CN109048853A - 一种四针集成式冷凝柔顺控制的微型构件操作装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种四针集成式冷凝柔顺控制的微型构件操作装置及方法，本发明涉及微型构件操作与微装配技术，本发明为了解决现有技术中毛细力操作方式一般是侧重单一的拾取或者释放进程，难以实现液体介质实时获取、柔顺姿态调整和释放一体化集成，导致操作失效的关键难题，它包括微型驱动电机、转接板、三个均布螺纹转接孔、集成式压电陶瓷驱动器、制冷转接件、中心轴连接件、探针转接件和集成式探针，微型驱动电机安装在转接板上，集成式压电陶瓷驱动器的一端轴向连接微型驱动电机，另一端固定连接探针转接件，集成式探针包括1号探针、2号探针、3号探针和主轴探针，探针转接件连接制冷转接件，本发明用于微型构件的柔顺拾取、姿态调整和释放的一体化操作。

Description

一种四针集成式冷凝柔顺控制的微型构件操作装置及方法

技术领域

本发明涉及微型构件的柔顺操作、装配领域，具体涉及一种四针集成式冷凝柔顺控制的微型构件操作装置及方法。

背景技术

微型构件（特征尺寸200µm—5mm）的操作技术是微机电系统制造、微器件装配的重要手段，通过柔顺操作途径，可在对质量轻、质地脆、粘附力的微型构件操作时，避免微型构件的损坏，以实现有效的操作进程，提高成功率。目前，常用的微型构件操作方法主要包括机械式夹持、真空吸附和粘着力控制方法。机械式夹持主要利用双指、三指或者是多指结构作为末端执行单元，利用指间开合夹持的摩擦力实现微型构件的操作。真空吸附的微型构件操作原理是通过吸头与待操作构件配合，利用真空负压作为抓取力，需要吸头和待操作构件的轮廓贴合，否则易漏气，破坏操作进程的稳定性。从主动利用微观作用力的角度，基于粘着力的控制的方法主要通过静电力、毛细作用力、范德华力实现。基于液体介质的毛细力操作方法具有操作柔顺性，可实现不同几何形状微构件的配合抓取，同时还具有自校准功能。现有的液体介质微型构件操作方法仅侧重单一的拾取或者释放进程，难以实现整个操作进程中液体介质的实时控制，以及拾取后的姿态调整，较难直接应用。随着当前微/纳操作机器人技术的快速发展，操作构件日益精细化、微型化。因此，开发新型的柔顺微型构件操作装置、方法与技术具有重要的理论意义和实际应用价值。

发明内容

本发明针对微型构件（特征尺寸200µm—5mm）液体介质柔顺操作中难以实现液体介质实时获取、柔顺姿态调整、释放一体化集成的关键难题，发明了一种四针集成式冷凝柔顺控制的微型构件操作装置及方法，通过四根冷凝探针的协同作用，实现柔顺操作和位姿调整，避免传统液体介质柔顺操作进程时的一体化不足，从而实现高效、可控微型构件操作。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：所述装置包括微型驱动电机、转接板、三个均布螺纹转接孔、集成式压电陶瓷驱动器、制冷转接件、中心轴连接件、探针转接件和集成式探针，微型驱动电机安装在转接板上，集成式压电陶瓷驱动器的一端轴向连接微型驱动电机，另一端固定连接探针转接件，集成式探针包括1号探针、2号探针、3号探针和主轴探针，探针转接件连接制冷转接件，主轴探针固定连接在中心轴连接件上，所述1号探针、2号探针和3号探针呈现120度均布排列布置，主轴探针设置在中心，所述集成式压电陶瓷驱动器连接外部压电控制器，实现集成式探针轴向精密定位的数字化控制。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：所述操作方法是按照以下步骤实现的：

步骤一：外部氮气源、液氮源分别连接制冷转接件上的氮气连接孔和液氮连接孔；

步骤二：通过控制氮气和液氮的混合比例调控探针转接件内部通道的制冷温度，进而实现对集成式探针的冷凝控制；

步骤三：1号探针、2号探针、3号探针和主轴探针聚集接触，在制冷控制下，集成式探针末端冷凝形成操作液滴；

步骤四：操作液滴与与微型构件接触，依靠产生的液桥力实现微型构件的柔顺抓取；

步骤五：微型驱动电机调整主轴探针的轴向位移，可创造凹/凸槽型液桥，进而实现液桥力的主动控制；

步骤六：微型驱动电机分别调整1号探针、2号探针、3号探针的轴向相对位置，可创造集成倾斜液桥，进而实现微型构件的位姿调整；

步骤七：调整1号探针、2号探针和3号探针的径向相对位置，可创造三点跨距离接触液桥，进而实现液桥力的复合增加，提升拾取能力；

步骤八：通过对集成式探针的制冷调节，实时控制液桥介质，相应调控液桥力，进而实现对微型构件的拾取、调整和释放。

本发明的有益效果是：1、本发明所述的一种四针集成式冷凝柔顺控制的微型构件操作方法，通过液氮和氮气混合比例的调节，便于控制操作探针的制冷能力，易于制冷液滴的数字化智能控制；2、本发明所述的一种四针集成式冷凝柔顺控制的微型构件操作方法，通过调整操作探针的分布和相对位姿，产生不同结构配置的液桥作用模型，实现对操作进程中液桥力的主动控制；3、本发明所述的一种四针集成式冷凝柔顺控制的微型构件操作装置的集成式压电陶瓷驱动器通过连接外部压电控制器，实现集成式探针轴向精密定位的数字化控制。4、本发明所述的一种四针集成式冷凝柔顺控制的微型构件操作装置的操作探针为疏水探针，可保证冷凝液滴的稳定获取；5、本发明所述的一种四针集成式冷凝柔顺控制的微型构件操作装置通过冷凝控制和四针式探针集成，可完成微型构件拾取、调整、释放的一体化操作，而避免其它外源装置的借助。

附图说明

图1是本发明的一种四针集成式冷凝柔顺控制的微型构件操作装置的整体结构示意图。

图2是本发明的一种四针集成式冷凝柔顺控制的微型构件操作装置的集成式探针局部示意图。

图3是本发明的一种四针集成式冷凝柔顺控制的微型构件操作方法的液桥作用示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2和图3说明，本实施方所述一种四针集成式冷凝柔顺控制的微型构件操作装置，它包括微型驱动电机1-2、转接板1-3、三个均布螺纹转接孔1-1、集成式压电陶瓷驱动器1-4、制冷转接件1-5、中心轴连接件2-1、探针转接件2-2和集成式探针1-6，微型驱动电机1-2安装在转接板1-3上，集成式压电陶瓷驱动器1-4的一端轴向连接微型驱动电机1-2，另一端固定连接探针转接件2-2，集成式探针1-6包括1号探针3-1、2号探针3-2、3号探针3-4和主轴探针3-3，探针转接件2-2连接制冷转接件1-5，主轴探针3-3固定连接在中心轴连接件2-1上。

具体实施方式二：结合图1、图2和图3说明，本实施方式的1号探针3-1、2号探针3-2和3号探针3-4呈现120度均布排列布置，主轴探针3-3设置在中心。如此设置便于角度调节，可选用黄铜拉直直丝或不锈钢直丝作为探针，其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1、图2和图3说明，本实施方式所述集成式探针1-6具有疏水涂层，呈现疏水功能，且通过导热硅脂分别将1号探针3-1、2号探针3-2和3号探针3-4与探针转接件2-2，主轴探针3-3和中心轴连接件2-1连接、密封。如此设置利于创造稳定的液体介质条件和调整探针的伸出角度，可通过化学刻蚀和十七氟癸基三甲氧基硅烷对探针进行疏水处理，其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1和图2说明，本实施所述探针转接件2-2和制冷转接件1-5具有内部管道。如此设置便于氮气和液氮的混合体流动，其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1说明，本实施方式所述制冷转接件1-5上具有氮气连接孔1-7和液氮连接孔1-8。如此设置便于介质的混合，可创造制冷调节，其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图1说明，本实施方式所述集成式压电陶瓷驱动器1-4连接外部压电控制器，实现集成式探针1-6轴向精密定位的数字化控制。可选用芯明天科技的PSt型号的压电陶瓷驱动器，其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图1、图2和图3说明，本实施方式利用具体实施方式一、二、四或六中任意一个具体实施方式所述的操作装置进行微型构件的操作方法包括以下步骤：

步骤一：外部氮气源、液氮源分别连接制冷转接件1-5上的氮气连接孔1-7和液氮连接孔1-8；

步骤二：通过控制氮气和液氮的混合比例调控探针转接件2-2内部通道的制冷温度，进而实现对集成式探针1-6的冷凝控制；

步骤三：1号探针3-1、2号探针3-2、3号探针3-4和主轴探针3-3聚集接触，在制冷控制下，集成式探针1-6末端冷凝形成操作液滴；

步骤四：操作液滴与与微型构件3-7接触，依靠产生的液桥力实现微型构件3-7的柔顺抓取；

步骤五：微型驱动电机1-2调整主轴探针3-3的轴向位移，可创造凹/凸槽型液桥3-4，进而实现液桥力的主动控制；

步骤六：微型驱动电机1-2分别调整1号探针3-1、2号探针3-2、3号探针3-4的轴向相对位置，可创造集成倾斜液桥3-6，进而实现微型构件3-7的位姿调整；

步骤七：调整1号探针3-1、2号探针3-2和3号探针3-4的径向相对位置，可创造三点跨距离接触液桥3-8，进而实现液桥力的复合增加，提升拾取能力；

步骤八：通过对集成式探针1-7的制冷调节，实时控制液桥介质，相应调控液桥力，进而实现对微型构件3-7的拾取、调整和释放。

具体实施方式八：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述四针集成式冷凝柔顺控制的微型构件操作装置及方法，进行微型构件的拾取-转移-释放操作任务，可操作特征尺寸200µm—5mm的微球和微型硅片，实现微型构件的柔顺拾取及可靠释放，其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

Claims (7)

1.一种四针集成式冷凝柔顺控制的微型构件操作装置，其特征在于：它包括微型驱动电机（1-2）、转接板（1-3）、三个均布螺纹转接孔（1-1）、集成式压电陶瓷驱动器（1-4）、制冷转接件（1-5）、中心轴连接件（2-1）、探针转接件（2-2）和集成式探针（1-6），微型驱动电机（1-2）安装在转接板（1-3）上，集成式压电陶瓷驱动器（1-4）的一端轴向连接微型驱动电机（1-2），另一端固定连接探针转接件（2-2），集成式探针（1-6）包括1号探针（3-1）、2号探针（3-2）、3号探针（3-4）和主轴探针（3-3），探针转接件（2-2）连接制冷转接件（1-5），主轴探针（3-3）固定连接在中心轴连接件（2-1）上。

2.根据权利要求1所述的一种四针集成式冷凝柔顺控制的微型构件操作装置，其特征在于：所述装置的1号探针（3-1）、2号探针（3-2）和3号探针（3-4）呈现120度均布排列布置，主轴探针（3-3）设置在中心。

3.根据权利要求1或2所述的一种四针集成式冷凝柔顺控制的微型构件操作装置，其特征在于：所述集成式探针（1-6）具有疏水涂层，呈现疏水功能，且通过导热硅脂分别将1号探针（3-1）、2号探针（3-2）和3号探针（3-4）与探针转接件（2-2），主轴探针（3-3）和中心轴连接件（2-1）连接、密封。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种四针集成式冷凝柔顺控制的微型构件操作装置，其特征在于：所述探针转接件（2-2）和制冷转接件（1-5）具有内部管道。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种四针集成式冷凝柔顺控制的微型构件操作装置，其特征在于：所述制冷转接件（1-5）上具有氮气连接孔（1-7）和液氮连接孔（1-8）。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一种四针集成式冷凝柔顺控制的微型构件操作装置，其特征在于：所述集成式压电陶瓷驱动器（1-4）连接外部压电控制器，实现集成式探针（1-6）轴向精密定位的数字化控制。

7.利用权利要求1、2、3、4、5或6中任意一个权利要求所述的四针集成式冷凝柔顺控制的微型构件操作装置进行微型构件的操作方法，其特征在于：所述方法是按下述步骤实现：

步骤一：外部氮气源、液氮源分别连接制冷转接件（1-5）上的氮气连接孔（1-7）和液氮连接孔（1-8）；

步骤二：通过控制氮气和液氮的混合比例调控探针转接件（2-2）内部通道的制冷温度，进而实现对集成式探针（1-6）的冷凝控制；

步骤三：1号探针（3-1）、2号探针（3-2）、3号探针（3-4）和主轴探针（3-3）聚集接触，在制冷控制下，集成式探针（1-6）末端冷凝形成操作液滴；

步骤四：操作液滴与与微型构件（3-7）接触，依靠产生的液桥力实现微型构件（3-7）的柔顺抓取；

步骤五：微型驱动电机（1-2）调整主轴探针（3-3）的轴向位移，可创造凹/凸槽型液桥（3-4），进而实现液桥力的主动控制；

步骤六：微型驱动电机（1-2）分别调整1号探针（3-1）、2号探针（3-2）、3号探针（3-4）的轴向相对位置，可创造集成倾斜液桥（3-6），进而实现微型构件（3-7）的位姿调整；

步骤七：调整1号探针（3-1）、2号探针（3-2）和3号探针（3-4）的径向相对位置，可创造三点跨距离接触液桥（3-8），进而实现液桥力的复合增加，提升拾取能力；

步骤八：通过对集成式探针（1-7）的制冷调节，实时控制液桥介质，相应调控液桥力，进而实现对微型构件（3-7）的拾取、调整和释放。