面向表面微小结构成型的三自由度精密操作装置及其激励方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910280495.0 (22)申请日 2019.04.09 (71)申请人 哈尔滨工业大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西 大直街92号 (72)发明人 刘英想李恒禹刘军考陈维山 李锴 (74)专利代理机构 哈尔滨市阳光惠远知识产权 代理有限公司 23211 代理人 孙莉莉 (51)Int.Cl. B05B 5/00(2006.01) B05B 15/00(2018.01) (54)发明名称 一种面向表面微小结构成型的三自由度精 密操作装置及其激励方法 (5。

2、7)摘要 本发明提出一种面向表面微小结构成型的 三自由度精密操作装置及其激励方法， 属于快速 成型技术领域。 该操作装置包括精密驱动机构 (1)、 压电微喷射器(2)、 轨迹刻划组件(3)和成型 目标面(4)； 通过精密驱动机构(1)和轨迹刻划组 件(3)在成型目标面(4)上进行轨迹刻划， 通过刻 划的轨迹对压电微喷射器(2)喷射出的微滴进行 引导， 以便在成型目标面(4)上实现高质量的表 面微小结构成型。 该操作装置具有结构简单、 价 格低廉且设备使用和维护成本低、 成型速度快、 成型分辨率高、 工作噪音低小及满足多种材料喷 射成型需求的优点， 在生物医疗、 航空航天、 材 料、 化学以及微。

3、电子器件等领域具有广泛的应用 前景。 权利要求书6页 说明书14页 附图10页 CN 109985739 A 2019.07.09 CN 109985739 A 1.一种面向表面微小结构成型的三自由度精密操作装置， 其特征在于： 所述操作装置 包括精密驱动机构(1)、 压电微喷射器(2)、 轨迹刻划组件(3)和成型目标面(4)； 所述精密驱 动机构(1)与成型目标面(4)固定连接， 通过对精密驱动机构(1)的三自由度运动进行控制， 实现成型目标面(4)的不同轨迹规划； 所述压电微喷射器(2)与外围装置进行固定， 能够满 足多种类型材料的喷射需求； 所述轨迹刻划组件(3)能够完成对成型目标面(4。

4、)的刻划， 通 过刻划的轨迹能够对压电微喷射器(2)喷射出的微滴进行引导扩散， 以便在成型目标面(4) 上实现表面微小结构成型。 2.根据权利要求1所述的操作装置， 其特征在于： 所述精密驱动机构(1)包括Y_惯性冲 击振子(1-1)、 -X_惯性冲击振子(1-2)、 -Y_惯性冲击振子(1-3)、 X_惯性冲击振子(1-4)和终 端输出器(1-5)； 所述Y_惯性冲击振子(1-1)与终端输出器(1-5)固定连接， 所述-X_惯性冲 击振子(1-2)与终端输出器(1-5)固定连接， 所述-Y_惯性冲击振子(1-3)与终端输出器(1- 5)固定连接， 所述X_惯性冲击振子(1-4)和终端输出器(。

5、1-5)固定连接； 所述Y_惯性冲击振 子(1-1)与-Y_惯性冲击振子(1-3)关于终端输出器(1-5)沿Y轴方向对称布置， 所述-X_惯性 冲击振子(1-2)与X_惯性冲击振子(1-4)关于终端输出器(1-5)沿X轴方向对称布置。 3.根据权利要求1所述的操作装置， 其特征在于： 所述压电微喷射器(2)包括腔体密封 板(2-1)、 压电换能器(2-2)、 微喷腔体(2-3)、 密封板连接组件(2-4)、 喷射通道密封圈(2- 5)、 调控通道密封圈(2-6)、 进液通道密封圈(2-7)、 进液转接头(2-8)、 换能器固定组件(2- 9)、 喷射通道弹性薄膜(2-10)和调控通道弹性薄膜(。

6、2-11)； 所述腔体密封板(2-1)通过密封 板连接组件(2-4)将喷射通道弹性薄膜(2-10)和调控通道弹性薄膜(2-11)压紧固定在微喷 腔体(2-3)上， 所述喷射通道密封圈(2-5)用于实现喷射通道弹性薄膜(2-10)和微喷腔体 (2-3)的密封， 所述调控通道密封圈(2-6)用于实现调控通道弹性薄膜(2-11)和微喷腔体 (2-3)的密封； 所述压电换能器(2-2)通过换能器固定组件(2-9)固定在腔体密封板(2-1) 上； 所述进液转接头(2-8)与微喷腔体(2-3)固定， 外围储液腔中的液体能够通过进液转接 头(2-8)进入微喷腔体(2-3)， 所述进液通道密封圈(2-7)用于。

7、实现进液转接头(2-8)与微喷 腔体(2-3)的密封。 4.根据权利要求3所述的操作装置， 其特征在于： 所述微喷腔体(2-3)设置有腔体安装 孔(2-3-1)、 腔体进液端口凹槽(2-3-2)、 进液转接头限位平面(2-3-3)、 锥形管道 (2-3-4)、 调控通道端口凹槽(2-3-5)、 锥形管道(2-3-6)、 喷射通道端口凹槽(2-3-7)、 腔体喷射通 道(2-3-8)、 喷孔(2-3-9)、 腔体调控通道(2-3-10)和腔体进液通道(2-3-11)； 所述腔体安装 孔(2-3-1)通过密封板连接组件(2-4)将腔体密封板(2-1)和微喷腔体(2-3)固定； 所述腔体 进液端口凹。

8、槽(2-3-2)用于放置进液通道密封圈(2-7)， 用于实现进液转接头(2-8)和微喷 腔体(2-3)的密封， 所述进液转接头限位平面(2-3-3)用于限制进液转接头(2-8)与微喷腔 体(2-3)的位置； 所述锥形管道 (2-3-4)用于实现腔体进液通道(2-3-11)中的液体流入腔 体调控通道(2-3-10)中， 所述锥形管道(2-3-6)用于实现腔体调控通道(2-3-10)中的液 体流入腔体喷射通道(2-3-8)中； 所述调控通道端口凹槽(2-3-5)用于放置调控通道密封圈 (2-6)， 实现调控通道弹性薄膜(2-11)与微喷腔体(2-3)的固定， 所述喷射通道端口凹槽(2- 3-7)用。

9、于放置喷射通道密封圈(2-5)， 实现喷射通道弹性薄膜(2-10)与微喷腔体(2-3)的固 定； 所述喷孔(2-3-9)用于喷射液体， 形成微滴并作用于成型目标面(4)上， 实现表面微小结 构成形。 权利要求书 1/6 页 2 CN 109985739 A 2 5.根据权利要求4所述的操作装置， 其特征在于： 所述腔体喷射通道(2-3-8)由半径为R 的圆筒结构和半径为R的半球结构组成， 其中圆筒结构的高度为H0； 所述喷孔(2-3-9)的直 径为D1， 厚度为H1； 所述锥形管道(2-3-6)的中心轴线距离腔体底部的高度为H2， 锥形管 道(2-3-6)的锥角为 ， 锥形管道(2-3-6)小。

10、端的直径为D2； 所述锥形管道 (2-3-4)的中 心轴线距离腔体底部的高度为H3， 锥形管道 (2-3-4)的锥角为 ， 锥形管道 (2-3-4)的小端 的直径为D3； 所述腔体进液通道(2-3-11)的直径为D4， 腔体调控通道(2-3-10)的直径为D5； 所述腔体喷射通道(2-3-8)中的圆筒结构的高度与其半径满足如下关系： H0(13)R； 所 述喷孔(2-3-9)的直径和厚度满足的关系为D1(0.51.5)H1； 所述锥形管道(2-3-6)和 锥形管道 (2-3-4)的中心轴线距离腔体底部的高度满足如下关系： H2H3； 所述锥形管道 (2-3-6)与锥形管道 (2-3-4)的锥角。

11、满足如下关系： ， 所述锥形管道(2-3-6)与锥 形管道 (2-3-4)小端的直径D2和D3满足的关系为D2D3； 所述腔体进液通道(2-3-11)和腔 体调控通道(2-3-10)的直径满足如下关系： D4(0.51)D5； 所述腔体调控通道(2-3-10) 的直径和腔体喷射通道(2-3-8)的半径满足如下关系： R(0.250.5)D5。 6.根据权利要求2所述的操作装置， 其特征在于： 所述Y_惯性冲击振子(1-1)包括Y_惯 性体(1-1-1)、 Y_纵向压电陶瓷(1-1-2)、 Y_弯曲压电陶瓷(1-1-3)和Y_阶梯轴(1-1-4)； 所述 Y_纵向压电陶瓷(1-1-2)和Y_弯曲。

12、压电陶瓷(1-1-3)通过Y_惯性体(1-1-1)和Y_阶梯轴(1- 1-4)固定在终端输出器(1-5)上； 所述-X_惯性冲击振子(1-2)包括-X_惯性体(1-2-1)、 -X_ 纵向压电陶瓷(1-2-2)、 -X_阶梯轴(1-2-3)和-X_弯曲压电陶瓷(1-2-4)； 所述-X_纵向压电 陶瓷(1-2-2)和-X_弯曲压电陶瓷(1-2-4)通过-X_惯性体(1-2-1)和-X_阶梯轴(1-2-3)固定 在终端输出器(1-5)上； 所述-Y_惯性冲击振子(1-3)包括-Y_弯曲压电陶瓷(1-3-1)、 -Y_阶 梯轴(1-3-2)、 -Y_纵向压电陶瓷(1-3-3)和-Y_惯性体(1-3。

13、-4)； 所述-Y_弯曲压电陶瓷(1-3- 1)和-Y_纵向压电陶瓷(1-3-3)通过-Y_阶梯轴(1-3-2)和-Y_惯性体(1-3-4)固定在终端输 出器(1-5)上； 所述X_惯性冲击振子(1-4)包括X_弯曲压电陶瓷(1-4-1)、 X_阶梯轴(1-4-2)、 X_纵向压电陶瓷(1-4-3)和X_惯性体(1-4-4)； 所述X_弯曲压电陶瓷(1-4-1)和X_纵向压电 陶瓷(1-4-3)通过X_阶梯轴(1-4-2)和X_惯性体(1-4-4)固定在终端输出器(1-5)上； 所述终 端输出器(1-5)设置有固定凹槽(1-5-1)和四个阶梯轴连接孔(1-5-2)； 所述固定凹槽(1-5- 1。

14、)用于固定成型目标面(4)， 所述四个阶梯轴连接孔(1-5-2)分别与Y_阶梯轴(1-1-4)、 -X_ 阶梯轴(1-2-3)、 -Y_阶梯轴(1-3-2)和X_阶梯轴(1-4-2)连接。 7.根据权利要求3所述的操作装置， 其特征在于： 所述压电换能器(2-2)包括换能器基 座(2-2-1)、 弯曲陶瓷(2-2-2)、 限位套筒(2-2-3)、 变幅杆组件(2-2-4)、 柔性铰链(2-2-5)、 驱动足(2-2-6)、 薄膜固定孔(2-2-7)和陶瓷锁紧组件(2-2-8)； 两个所述弯曲陶瓷(2-2-2) 分别通过两个变幅杆组件(2-2-4)和两个陶瓷锁紧组件(2-2-8)固定在换能器基座。

15、(2-2-1) 上； 两个所述限位套筒(2-2-3)用于限制两个弯曲陶瓷(2-2-2)的位置； 所述两个变幅杆组 件(2-2-4)分别通过两个柔性铰链(2-2-5)与两个驱动足(2-2-6)柔性连接； 所述两个薄膜 固定孔(2-2-7)分别用于将两个驱动足(2-2-6)与喷射通道弹性薄膜(2-10)和调控通道弹 性薄膜(2-11)固定连接。 8.根据权利要求1-7中任一项所述的操作装置， 其特征在于： 所述精密驱动机构(1)通 过施加不同形式的交流电压激励信号， 能够分别实现沿X轴方向平动， 或者沿Y轴方向平动， 或者绕Z轴方向转动； 权利要求书 2/6 页 3 CN 109985739 A 。

16、3 实现X轴方向平动的激励方法如下： 步骤一一、 初始状态， 由于没有电压信号输入作用在Y_弯曲压电陶瓷(1-1-3)、 -Y_弯曲 压电陶瓷(1-3-1)、 X_纵向压电陶瓷(1-4-3)和-X_纵向压电陶瓷(1-2-2)上， Y_惯性体(1-1- 1)、 -Y惯性体(1-3-4)、 X_惯性体(1-4-4)和-X_惯性体(1-2-1)均保持静止状态； 步骤一二、 在0t0阶段， 对Y_弯曲压电陶瓷(1-1-3)、 -Y_弯曲压电陶瓷(1-3-1)分别施 加正的缓慢上升的电压信号， 分别产生沿X轴正向的缓慢弯曲变形， 对X_纵向压电陶瓷(1- 4-3)施加正的缓慢上升的电压信号， 产生沿X轴。

17、正向的缓慢伸长变形， 对-X_纵向压电陶瓷 (1-2-2)施加负的缓慢下降的电压信号， 产生沿X轴正向的缓慢收缩变形， 当电压的绝对值 达到最大时， Y_惯性体(1-1-1)、 -Y惯性体(1-3-4)、 X_惯性体(1-4-4)和-X_惯性体(1-2-1) 以一定的速度向X轴正向移动一个距离， 在此期间， 终端输出器(1-5)与地面之间的摩擦力 表现为静摩擦力， 静摩擦力足够大， 能够克服Y_惯性体(1-1-1)、 -Y惯性体(1-3-4)、 X_惯性 体(1-4-4)和-X_惯性体(1-2-1)的惯性力； 步骤一三、 在t0t1阶段， 对Y_弯曲压电陶瓷(1-1-3)、 -Y_弯曲压电陶瓷。

18、(1-3-1)和X_纵 向压电陶瓷(1-4-3)分别施加正的快速下降的电压信号， 对-X_纵向压电陶瓷(1-2-2)施加 负的快速上升的电压信号， 致使Y_弯曲压电陶瓷(1-1-3)、 -Y_弯曲压电陶瓷(1-3-1)、 X_纵 向压电陶瓷(1-4-3)和-X_纵向压电陶瓷(1-2-2)在短时间内迅速回到初始位置； 终端输出 器(1-5)与地面之间的摩擦力表现为滑动摩擦力， 滑动摩擦力不足以克服Y_惯性体(1-1- 1)、 -Y惯性体(1-3-4)、 X_惯性体(1-4-4)和-X_惯性体(1-2-1)的惯性力， 因此， 带动终端输 出器(1-5)在地面上向X轴正向移动一个距离； 步骤一四、 。

19、不断重复步骤一一至步骤一三， 终端输出器(1-5)将持续向X轴正向前进； 若 改变输入电压信号的占空比或对称性， 终端输出器(1-5)能够实现向X轴负向前进； 实现Y轴方向平动的激励方法如下： 步骤二一、 初始状态， 由于没有电压信号输入作用在Y_纵向压电陶瓷(1-1-2)、 -Y_纵向 压电陶瓷(1-3-3)、 X_弯曲压电陶瓷(1-4-1)和-X_弯曲压电陶瓷(1-2-4)上， Y_惯性体(1-1- 1)、 -X_惯性体(1-2-1)、 -Y惯性体(1-3-4)、 X_惯性体(1-4-4)均保持静止状态； 步骤二二、 在0t0阶段， 对Y_纵向压电陶瓷(1-1-2)施加正的缓慢上升的电压信。

20、号， 产 生沿Y轴正向的缓慢伸长变形， 对-Y_纵向压电陶瓷(1-3-3)施加负的缓慢下降的电压信号， 产生沿Y轴正向的缓慢缩短变形， 对X_弯曲压电陶瓷(1-4-1)、 -X_弯曲压电陶瓷(1-2-4)分 别施加正的缓慢上升的电压信号分别产生沿Y轴正向的缓慢弯曲变形； 当电压的绝对值达 到最大时， Y_惯性体(1-1-1)、 -Y惯性体(1-3-4)、 X_惯性体(1-4-4)和-X_惯性体(1-2-1)以 一定的速度向Y轴正向移动一个距离， 在此期间， 终端输出器(1-5)与地面之间的摩擦力表 现为静摩擦力， 静摩擦力足够大， 能够克服Y_惯性体(1-1-1)、 -Y惯性体(1-3-4)、。

21、 X_惯性体 (1-4-4)和-X_惯性体(1-2-1)的惯性力； 步骤二三、 在t0t1阶段， 对Y_纵向压电陶瓷(1-1-2)施加正的快速下降的电压信号， 对-Y_纵向压电陶瓷(1-3-3)施加快速上升的电压信号， 对X_弯曲压电陶瓷(1-4-1)、 -X_弯 曲压电陶瓷(1-2-4)分别施加正的快速下降的电压信号， 致使Y_纵向压电陶瓷(1-1-2)、 -Y_ 纵向压电陶瓷(1-3-3)、 X_弯曲压电陶瓷(1-4-1)和-X_弯曲压电陶瓷(1-2-4)在短时间内迅 速回到初始位置； 终端输出器(1-5)与地面之间的摩擦力表现为滑动摩擦力， 滑动摩擦力不 足以克服Y_惯性体(1-1-1)。

22、、 -Y惯性体(1-3-4)、 X_惯性体(1-4-4)和-X_惯性体(1-2-1)的惯 权利要求书 3/6 页 4 CN 109985739 A 4 性力， 因此， 带动终端输出器(1-5)在地面上向Y轴正向移动一个距离； 步骤二四、 不断重复步骤二一至步骤二三， 终端输出器(1-5)将持续向Y轴正向前进； 若 改变输入电压信号的占空比或对称性， 终端输出器(1-5)能够实现向Y轴负向前进； 实现绕Z轴方向转动的激励方法如下： 步骤三一、 初始状态， 由于没有电压信号输入作用在Y_弯曲压电陶瓷(1-1-3)、 -Y_弯曲 压电陶瓷(1-3-1)、 X_弯曲压电陶瓷(1-4-1)和-X_弯曲压。

23、电陶瓷(1-2-4)上， Y_惯性体(1-1- 1)、 -X_惯性体(1-2-1)、 -Y惯性体(1-3-4)和X_惯性体(1-4-4)均保持静止状态； 步骤三二、 在0t0阶段， 对Y_弯曲压电陶瓷(1-1-3)和-X_弯曲压电陶瓷(1-2-4)施加负 的缓慢下降的电压信号， 分别产生沿X轴负向的弯曲变形和沿Y轴负向的弯曲变形； 对-Y_弯 曲压电陶瓷(1-3-1)和X_弯曲压电陶瓷(1-4-1)施加正的缓慢上升的电压信号， 分别产生沿 X轴正向的弯曲变形和沿Y轴正向的弯曲变形； 当电压的绝对值达到最大时， Y_惯性体(1-1- 1)、 -X_惯性体(1-2-1)、 -Y惯性体(1-3-4)。

24、和X_惯性体(1-4-4)以一定的速度绕Z轴逆时针转 动一个角度， 在此期间， 终端输出器(1-5)与地面之间的摩擦力表现为静摩擦力， 静摩擦力 足够大， 能够克服Y_惯性体(1-1-1)、 -X_惯性体(1-2-1)、 -Y惯性体(1-3-4)和X_惯性体(1- 4-4)的惯性力； 步骤三三、 在t0t1阶段， 对Y_弯曲压电陶瓷(1-1-3)和-X_弯曲压电陶瓷(1-2-4)施加 负的快速上升的电压信号， 对-Y_弯曲压电陶瓷(1-3-1)和X_弯曲压电陶瓷(1-4-1)施加正 的快速下降的电压信号， 致使Y_弯曲压电陶瓷(1-1-3)、 -X_弯曲压电陶瓷(1-2-4)、 -Y_弯曲 压。

25、电陶瓷(1-3-1)和X_弯曲压电陶瓷(1-4-1)在短时间内迅速回到初始位置； 终端输出器 (1-5)与地面之间的摩擦力表现为滑动摩擦力， 滑动摩擦力不足以克服Y_惯性体(1-1-1)、 - X_惯性体(1-2-1)、 -Y惯性体(1-3-4)和X_惯性体(1-4-4)的惯性力， 因此， 带动终端输出器 (1-5)在地面绕Z轴逆时针转动一个角度； 步骤三四、 不断重复步骤三一至步骤三三， 终端输出器(1-5)将持续绕Z轴逆时针转动； 若改变输入电压信号的占空比或对称性， 终端输出器(1-5)能够实现绕Z轴顺时针转动。 9.根据权利要求1-7中任一项所述的操作装置， 其特征在于： 所述压电微喷。

26、射器(2)包 括两种工作模式， 分别为推拉模式和拉推模式； 同时腔体调控通道(2-3-10)能够对腔体喷 射通道(2-3-8)中的微量流体进行调控； 实现推拉模式的工作过程如下： 步骤四一、 在初始状态， 对腔体调控通道(2-3-10)对应的弯曲陶瓷(2-2-2)施加负的高 电平信号， 处于沿Z轴正向弯曲状态； 对腔体喷射通道(2-3-8)对应的弯曲陶瓷(2-2-2)施加 负的高电平信号， 处于沿Z轴正向弯曲状态； 此时腔体调控通道(2-3-10)和腔体喷射通道 (2-3-8)内的液体保持静止状态； 步骤四二、 在流量调控阶段， 对腔体调控通道(2-3-10)对应的弯曲陶瓷(2-2-2)施加正。

27、 的高电平信号， 沿Z轴负向弯曲； 所述腔体调控通道(2-3-10)内的液体在正压力波的作用下 流向腔体喷射通道(2-3-8)， 致使腔体喷射通道(2-3-8)内的流体压强增大； 步骤四三、 在推阶段， 对腔体调控通道(2-3-10)对应的弯曲陶瓷(2-2-2)施加正的高电 平信号， 沿Z轴负向弯曲； 致使压强进一步增大， 产生正压力波， 液体在正压力波的作用下喷 出； 步骤四四、 在拉阶段， 对腔体调控通道(2-3-10)对应的弯曲陶瓷(2-2-2)施加负的高电 权利要求书 4/6 页 5 CN 109985739 A 5 平信号， 对腔体喷射通道(2-3-8)对应的弯曲陶瓷(2-2-2)施。

28、加负的高电平信号， 致使压强 逐渐减小， 产生负压力波， 喷射出的液体流在负压力波的作用下被截断， 形成液滴； 步骤四五、 重复步骤四一至步骤四四， 压电微喷射器(2)能够实现间歇式微液滴喷射； 实现拉推模式的工作过程如下： 步骤五一、 在初始状态， 对腔体调控通道(2-3-10)对应的弯曲陶瓷(2-2-2)施加负的高 电平信号， 处于沿Z轴正向弯曲状态； 对腔体喷射通道(2-3-8)对应的弯曲陶瓷(2-2-2)施加 正的高电平信号， 处于沿Z轴负向弯曲状态； 此时腔体调控通道(2-3-10)和腔体喷射通道 (2-3-8)内的液体保持静止状态； 步骤五二、 在拉阶段， 对腔体喷射通道(2-3-。

29、8)对应的弯曲陶瓷(2-2-2)施加负的高电 平信号， 沿Z轴正向弯曲； 产生负的压力波， 部分液体进入腔体喷射通道(2-3-8)内； 步骤五三、 在流量调控阶段， 对腔体调控通道(2-3-10)对应的弯曲陶瓷(2-2-2)施加正 的高电平信号， 沿Z轴负向弯曲， 致使更多的液体进入腔体喷射通道(2-3-8)内； 步骤五四、 在推阶段， 对腔体喷射通道(2-3-8)对应的弯曲陶瓷(2-2-2)施加正的高电 平信号， 沿Z轴负向弯曲， 致使腔体喷射通道(2-3-8)的压强逐渐增大， 产生正的压力波， 液 体在正压力波的作用下以液体流的形式喷出， 形成微液滴； 步骤五五、 重复步骤五一至步骤五四，。

30、 压电微喷射器(2)能够实现间歇式微液滴喷射。 10.一种面向表面微小结构成型的三自由度精密操作装置的激励方法， 其特征在于： 该 激励方法是基于权利要求1-7中任一项所述的一种面向表面微小结构成型的三自由度精密 操作装置实现的， 通过精密驱动机构(1)与压电微喷射器(2)协调配合在成型目标面(4)上 直接进行表面微小结构成型； 或者利用轨迹刻划组件(3)协调配合预先在成型目标面(4)上 刻划处指定的轨迹形状， 然后按照刻划的轨迹进行材料喷射， 通过轨迹对压电微喷射器(2) 喷射的微滴进行引导， 以便在成型目标面(4)上实现表面微小结构成型； 在成型目标面(4)上直接进行表面成型的激励方法如下。

31、： a)利用精密驱动机构(1)对成型目标面(4)在平面内进行任意自由度的姿态调整， 准确 的标定压电微喷射器(2)在成型目标面(4)上初始喷射位置并在成型目标面(4)上对表面微 小结构成型路径进行精确的操作； b)通过控制压电微喷射器(2)交流电压激励信号， 进行成型试剂的微量喷射； 对于含颗 粒直径大的液体材料， 选取推拉模式进行表面微小结构的成型， 对于含颗粒直径小的液体 材料， 选取拉推模式进行表面微小结构的成型； c)经压电微喷射器(2)喷射的微量试剂作用在成型目标面(4)上， 实现单个微滴与成型 目标面(4)的接触扩散成型； 重复上述步骤， 能够使多个微滴不断喷射在成型目标面(4)上。

32、， 最终实现表面微小结构 的成型； 在成型目标面(4)上通过刻划轨迹引导液滴扩散的辅助表面成型激励方法如下： A)利用精密驱动机构(1)与轨迹刻划组件(3)协调配合， 在成型目标面(4)上完成任意 形状的轨迹刻划， 其中， 精密驱动机构(1)对成型目标面(4)进行任意自由度的姿态调整， 所 述轨迹刻划组件(3)设置有升降调节装置和金刚石刻头， 利用升降调节装置对刻划轨迹的 深度进行调整， 利用金刚石刻头完成表面轨迹形状的刻划； B)利用精密驱动机构(1)对成型目标面(4)在平面内进行任意自由度的姿态调整， 准确 权利要求书 5/6 页 6 CN 109985739 A 6 的标定压电微喷射器(。

33、2)在成型目标面(4)上初始喷射位置并在成型目标面(4)上对表面微 小结构成型路径进行精确的操作； C)通过控制压电微喷射器(2)交流电压激励信号， 进行成型试剂的微量喷射； 对于含颗 粒直径大的液体材料， 选取推拉模式进行表面微小结构的成型， 对于含颗粒直径小的液体 材料， 选取拉推模式进行表面微小结构的成型； D)经压电微喷射器(2)喷射的微量试剂作用在成型目标面(4)上， 并在刻划轨迹的引导 下实现单个微滴在成型目标面(4)上进行均匀稳定的扩散成型； 重复上述步骤， 能够使多个微滴不断喷射在成型目标面(4)上， 实现表面微小结构的成 型。 权利要求书 6/6 页 7 CN 1099857。

34、39 A 7 一种面向表面微小结构成型的三自由度精密操作装置及其激 励方法 技术领域 0001 本发明属于快速成型技术领域， 特别是涉及一种面向表面微小结构成型的三自由 度精密操作装置及其激励方法。 背景技术 0002 快速成型技术是基于 “离散/堆积” 思想的 “增长型” 制造方法， 通常借助计算机、 激 光、 微喷射、 精密传动和数控等现代手段， 集成计算机辅助设计和计算机辅助制造于一体， 根据在计算机上设计的三维数据模型， 能在很短时间内直接制造产品或者试样。 快速成型 技术的是一种全新的制造理念， 即加法式增材制造。 与传统减法式去除材料加工的方式相 比， 加法式增材制造方式加工精度高。

35、、 材料利用率高并且能够制造任意复杂形状零件， 具有 明显的优势。 采用快速成型技术， 整个加工过程中只需要快速成型设备， 摆脱了传统加工方 法对多种加工工具、 工装和模具的依赖， 加工工艺简化， 加工速度也明显提高。 0003 目前， 快速成型技术主要包括光固化快速成型、 分层实体制造法、 选择性激光烧 结、 熔融沉积成型、 压电喷射成型。 其中， 光固化快速成型具有尺寸精度高、 表面光滑、 可制 作任意形状表面原型制件等优点， 但光固化快速成型存在加工设备和加工成本高， 对悬臂 结构需要采用支撑， 并且成型过程中会产生异味气体等缺点； 分层实体制造法具有加工大 型实体零件速度快、 制件硬度。

36、和抗压性能较好等优点， 缺点是制件表面有明显的台阶纹理、 材料耗损较大； 选择性激光烧结的优点是材料利用率高、 无须支撑结构、 材料种类广， 缺点 是表面质量不高、 造价昂贵、 加工时有少量烟雾； 熔融沉积成型具有精度较高、 热熔挤压喷 头结构简单、 可制造任意复杂度的制件等优点， 缺点是需要采用支撑结构、 制件表面具有明 显条纹、 薄壁多孔零件不易加工。 0004 相比于光固化快速成型、 分层实体制造法、 选择性激光烧结及熔融沉积成型等存 在的加工成本高、 污染环境、 材料耗损大、 表面质量较差及成型对象受限等技术问题， 压电 喷射成型具有成型速度较快、 成型分辨率高、 材料适用范围广及无污。

37、染、 无噪音等优点， 对 此， 基于压电微喷技术， 研发一种面向表面微小结构成型的多自由度精密操作装置， 以满足 快速成型技术的性能需求显得尤为迫切和需要， 在生物医疗、 航空航天、 材料、 化学以及微 电子器件等领域具有广泛的应用前景。 发明内容 0005 本发明目的是为了解决传统光固化快速成型、 分层实体制造法、 选择性激光烧结 及熔融沉积成型等存在的加工成本高、 污染环境、 材料耗损大、 表面质量较差及成型对象受 限等技术问题， 提出了一种面向表面微小结构成型的三自由度精密操作装置及其激励方 法。 0006 本发明是通过以下技术方案实现的， 本发明提出一种面向表面微小结构成型的三 自由度。

38、精密操作装置， 所述操作装置包括精密驱动机构1、 压电微喷射器2、 轨迹刻划组件3 说明书 1/14 页 8 CN 109985739 A 8 和成型目标面4； 所述精密驱动机构1与成型目标面4固定连接， 通过对精密驱动机构1的三 自由度运动进行控制， 实现成型目标面4的不同轨迹规划； 所述压电微喷射器2与外围装置 进行固定， 能够满足多种类型材料的喷射需求； 所述轨迹刻划组件3能够完成对成型目标面 4的刻划， 通过刻划的轨迹能够对压电微喷射器2喷射出的微滴进行引导扩散， 以便在成型 目标面4上实现表面微小结构成型。 0007 进一步地， 所述精密驱动机构1包括Y_惯性冲击振子1-1、 -X_。

39、惯性冲击振子1-2、 - Y_惯性冲击振子1-3、 X_惯性冲击振子1-4和终端输出器1-5； 所述Y_惯性冲击振子1-1与终 端输出器1-5固定连接， 所述-X_惯性冲击振子1-2与终端输出器1-5固定连接， 所述-Y_惯性 冲击振子1-3与终端输出器1-5固定连接， 所述X_惯性冲击振子1-4和终端输出器1-5固定连 接； 所述Y_惯性冲击振子1-1与-Y_惯性冲击振子1-3关于终端输出器1-5沿Y轴方向对称布 置， 所述-X_惯性冲击振子1-2与X_惯性冲击振子1-4关于终端输出器1-5沿X轴方向对称布 置。 0008 进一步地， 所述压电微喷射器2包括腔体密封板2-1、 压电换能器2-。

40、2、 微喷腔体2- 3、 密封板连接组件2-4、 喷射通道密封圈2-5、 调控通道密封圈2-6、 进液通道密封圈2-7、 进 液转接头2-8、 换能器固定组件2-9、 喷射通道弹性薄膜2-10和调控通道弹性薄膜2-11； 所述 腔体密封板2-1通过密封板连接组件2-4将喷射通道弹性薄膜2-10和调控通道弹性薄膜2- 11压紧固定在微喷腔体2-3上， 所述喷射通道密封圈2-5用于实现喷射通道弹性薄膜2-10和 微喷腔体2-3的密封， 所述调控通道密封圈2-6用于实现调控通道弹性薄膜2-11和微喷腔体 2-3的密封； 所述压电换能器2-2通过换能器固定组件2-9固定在腔体密封板2-1上； 所述进 。

41、液转接头2-8与微喷腔体2-3固定， 外围储液腔中的液体能够通过进液转接头2-8进入微喷 腔体2-3， 所述进液通道密封圈2-7用于实现进液转接头2-8与微喷腔体2-3的密封。 0009 进一步地， 所述微喷腔体2-3设置有腔体安装孔2-3-1、 腔体进液端口凹槽2-3-2、 进液转接头限位平面2-3-3、 锥形管道 2-3-4、 调控通道端口凹槽2-3-5、 锥形管道(2-3-6、 喷射通道端口凹槽2-3-7、 腔体喷射通道2-3-8、 喷孔2-3-9、 腔体调控通道2-3-10和腔体进 液通道2-3-11； 所述腔体安装孔2-3-1通过密封板连接组件2-4将腔体密封板2-1和微喷腔 体2-。

42、3固定； 所述腔体进液端口凹槽2-3-2用于放置进液通道密封圈2-7， 用于实现进液转接 头2-8和微喷腔体2-3的密封， 所述进液转接头限位平面2-3-3用于限制进液转接头2-8与微 喷腔体2-3的位置； 所述锥形管道 2-3-4用于实现腔体进液通道2-3-11中的液体流入腔体 调控通道2-3-10中， 所述锥形管道2-3-6用于实现腔体调控通道2-3-10中的液体流入腔 体喷射通道2-3-8中； 所述调控通道端口凹槽2-3-5用于放置调控通道密封圈2-6， 实现调控 通道弹性薄膜2-11与微喷腔体2-3的固定， 所述喷射通道端口凹槽2-3-7用于放置喷射通道 密封圈2-5， 实现喷射通道弹。

43、性薄膜2-10与微喷腔体2-3的固定； 所述喷孔2-3-9用于喷射液 体， 形成微滴并作用于成型目标面4上， 实现表面微小结构成形。 0010 进一步地， 所述腔体喷射通道2-3-8由半径为R的圆筒结构和半径为R的半球结构 组成， 其中圆筒结构的高度为H0； 所述喷孔2-3-9的直径为D1， 厚度为H1； 所述锥形管道2- 3-6的中心轴线距离腔体底部的高度为H2， 锥形管道2-3-6的锥角为 ， 锥形管道2-3-6 小端的直径为D2； 所述锥形管道 2-3-4的中心轴线距离腔体底部的高度为H3， 锥形管道 2- 3-4的锥角为 ， 锥形管道 2-3-4的小端的直径为D3； 所述腔体进液通道2。

44、-3-11的直径为D4， 腔体调控通道2-3-10的直径为D5； 所述腔体喷射通道2-3-8中的圆筒结构的高度与其半径 说明书 2/14 页 9 CN 109985739 A 9 满足如下关系： H0(13)R； 所述喷孔2-3-9的直径和厚度满足的关系为D1(0.51.5) H1； 所述锥形管道2-3-6和锥形管道 2-3-4的中心轴线距离腔体底部的高度满足如下关 系： H2H3； 所述锥形管道2-3-6与锥形管道 2-3-4的锥角满足如下关系： ， 所述锥形 管道2-3-6与锥形管道 2-3-4小端的直径D2和D3满足的关系为D2D3； 所述腔体进液通 道2-3-11和腔体调控通道2-3-。

45、10的直径满足如下关系： D4(0.51)D5； 所述腔体调控通 道2-3-10的直径和腔体喷射通道2-3-8的半径满足如下关系： R(0.250.5)D5。 0011 进一步地， 所述Y_惯性冲击振子1-1包括Y_惯性体1-1-1、 Y_纵向压电陶瓷1-1-2、 Y_弯曲压电陶瓷1-1-3和Y_阶梯轴1-1-4； 所述Y_纵向压电陶瓷1-1-2和Y_弯曲压电陶瓷1- 1-3通过Y_惯性体1-1-1和Y_阶梯轴1-1-4固定在终端输出器1-5上； 所述-X_惯性冲击振子 1-2包括-X_惯性体1-2-1、 -X_纵向压电陶瓷1-2-2、 -X_阶梯轴1-2-3和-X_弯曲压电陶瓷1- 2-4；。

46、 所述-X_纵向压电陶瓷1-2-2和-X_弯曲压电陶瓷1-2-4通过-X_惯性体1-2-1和-X_阶梯 轴1-2-3固定在终端输出器1-5上； 所述-Y_惯性冲击振子1-3包括-Y_弯曲压电陶瓷1-3-1、 - Y_阶梯轴1-3-2、 -Y_纵向压电陶瓷1-3-3和-Y_惯性体1-3-4； 所述-Y_弯曲压电陶瓷1-3-1 和-Y_纵向压电陶1-3-3通过-Y_阶梯轴1-3-2和-Y_惯性体1-3-4固定在终端输出器1-5上； 所述X_惯性冲击振子1-4包括X_弯曲压电陶瓷1-4-1、 X_阶梯轴1-4-2、 X_纵向压电陶瓷1-4- 3和X_惯性体1-4-4； 所述X_弯曲压电陶瓷1-4-1。

47、和X_纵向压电陶瓷1-4-3通过X_阶梯轴1-4- 2和X_惯性体1-4-4固定在终端输出器1-5上； 所述终端输出器1-5设置有固定凹槽1-5-1和 四个阶梯轴连接孔1-5-2； 所述固定凹槽1-5-1用于固定成型目标面4， 所述四个阶梯轴连接 孔1-5-2分别与Y_阶梯轴1-1-4、 -X_阶梯轴1-2-3、 -Y_阶梯轴1-3-2和X_阶梯轴1-4-2连接。 0012 进一步地， 所述压电换能器2-2包括换能器基座2-2-1、 弯曲陶瓷2-2-2、 限位套筒 2-2-3、 变幅杆组件2-2-4、 柔性铰链2-2-5、 驱动足2-2-6、 薄膜固定孔2-2-7和陶瓷锁紧组件 2-2-8； 。

48、两个所述弯曲陶瓷2-2-2分别通过两个变幅杆组件2-2-4和两个陶瓷锁紧组件2-2-8 固定在换能器基座2-2-1上； 两个所述限位套筒2-2-3用于限制两个弯曲陶瓷2-2-2的位置； 所述两个变幅杆组件2-2-4分别通过两个柔性铰链2-2-5与两个驱动足2-2-6柔性连接； 所 述两个薄膜固定孔2-2-7分别用于将两个驱动足2-2-6与喷射通道弹性薄膜2-10和调控通 道弹性薄膜2-11固定连接。 0013 进一步地， 所述精密驱动机构1通过施加不同形式的交流电压激励信号， 能够分别 实现沿X轴方向平动， 或者沿Y轴方向平动， 或者绕Z轴方向转动； 0014 实现X轴方向平动的激励方法如下：。

49、 0015 步骤一一、 初始状态， 由于没有电压信号输入作用在Y_弯曲压电陶瓷1-1-3、 -Y_弯 曲压电陶瓷1-3-1、 X_纵向压电陶瓷1-4-3和-X_纵向压电陶瓷1-2-2上， Y_惯性体1-1-1、 -Y 惯性体1-3-4、 X_惯性体1-4-4和-X_惯性体1-2-1均保持静止状态； 0016 步骤一二、 在0t0阶段， 对Y_弯曲压电陶瓷1-1-3、 -Y_弯曲压电陶瓷1-3-1分别施 加正的缓慢上升的电压信号， 分别产生沿X轴正向的缓慢弯曲变形， 对X_纵向压电陶瓷1-4- 3施加正的缓慢上升的电压信号， 产生沿X轴正向的缓慢伸长变形， 对-X_纵向压电陶瓷1-2- 2施加负。

50、的缓慢下降的电压信号， 产生沿X轴正向的缓慢收缩变形， 当电压的绝对值达到最 大时， Y_惯性体1-1-1、 -Y惯性体1-3-4、 X_惯性体1-4-4和-X_惯性体1-2-1以一定的速度向X 轴正向移动一个距离， 在此期间， 终端输出器1-5与地面之间的摩擦力表现为静摩擦力， 静 摩擦力足够大， 能够克服Y_惯性体1-1-1、 -Y惯性体1-3-4、 X_惯性体1-4-4和-X_惯性体1-2- 说明书 3/14 页 10 CN 109985739 A 10 1的惯性力； 0017 步骤一三、 在t0t1阶段， 对Y_弯曲压电陶瓷1-1-3、 -Y_弯曲压电陶瓷1-3-1和X_纵 向压电陶瓷。