CN104909550B - 双端驱动的玻璃微喷嘴加工装置及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双端驱动的玻璃微喷嘴加工装置及其加工方法，通过设置两个对称布置的驱动机构带动玻璃管两端的玻璃管夹持装置同时向相反的方向移动，实现玻璃管的拉制过程，在拉断点两端形成两个结构对称的微喷嘴。接着可以控制加热器移动到玻璃管拉断点两端的相应位置加热喷嘴，完成两玻璃喷嘴的锻制过程。再由磨制装置对玻璃喷嘴进行磨制加工，使喷嘴达到所要求的形状。本发明由于通过双端拉制，可以获得两个完全相同的玻璃喷嘴，提高材料利用率及生产效率，操作简单，很好的解决了以往生产效率低，材料利用率低，精度差的问题。

Description

双端驱动的玻璃微喷嘴加工装置及其加工方法

技术领域

本发明属于微米（纳米）级玻璃喷嘴制作领域，尤指涉及一种双端驱动的玻璃微喷嘴加工装置及其加工方法。

背景技术

微喷嘴是微滴喷射技术中最为关键的部件之一，直径大小、流道形状及内壁表面质量决定了微液滴的直径和喷射能力。微喷嘴的制作方法有光刻法、电铸法、微电火花（化学）加工法、玻璃管拉制法等。拉制法制作玻璃微喷嘴时，是通过控制玻璃材料的变形长度及各部分的加热时间，得到具有不同孔径和锥度的玻璃管。

拉制法制作的玻璃微喷嘴具有较低的流体阻力和良好的生物样品兼容性，可满足微滴喷射和生物芯片微阵列制作的要求，可以制作出针尖内径为微米甚至纳米级别的微喷嘴，而经过锻制的玻璃微喷嘴，则通过加热处理拉制出的微喷嘴，消除微喷嘴在拉制过程中形成的残余应力。

目前，拉制法微喷嘴制作装置有垂直或水平布置的拉针仪、锻针仪。拉针仪有水平式、垂直式，制作微喷嘴的方式一般依靠气动力、电磁力、重力等将加热的玻璃管道从中部拉开；拉制后的玻璃管形成细长的流体通道，为了控制玻璃微喷嘴的长度，一般还需要将拉制的玻璃微管道经过磨制的过程。锻制仪的工作过程为将玻璃管道或经过拉制的微喷嘴出口处加热，由于粘度降低表面张力作用使玻璃发生残余变形，端口收缩，形成所需的几何形状。同时这些操作均需要特定几何形状的玻璃喷嘴，要求微喷嘴一致性良好，以实现可重复性实验。所以需要制作出高度自动化、操作简单的微喷嘴制作仪，节省劳力和工作时间，摆脱对操作熟练性的依赖；需要制作出几何形状、应力性质等使用特性一致良好的微喷嘴，以取得良好应用效果，需要将拉制和锻制微喷嘴集合至同一台仪器，进行拉制、高温抛光、锻制等操作，需要能够实现二次拉制制作微喷嘴，以得到大锥度的微喷嘴。

为了解决这个问题，国内的研究人员做了相关研究工作，如中国专利号201210123632.8的设计思路是将玻璃微针局部加热并拉伸，以形成出口处内径比较小的微喷嘴，通过改变拉力等操作来控制微针几何形状，虽然该专利中提出了一种可以同时进行拉制和锻制的自动化微喷嘴制作仪，但该发明只是集成了玻璃管拉制和玻璃微针锻制的过程，并没有集成玻璃微喷嘴磨制的装置，因此所制得的微喷嘴长度不能控制。

此外，现有的玻璃管道拉制装置都是一端固定，另外一端为活动，而在拉制过程中，热源却固定不动，因此拉断点会偏离热源，导致玻璃管道拉断点两端变形为非对称结构，两端长度不一样。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种双端驱动的玻璃微喷嘴加工装置，通过该方法及装置可以使拉制的玻璃管双端对称变形，形成两个一致的玻璃微喷嘴。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种将拉制、锻制及磨制集合在一台机器中的双端驱动的玻璃微喷嘴加工装置。

本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种上述加工装置的加工方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：

一种双端驱动的玻璃微喷嘴加工装置，包括玻璃管夹持装置、玻璃管拉制运动装置、加热器装置及控制装置；该玻璃管夹持装置夹持固定玻璃管的两端；该玻璃管拉制运动装置设有两个分别带动玻璃管两端并向两端运动的驱动机构；所述的加热器装置设置在玻璃管拉制运动装置的一侧，其包括具有环形加热孔的加热器，该加热孔使用时套在玻璃管的中央。

优选地，进一步包括可带动所述的加热器装置沿玻璃管的轴线方向上移动的锻制运动装置。

优选地，进一步包括磨制装置，该磨制装置设置在所述玻璃管拉制运动装置的另一侧，其包括磨削装置以及可带动磨削装置移动的磨制运动装置；该磨削装置由砂轮及电机组成。

优选地，所述的玻璃管夹持装置包括分别夹持玻璃管两端的第一上压板、第一下压板以及第二上压板、第二下压板；在两个下压板上设置有用于放置玻璃管的V形槽。

优选地，所述玻璃管拉制运动装置的两个驱动机构包括步进电机、滚珠丝杆以及丝杆螺母，该丝杆螺母与所述的玻璃管夹持装置相连。

优选地，所述的锻制运动装置包括步进电机、滚珠丝杆以及丝杆螺母，该丝杆螺母与所述的加热器装置直接或者间接连接。

优选地，所述的加热器装置还设置有用于对加热器位置进行微调的加热器微调装置；加热器微调装置包括Z方向位置微调仪及XY方向位置微调仪，该加热器微调装置设置在锻制运动装置上。

优选地，所述的磨制运动装置包括步进电机、滚珠丝杆以及丝杆螺母，该丝杆螺母与所述的磨削装置直接或者间接连接；该磨制运动装置还包括砂轮微调装置，其包括XY方向位置微调仪和Z方向位置微调仪。

一种采用上述加工装置的加工方法，包括如下步骤：

步骤一，选择加热器：根据玻璃管的外径选择具有相应加热孔的加热器；

步骤二，装夹玻璃管：将玻璃管的两端装夹到玻璃管夹持装置上；

步骤三，校正：在装夹好玻璃管后，运行机器，通过位置微调按钮控制加热器微调装置调节加热器与玻璃管之间的相对位置，使加热孔的轴线与玻璃管轴线重合；

步骤四，拉制：待装夹和调节好玻璃管后，加热器开始加热，当加热丝达到设定温度时，保持该温度继续加热，同时控制装置的控制器控制玻璃管拉制运动装置的两个步进电机同时拉动玻璃管向两端运动直至拉断，拉断处形成两个玻璃微喷嘴，完成拉制过程；

步骤五，锻制：拉制完后锻制运动装置带着加热器先后运动到玻璃管断开的两端的相应位置对玻璃微喷嘴进行加热，锻制过程中观察玻璃管的闭合锥度，当锥度达到合适值即停止加热，完成喷嘴的锻制过程；待两端喷嘴均锻制好后，加热器微调装置带动加热器沿着与玻璃管轴线垂直的方向运动，远离玻璃管；

步骤六，磨制：由磨制运动装置带动砂轮运动到相应位置，对锻制好的喷嘴进行磨制加工，将喷嘴尖端的封闭区域去除，磨出想要的喷嘴内径。

一种双端驱动的玻璃微喷嘴加工方法，通过设置两个对称布置的驱动机构带动玻璃管两端的玻璃管夹持装置同时向相反的方向移动，实现玻璃管的拉制过程，在拉断点两端形成两个结构对称的微喷嘴。

采用上述方案后，本发明与现有玻璃微喷嘴制作方式相比，由于采用了双端驱动的方式对玻璃管进行拉制，拉制过程中因对称运动，拉断点位置始终处于加热器内容，玻璃管受热均匀，拉制速度和加热速度可控，形成的两个玻璃微喷嘴结构对称，因此可同时实现两个形状一致的玻璃微喷嘴的制作，提高了玻璃微喷嘴的制作效率和材料利用率。

同时，本发明采用可控移动的加热装置，可实现玻璃微喷嘴的在原位加热煅烧，无需二次装夹，还可进一步控制玻璃微喷嘴的长度、锥度等结构尺寸。

此外，本发明进一步设置了砂轮磨削装置，可实现玻璃微喷嘴的在位磨削；结合加热装置和磨削装置，可完成玻璃微喷嘴的拉制、煅烧、磨削等过程，实现玻璃微喷嘴的全自动加工。

再者，本发明可以通过单片机控制步进电机的运动，可实现精确的运动方式控制，显著提高控制的灵活性，同时相对于其它电机的控制方式，其结构简单，在对现场要求较高的场合，该装置的适用性相对其它装置好。

由于整个装置在运动部分采用了对称的结构，所以其在玻璃管锻制过程中减少了由于结构不对称而产生的系统内部的影响因素，提高了锻制结果的精度。

在整体的外形上，本发明所述装置采用控制箱（底座）和拉制结构集成于一体，有效降低了外部因素的干扰，同时使得其体积减小。

所以，本发明所述的微喷嘴制作装置能够制作出适用于多种不同场合的玻璃微针。

附图说明

图1是本发明所述装置的立体结构示意图；

图2是本发明所述装置的俯视结构示意图；

图3是本发明所述装置的玻璃管夹持与拉制运动结构示意图；

图4是本发明所述装置的加热器夹持与锻制运动结构示意图；

图5是本发明所述装置的磨制运动结构示意图；

图6是本发明所述装置的底座与控制器示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

本发明所揭示的是一种双端驱动的玻璃微喷嘴加工方法：通过设置两个对称布置的驱动机构带动玻璃管两端的玻璃管夹持装置同时向相反的方向移动，实现玻璃管的拉制过程，在拉断点两端形成两个结构对称的微喷嘴。

本发明还揭示了一种双端驱动的玻璃微喷嘴加工装置，参见图1至图6所示，为本发明的较佳实施例。所述的加工装置包括玻璃管夹持装置1、玻璃管拉制运动装置2、加热器装置3、锻制运动装置4、磨制装置5、控制装置6以及底座7。其中：

所述的玻璃管夹持装置1用于夹持固定玻璃管的两端，其可以采用之种结构实现。本实施例中，该玻璃管夹持装置1包括分别夹持玻璃管8两端的第一上压板11、第一下压板12以及第二上压板13、第二下压板14。为了玻璃管的稳固夹持，可以在两个下压板12、14上设置V形槽，玻璃管8放在下压板的V形槽中，再用上压板固定夹紧。上压板可以通过螺栓固定于下压板上。

所述的玻璃管拉制运动装置2包括两个分别带动所述两个下压板12、14向玻璃管8两端运动的第一驱动机构21和第二驱动机构22。所述的第一驱动机构21包括步进电机211、由步进电机211带动旋转的滚珠丝杆212以及与滚珠丝杆212配合的丝杆螺母（图中未示出），该丝杆螺母与玻璃管夹持装置1相连，本实施例是与所述的第一下压板12直接或者间接连接。进一步的，所述的步进电机211与滚珠丝杆212之间通过联轴器213连接；所述滚珠丝杆212两端通过轴承214支撑固定；所述的下压板固定在一夹持装置连接板215上，所述的丝杆螺母固定在该夹持装置连接板215上，从而使丝杆螺母与所述的下压板间接连接在一起。所述的第二驱动机构22的结构与第一驱动机构21的结构相同，不再详细描述。还进一步设置导向机构23，该导向机构23包括导轨231及可在该导轨231上滑移的滑块232，该滑块232可以直接固定在所述的两个下压板12、14上，对于设置有夹持装置连接板215的结构，该滑块23则可以固定在该夹持装置连接板215上。又进一步设置一固定板24，该固定板24用于支撑固定整个装置，即所述的步进电机211、轴承214、导轨231均通过螺栓固定于该固定板24上。

所述的加热器装置3设置在玻璃管拉制运动装置2一侧，其包括具有环形加热孔的加热器31以及用于固定该加热器31的加热器连接板32，该加热孔使用时套在玻璃管8的中央。进一步的，该加热器装置3还设置有用于对加热器31位置进行微调的加热器微调装置33，所述的加热器连接板32固定在该加热器微调装置33上。该加热器微调装置33可以包括Z方向位置微调仪331及XY方向位置微调仪332。所述的加热器连接板32可以直接固定在所述的锻制运动装置4上，也可以通过所述的加热器微调装置33间接固定于锻制运动装置4上。

还可以进一步设置锻制运动装置4，该锻制运动装置4用以带动所述的加热器装置3沿玻璃管8的轴线方向上移动，其可以采用多种结构实现。本实施例中，该锻制运动装置4包括步进电机41、由步进电机41带动旋转的滚珠丝杆42以及与滚珠丝杆42配合的丝杆螺母（图中未示出），该丝杆螺母与所述的加热器装置3直接或者间接连接。进一步的，所述的步进电机41和滚珠丝杆42通过联轴器43连接；所述的滚珠丝杆42两端通过轴承44支撑固定。所述的加热器装置3可以固定一个锻制连接板45上，所述的丝杆螺母固定在该锻制连接板45上，从而将丝杆螺母与所述的加热器装置3间接连接在一起。还进一步包括导向机构，该导向机构包括导轨46及可在该导轨46上滑移的滑块47，该滑块47可以直接固定在所述的加热器装置3上，对于设置有锻制连接板45的结构，该滑块47则可以固定在该锻制连接板45上。又进一步设置有一锻制固定板48，该锻制固定板48用于支撑固定整个装置，即所述的步进电机41、轴承44、导轨46均通过螺栓固定于该锻制固定板48上。在喷嘴拉制完成以后，步进电机41驱动滚珠丝杆42带动加热器装置3先后向两端运动，对拉断点两端的玻璃微喷嘴分别进行锻制加工。

为了精确的控制喷嘴锥度处的长度，需要进一步设置磨制装置5。该磨制装置5设置在玻璃管拉制运动装置2的另一侧，其包括磨削装置51以及可带动磨削装置移动的磨制运动装置52。所述的磨削装置51由砂轮511及电机512组成。所述的磨制运动装置52可以通过多种结构实现，本实施例中，该磨制运动装置52包括步进电机521、由步进电机521带动旋转的滚珠丝杆522以及与滚珠丝杆522配合的丝杆螺母（图中未示出），该丝杆螺母与所述的磨削装置51直接或者间接连接。进一步的，所述的步进电机521和滚珠丝杆522通过联轴器523连接；所述的滚珠丝杆522两端通过轴承524支撑固定。所述的磨削装置51可以直接或间接固定一个磨制连接板525上，所述的丝杆螺母固定在该磨制连接板525上，从而将丝杆螺母与所述的磨削装置51间接连接在一起。该磨制运动装置52还可以进一步包括导向机构，该导向机构包括导轨526及可在该导轨526上滑移的滑块527，该滑块527可以直接固定在所述的磨削装置51上，对于设置有磨制连接板525的结构，该滑块527则可以固定在该磨制连接板525上。又进一步设置有一磨制固定板53，该磨制固定板53用于支撑固定整个装置，即所述的步进电机521、轴承524、导轨526均通过螺栓固定于该磨制固定板53上。所述的磨制运动装置52还包括砂轮微调装置，该砂轮微调装置可以安装在所述的磨制连接板525上，或者与上述丝杆螺母直接连接，其可以包括XY方向位置微调仪528和Z方向位置微调仪529。所述的磨制装置5主要通过步进电机521驱动滚珠丝杆522带动磨削装置51沿Y方向（与玻璃管轴线平行的方向）运动，再通过微调仪528、529进一步调节砂轮磨削喷嘴的位置，完成喷嘴的磨制工艺。

所述的控制装置6包括控制器（图中未示出，可以设置在底座7内），还包括启动按钮61、停止按钮62、位置微调按钮63及输入面板64。而各运动装置运动的相应位置是通过向控制器输入相应的参数来控制的。

所述的底座7用于支撑固定各装置。

本发明所述玻璃微喷嘴加工装置的加工方法如下：

步骤一，选择加热器：根据玻璃管8的外径选择具有相应加热孔的加热器31。加热孔和玻璃管8之间的间隙不可太大也不可太小：间隙太大热量不易集中，加热速度太慢，加热温度低，有时甚至出现拉不断的情况；间隙太小则安装不便，容易出现加热孔与玻璃管8不对心的情况。所以一般加热孔的直径应当比玻璃管8直径大1–2mm。

步骤二，装夹玻璃管：将玻璃管8的两端装夹到玻璃管夹持装置1上。

步骤三，校正：在装夹好玻璃管后，运行机器，通过位置微调按钮63控制加热器微调装置33调节加热器31与玻璃管8之间的相对位置，使加热孔的轴线与玻璃管轴线重合，否则拉出的玻璃微喷嘴会偏向一边，直度和方向性差。

步骤四，拉制：待装夹和调节好玻璃管8后，加热器31开始加热，当加热丝达到设定温度时，保持该温度继续加热，同时控制器控制玻璃管拉制运动装置2的两个步进电机同时拉动玻璃管8向两端运动直至拉断，拉断处形成两个玻璃微喷嘴，完成拉制过程。

步骤五，锻制：拉制好的玻璃微喷嘴并不封闭，所以需要进行锻制。拉制完后锻制运动装置4带着加热器31先后运动到玻璃管断开的两端的相应位置对玻璃微喷嘴进行加热，使喷嘴尖端闭合，锻制过程中可以通过放大镜来观察玻璃管的闭合锥度，当锥度达到合适值即停止加热，完成喷嘴的锻制过程。通常情况下玻璃管闭合的锥度在30º到45º之间，这样既可以使流道的变化长度减小，又可以保证流道的方向性。待两端喷嘴均锻制好后，加热器微调装置33带动加热器31沿着X方向（与玻璃管轴线垂直的方向）运动，远离玻璃管。

步骤六，磨制：由磨制运动装置52带动砂轮511运动到相应位置，对锻制好的喷嘴进行磨制加工，将喷嘴尖端的封闭区域去除，磨出想要的喷嘴内径，通过显微镜观察喷嘴内径来决定磨削是否完成。一般生物工程技术中的玻璃微针需要磨出一个斜面，而作为微滴喷射的喷嘴则需要磨出与玻璃管轴线垂直的平面。最后两步骤的位置及加工时间等参数是由控制器来控制。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故但凡依本发明的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。

Claims (5)

1.一种双端驱动的玻璃微喷嘴加工装置，其特征在于：包括玻璃管夹持装置（1）、玻璃管拉制运动装置（2）、加热器装置（3）及控制装置（6）；该玻璃管夹持装置（1）夹持固定玻璃管（8）的两端；该玻璃管拉制运动装置（2）设有两个分别带动玻璃管两端并向两端同步反向运动的驱动机构；所述的加热器装置（3）设置在玻璃管拉制运动装置（2）的一侧，其包括具有环形加热孔的加热器（31），该加热孔使用时套在玻璃管的中央；所述玻璃管在拉制后在拉断点两端形成两个结构对称的微喷嘴；所述的加热器装置（3）还设置有用于对加热器（31）位置进行微调的加热器微调装置（33）；加热器微调装置（33）包括Z方向位置微调仪（331）及XY方向位置微调仪（332），该加热器微调装置（33）设置在锻制运动装置（4）上；进一步包括可带动所述的加热器装置（3）沿玻璃管（8）的轴线方向上移动的锻制运动装置（4）；进一步包括磨制装置（5），该磨制装置设置在所述玻璃管拉制运动装置（2）的另一侧，其包括磨削装置（51）以及可带动磨削装置移动的磨制运动装置（52）；该磨削装置（51）由砂轮（511）及电机（512）组成；所述的磨制运动装置（52）包括步进电机（521）、滚珠丝杆（522）以及丝杆螺母，该丝杆螺母与所述的磨削装置（51）直接或者间接连接；该磨制运动装置（52）还包括砂轮微调装置，其包括XY方向位置微调仪（528）和Z方向位置微调仪（529）。

2.根据权利要求1所述的双端驱动的玻璃微喷嘴加工装置，其特征在于：所述的玻璃管夹持装置（1）包括分别夹持玻璃管（8）两端的第一上压板（11）、第一下压板（12）以及第二上压板（13）、第二下压板（14）；在两个下压板（12、14）上设置有用于放置玻璃管的V形槽。

3.根据权利要求1所述的双端驱动的玻璃微喷嘴加工装置，其特征在于：所述玻璃管拉制运动装置（2）的两个驱动机构包括步进电机、滚珠丝杆以及丝杆螺母，该丝杆螺母与所述的玻璃管夹持装置（1）相连。

4.根据权利要求1所述的双端驱动的玻璃微喷嘴加工装置，其特征在于：所述的锻制运动装置（4）包括步进电机（41）、滚珠丝杆（42）以及丝杆螺母，该丝杆螺母与所述的加热器装置（3）直接或者间接连接。

5.采用权利要求1-4之一所述的双端驱动的玻璃微喷嘴加工装置的加工方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一，选择加热器：根据玻璃管的外径选择具有相应加热孔的加热器；

步骤二，装夹玻璃管：将玻璃管的两端装夹到玻璃管夹持装置上；

步骤三，校正：在装夹好玻璃管后，运行机器，通过位置微调按钮控制加热器微调装置调节加热器与玻璃管之间的相对位置，使加热孔的轴线与玻璃管轴线重合；

步骤四，拉制：待装夹和调节好玻璃管后，加热器开始加热，当加热丝达到设定温度时，保持该温度继续加热，同时控制装置的控制器控制玻璃管拉制运动装置的两个步进电机同时拉动玻璃管向两端运动直至拉断，拉断处形成两个结构对称的玻璃微喷嘴，完成拉制过程；

步骤五，锻制：拉制完后锻制运动装置带着加热器先后运动到玻璃管断开的两端的相应位置对玻璃微喷嘴进行加热，锻制过程中观察玻璃管的闭合锥度，当锥度达到合适值即停止加热，完成喷嘴的锻制过程；待两端喷嘴均锻制好后，加热器微调装置带动加热器沿着与玻璃管轴线垂直的方向运动，远离玻璃管；

步骤六，磨制：由磨制运动装置带动砂轮运动到相应位置，对锻制好的喷嘴进行磨制加工，将喷嘴尖端的封闭区域去除，磨出想要的喷嘴内径。