多适应性的全压电跨尺度多维微纳刻划加工系统及方法

本技术涉及微纳结构加工，尤其涉及毫米尺度且多种特殊表面的微纳结构加工。

背景技术：

1、微纳加工系统是先进制造业领域的重要研究方向之一，是微纳制造、生命科学和光学仪器等领域的核心装备。在样品表面加工出具有一定规则分布、并具有微观几何拓扑形状的微纳米结构可以赋予样品某些特定的功能，如信息存储功能、光学反射功能、润滑或摩擦功能等。现阶段微纳加工方法主要包括电物理化学法、光刻技术、机械加工技术以及基于尖端的微纳结构制造，然而却面对昂贵的加工设备、复杂的加工流程和严苛的加工条件等加工硬件上的限制，且在加工性能上无法实现毫米尺度的加工范围、加工质量有待提高和加工维度单一。综上所述，现阶段的微纳加工系统的技术尚无法在微小曲面或回转球面等特殊表面的结构上实现跨尺度多维的微纳加工，制约了大尺度高密度光栅、毫米尺度复杂结构的微纳流控芯片、球面光学器件等诸多微纳器件的制造。

2、随着先进智能材料的发展，利用压电操控技术精度高、响应快和易于实现多维运动等突出优势可以实现在微纳米尺度改变物体表面的微观形貌。例如，基于直驱式压电驱动器的微纳米压痕加工以及基于原子力显微镜探针的微纳刻划加工都已证明压电操控技术具备制造复杂微纳结构的能力。然而当前基于压电操控技术存在的问题在于：受压电操控技术速度控制策略的限制，微纳加工质量有待提升；受压电陶瓷管驱动行程的限制，尚不能实现毫米尺度加工范围纳米结构的加工；受加工系统自由度的限制，尚无法在微小曲面或回转球面等特殊表面进行微纳加工。

技术实现思路

1、本发明目的是为了解决现有微纳加工质量和适应性低的问题，提供了多适应性的全压电跨尺度多维微纳刻划加工系统及方法。

2、本发明是通过以下技术方案实现的，本发明一方面，提供一种多适应性的全压电跨尺度多维微纳刻划加工系统，所述系统包括：四自由度跨尺度压电微纳定位平台、多维压电操控器、结构支撑部件和传感控制部件；

3、所述跨尺度压电微纳定位平台用于待加工样品姿态的调整与刻划轨迹的运动控制，其运动自由度数n依据微纳刻划技术性能实现标准而定；

4、所述多维压电操控器用于调整刻刀与样品间的法向距离与加工力，其可实现的运动维数依据微纳加工维数确定；

5、所述结构支撑部件用于架构全压电微纳加工操控系统，调控刻刀与样品间的宏观距离；

6、所述传感控制部件用于跨尺度压电微纳定位平台和多维压电操控器的加工力与位移的传感与反馈。

7、进一步地，所述四自由度跨尺度压电微纳定位平台包括沿x轴平移部件，沿y轴平移部件，绕x轴转动部件和绕y轴转动部件，这四个部件可独立且协同实现沿x，y方向的平移运动和绕x轴和y轴的旋转运动。

8、进一步地，加工单个微点结构时，四自由度跨尺度压电微纳定位平台保持位置恒定；

9、加工单个平面微纳结构时，依据结构形状在其各自运动轴上的分解情况，沿x轴平移部件和沿y轴平移部件进行协同运动；

10、加工单个曲面微纳结构时，依据待加工微纳结构的曲率和方向，并结合多维压电操控器的深度控制，沿x轴平移部件，沿y轴平移部件，绕x轴转动部件和绕y轴转动部件进行协同运动；

11、加工阵列结构时，首先依据上述规划加工单个微纳结构，然后沿x轴平移部件，沿y轴平移部件依据阵列结构的间隔进行分度运动。

12、进一步地，所述结构支撑部件包括龙门架，宏观位移调整平台和底板；

13、所述龙门架用于支撑多维压电操控器以及传感控制部件；

14、所述宏观位移调整平台安装固定在龙门架上，用于调整多维压电操控器法向运动，从而实现调控多维压电操控器与待加工样品间的法向间距；

15、所述底板用于支撑微纳结构加工的整体操控系统，龙门架与宏观位移调整平台均固定安装在底板上。

16、进一步地，所述多维压电操控器包括支撑基座，压电元件，刀具操控端与刀具；

17、所述支撑基座用于将多维压电操控器固定安装在宏观位移调整平台上；

18、所述压电元件可产生独立的、沿着两个正交方向的弯曲微动和沿着轴向的伸缩微动，工作时的运动维数依据需要加工的微纳结构维数确定；

19、所述刀具操控端与压电元件和支撑基座三者之间固定连接为一体；

20、所述刀具安装固定在刀具操控端上，用于在待加工样品表面上进行切削加工。

21、进一步地，多维压电操控器的轴向伸缩微动可以进行微纳加工的深度控制；

22、多维压电操控器的轴向伸缩与单向弯曲的复合微动可以使得刀具尖端合成n形轨迹，从而进行微纳加工的宽度控制；

23、多维压电操控器的轴向伸缩与正交两向弯曲的复合微动可以使得刀具尖端合成立体椭圆形轨迹，从而进行微纳加工的深度和宽度控制。

24、进一步地，所述传感控制部件包括力与位移传感器，用于检测和反馈加工过程中四自由度跨尺度压电微纳定位平台、多维压电操控器的载荷与位移，从而实现微纳加工的深度控制与曲面加工的运动调整。

25、另一方面，本发明还提供一种采用多适应性的全压电跨尺度多维微纳刻划加工系统的加工方法，所述方法基于如上文所述的一种多适应性的全压电跨尺度多维微纳刻划加工系统实现，具体包括：

26、步骤一、将待加工样品放置在四自由度跨尺度压电微纳定位平台上，然后四自由度跨尺度压电微纳定位平台依据加工要求进行样品的位置和姿态调节；

27、步骤二、多维压电操控器通过调整宏观位移调整平台逐渐接近待加工样品表面，多维压电操控器通过传感控制部件进行刀具与样品之间的接触检测；

28、步骤三、多维压电操控器进行轴向伸缩，刻划刀具压入待加工样品表面，并利用传感控制部件进行多维压电操控器的载荷与位移反馈，从而完成微纳结构刻划深度控制；

29、步骤四、依据微纳结构刻划需求，多维压电操控器进行复合微动，完成微纳结构刻划宽度控制；

30、步骤五、四自由度跨尺度压电微纳定位平台依据样品表面形状进行多自由度的复合运动，完成微纳结构刻划形状控制。

31、进一步地，所述四自由度跨尺度压电微纳定位平台包括沿x轴平移部件，沿y轴平移部件，绕x轴转动部件和绕y轴转动部件，这四个部件可独立且协同实现沿x，y方向的平移运动和绕x轴和y轴的旋转运动。

32、进一步地，加工单个微点结构时，四自由度跨尺度压电微纳定位平台保持位置恒定；

33、加工单个平面微纳结构时，依据结构形状在其各自运动轴上的分解情况，沿x轴平移部件和沿y轴平移部件进行协同运动；

34、加工单个曲面微纳结构时，依据待加工微纳结构的曲率和方向，并结合多维压电操控器的深度控制，沿x轴平移部件，沿y轴平移部件，绕x轴转动部件和绕y轴转动部件进行协同运动；

35、加工阵列结构时，首先依据上述规划加工单个微纳结构，然后沿x轴平移部件，沿y轴平移部件依据阵列结构的间隔进行分度运动。

36、本发明的有益效果：

37、本发明提出了一种多适应性的全压电跨尺度多维微纳刻划加工系统，通过多维压电操控器与跨尺度压电微纳定位平台的结构设计与控制配合，一方面实现了在微小曲面或回转球面等特殊表面进行微纳加工，扩展了微纳机械加工的范围，并提出了针对特殊形状表面加工系统的自由度配置形式；另一方面可根据加工维度要求，进行振动辅助加工，实现了微纳刻划结构的三维可控加工，并提出了振动辅助加工的实现形式。总而言之，本发明的一种多适应性的全压电跨尺度多维微纳刻划加工系统及方法实现了在微小曲面或回转球面等特殊表面进行微纳加工，同时具备微纳刻划加工结构的三维可控的优势，且基于该系统的微纳加工成本低，加工样品适应性广，加工范围大，这些优势将有力地支持其在微纳刻划加工领域中得以广泛应用。

38、本发明方法能够实现跨尺度的微纳加工，且具有所用设备成本低，加工样品适应性广的优势。

39、本发明拟通过构建基于跨尺度多维压电操控技术的微纳加工系统，实现复杂表面结构的高效精准微纳加工。