阅读说明：本技术 时序控制表面微结构阵列加工装置与方法 (Timing control surface micro-structure array processing unit (plant) and method ) 是由 黄虎 李轩 王馗沣 杨智鑫 孙午向 徐智 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种时序控制表面微结构阵列加工装置与方法,加工装置包括基础支撑单元、z轴调整单元、试件精密定位单元以及加工主运动产生单元。z轴调整单元和试件精密定位单元安装在基础支撑单元上,加工主运动产生单元安装在z轴调整单元上,试件通过熔融石蜡粘附到试件精密定位单元的导轨滑块组件上。该表面微结构阵列加工方法：通过控制加工主运动产生单元、x轴、y轴精密定位单元压电叠堆间的驱动电压时序,实现工具头与试件的时序接触与分离,在试件表面形成可控表面微结构阵列。优点在于：利用时序控制方法,加工微结构形状、大小、间距可方便控制,加工过程简单、高效,在调控材料表面光学、摩擦学、润湿性等功能方面具有潜在应用前景。(The present invention relates to a kind of timing control surface micro-structure array processing unit (plant) and method, processing unit (plant) includes that base support unit, z-axis adjustment unit, test specimen accurate positioning unit and processing main motion generate unit.Z-axis adjustment unit and test specimen accurate positioning unit are mounted on base support unit, and processing main motion generates unit and is mounted on z-axis adjustment unit, and test specimen is adhered on the guide rail slide block component of test specimen accurate positioning unit by melt paraffin.The surface micro-structure array processing method: the driving voltage timing between unit, x-axis, y-axis accurate positioning unit piezoelectric stack is generated by control processing main motion, implementation tool head is contacted and is separated with the timing of test specimen, forms controlled surface micro structure array in surface of test piece.Advantage is: utilizing sequential control method, processing micro structure shape, size, spacing can facilitate control, and process is simple, efficient, has potential application foreground in terms of the functions such as controlled material surface optical, tribology, wetability.)

时序控制表面微结构阵列加工装置与方法

技术领域

本发明涉及一种时序控制表面微结构阵列加工装置与方法，可用于材料表面微结构阵列加工，以调控材料表面的光学、摩擦学、润湿性等特性，增强其在光学、光电子、生物医学、机械、微流控等领域的功能应用。

背景技术

表面微结构阵列(如微凹坑、锥形阵列、微沟槽、微柱阵列等)对于调控材料表面的光学、摩擦学、润湿性等特性具有重要作用，在航空航天、微纳流控技术、太阳能电池、表面增强拉曼光谱学、生物医学等领域有着广泛的应用。如何在不同材料的表面上加工出特定的微结构阵列来满足在相关领域的应用也引起了学者们的关注。目前为止，学者们也提出了许多不同的加工方法，《AIP Advanced》在2017年第7卷035110(High-resolutionnanopatterning of biodegradable polylactide by thermal nanoimprintlithography using gas permeable mold)提到了一种纳米压印的方法，这种方法是将热塑性高分子胶旋涂到基质上形成一层薄膜，之后在其上覆盖用电子束光刻系统制作好的模板并持续加热直高分子材料软化，然后加压，保持温度和压强稳定一段时间后降温降压，脱模后进行后续处理去除残余层，即可得到与模板相反的形状。这种方法在对功能性材料的直接加工方面有显著的优势，然而这种方法需要实施前辅助过程来制造模板和后辅助过程来去除残余层，导致了其加工过程复杂、效率较低成本较高。《Accounts of ChemicalResearch》于2016年在第49卷2596-2604页(Confined Chemical Etching forElectrochemical Machining with Nanoscale Accuracy)提出了一种电化学加工的方法，该方法利用在工具电极表面形成的有限刻蚀层接近材料表面来实现化学腐蚀，进而在材料表面加工特定形状的微结构。这种方法不仅可以加工表面微结构阵列，还可以对材料表面进行抛光及平整化，然而其缺点在于加工过程复杂且成本较高，而且仅对可化学腐蚀的材料起作用。《Journal of Materials Processing Technology》于2017年在第248卷236-248页(AFM tip-based mechanical nanomachining of 3D micro and nano-structures viathe control of the scratching trajectory)提出了一种利用原子力显微镜来加工微结构的方法，该方法是将金刚石工具头安装在原子力显微镜上的悬臂梁上并作为切削工具对试件表面进行机械刻蚀，结合现有的精密定位平台，通过控制加工轨迹以及探针压入试件表面时的正压力来得到具有特定形状和深度的微结构。这种方法虽然可以加工三维表面微结构，但是由于采用的是刻划模式，工具头磨损严重，仅仅适合软质材料表面较浅深度的微结构加工。此外，由于需要使用原子力显微镜，加工成本高，限制了其广泛应用。综上，可以看出，进一步发展新的微结构阵列加工装置与方法，对于推动微结构表面的功能应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种时序控制表面微结构阵列加工装置与方法，解决了现有技术存在的上述问题，可以实现对微凹坑、锥形等微结构阵列的精密、高效、低成本加工，在航空航天、海洋船舶、纳米技术、生物医学、精密超精密加工等领域具有潜在的应用前景。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

时序控制表面微结构阵列加工装置，包括z轴调整单元9、加工主运动产生单元、试件精密定位单元、基础支撑单元。所述的基础支撑单元由底座a1和龙门立柱2组成，z轴调整单元9是一个手动粗调整位移平台，z轴调整单元9安装在龙门立柱2上，试件精密定位单元安装在底座a1上，加工主运动产生单元安装在z轴调整单元9上，试件5通过熔融石蜡粘结到试件精密定位单元的导轨滑块组件a14上。

所述的加工主运动产生单元包括桥式柔性铰链机构8、压电叠堆a7、楔形块组合a6、力传感器10、工具头安装柱11、预紧螺钉a12、工具头13。其中力传感器10用来检测工具头13与试件5表面是否接触，压电叠堆a7安装在桥式柔性铰链8的方槽内并通过楔形块组合a6实现预紧，桥式柔性铰链机构8对压电叠堆a7的输出进行放大，进而产生加工主运动。

所述的试件精密定位单元是一种新型二自由度粘滑惯性式压电驱动器，包括x轴精密定位单元4、y轴精密定位单元3。x轴精密定位单元4由杠杆式柔性铰链机构a20、压电叠堆b19、楔形块组合b17、导轨滑块组件a14、底座b15组成。其中杠杆式柔性铰链机构a20通过预紧螺钉c18安装在底座b15上，压电叠堆b19安装在杠杆式柔性铰链机构a20的方槽中，并通过楔形块组合b17进行预紧。y轴精密定位单元3由杠杆式柔性铰链机构b27、压电叠堆c26、楔形块组合c24、导轨滑块组件b21、底座c22组成，其中杠杆式柔性铰链机构b27通过预紧螺钉d25安装在底座c22上，压电叠堆c26安装在杠杆式柔性铰链机构b27的方槽中，并通过楔形块组合c24进行预紧。x轴精密定位单元4的底座b15通过预紧螺钉b16安装在y轴精密定位单元3的导轨滑块组件b21上，y轴精密定位单元3通过底座c22上的安装孔23配合螺钉安装在基础支撑单元的底座a2上，通过对x轴精密定位单元4和y轴精密定位单元3的堆叠式的布置方式，可以实现在x轴和y轴上互不干扰的运动。试件通过熔融石蜡粘附在x轴精密定位单元的导轨滑块组件a14上，通过对x轴精密定位单元4、y轴精密定位单元3上的压电叠堆b19、压电叠堆c26施加驱动电压并控制电压幅值和频率，可以实现试件在x轴、y轴的精密定位。

本发明的另一目的在于提供一种时序控制表面微结构阵列加工方法，包括以下步骤：

a)将准备好的试件5利用熔融石蜡将试件粘附在x轴精密定位单元4的导轨滑块组件a14上，安装过程尽量让试件5保持平整；

b)给x轴精密定位单元4以及y轴精密定位单元3内的压电叠堆施加驱动电压，通过控制电压幅值和频率，使得试件5上要加工的第一个微结构的中心点定位在工具头的正下方，即此时的位置为x轴精密定位单元4和y轴精密定位单元3的初始位置，然后停止x轴精密定位单元4以及y轴精密定位单元3；

c)调整z轴调整单元9靠近试件5表面，利用力传感器10的示数来判断工具头13与试件5的接触，当示数有变化时说明工具头13与试件5已经接触，此时反向调整z轴调整单元9使工具头13离开试件5表面一定距离(1μm至5μm)；

d)如图6所示控制电压时序，首先给加工主运动产生单元内的压电叠堆a7施加锯齿波形驱动电压，开始加工第一个微结构。因为工具头13和试件5之间存在一定的距离，故0到t1时间，加工主运动产生单元的输出主要来补偿这一距离，试件5和工具头13并未接触，力传感器10的输出信号是零。t1时刻，试件5和工具头13之间发生接触，力传感器10开始有信号输出。t1到t2时刻，工具头13开始压入试件5表面，力传感器10的输出信号逐渐增大。t2时刻，压电叠堆a7的输出位移达到最大，工具头13压入试件5表面最深，同时力传感器10的输出信号达到最大。t2到t3时刻，压电叠堆a7逐渐回复初始状态，工具头13逐渐离开试件5。t3时刻压电叠堆a7回复到初始状态，工具头13回到初始位置，第一个微结构加工完成；

e)t3到t4时刻，给x轴精密定位单元4的压电叠堆b19施加锯齿波形驱动电压，使得试件5沿x轴正向移动一段距离Lx(大于上一个微结构的尺寸)，到t4时刻，下一个微结构的中心点定位到工具头13正下方；

f)t4到t5时刻，连续重复步骤d)、e)直至完成沿x轴第一条单线上的微结构阵列的加工；

g)t5时刻，加工完沿x轴第一条单线上的最后一个微结构，停止加工主运动产生单元。t5到t6时刻，给x轴精密定位单元4、y轴精密定位单元3上的压电叠堆施加锯齿波形驱动电压，通过控制两个压电叠堆所受电压的幅值与频率，使得x轴精密定位单元4回到步骤b)所述的初始位置，y轴精密定位单元3相对初始位置正向移动距离Ly(大于上一个微结构的尺寸)，到t6时刻，试件上下一条阵列线上的第一个微结构的中心处在工具头13的正下方；

h)连续重复步骤d)、e)、f)、g)直至加工完最后一个微结构，待工具头13回到初始位置，断开所有压电叠堆上的驱动电压。

本发明的有益效果在于：通过本发明提供的时序控制表面微结构阵列加工装置与方法，可以实现试件在x、y轴的精密定位，在z轴配置不同尖端形状的金刚石工具头可以实现微凹坑阵列、微锥形阵列的精密、高效、低成本加工。通过控制x轴精密定位单元4、y轴精密定位单元3中压电叠堆b19、压电叠堆c26的驱动电压和频率，可方便地改变微结构的间距；通过改变加工主运动产生单元中压电叠堆a7的控制电压和频率，可改变微结构的深度；通过控制三个叠堆上的驱动电压时序，可得到不同形状和深度的微结构阵列来满足不同领域的应用需求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的时序控制表面微结构阵列加工装置的整体结构示意图；

图2为本发明的试件精密定位单元结构示意图；

图3为本发明的y轴精密定位单元结构示意图；

图4为本发明的加工主运动产生单元结构示意图；

图5为本发明的时序控制表面微结构阵列加工装置实现加工材料表面压痕阵列微结构的原理图；

图6为本发明的压电叠堆a7、压电叠堆b19、压电叠堆c26的驱动电压时序控制图；

图中：1、底座a；2、龙门立柱；3、y轴精密定位单元；4、x轴精密定位单元；5、试件；6、楔形块组合a；7、压电叠堆a；8、桥式柔性铰链机构；9、z轴调整单元；10、力传感器；11、工具头安装柱；12、预紧螺钉a；13、工具头；14、导轨滑块组件a；15、底座b；16、预紧螺钉b；17、楔形块组合b；18、预紧螺钉c；19、压电叠堆b；20、杠杆式柔性铰链机构a；21、导轨滑块组件b；22、底座c；23、安装孔；24、楔形块组合c；25；预紧螺钉d；26、压电叠堆c；27、杠杆式柔性铰链机构b。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图4所示，本发明中的时序控制表面微结构阵列加工装置与方法，包括z轴调整单元9、加工主运动产生单元、试件精密定位单元、基础支撑单元。所述的基础支撑单元包括底座a1和龙门立柱2，二者均采用45钢材料加工，保证了总体的刚度。z轴调整单元9安装在龙门立柱2上，试件精密定位单元安装在底座a1上，加工主运动产生单元安装在z轴调整单元9上，试件5通过熔融石蜡粘结到试件精密定位单元的导轨滑块组件a14上。

所述的试件精密定位单元是一种新型二自由度粘滑惯性式压电驱动器，包括x轴精密定位单元4、y轴精密定位单元3，二者具有相同的结构和驱动方式，结构特点都是通过杠杆式柔性铰链机构来放大压电叠堆的输出位移并传递到导轨滑块组件上。将x轴精密定位单元4和y轴精密定位单元3呈堆叠式放置，可以实现在x轴和y轴上互不干扰的运动。x轴精密定位单元4由杠杆式柔性铰链机构a20、压电叠堆b19、楔形块组合b17、导轨滑块组件a14、底座b15组成。其中杠杆式柔性铰链机构a20通过预紧螺钉c18安装在底座b15上，压电叠堆b19安装在杠杆式柔性铰链机构a20的方槽中，并通过楔形块组合b17进行预紧。y轴精密定位单元由杠杆式柔性铰链机构b27、压电叠堆c26、楔形块组合c24、导轨滑块组件b21、底座c22组成，其中杠杆式柔性铰链机构b27通过预紧螺钉d25安装在底座c22上，压电叠堆c26安装在杠杆式柔性铰链机构b27的方槽中，并通过楔形块组合c24进行预紧。x轴精密定位单元4的底板b15通过预紧螺钉b16安装在y轴精密定位单元3的导轨滑块组件b21上，y轴精密定位单元3通过底板c22上的安装孔23配合螺钉安装在基础支撑单元的底座a2上。试件通过熔融石蜡粘附在x轴精密定位单元的导轨滑块组件a14上。通过对x轴精密定位单元4、y轴精密定位单元3上的压电叠堆b19、压电叠堆c26施加驱动电压并控制电压幅值和频率，可以实现试件在x轴、y轴的精密定位，可以使试件按照预设轨迹运动。

所述的加工主运动产生单元包括桥式柔性铰链机构8、压电叠堆a7、楔形块组合a6、力传感器10、工具头安装柱11、预紧螺钉a12、工具头13。其中力传感器10安装在桥式柔性铰链机构8上。工具头安装柱11安装在力传感器10上。工具头13安装在工具头安装柱11上，并通过预紧螺钉a12进行预紧。压电叠堆a7安装在桥式柔性铰链机构8的方槽中，并且通过楔形块组合a6进行预紧。压电叠堆a7得电后，将在逆压电效应的作用下伸长输出相应的位移，桥式柔性铰链机构8将对压电叠堆a7的输出进行放大进而产生z轴的加工主运动。

参见图5及图6所示，本发明的时序控制表面微结构阵列加工方法，包括以下步骤：

a)将准备好的试件5利用熔融石蜡将试件粘附在x轴精密定位单元4的导轨滑块组件a14上，安装过程尽量让试件5保持平整；

b)给x轴精密定位单元4以及y轴精密定位单元3内的压电叠堆施加驱动电压，通过控制电压幅值和频率，使得试件5上要加工的第一个微结构的中心点定位在工具头13的正下方，即此时的位置为x轴精密定位单元4和y轴精密定位单元3的初始位置，然后停止x轴精密定位单元4以及y轴精密定位单元3；

c)调整z轴调整单元9靠近试件5表面，利用力传感器10的示数来判断工具头13与试件5的接触，当示数有变化时说明工具头13与试件5已经接触，此时反向调整z轴调整单元9使工具头13离开试件5表面一定距离(1μm至5μm)；

d)如图6所示控制电压时序，首先给加工主运动产生单元内的压电叠堆a7施加锯齿波形驱动电压，开始加工第一个微结构。因为工具头13和试件5之间存在一定的距离，故0到t1时间，加工主运动产生单元的输出主要来补偿这一距离，试件5和工具头13并未接触，力传感器10的输出信号是零。t1时刻，试件5和工具头13之间发生接触，力传感器10开始有信号输出。t1到t2时刻，工具头13开始压入试件5表面，力传感器10的输出信号逐渐增大。t2时刻，压电叠堆a7的输出位移达到最大，工具头13压入试件5表面最深，同时力传感器10的输出信号达到最大。t2至t3时刻，压电叠堆a7逐渐回复初始状态，工具头13逐渐离开试件5。t3时刻压电叠堆a7回复到初始状态，工具头13回到初始位置，第一个微结构加工完成；

e)t3到t4时刻，给x轴精密定位单元4的压电叠堆b19施加锯齿波形驱动电压，使得试件5沿x轴正向移动一段距离Lx(大于上一个微结构的尺寸)，到t4时刻，下一个微结构的中心点定位到工具头13正下方；

f)t4到t5时刻，连续重复步骤d)、e)直至完成沿x轴第一条单线上的微结构阵列的加工；

g)t5时刻，加工完沿x轴第一条单线上的最后一个微结构，停止加工主运动产生单元。t5到t6时刻，给x轴精密定位单元4、y轴精密定位单元3上的压电叠堆施加锯齿波形驱动电压，通过控制两个压电叠堆所受电压的幅值与频率，使得x轴精密定位单元4回到步骤b)所述的初始位置，y轴精密定位单元3相对初始位置正向移动距离Ly(大于上一个微结构的尺寸)，到t6时刻，试件上下一条阵列线上的第一个微结构的中心处在工具头13的正下方；

h)连续重复步骤d)、e)、f)、g)直至加工完最后一个微结构，待工具头13回到初始位置，断开所有压电叠堆上的驱动电压。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。