CN104152979B - 一种电解蚀刻头和数控电解蚀刻系统及蚀刻方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了电解蚀刻头和数控电解蚀刻系统及蚀刻方法，电解蚀刻头包括刻头本体，刻头本体上具有多个贯穿其上下表面的通孔和多个金属触点；刻头本体的下表面具有凹陷部，多个金属触点的一端位于该凹陷部内。多个独立的金属触点，方便蚀刻过程中单独控制，蚀刻更效率更高。电解蚀刻系统包括电解蚀刻头，中央控制器，刻头控制器，电解液，高频脉冲电解电源，X,Y,Z轴三个电机，X,Y,Z轴三个电机驱动器；中央控制器分别通过向X,Y,Z轴电机驱动器发送控制指令控制X,Y,Z轴电机，X,Y,Z轴电机分别带动电解蚀刻头在X,Y,Z轴方向移动，刻头控制器控制多个金属触点的通断电。该系统结构简单，使用方便，生产成本低。

Description

一种电解蚀刻头和数控电解蚀刻系统及蚀刻方法

技术领域

本发明涉及电解蚀刻技术领域，具体指一种电解蚀刻头和数控电解蚀刻系统及蚀刻方法。

背景技术

目前市场上的电解蚀刻头包括一个整体的极板作为触点，采用这种电解蚀刻头进行蚀刻时与化学蚀刻的工艺相同。

目前市场上的金属蚀刻，就是在金属上蚀刻各种文字 花纹 等各工艺图案，都要经过以下几个工序： 1：设计：用电脑设计所需要的各种图案。2：出菲林图片：菲林用来晒丝网，此工序有大量的银离子排放，污染严重，投资大。3：绷网：将丝印用的丝绢用专有的设备拉紧固定在网框上。拉的不均匀直接影响丝印质量。4：制作丝印网版，将网框上的丝网清洗干净，用烘箱烘干，用上胶器均匀的涂上感光胶，再用烘箱烘干，再重复一到二次涂上感光胶，烘干。将菲林图片覆在有感光胶的丝网上，固定在晒网机上曝光，用显影机冲洗出图形，烘干。5：抛光清洗：将工件用设备进行抛光清洗，清除工件表面上的油污，汗迹等杂质提高丝印效果。6：丝印：将工件放到丝印机上印刷图形，把不需要蚀刻的地方用专用油墨保护起来，印好图形后将工件放入烘箱烘干油墨。取出后用小刀和专用修版笔修理图形，修好后再烘干固化油墨。7：蚀刻：蚀刻有多种方法，A：化学蚀刻，用王水或三氯化铁或其他专用的蚀刻液，每一种金属都需要不同的丝印油墨和蚀刻液，否则损坏工件。此法污染非常严重。需专用的蚀刻机。B：电解蚀刻，用电解蚀刻机，用电解液和电解电源将油墨没有覆盖的地方电解掉，大型的电解蚀刻机非常贵，C：物理法，用高压喷枪喷出小沙粒撞击工件裸露部分，达到雕刻的目的，此法的油墨和设备都很贵，报废率高。8：脱膜：蚀刻完后将工件放入脱膜机内，用氢氧化钠溶液将工件上的油墨去掉，此工序有污染物排放。

传统的蚀刻工艺设备投资非常大，主要设备有大型激光照排机，大型绷网机，晒网机，显影机，烘箱，抛光生产线，丝印生产线，蚀刻生产线，脱膜生产线，空气压缩机及净化冷干系统等等，若生产蚀刻门板，电梯板或其他大型板材，全部都要大型设备。园柱型工件，卷料工件等异型工件还需要增加其他很多专用设备。传统的蚀刻工艺所用的化工材料也非常多如：显影液，定影液，感光胶，脱膜剂，硫酸，盐酸，硝酸，三氯化铁，油墨，环己酮，丙酮，油墨稀释剂，双氧水，氢氧化钠，碳酸钠，氨水，氯化氨等等都是污染物，使用时风险很高，影响工人身体健康，对环境有很大的影响。同时需要消耗大量电力和水，每一台设备每一个工序都需要技术人员。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单，生产成本低，并且使用方便的电解蚀刻头。

第二个目的是提供一种工序简单，对环境污染小，生产成本低的数控型多点电解蚀刻。

第三个目的是提供一种采用蚀刻方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种电解蚀刻头，包括刻头本体，其特征在于：所述刻头本体上具有多个贯穿其上下表面的通孔和多个金属触点；所述刻头本体的下表面具有凹陷部，所述多个金属触点的一端位于该凹陷部内，多个金属触点的另一端位于刻头本体的上表面。

电解蚀刻系统，包括上述方案中的电解蚀刻头，中央控制器，电解液，高频脉冲电解电源，X轴电机，X轴电机驱动器，Y 轴电机，Y轴电机驱动器，Z轴电机和Z轴电机驱动器；所述中央控制器的X轴控制命令输出端与X轴电机驱动器的控制信号输入端连接，X轴电机驱动器的驱动信号输出端与X轴电机的控制命令输入端连接，X轴电机的输出端与电解蚀刻头连接，带动电解蚀刻头在X轴上移动；所述中央控制器的Y轴控制命令输出端与Y轴电机驱动器的控制信号输入端连接，Y轴电机驱动器的驱动信号输出端与Y轴电机的控制命令输入端连接，Y轴电机的输出端与电解蚀刻头连接，带动电解蚀刻头在Y轴上移动；所述中央控制器的Z轴控制命令输出端与Z轴电机驱动器的控制信号输入端连接，Z轴电机驱动器的驱动信号输出端与Z轴电机的控制命令输入端连接，Z轴电机的输出端与电解蚀刻头连接，带动电解蚀刻头在Z轴上移动；所述刻头控制器具有一个刻头触点控制信号输入端和多个刻头触点控制信号输出端，所述刻头触点控制信号输出端的数量与所述刻头本体上金属触点的数量相等，刻头控制器的刻头触点控制信号输入端与中央控制器刻头触点控制命令输出端连接，刻头控制器的刻头触点控制信号输出端与电解蚀刻头的信号输入端一一对应连接；刻头控制器用于控制电解蚀刻头中金属触点的通断电；所述电解蚀刻头用于在工件蚀刻面上进行蚀刻，电解蚀刻头与工件蚀刻面之间充满电解液。

作为优化，所述电解液为饱和NaCL溶液和添加剂，所述添加剂为氯化铵和氯化钾，其中，氯化铵与电解液的质量体积之比为5~6g：1L，氯化钾与电解液的质量体积之比为5~6g：1L。

一种数控电解蚀刻方法，采用权利上述的电解蚀刻系统对工件进行电解蚀刻，具体步骤如下：

S1：向中央控制器输入需要在工件上蚀刻的图形，建立坐标系，选择原点O；

S2：根据S1中的图形，提取构成图形的所有点Q _i ，i =1 ， 2 ， … ， N的三维坐标，q _ix ，q _iy ，q _iz ；

S3：自上而下进行蚀刻，设定z 坐标的取值，确定一个与Z轴平行的面P_j，j=1 ，2 ， … ， Q ， z坐标的最大取值z _max =max{ q _iz ，i = 1 ， 2 ，… ， N }，z坐标的最小取值z _min ={ q _iz ， i =1 ， 2 ，… ， N }，再通过面P_j与步骤S1确定的图形之间重叠区域确定z坐标每个取值确定的蚀刻区域；

S4：设z=z _max ，j=1 ，预设c的值；

S5：确定与Z轴平行的面P_j，再确定面P_j与步骤S1确定的图形之间重叠区域，该重叠区域即为蚀刻区域；

S6：所述中央控制器向X轴电机驱动器发送控制指令，X轴电机驱动器将接收的控制命令转化为X轴电机驱动命令驱动X轴电机工作，X轴电机带动电解蚀刻头在X轴上移动；中央控制器向Y轴电机驱动器，Y轴电机驱动器将接收的控制命令转化为Y轴电机驱动命令驱动Y轴电机工作，Y轴电机带动电解蚀刻头在Y轴上移动；使得电解蚀刻头遍历步骤S5确定的蚀刻区域中的所有点；

S7：令z=z _max -c，j=j+1；

S8：当z=z _min ， 时，执行步骤S9，否则继续执行S5；

S9：将蚀刻出的图形与步骤S1中向中央控制器输入的图形作比对，如果图形相同，则结束；如果不同则返回S4。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明提供的电解蚀刻头相比现有的电解极板，将整体的电解极板变成多个独立的金属触点，方便蚀刻过程中进行单独控制，更加方便，蚀刻更效率更高。

2、本发明提供的电解蚀刻系统结构简单，使用方便，而且生产成本低。

3、本发明提供的数控电解蚀刻方法只需要一个的简单工序，由于电解液中的NaCL和添加剂，只起导电作用不参加化学反应不消耗，一次添加可用多年。不消耗任何化工材料，只需要少量的水和电，更重要的只排放少量的氧气和氢气，环境污染低。另外该方法还大大提高工作效率，不需专业技术，有着巨大的经济效益和社会效益，做到环保，低碳，高效。

附图说明

图1为刻头本体的上表面结构示意图。

图2为刻头本体的下表面结构示意图。

图3为本发明电解蚀刻系统的原理框图。

图中，X轴电机驱动器1，X轴电机11，Y轴电机驱动器2，Y 轴电机21，Z轴电机驱动器3， Z轴电机31，电解蚀刻头4，电解液5，高频脉冲电解电源6，工件7；刻头本体8，中央控制器10，凹陷部12，通孔13，金属触点14。

具体实施方式

下面对结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1: 参见图1和图2，一种电解蚀刻头，包括刻头本体（图1和图2中刻头本体为长方体，具体实施时，刻头本体可以为各种形状），刻头本体上具有多个贯穿其上下表面的通孔和多个金属触点；具体实施时，可以使多个通孔将多个金属触点包围住，便于使用时电解液充满金属触点与工件之间区域。所述刻头本体的下表面具有凹陷部，所述多个金属触点的一端位于该凹陷部内，多个金属触点的另一端位于刻头本体的上表面，凹陷部的设置是为了防止金属触点与工件表面接触，产生短路的问题。

实施例2:参见图3， 电解蚀刻系统，包括实施例1中限定的电解蚀刻头，中央控制器，电解液，高频脉冲电解电源，X轴电机，X轴电机驱动器，Y 轴电机，Y轴电机驱动器，Z轴电机和Z轴电机驱动器；

中央控制器的X轴控制命令输出端与X轴电机驱动器的控制信号输入端连接，X轴电机驱动器的驱动信号输出端与X轴电机的控制命令输入端连接，X轴电机的输出端与电解蚀刻头连接，带动电解蚀刻头在X轴上移动。

中央控制器的Y轴控制命令输出端与Y轴电机驱动器的控制信号输入端连接，Y轴电机驱动器的驱动信号输出端与Y轴电机的控制命令输入端连接，Y轴电机的输出端与电解蚀刻头连接，带动电解蚀刻头在Y轴上移动。

所述中央控制器的Z轴控制命令输出端与Z轴电机驱动器的控制信号输入端连接，Z轴电机驱动器的驱动信号输出端与Z轴电机的控制命令输入端连接，Z轴电机的输出端与电解蚀刻头连接，带动电解蚀刻头在Z轴上移动。

所述刻头控制器具有一个刻头触点控制信号输入端和多个刻头触点控制信号输出端，所述刻头触点控制信号输出端的数量与所述刻头本体上金属触点的数量相等，刻头控制器的刻头触点控制信号输入端与中央控制器刻头触点控制命令输出端连接，刻头控制器的刻头触点控制信号输出端与电解蚀刻头的信号输入端一一对应连接（具体地通过导线连接）；刻头控制器用于控制电解蚀刻头中金属触点的通断电；电解蚀刻头用于在工件蚀刻面上进行蚀刻，电解蚀刻头与工件蚀刻面之间充满电解液。

具体地，可以将电解液储存在电解槽中，刻头本体每个通孔均连接有一个电解液输送管，电解液输送管的自由端设置在电解槽中，在电解槽内设置一个泵，通过泵将电解槽中的电解液通过电解液输送管抽出，然后从刻头本体上的通孔中流出，从而使电解蚀刻头与工件的蚀刻面充满电解液（导线与刻头触点的连接处以及电解液输送管与通孔的连接处位于刻头本体的同一侧）。根据需在工件上蚀刻的图案，通过刻头控制器控制多个金属触点中的部分触点通电，开始蚀刻。

在电解蚀刻头在工件蚀刻面进行蚀刻的过程中，工件表面掉落的金属粉末被电解，电解液中会慢慢悬浮金属离子，当悬浮的金属离子越来越多时，就有可能将电解蚀刻头堵塞，从而无法继续蚀刻，因此解液为饱和NaCL溶液和添加剂，所述添加剂为氯化铵和氯化钾，其中，氯化铵与电解液的质量体积之比为5~6g：1L，氯化钾与电解液的质量体积之比为5~6g：1L。添加剂的作用是与悬浮在电解液中的金属离子结合产生沉淀，尽可能地避免悬浮的金属离子堵塞电解蚀刻头。

实施例3：一种数控电解蚀刻方法，采用实施例2所述的电解蚀刻系统对工件进行电解蚀刻，具体步骤如下：

S1：向中央控制器输入需要在工件上蚀刻的图形，建立坐标系，选择原点O；

S2：根据S1中的图形，提取构成图形的所有点Q _i ，i =1 ， 2 ， … ， N的三维坐标，q _ix ，q _iy ，q _iz ；

S3：自上而下进行蚀刻，设定z 坐标的取值，确定一个与Z轴平行的面P_j ，j=1 ， 2 ， … ， Q ，z坐标的最大取值z _max =max{ q _iz ，i=1 ， 2 ， … ， N}，z坐标的最小取值z _min ={q _iz ，i =1 ， 2 ， … ， N }，再通过面P_j与步骤S1确定的图形之间重叠区域确定z 坐标每个取值确定的蚀刻区域；

S4：设z =z _max ， j=1，预设c的值（c值的大小根据经验进行确定，其含义指的是每层蚀刻的深度）；

S5：确定与Z轴平行的面P_j，再确定面P_j与步骤S1确定的图形之间重叠区域，该重叠区域即为蚀刻区域；

S6：所述中央控制器向X轴电机驱动器发送控制指令，X轴电机驱动器将接收的控制命令转化为X轴电机驱动命令驱动X轴电机工作，X轴电机带动电解蚀刻头在X轴上移动；中央控制器向Y轴电机驱动器，Y轴电机驱动器将接收的控制命令转化为Y轴电机驱动命令驱动Y轴电机工作，Y轴电机带动电解蚀刻头在Y轴上移动；使得电解蚀刻头遍历步骤S5确定的蚀刻区域中的所有点;

S7：令z =z _max -c ，j=j+1；

S8：当z =z _min ，时，执行步骤S9，否则继续执行S5；

S9：将蚀刻出的图形与步骤S1中向中央控制器输入的图形作比对，如果图形相同，则结束；如果不同则返回S4。

遍历同一蚀刻区域中的所有点即完成该蚀刻区域的蚀刻（在同一蚀刻区域中所有点的z坐标均相同）。具体实施时，可以采用下述方法：

方法一：

步骤1：设同一蚀刻区域中共有M个点，确定M个点中y坐标的最大值和最小值；

步骤2：令m=1；

步骤3：X轴电机带动电解蚀刻头在X轴上移动至第m个点；

步骤4：Y轴电机带动电解蚀刻头在Y轴上移动，从M个点中y坐标的最小值对应的点移动至y坐标的最大值的对应的点；

步骤5：m=m+1；

步骤6：m=M时，结束，否则继续执行步骤3。

方法二：

步骤1：设同一蚀刻区域中共有M个点，确定M个点中x坐标的最大值和最小值；

步骤2：令m=1；

步骤3：Y轴电机带动电解蚀刻头在Y轴上移动至第m个点；

步骤4：X轴电机带动电解蚀刻头在X轴上移动，从M个点中x坐标的最小值对应的点移动至x坐标的最大值的对应的点；

步骤5：m=m+1；

步骤6：m=M时，结束，否则继续执行步骤3。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.电解蚀刻系统，其特征在于：包括电解蚀刻头，中央控制器，刻头控制器，电解液，高频脉冲电解电源，X轴电机，X轴电机驱动器，Y 轴电机，Y轴电机驱动器，Z轴电机和Z轴电机驱动器；

所述电解蚀刻头包括刻头本体，所述刻头本体上具有多个贯穿其上下表面的通孔和多个金属触点；所述刻头本体的下表面具有凹陷部，所述多个金属触点的一端位于该凹陷部内，多个金属触点的另一端位于刻头本体的上表面；

所述中央控制器的X轴控制命令输出端与X轴电机驱动器的控制信号输入端连接，X轴电机驱动器的驱动信号输出端与X轴电机的控制命令输入端连接，X轴电机的输出端与电解蚀刻头连接，带动电解蚀刻头在X轴上移动；

所述中央控制器的Y轴控制命令输出端与Y轴电机驱动器的控制信号输入端连接，Y轴电机驱动器的驱动信号输出端与Y轴电机的控制命令输入端连接，Y轴电机的输出端与电解蚀刻头连接，带动电解蚀刻头在Y轴上移动；

所述中央控制器的Z轴控制命令输出端与Z轴电机驱动器的控制信号输入端连接，Z轴电机驱动器的驱动信号输出端与Z轴电机的控制命令输入端连接，Z轴电机的输出端与电解蚀刻头连接，带动电解蚀刻头在Z轴上移动；

所述刻头控制器具有一个刻头触点控制信号输入端和多个刻头触点控制信号输出端，所述刻头触点控制信号输出端的数量与所述刻头本体上金属触点的数量相等，刻头控制器的刻头触点控制信号输入端与中央控制器刻头触点控制命令输出端连接，刻头控制器的刻头触点控制信号输出端与电解蚀刻头的信号输入端一一对应连接；刻头控制器用于控制电解蚀刻头中金属触点的通断电；

所述电解蚀刻头用于在工件蚀刻面上进行蚀刻，电解蚀刻头与工件蚀刻面之间充满电解液。

2.如权利要求1所述的电解蚀刻系统，其特征在于：所述电解液为饱和NaCL溶液和添加剂，所述添加剂为氯化铵和氯化钾，其中，氯化铵与电解液的质量体积之比为5~6g：1L，氯化钾与电解液的质量体积之比为5~6g：1L。

3.一种数控电解蚀刻方法，其特征在于：采用权利要求1或2所述的电解蚀刻系统对工件进行电解蚀刻，具体步骤如下：

S1：向中央控制器输入需要在工件上蚀刻的图形，建立坐标系，选择原点O；

S2：根据S1中的图形，提取构成图形的所有点Q _i ，i=1， 2 ，… ， N的三维坐标，q _ix ， q _iy ，q _iz ；

S3：自上而下进行蚀刻，设定z坐标的取值，确定一个与Z轴平行的面P_j，j=1 ， 2 ， … ， Q ，z坐标的最大取值z _max =max{ q _iz ，i = 1 ， 2 ， … ， N }，z坐标的最小取值z _min ={ q _iz ，i=1 ， 2 ，… ， N}，再通过面P_j与步骤S1确定的图形之间重叠区域确定z坐标每个取值确定的蚀刻区域；

S4：设z=z _max ， j=1，预设c的值；

S5：确定与Z轴平行的面P_j，再确定面P_j与步骤S1确定的图形之间重叠区域，该重叠区域即为蚀刻区域；

S6：所述中央控制器向X轴电机驱动器发送控制指令，X轴电机驱动器将接收的控制命令转化为X轴电机驱动命令驱动X轴电机工作，X轴电机带动电解蚀刻头在X轴上移动；中央控制器向Y轴电机驱动器，Y轴电机驱动器将接收的控制命令转化为Y轴电机驱动命令驱动Y轴电机工作，Y轴电机带动电解蚀刻头在Y轴上移动；使得电解蚀刻头遍历步骤S5确定的蚀刻区域中的所有点；

S7：令z=z _max -c，j=j+1；

S8：当z=z _min ，时，执行步骤S9，否则继续执行S5；

S9：将蚀刻出的图形与步骤S1中向中央控制器输入的图形作比对，如果图形相同，则结束；如果不同则返回S4。