一种基于视觉在线监测的超声波精密封接装置的制作方法

本发明涉及微纳制造技术领域，特别涉及聚合物封装技术。

背景技术：

目前聚合物微纳制造领域的封接方法主要有胶黏接、溶剂键合、热压封接、激光封接、微波封接和超声波精密封接等。实时拍摄超声波封接过程中零件界面物态变化，应用于聚合物微器件超声波精密封接方法中的过程控制，是一种将超声波封接技术与图像处理技术相结合的封接方法，该方法以焊接界面的物态图形变化作为流程控制的反馈参量，提高了界面熔合效果的可控性。

但目前仍未对聚合物超在声波热熔过程中的封接界面的物态变化进行图像表征，在该方面的理论数据不足，难以建立超声波精密封接中封接界面图形变化与聚合物物态之间的联系，进而制约了在流程控制方面对界面熔合度的精确控制。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于超声波精密封接装置，对界面熔合的行为进行观测，用以精确控制超声波封接过程，实现高密封性、低形变的界面封接。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于视觉在线监测的超声波精密封接装置，直线运动导轨7上安装工具头固定架19，工具头固定架19前部安装超声波工具头9，超声波工具头9连接超声波换能器8，超声波换能器8连接超声波发生器3，超声波发生器3连接上位机1；直线运动导轨7连接驱动电机6，驱动电机6通过运动控制卡2连接上位机1；跨越直线导轨7前处安装中空支撑基座14，中空支撑基座14位于超声波工具头9一侧面上设有待封接零件11，中空支撑基座14内部中空处安装摄像头13，摄像头13连接上位机1；超声波工具头9将振动施加至待封接零件11上，在超声能量的作用下待封接零件11实现界面熔合，通过摄像头13安对封接界面物态变化进行实时拍摄，记录整个封接过程中的封接界面物态的动态图像变化。

所述中空支撑基座14位于超声波工具头9一侧面上安装承载机构15，承载机构15为中空结构，承载机构15的中空位置与中空支撑基座14的中空位置对应，承载机构15上通过加紧机构12固定待封接零件11。

所述中空支撑基座14内位于摄像头13前部设有高倍镜。

所述超声波换能器8通过功率调节器4连接超声波发生器3。

所述工具头固定架19上位于超声波工具头9的下方安装位移传感器10，位移传感器10通过实时图像记录模块5连接上位机1。

所述摄像头13通过实时图像记录模块5连接上位机1。

所述超声波发生器为工作频率为60khz变压变频数字化智能超声波发生器。

本发明的基于视觉在线监测的超声波精密封接装置，在试验台的中空支撑基座定位处安置了摄像头，用于拍摄记录微器件在高频超声作用下焊接元件界面实时的物态图形变化，方便进行调整元件参数，封装的焊接元件界面融合程度更高。

附图说明

图1是本发明基于视觉在线监测的超声波精密封接装置原理图。

图2是本发明基于视觉在线监测的超声波精密封接装置整体结构原理图。

图3是本发明基于视觉在线监测的超声波精密封接装置中空支撑基座部分结构图。

图4是本发明基于视觉在线监测的超声波精密封接装置封接过程流程图。

图中：1、上位机，2、运动控制卡，3、超声波发生器，4、功率调节器，5、实时图像记录模块，6、驱动电机，7、直线运动导轨，8、超声波换能器，9、超声波工具头，10、位移传感器，11、待封接零件，12、夹紧机构，13、高频摄像头，14、中空支撑基座，15、承载机构，16、盖板，17、增压机构，18、变幅杆，19、工具头固定架。

具体实施方式

本发明的基于视觉在线监测的超声波精密封接装置原理如图1所示，将封接界面的图像作为输出对象，在试验台基片的轴向定位处安置了高频摄像装置，用于记录超声波封接过程中封接零件的物态图像微变化。

该装置结构如图2和图3所示，主要由超声模块、实时图像记录模块、高频摄像头、增压机构、及上位机组成。超声模块主要将电能转化为机械能，并通过一定形式将机械能作用到待封接微器件。超声模块由智能超声波发生器3、超声波换能器8及超声波工具头9三部分组成。系统选用了工作频率为60khz变压变频数字化智能超声波发生器来提供超声波能量，该发生器具有提供恒定振幅的功能，不受负载功率及输入电压的影响。超声波换能器是关键部件，它把电能转换为超声振动的机械能，其电能来源于超声波发生器。超声波发生器功能是把50hz工频交流电转换为20～60khz高频交流电；超声波工具头将超声机械能传递到微器件上，且具有对微器件施加工作压力的作用。增压机构17的作用是通过变幅杆18驱动工具头9纵向移动及提供封接预压力，由步进驱动电机6、直线运动导轨7和工具头固定架19组成。

直线运动导轨7上安装工具头固定架19，工具头固定架19前部安装超声波工具头9，超声波工具头9连接超声波换能器8，工具头固定架19上位于超声波工具头9的下方安装位移传感器10，位移传感器10通过实时图像记录模块5连接上位机1，超声波换能器8通过功率调节器4连接超声波发生器3，超声波发生器3连接上位机1；直线运动导轨7连接驱动电机6，驱动电机6通过运动控制卡2连接上位机1；跨越直线导轨7前处安装中空支撑基座14，中空支撑基座14位于超声波工具头9一侧面上安装承载机构15，承载机构15为中空结构，承载机构15的中空位置与中空支撑基座14的中空位置对应，承载机构15上通过加紧机构12固定待封接零件11，中空支撑基座14内部中空处安装摄像头13，摄像头13通过实时图像记录模块5连接上位机1，中空支撑基座14内位于摄像头13前部设有高倍镜。

超声波工具头将振动施加至微器件上表面，在超声能量的作用下微器件实现界面熔合。通过中空底座前端安装的高倍镜，将封接过程中物态图形放大，高频摄像头安装于中空支撑基座，对封接界面物态变化进行实时拍摄，记录整个封接过程中的封接界面物态的动态图像变化。摄像记录模块主要是由摄像相机实时记录封接过程,监测封接过程中工件的融合状态。有利于控制封接过程中超声波对封接的影响。

本装置使用摄像头能够实时观察并控制封接过程，超声波封接原理是由发生器产生高压、高频信号、通过换能系统把信号转换为高频机械振动，加于聚合物工件上，通过工件表面及内在分子间的摩擦而使传送到接口的温度升高，当温度达到此工件本身的熔点时，使工件接口迅速熔化，继而填充于接口间的空隙，当振动停止，工件同时在一定的压力下冷却定形，便达成完美的焊接效果。超声波封接技术在界面熔接行为的精确控制方面并无有效技术手段，因此在微器件领域的应用尚难以满足精密封接的精度要求，难以实现高密封性、低形变的界面封接。

本装置的优势在于在聚合物封接时通过摄像头实时抓拍封接过程中的零件状态，对封接界面的物态图像进行处理来确认封接结果。具体实施流程如图4所示：通过计算机设置封接参数后，超声波工具头9横向移动直到与待封接零件11接触后加载超声波，同时打开高频摄像头，摄像头通过高倍镜观察封接过程，实时记录提取图像，对图像经过量化处理，并使用分形几何进行图像纹理特征进行提取并分析，通过上位机的显示器观察封接过程的图形变化，当封接程度达到要求封接过程结束。

本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。