CN111545836A - 一种多频耦合跨尺度分级微纳结构创成装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种跨尺度分级微结构创成装置，属于微/纳结构超精密制造领域。后盖板、法兰盘、压电陶瓷片和一体式变幅杆柔性运动机构通过螺杆和螺母串联连接，两个矩形加强块分别通过紧固螺钉与一体式变幅杆柔性运动机构前端固接，通过控制两个压电叠堆驱动器驱动一体式变幅杆柔性运动机构柔性部分动作形成刀尖处的微幅振动，金刚石刀具安装在一体式变幅杆柔性运动机构装刀位置用于加工。本发明结构新颖且简单，易于制造，柔性运动部分质量小，易于实现高频输出；配合超精密机床伺服运动，可一次高效、高质、柔性的创成跨尺度分级微纳结构表面，通过对输入信号的控制，实现不同切削轨迹的调控，有效提高面对不同跨尺度分级微纳结构表面的加工柔性。
Description
技术领域
本发明涉及一种多频耦合跨尺度分级微纳结构创成装置，属于微/纳结构超精密制造领域。
背景技术
近年来，功能表面和界面科学的飞速发展使得微纳结构表面在不同领域得到越来越广泛的应用，例如微结构功能表面在减阻、减摩、提高成像质量、自清洁等方面的应用。这些微纳结构功能表面往往介于微纳米量级，具多为层级结构，复杂跨尺度的形状特征对其精密柔性制造提出了严格的要求，尤其面向难加工材料的复杂微纳结构功能表面，更是对现行的制造方法提出了严峻的考验。
当前用于微纳结构功能表面制造的方法主要包括两种：一种是以3D打印增材制造为代表的材料堆积法，其往往依赖于昂贵的设备和严格的工艺条件，使得生产成本较高；另一种是材料去除法，即利用某种能量把工件初始表面一些多余材料去除从而留下特定目标微结构的方法，如聚焦离子束加工、电子束加工、激光加工、纳米压印等。聚焦离子束、电子束和激光加工均依赖于昂贵的设备，制造成本高；而纳米压印只能提供单步压印，对于依赖于套刻技术以实现复杂结构创成方面比较受限，同时压膜板制作成本很高。与上述加工方法相比，机械微纳加工技术在加工精度、加工效率和加工成本方面具有较大的优势，在跨尺度复杂微纳结构创成方面具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明提供一种多频耦合跨尺度分级微纳结构创成装置，采用超声谐振和非谐振耦合原理，配合超精密机床运动轴的协调动作，实现跨尺度复杂微纳结构表面的直接创成。
本发明采取的技术方案是：
一种多频耦合跨尺度分级微纳结构创成装置，包括后盖板、法兰盘、压电陶瓷片、一体式变幅杆柔性运动机构、压电叠堆驱动器、矩形加强块和金刚石刀具，所述后盖板、法兰盘、压电陶瓷片和一体式变幅杆柔性运动机构通过中间预设的通孔利用螺杆和螺母进行串联预紧固接，所述法兰盘用于装置与机床的连接固定。
所述一体式变幅杆柔性运动机构为线切割一次加工成形，一体式变幅杆柔性运动机构中间变幅杆小矩形端左、右两侧均设有两个螺纹孔，中间位置沿中心沉头孔上下对称设有两个沉头通孔，而一体式变幅杆柔性运动机构前端柔性运动部分两支撑臂左右两侧均设有两个螺纹孔。
所述一体式变幅杆柔性运动机构变幅杆部分大矩形端和小矩形端之间利用圆弧面过渡，一体式变幅杆柔性运动机构前端柔性运动部分采用对称并联的设计，利用左右对称的三个直板形柔性铰链以及椭圆形柔性铰链进行导向，柔性运动部分左右设有两个对称的举行槽并沿支撑臂长度方向变幅杆小矩形端打通孔，利用螺杆依次穿过一体式变幅杆柔性运动机构中间的两个沉头通孔、压电叠堆驱动器中间孔和柔性运动部分矩形槽孔，于矩形槽中用螺母进行紧固连接。
所述一体式变幅杆柔性运动机构柔性运动部分前端设计有装刀基座，用于金刚石刀具的安装。
所述两个矩形加强块，沿支撑臂长度方向设计有两个沉头通孔，利用螺钉和一体式变幅杆柔性运动机构中间变幅杆小矩形端左、右两侧的两个螺纹孔配合连接并固紧。沿支撑臂螺纹孔深度方向上下对称设计有四个沉头通孔，利用螺钉和两个支撑臂的螺纹孔配合连接并固紧，用于增强一体式变幅杆柔性运动机构柔性运动部分的刚度，中间设计有一个矩形槽，用于压电叠堆驱动器供电线的导入。
所述多频耦合跨尺度分级微纳结构创成装置，可以通过对一体式变幅杆柔性运动机构柔性运动部分两个压电叠堆驱动器施加带有相位差的同频激励信号可以得到刀尖微米或亚微米级低频直线振动或椭圆振动，且其工作频率可调。通过对装置后侧压电陶瓷片施加特定频率的信号激励结构产生纵向谐振，实现刀尖处的纳米级微幅高频振动。通过对控制信号主动调控实现刀尖振动高低频耦合的主动调制。
所述多频耦合跨尺度分级微纳结构创成装置，可以利用超精密机床的慢伺服功能，结合装置自身高低频耦合的特点，可以实现三级频率的耦合调制，通过控制参与加工的辅助振动场并配合机床各运动轴的协调动作，可以实现不同层级跨尺度复杂微纳结构的直接创成。
本发明的优点是结构简单且新颖，易于制造和实现，基于悬臂梁式超声纵振和柔性运动机构非谐振原理，集成并实现高、低频耦合主动调制，结合机床的慢伺服功能，实现三级频率的耦合调制，配合机床各运动轴的协调动作，易于实现不同层级跨尺度复杂微纳结构的直接创成。
附图说明
图1为本发明装置整体结构示意图。
图2为本发明装置整体结构***图。
图3为本发明装置一体式变幅杆柔性运动机构示意图。
图4为本发明装置矩形加强块示意图。
图5为本发明装置实施例加工原理和刀具运动轨迹示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
如图1和2所示，一种多频耦合跨尺度分级微纳结构创成装置，主要包括后盖板1、法兰盘2、压电陶瓷片3、一体式变幅杆柔性运动机构4、矩形加强块5、金刚石刀具6和压电叠堆驱动器7，所述后盖板1、法兰盘2、压电陶瓷片3和一体式变幅杆柔性运动机构4通过中间预设的通孔410等利用螺杆9和对应螺母进行串联预紧固接，所述法兰盘2用于装置与机床的连接固定。
本发明所述一体式变幅杆柔性运动机构4为线切割一次加工成形，其特征如图3所示，一体式变幅杆柔性运动机构4中间变幅杆小矩形端左、右两侧对称设有两个相同的螺纹孔408，中间位置沿中心沉头孔410上下对称设有两个沉头通孔409，而一体式变幅杆柔性运动机构前端柔性运动部分两支撑臂402左右两侧均设有两个螺纹孔403。
本发明所述一体式变幅杆柔性运动机构变幅杆部分大矩形端和小矩形端之间利用圆弧面401过渡，一体式变幅杆柔性运动机构前端柔性运动部分采用对称并联的设计，利用左右对称的三个直板形柔性铰链404以及椭圆形柔性铰链406进行导向，柔性运动部分左右设有两个对称的矩形槽405并沿支撑臂长度方向变幅杆小矩形端打通孔，利用螺杆8依次穿过一体式变幅杆柔性运动机构中间的两个沉头通孔409、压电叠堆驱动器中间孔和柔性运动部分矩形槽孔，于矩形槽405中用螺母进行紧固连接。
本发明所述一体式变幅杆柔性运动机构柔性运动部分前端407设计有装刀基座，用于金刚石刀具的安装。
本发明所述两个矩形加强块5，其特征如图4所示，沿支撑臂长度方向设计有两个沉头通孔503，利用螺钉11和一体式变幅杆柔性运动机构中间变幅杆小矩形端左、右两侧的两个螺纹孔408配合连接并固紧。沿支撑臂螺纹孔深度方向上下对称设计有四个沉头通孔501，利用螺钉和两个支撑臂的螺纹孔403配合连接并固紧，用于增强一体式变幅杆柔性运动机构柔性运动部分的刚度，中间设计有一个矩形槽502，用于压电叠堆驱动器供电线的导入。
本发明所述多频耦合跨尺度分级微纳结构创成装置，可以通过对一体式变幅杆柔性运动机构柔性运动部分两个压电叠堆驱动器7施加带有相位差的同频激励信号可以得到刀尖微米或亚微米级低频直线振动或椭圆振动，且其工作频率可调。通过对装置后侧压电陶瓷片3施加特定频率的信号激励结构产生纵向谐振，实现刀尖处的纳米级微幅高频振动。通过对控制信号主动调控实现刀尖振动高低频耦合的主动调制。
本发明所述多频耦合跨尺度分级微纳结构创成装置，可以利用超精密机床的慢伺服功能，结合装置自身高低频耦合的特点，可以实现三级频率的耦合调制，通过控制参与加工的辅助振动场并配合机床各运动轴的协调动作，可以实现不同层级跨尺度复杂微纳结构的直接创成。
本发明通过两个平行压电叠堆驱动器7驱动一体式变幅杆柔性运动机构柔性运动部分动作，使得金刚石刀具产生高频的椭圆运动，两压电叠堆驱动器的输入信号如下：
其中 A1、A2为压电叠堆驱动器输入信号的幅值，w 为压电叠堆驱动器输入信号的角频率，𝜑1、𝜑2为压电叠堆驱动器输入信号的相位角。
当两输入信号的幅值相等、角频率相等时，如果𝜑1、𝜑2不相等，则刀尖处合成为椭圆运动轨迹，如果𝜑1、𝜑2相等，则刀尖处形成为类似快刀伺服的单向振动。
为了更清晰的对本发明进行描述，优选实施例并结合图5进行说明，具体如下：多频耦合跨尺度分级微纳结构创成装置安装在超精密机床导轨上，金刚石刀具安装在多频耦合跨尺度分级微纳结构创成装置上沿切削方向进行切削，利用机床的慢伺服功能实现刀具轨迹的宏观谐波振动，用于对毫米或亚毫米级一级轮廓的创成，利用一体式变幅杆柔性运动机构柔性运动部分实现微米或亚微米级的椭圆运动轨迹以实现二级轮廓的创成，利用对装置后侧压电陶瓷片3施加特定频率的信号激励结构产生纵向谐振来实现纳米级的三级轮廓的创成。
显然，本发明的上述具体实施例仅仅是为清楚的说明本发明的基本思想和实施方式所作的举例；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (5)
1.一种多频耦合跨尺度分级微纳结构创成装置，其特征在于：后盖板、法兰盘、压电陶瓷片和一体式变幅杆柔性运动机构通过螺杆和螺母串联连接，两个矩形加强块分别通过紧固螺钉与一体式变幅杆柔性运动机构前端固接，以提高柔性运动部分的刚性，两个平行方式配置的带有中心孔的相同压电叠堆驱动器通过螺杆和螺母与一体式变幅杆柔性运动机构装配并预紧，所述的一种多频耦合跨尺度分级微纳结构创成装置，利用超声谐振和非谐振耦合原理，通过配合超精密机床的慢伺服运动，实现多频耦合动作，金刚石刀具安装在一体式变幅杆柔性运动机构装刀位置用于加工。
2.根据权利要求1所述的一种多频耦合跨尺度分级微纳结构创成装置，其特征在于：后盖板、法兰盘、压电陶瓷片和一体式变幅杆柔性运动机构通过螺杆螺母装配并预紧，一体式变幅杆柔性运动机构变幅杆部分大矩形端和小矩形端之间利用圆弧面过渡，基于悬臂梁式超声纵振原理实现刀尖处的纳米级微幅高频振动。
3.根据权利要求1所述的一种多频耦合跨尺度分级微纳结构创成装置，其特征在于：一体式变幅杆柔性运动机构通过线切割一次加工成形，一体式变幅杆柔性运动机构分别与两个平行方式配置的带有中心孔的相同压电叠堆驱动器通过螺杆螺母装配并预紧，利用直板形柔性铰链和椭圆形柔性铰链作为导向机构，两个压电叠堆驱动器与一体式变幅杆柔性运动机构并联配置，通过给两个压电叠堆驱动器施加带有相位差的同频激励信号可以得到微米或亚微米级低频直线振动或椭圆振动。
4.根据权利要求1所述的一种多频耦合跨尺度分级微纳结构创成装置，其特征在于：两个相同的矩形加强块分别通过两个螺钉和一体式变幅杆柔性运动机构中间变幅杆小矩形端进行固接，分别利用四个螺钉与一体式变幅杆柔性运动机构前端柔性运动部分两支撑臂进行固接，以提高一体式变幅杆柔性运动机构前端的刚性，所述两个矩形加强块中间矩形槽用于两个压电叠堆驱动器信号连接线的导入。
5.根据权利要求1所述的一种多频耦合跨尺度分级微纳结构创成装置，其特征在于：该装置利用超声谐振和非谐振耦合原理，通过配合超精密机床的慢伺服运动，实现多频耦合运动，通过对机床导轨、一体式变幅杆柔性运动机构柔性运动部分输入信号和超声部分输入信号的主动调控实现刀尖振动形式的调制，配合机床各运动轴的协调动作实现不同尺度、不同层级的微纳结构表面的创成，通过控制参与加工的驱动方式以及工艺参数，可以实现在平面或自由曲面上高效创成跨尺度分级微结构。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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