一种大行程柱坐标双光子聚合加工装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种大行程柱坐标双光子聚合加工装置，属于微纳制造【技术领域】。包括支座、大理石、振镜箱体、x轴溜板与气浮直线导轨一滑动连接，直线电机一与气浮直线导轨一连接，C轴转台叠放在x轴溜板上，底座与C轴转台固定连接，z轴溜板与气浮直线导轨二滑动连接，直线电机与气浮直线导轨二连接，气浮直线导轨二连接在底板上，z轴溜板上通过内六角圆柱头螺钉安装有气缸连接座，气缸的缸体通过螺纹安装在气缸安装座上，振镜箱体通过4个内六角圆柱头螺钉安装在z轴溜板上，二维振镜安装在振镜支座上。优点是结构新颖，避免了运动轴回退、可快速精密跟踪有扰动的路径，实现大面积三维微纳结构的快速加工。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于微纳制造【技术领域】，特别是涉及一种大行程柱坐标双光子聚合加 工装置。 一种大行程柱坐标双光子聚合加工装置
【背景技术】
[0002] 双光子聚合（Two Photon Polymerization,以下简称TPP)被认为是非常有发展 前途的一种获得"真正"三维微纳结构器件的加工方法，在许多重要的工业领域中有着极为 诱人的应用前景。例如，利用TPP方法可以制作三维超材料器件、微纳结构光学元件、三维 仿生功能表面器件等。
[0003] 通过飞秒激光束聚焦所形成的聚焦体如何在试件材料内部按预先设计的路径进 行扫描及曝光是TPP方法的关键之一。迄今为止，主要有如下一些基本的技术方案：（1)将 试件安装在利用压电驱动的二维或三维微位移台上，以获得飞秒激光束相对于试件的高精 密扫描（孙洪波等人，2004年；段宣明等人，2007年）；（2)利用气浮支撑、直线电机驱动的 高精密运动轴X、y和z，以获得飞秒激光束相对于试件的大行程扫描（Andreas Ostendorf and Boris N. Chichkov，2006年）。（3)利用二维振镜绕x或y轴摆动，以获得飞秒激光束 相对于试件的快速扫描（JUrgen Stampf 1,2012年）。
[0004] 现有的这些技术方案主要存在如下有待解决的问题：（1)采用二维振镜，所获得 的行程非常有限，不适合制作大面积的三维微纳结构器件；（2)压电驱动的微动台具有较 高的往复运动精度，但所获得的行程和工作频率皆十分受限；（3)无论是小行程的驱动台 还是大行程的气浮运动轴，皆是直角坐标系构形，使用两个直线运动逼近一个曲线运动，不 可避免地存在插补误差；(4)采用大行程的气浮运动轴，虽可获得大行程，但若要遍历每个 切片上预期的体元位置，三个运动轴x、y或z皆不可避免地存在回退，这使得运动精度难以 保证；（5)无论是压电微位移平台扫描，直线电机驱动的高精密运动轴x、y、z扫描还是二维 振镜扫描都难以保证在每个体元位置的扫描速度相等。体元是双光子聚合中最小的单元。 影响体元大小的因素之一是曝光时间。当用高速扫描方法对曝光时间进行控制时，曝光时 间t可设为激光扫描通过一个聚焦点处光斑直径20^所需要的时间。当扫描速度不同时， 曝光时间不同，所得到的体元大小会有差异，这将影响双光子聚合的加工精度；(6)因为双 光子聚合为逐点扫描加工，因此加工效率低。
【发明内容】
[0005] 本实用新型提供一种大行程柱坐标双光子聚合加工装置，针对大面积三维微纳结 构器件，以克服现有技术的不足。
[0006] 本实用新型采取的技术方案是，支座通过个内六角圆柱头螺钉连接在大理石床身 上，支座上安装有分光镜，反射镜三与振镜箱体固连在一起，X轴溜板与气浮直线导轨一滑 动连接，直线电机一与气浮直线导轨一连接、并安装在大理石床身上，C轴转台叠放在X轴 溜板上，底座与C轴转台固定连接，z轴溜板与气浮直线导轨二滑动连接，直线电机与气浮 直线导轨二连接，气浮直线导轨二连接在底板上，底板通过6个内六角圆柱头螺钉连接在 大理石床身上，z轴溜板上通过内六角圆柱头螺钉安装有气缸连接座，气缸的活塞杆通过螺 母安装在气缸连接座上，气缸的缸体通过螺纹安装在气缸安装座上，气缸安装座通过2个 内六角圆柱头螺钉安装在底板上，振镜箱体通过4个内六角圆柱头螺钉安装在z轴溜板上， 二维振镜安装在振镜支座上，该振镜支座通过2个内六角圆柱头螺钉安装在振镜箱体上， 显微物镜与振镜箱体螺纹连接，反射镜一、反射镜二安装在大理石床身上。
[0007] 本实用新型的一种实施方式是：直线电机一由动子一、定子一组成，定子通过内六 角圆柱头螺钉安装在溜板上，定子一通过内六角圆柱头螺钉安装在溜板上。
[0008] 本实用新型的一种实施方式是：C轴转台安装有回转光栅、读数头三，读数头三与 固定座固定连接，以气浮轴作支撑，气浮轴装在气浮轴承上，伺服电机由伺服电机定子、伺 服电机转子构成，气浮轴承通过内六角圆柱头螺钉安装在支撑架上，支撑架通过内六角圆 柱头螺钉安装在底座上，进气阀与底座外部固定连接；
[0009] 本实用新型的一种实施方式是：直线电机二的动子二通过内六角圆柱头螺钉安装 在溜板上，定子二通过内六角圆柱头螺钉安装在气浮直线导轨二上。
[0010] 本实用新型的优点在于：（1)高精密运动的X轴溜板、z轴溜板、C轴转台与二维振 镜协同工作，不仅能满足加工精度要求，而且能保证具有非常大的工作行程，可用于实现大 面积三维微纳结构的加工；（2)高精密运动的X轴溜板、z轴溜板、C轴转台为柱坐标布局， 无论试件以共轴方试安装还是以离轴方式安装，都仅作向前的直线进给及回转运动，避免 了运动轴回退所致的运动误差，且与往复运动相比响应更快，提高了加工的效率；（3)高精 密运动的X轴溜板、z轴溜板、C轴转台为柱坐标布局，没有插补误差，协同二维振镜绕X轴 溜板和y轴溜板的往复摆动，可以快速精密跟踪曲线路径；(4)将试件以离轴方式安装时， 可实时改变扫描速度，保证在每个体元位置的扫描速度相等，进而保证曝光时间相等，最终 保证了双光子聚合加工的精度；（5)将多个试件以离轴方式安装时，转台转一周飞秒激光 束可同时在这些试件上扫描，具有较高的生产率。
[0011] 本实用新型主要适用于大面积三维微纳结构的快速加工。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1是本实用新型的前轴测图；
[0013] 图2是本实用新型的后轴测图；
[0014] 图3是本实用新型的X轴导轨剖视图；
[0015] 图4是本实用新型的z轴导轨剖视图；
[0016] 图5是本实用新型的转台剖视图；
[0017] 图1、2附图标记为：支座1，内六角圆柱头螺钉2,分光镜3,激光束4,气缸连接座 5,气缸6,反射镜7,内六角圆柱头螺钉8,气缸安装座9,大理石床身10,底板11，内六角圆 柱头螺钉12,气浮直线导轨一 13,直线电机一 14, X轴溜板15, C轴转台16,底座17,试件 18,气浮直线导轨二19,显微物镜20,振镜箱体21，内六角圆柱头螺钉22,二维振镜23,振镜 支座24,内六角圆柱头螺钉25, z轴溜板26,直线电机二27,六角螺母28,反射镜一 29,进 光孔一 30,反射镜二31，进光孔二32 ;
[0018] 图3附图标记为：直线电机动子一 1401，直线电机定子二1402,内六角圆柱头螺钉 33,直线光栅一 34,读数头一 35,内六角圆柱头螺钉36 ;
[0019] 图4附图标记为：直线电机二动子2701，直线电机二定子2702,内六角圆柱头螺钉 37,直线光栅二38,内六角圆柱头螺钉39,挡板40,内六角圆柱头螺钉41，内六角圆柱头螺 钉42,读数头二43 ;
[0020] 图5附图标记为：内六角圆柱头螺钉1601，气浮轴1602,支撑架1603,气浮轴承 1604,内六角圆柱头螺钉1605,进气阀1606,伺服电机定子1607,伺服电机转子1608,旋转 光栅1609,固定座1610,读数头三1611，底座1612。
【具体实施方式】
[0021] 支座1通过4个内六角圆柱头螺钉2连接在大理石床身10上，支座1上安装有分 光镜3,反射镜三7与振镜箱体21固连在一起，X轴溜板15与气浮直线导轨一 13滑动连接， 直线电机一 14与气浮直线导轨一 13连接、并安装在大理石床身10上，C轴转台16叠放在 X轴溜板上，底座17与C轴转台固定连接，z轴溜板26与气浮直线导轨二19滑动连接，直 线电机27与气浮直线导轨二19连接，气浮直线导轨二19连接在底板11上，底板11通过 6个内六角圆柱头螺钉连接在大理石床身10上，z轴溜板26上通过内六角圆柱头螺钉37 安装有气缸连接座5,气缸6的活塞杆通过螺母28安装在气缸连接座5上，气缸6的缸体 通过螺纹安装在气缸安装座9上，气缸安装座9通过2个内六角圆柱头螺钉安装在底板11 上，振镜箱体21通过4个内六角圆柱头螺钉22安装在z轴溜板26上，二维振镜23安装在 振镜支座24上，该振镜支座通过2个内六角圆柱头螺钉25安装在振镜箱体21上，显微物 镜20与振镜箱体21螺纹连接，反射镜一 29、反射镜二31安装在大理石床身上。
[0022] 本实用新型一种实施方式是：直线电机一由动子一 1401、定子一 1402组成，定子 通过内六角圆柱头螺钉33安装在溜板15上，定子一通过内六角圆柱头螺钉36安装在溜板 15上。
[0023] 本实用新型一种实施方式是：C轴转台16安装有回转光栅1609、读数头三1611， 读数头三1611与固定座1610固定连接，以气浮轴1602作支撑，气浮轴装在气浮轴承1604 上，伺服电机由伺服电机定子1607、伺服电机转子1608构成，气浮轴承1604通过内六角圆 柱头螺钉1601安装在支撑架1603上，支撑架通过内六角圆柱头螺钉1605安装在底座1612 上，进气阀1606与底座外部固定连接；
[0024] 本实用新型一种实施方式是：直线电机二的动子二2701通过内六角圆柱头螺钉 39安装在溜板26上，定子二2702通过内六角圆柱头螺钉42安装在气浮直线导轨二上。
[0025] 该装置的工作过程为：底座17上放置试件18,激光束4通过进光孔一 30进入，经 反射镜一 29、反射镜二31作用进入进光孔二32,然后经分光镜3作用分为两束，其中的一 束又经反射镜三7作用进入振镜箱体21，经二维振镜23反射进入显微物镜20,物镜20将 激光束聚焦到试件18内部，通过高精密运动的X轴溜板、z轴溜板、C轴转台和二维振镜23 的扫描，激光束焦点按规划路径运动，加工出所需的大面积三维微纳结构。
【权利要求】
1. 一种大行程柱坐标双光子聚合加工装置，其特征在于支座通过个内六角圆柱头螺钉 连接在大理石床身上，支座上安装有分光镜，反射镜三与振镜箱体固连在一起，X轴溜板与 气浮直线导轨一滑动连接，直线电机一与气浮直线导轨一连接、并安装在大理石床身上，C 轴转台叠放在X轴溜板上，底座与C轴转台固定连接，z轴溜板与气浮直线导轨二滑动连接， 直线电机与气浮直线导轨二连接，气浮直线导轨二连接在底板上，底板通过6个内六角圆 柱头螺钉连接在大理石床身上，z轴溜板上通过内六角圆柱头螺钉安装有气缸连接座，气缸 的活塞杆通过螺母安装在气缸连接座上，气缸的缸体通过螺纹安装在气缸安装座上，气缸 安装座通过2个内六角圆柱头螺钉安装在底板上，振镜箱体通过4个内六角圆柱头螺钉安 装在z轴溜板上，二维振镜安装在振镜支座上，该振镜支座通过2个内六角圆柱头螺钉安装 在振镜箱体上，显微物镜与振镜箱体螺纹连接，反射镜一、反射镜二安装在大理石床身上。
2. 根据权利要求1所述的大行程柱坐标双光子聚合加工装置，其特征在于：直线电机 一由动子一、定子一组成，定子通过内六角圆柱头螺钉安装在溜板上，定子一通过内六角圆 柱头螺钉安装在溜板上。
3. 根据权利要求1所述的大行程柱坐标双光子聚合加工装置，其特征在于：C轴转台安 装有回转光栅、读数头三，读数头三与固定座固定连接，以气浮轴作支撑，气浮轴装在气浮 轴承上，伺服电机由伺服电机定子、伺服电机转子构成，气浮轴承通过内六角圆柱头螺钉安 装在支撑架上，支撑架通过内六角圆柱头螺钉安装在底座上，进气阀与底座外部固定连接。
4. 根据权利要求1所述的大行程柱坐标双光子聚合加工装置，其特征在于：直线电机 二的动子二通过内六角圆柱头螺钉安装在溜板上，定子二通过内六角圆柱头螺钉安装在气 浮直线导轨二上。
【文档编号】B23K26/082GK203900734SQ201420310390
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】周晓勤, 侯燚红, 林洁琼, 王文攀 申请人:吉林大学