立體示意圖。
[0031]圖4是本實用新型驅動座俯視圖。
[0032]圖5是本實用新型驅動座的半剖示圖。
[0033]圖6是本實用新型換能器結構立體示意圖。
[0034]圖7是本實用新型換能器結構俯視圖。
[0035]圖8是本實用新型的擱物臺結構示意圖。
[0036]圖9是本實用新型的微刀形狀結構示意圖。
[0037]圖中:加工模塊1、功率放大器2、高速攝像機3、圖像采集卡4、工控機5、驅動座6、換能器7、擱物臺8、微刀9、安裝槽6-1、驅動座電極片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。
【具體實施方式】
[0038]下面結合附圖及具體實施例對本實用新型作進一步詳細說明。
[0039]如圖1所示，本實用新型包括功率放大器2、高速攝像機3、圖像采集卡4、工控機5和加工模塊1，功率放大器2通過數據線與工控機5相連接，高速攝像機3通過數據線與圖像采集卡4相連接，圖像采集卡4通過PXI總線與工控機5相連接；加工模塊I通過通訊口6-5經數據線與功率放大器2相連接；如圖2所示，加工模塊I包括驅動座6、換能器7、擱物臺8和用于與換能器7配合實現加工的微刀9，驅動座6中心盲孔的內邊緣沿圓周一圈間隔均布裝有換能器7，換能器7均向驅動座6中心傾斜安裝，驅動座6中心放置有用于放置加工工件的擱物臺8。
[0040]如圖3所示，驅動座6中心盲孔的內側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側壁的中間設有用于換能器7背部開合嵌入的燕尾槽6-3，燕尾槽6-3兩側的安裝槽6-1側壁設有驅動座電極片6-2，驅動座電極片6-2分為正負極；如圖4所示，驅動座6盲孔底部中心設有用于安裝擱物臺8的擱物槽6-4，擱物槽6-4底部開有與擱物臺8相配合定位的定位槽6-6，驅動座6外側壁設有通訊口 6-5，各個安裝槽6-1的驅動座電極片6-2經驅動座6管線連接到通訊口 6-5輸出。
[0041]如圖5所示，圓周一圈的安裝槽6-1均向驅動座6中心傾斜，以便實現對縱向進給力的控制，傾斜角度相同。即安裝槽6-1的側壁和底面呈直角并向向驅動座6中心整體傾斜，安裝槽6-1的底面與驅動座6的底面成一定傾斜角度。傾斜角度的大小與擱物臺8的直徑有關，需要保證在整個擱物臺8上都可以進行有效的操縱，直徑越大傾斜角度越小，傾斜角度優選的為15-45度。
[0042]所有換能器7的前端面中心軸相交于擱物臺8的上表面圓心，換能器7的前端面中心軸與驅動座6底面保持傾斜角度。當所有換能器發射出來的聲波相同時，其將聚焦于擱物臺8的上表面圓心。保持傾斜角度的目的是為了實現微刀的縱向進給。
[0043]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嵌入所述驅動座6的燕尾槽6-3中定位，卡板7-3兩側的壓電片7_1背部為壓電片電極7-2，壓電片電極7-2與驅動座電極片6-2配合接觸，壓電片電極7-2的