用于微机械机构的免装配制造方法及装置

摘要

本发明提供一种用于微机械机构的免装配制造方法及装置，所述的方法包括步骤：建立目标机械机构各零件的三维模型，数字化装配成整体机械并进行分层切片，得到每一层加工图形，再对每一层的图形进行加工路径规划生成数控程序；取工件基底先通过微细电沉积的方式沉积第一种材料作为牺牲材料，接着通过微细电去除加工的方式按照生成的数控程序对沉积的牺牲材料进行选区去除，刻蚀出下一步沉积结构材料的区域并沉积第二种材料作为结构材料，重复上述步骤直到每一层的牺牲材料和结构材料全部成形完毕，最后去除牺牲材料，释放出机械结构，得到目标微机械机构。本发明还提供了一种能够实现上述微机械机构免装配制造方法的装置。

说明书

技术领域

本发明属于微机械制造技术领域，特别涉及微机械机构的一种免装配制造方法及 装置，其中具体涉及到微细电化学沉积、微细电去除加工（微细电解和微细电火花）技术，能 够在微米和毫米尺度实现微机械可动机构的免装配一次性整体成形制造。

背景技术

如今的工业产品越来越趋向于集成化和微型化，如直径只有1mm的微电机、指甲盖 大小的微摄像头、纽扣大小的微陀螺仪等。这些产品都是由一个个微机电系统组成的。就目 前来说，单个微米甚至是纳米尺度的机械零件的制造已经实现，但整体的微机电系统的制 造仍然存在着诸多问题。

传统的宏观机械系统的生产制造往往是通过将各个单独制造完成的零件装配起 来的方式实现的，但对于微米尺度的微机械来说即使能够精密地制造出各个单独零件，最 终对这些零件的装配却难以实现。即使借助特殊的微机械装配设备，其过程中也往往伴随 着零件太小无法装配、装配过程物理损伤、装配环境对零件污染等问题。而且在设计微机械 时，设计者还需考虑各个零件的装配方法以及相应的操作空间和结构，不但使微机械无法 设计得更小，而且还限制设计者的设计思路。

如果在制造微机械时，能够一次性将所有零件和它们之间的配合间隙成形出来， 省去装配环节，就可以大大简化微机械的制造过程，突破装配尺度对微机械尺寸的限制，拓 宽设计者的思路，减少零件数目，提高微机械的制造效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于微机械机构的免装配制造方法，对所有 零件和它们之间的配合间隙进行一次性成形，免去后续的装配工序，简化制造过程，拓宽设 计思路。

本发明要解决的另一个技术问题是提供一种微机械机构的免装配制造装置。

本发明的用于微机械机构的免装配制造方法，包括如下步骤：

（a）在上位机中，建立目标微机械机构各个零件的三维模型，并将各零件进行数字化装 配，得到整体微机械机构的三维模型；

（b）将整体模型看成一个带有配合间隙的零件，导入到分层切片软件中对其进行切片， 得到每一层截面的切片数据。对每一层的切片图案进行加工路径规划，生成微细电去除加 工数控程序，作为每一层的加工程序；

（c）对微机械机构的成形基底进行表面处理，使其表面适合进行电沉积；

（d）通过微细电沉积的方式在所述步骤（c）得到的基底上表面沉积一层给定的第一种 材料，作为牺牲材料；

（e）通过微细电去除加工的方式进行表面图形化，按照三维模型的第一层切片图形对 所述步骤（d）沉积的牺牲材料进行选区去除，从而在牺牲材料上刻蚀出第一层结构材料的 电沉积区域；

（f）通过微细电沉积的方式在所述步骤（e）得到的加工表面上沉积一层给定的第二种 材料，作为结构材料，也就是最终制造完毕后微机械机构的材料；

（g）对所述步骤（f）得到的工件表面进行平坦化处理，去除所述步骤（d）和步骤（f）中过 量沉积的材料，并平整工件凹凸不平的表面，作为第二层切片的初始加工表面；

（h）对后续每一层切片模型重复所述步骤（d）到步骤（g）,直至所有分层切片的牺牲材 料和结构材料全部成形完毕；

（i）将所述步骤（h）得到的工件中的牺牲材料采用化学或电化学的方法进行选择性去 除，同时确保结构材料能够完全保留，从而释放出可动零件，并进行干燥等后处理，完成整 体微机械机构的制造。

作为优选，所述步骤（a）中，各零件模型的数字化装配和整体模型分层切片过程包 括下述步骤：

（a1）在上位机中，设计各个零件并建立其模型；

（a2）在上位机中，将各个零件的模型导入计算机辅助设计系统中，并放置在同一坐标 系中，完成微机械所有零件的添加；

（a3）根据零件之间的位置关系，连接关系，运动关系和配合约束关系将各零件装配成 整体微机械，得到其三维模型。

所述步骤（a1）中，设计各个零件时只需以实现其功能为目标，而无需考虑传统加 工方法和装配手段的限制。

所述步骤（a2）中，首先在计算机辅助设计系统中导入一个基准零件的模型，将其 完全约束地放置在系统坐标系中，再根据各零件之间的装配关系，将其逐个添加到系统坐 标系中，并通过所述步骤（a3）进行装配。

所述步骤（a3）中，需要结合各零件的装配关系在无约束的自由度上对其进行适当 的平移和旋转，使组合装配完成后的微机械三维模型具有尽可能多的与水平面平行的平表 面和尽可能少的不与水平面垂直的曲表面，为后续分层微细电沉积和微细电去除加工提供 便利。

优选地，所述计算机辅助设计系统可以是UG设计系统（UnigraphicsNX，EDS公 司）、Solidworks设计系统（达索公司）、Pro/E设计系统（PTC公司）等。

作为优选，所述步骤（b）中，分层切片和生成数控程序过程包括：

（b1）在上位机中，将所述步骤（a3）得到的微机械整体三维模型导出为STL文件；

（b2）将所述步骤（b1）得到的STL文件导入切片软件MAGICS软件中，定义分层厚度，生成 CLI格式的切片文件；

（b3）通过自主开发的路径规划软件对各个切片进行加工路径规划，生成数控程序，作 为所述步骤（e）中每一层的加工程序。

所述步骤（c）中，基底表面处理过程包括侧面喷涂绝缘涂层，防止侧面材料沉积； 加工表面除油、磨削、抛光和清洗。

所述步骤（d）中，为了保证工件每一层的牺牲材料成形完全，电沉积牺牲材料的厚 度要大于该层的切片厚度。

所述步骤（e）中，每一层牺牲材料的选区去除深度要略大于该层的切片厚度，保证 去除区域底部无该层的牺牲材料残留，从而避免两层结构材料之间残留有牺牲材料而导致 最终微机械结构由于牺牲材料被去除而在此处出现开裂、断层等失效。

所述步骤（f）中，为了保证工件每一层的结构材料成形完全，电沉积结构材料的厚 度要大于该层的切片厚度。

所述步骤（g）中，需要根据该层的层厚制定平坦化的去除量，保证平坦化完成后该 层的尺寸精度和表面精度。

所述步骤（i）中，去除牺牲材料并保留结构材料的化学试剂需要根据两种材料的 理化性质来选择，并且需要保证牺牲材料能够去除完全。为此，去除时可以采用振动（如超 声）、添加表面活性剂、喷射等措施。

所述步骤（i）中，工件干燥过程中需要避免悬空结构上下面由于液体挥发时的收 缩张力导致其变形粘附。优选地，可以采用多种张力释放剂进行逐步释放。

本发明的一种微机械机构免装配制造装置，其中包括机床的运动部分：Z轴、X轴、Y 轴和主轴，通过机床数控程序控制各轴自由运动；加工能量输出和检测部分：电加工电源与 限流电阻连接并接上电压检测与控制模块，形成回路；工件夹持在机床主轴上，连接到电压 检测与控制模块的一端；微细电去除加工的微电极、电沉积阳极连接到电压检测与控制模 块的另一端；工件与微电极、电沉积阳极之间通过电加工电源与限流电阻上电，提供电加工 能量；电压检测与控制模块用于控制并调节工件与微电极、电沉积阳极之间的电加工参数。 机床XY运动平台上搭建出所述微机械机构免装配制造方法中所需的各个工位，各容器固定 在XY运动平台上并能随其运动，其中包括微细电去除加工工位，内配微电极和工作液；结构 材料电沉积工位，内配电镀阳极和电镀液；平坦化工位；牺牲材料电沉积工位；工件清洗工 位。每次更换工作液时需在清洗工位除尽工件上残留的工作液。为了提高制造效率，微电极 可以采用阵列电极，从而在一个工件表面上可以同时进行大批量的微机械机构制造。

本发明原理如下：将目标微机械机构看作一个具有若干个配合间隙特征的整体零 件，利用分层制造原理，将其分层切片为若干个独立的薄片，对其按照从下至上的顺序分别 进行叠层制造。每一层的制造过程中，利用微细电沉积的增材制造特点来堆积材料，同时利 用微细电去除加工的减材制造特点对材料进行精密的特征图形化加工。为了在下层无结构 材料支撑情况下仍能堆积上层材料，在制造过程中加入一种或多种牺牲材料的成形，用来 支撑上层材料的堆积或是填充每一层中各零件之间的配合间隙，在所有结构材料成形完毕 后，去除牺牲材料，从而释放出可动零件，实现整体微机械的免装配一次性成形制造。

本发明相对于现有技术，具有如下优点和有益效果：

1、本发明相对于现有技术，能够利用分层制造原理，结合牺牲材料，实现整体微机械机 构的免装配一次性制造，无需传统的后续装配环节，缩短了制造时间，提高了制造效率。

2、本发明在制造微机械机构时，由于无需装配，一次性整体制造，所以设计者可 以不用考虑传统机械设计中的各种装配空间、工艺结构等因素，只需瞄准其功能实现，减少 了零件数量，拓宽了设计思路，使得制造的微机械更加多样化，更切合实际应用。

3、本发明采用分层制造原理来制造微机械机构，所以从理论上说，只要分层足够 细微，就可以成形任意的复杂结构、形状、曲面等，满足一些特殊的功能需求，同时增强美观 性。

4、本发明采用微细电沉积和微细电去除加工作为主体制造方法，成本较低、制造 柔性程度高，可以在较大程度上降低微机械的制造成本，缩短其研发和生产周期，扩大微机 械的应用范围。

5、本发明采用去除加工再电沉积的方式对微机械机构的结构体进行成形，可动 间隙是牺牲材料被去除后残留的部分，所以巧妙地避开了高深宽比可动间隙的电沉积成形 难题，是一种技术门槛较低的免装配微细制造方法。

附图说明

图1是本发明的用于微机械机构的免装配制造方法的流程示意图；

图2是本发明的用于微机械机构的免装配制造方法中的微悬桥结构制造的示意图；

图3是本发明的用于微机械机构的免装配制造装置示意图；

图4是本发明的用于微机械机构的免装配制造装置各工位分布示意图；

图5是本发明的实施例1铰链机构的三维模型；

图6是本发明的实施例铰链机构第一层成形完毕后的三维模型；

图7是本发明的实施例铰链机构第二层成形完毕后的三维模型；

图8是本发明的实施例铰链机构第三层成形完毕后的三维模型。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的阐述，但本发明的实施方式不限于此。

图1是发明的用于微机械机构的免装配制造方法的流程示意图，其主要过程如下：

（1）在上位机中，建立目标微机械机构各个零件的三维模型，并将各零件进行数字化装 配，得到整体微机械机构的三维模型；

（2）将整体模型看成一个带有配合间隙的零件，导入到分层切片软件中对其进行切片， 得到每一层截面的切片数据。对每一层的切片图案进行加工路径规划，生成微细电去除加 工数控程序，作为每一层的加工程序；

（3）对微机械机构的成形基底进行表面处理，使其表面适合进行电沉积；

（4）通过微细电沉积的方式在所述步骤（3）得到的基底上表面沉积一层给定的第一种 材料，作为牺牲材料；

（5）通过微细电去除加工的方式进行表面图形化，按照三维模型的第一层切片图形对 所述步骤（4）沉积的牺牲材料进行选区去除，从而在牺牲材料上刻蚀出第一层结构材料的 电沉积区域；

（6）通过微细电沉积的方式在所述步骤（5）得到的加工表面上沉积一层给定的第二种 材料，作为结构材料，也就是最终制造完毕后微机械机构的材料；

（7）对所述步骤（6）得到的工件表面进行平坦化处理，去除所述步骤（4）和步骤（6）中过 量沉积的材料，并平整工件凹凸不平的表面，作为第二层切片的初始加工表面；

（8）对后续每一层切片模型重复所述步骤（4）到步骤（7）,直至所有分层切片的牺牲材 料和结构材料全部成形完毕；

（9）将所述步骤（8）得到的工件中的牺牲材料采用化学或电化学的方法进行选择性去 除，同时确保结构材料能够完全保留，从而释放出可动零件，并进行干燥等后处理，完成整 体微机械机构的制造。

图2是本发明的用于微机械机构的免装配制造方法中的微悬桥结构制造的示意 图，由于在微机械免装配制造中，区别于传统装配制造的关键难点在于悬空结构的一次性 成形制造，因此以微悬桥结构为关键制造目标对本发明工艺的原理进行进一步说明，将其 分为“桥墩”和“桥面”两层进行分层制造，主要过程如下：

（A）首先对微悬桥结构的成形基底进行表面处理，使其表面适合进行电沉积；

（B）通过微细电沉积的方式在基底上表面沉积一层给定的第一种材料，作为牺牲材料；

（C）通过微细电去除加工的方式进行表面图形化，对沉积的牺牲材料进行选区去除，从 而在牺牲材料上刻蚀出“桥墩”结构材料的电沉积区域；

（D）接着通过微细电沉积的方式在上一步得到的加工表面上沉积一层给定的第二种材 料，作为结构材料，也就是最终制造完毕后微悬桥结构的材料；

（E）对上一步得到的工件表面进行平坦化处理，去除过量沉积的材料，并平整工件凹凸 不平的表面，作为第二层“桥面”的初始加工表面；

（F）通过微细电沉积的方式在基底上表面沉积一层牺牲材料；

（G）通过微细电去除加工的方式进行表面图形化，对沉积的牺牲材料进行选区去除，从 而在牺牲材料上刻蚀出“桥面”结构材料的电沉积区域；

（H）接着通过微细电沉积的方式在上一步得到的加工表面上沉积一层结构材料，作为 桥面；

（I）对上一步得到的工件表面进行平坦化处理，去除过量沉积的材料，并平整工件凹凸 不平的表面完成所有材料的成形；

（J）将得到的工件中的牺牲材料采用化学或电化学的方法进行选择性去除，同时确保 结构材料能够完全保留，从而释放悬桥结构，并进行干燥等后处理，完成为悬桥结构的一次 性制造。

图3是本发明的用于微机械机构的免装配制造装置示意图，其中包括机床的运动 部分：Z轴1、X轴13、Y轴14和主轴2，通过机床数控程序控制各轴自由运动；加工能量输出和 检测部分：电加工电源3与限流电阻4连接并接上电压检测与控制模块5，形成回路；工件6夹 持在机床主轴2上，连接到电压检测与控制模块的一端；微细电去除加工的微电极7、电沉积 阳极12连接到电压检测与控制模块的另一端；工件6与微电极7、电沉积阳极12之间通过电 加工电源3与限流电阻4上电，提供电加工能量；电压检测与控制模块用于控制并调节工件6 与微电极7、电沉积阳极12之间的电加工参数。机床XY运动平台上搭建出所述微机械机构免 装配制造方法中所需的各个工位，各容器固定在XY运动平台上并能随其运动，其俯视图。

图4是本发明的用于微机械机构的免装配制造装置各工位分布示意图，如图4所 示，其中包括微细电去除加工工位8，内配微电极7和工作液9；结构材料电沉积工位10，内配 电镀阳极12和电镀液11；平坦化工位17；牺牲材料电沉积工位15；工件清洗工位16。每次更 换工作液时需在清洗工位除尽工件上残留的工作液。为了提高制造效率，微电极7可以采用 阵列电极，从而在一个工件表面上可以同时进行大批量的微机械机构制造。

下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步详细的阐述，但本发明的实施方式 不限于此。

实施例1

图5是本发明的实施例1铰链机构的三维模型，图6是本发明的实施例铰链机构第一层 成形完毕后的三维模型，图7是本发明的实施例铰链机构第二层成形完毕后的三维模型，图 8是本发明的实施例铰链机构第三层成形完毕后的三维模型。如图5~图8所示的铰链机构为 制造目标，材料为铜，并确定具体尺寸，其按照所述微机械机构免装配制造方法的制造过程 如下：

（a）在上位机中，建立铰链机构外臂18和内臂19的三维模型，并对二者进行数字化装 配，得到整个铰链机构的三维模型；

（b）将整个铰链机构看成一个带有配合间隙的零件，导入分层切片软件对模型进行切 片，得到每一层截面的切片数据。对每一层的切片图案进行加工路径规划，生成数控程序， 作为每一层的加工程序；

（c）取一块合适尺寸的锌块，表面后装夹在附图3的主轴2上，开启主轴旋转，令下表面 在平坦化工位的磨抛布上整平，并移动到清洗工位洗净残留磨抛液；

（d）工件移动到牺牲材料电沉积工位，在下表面上沉积一层锌，作为附图6中的牺牲材 料20，完成后移动到清洗工位洗净残留镀锌电镀液；

（e）工件移动到微细电去除加工工位，按照如图6所示的三维模型的第一层切片图形通 过微细电解的方式对所述步骤（d）沉积的锌选区去除，进行表面图形化，从而在第一层锌上 刻蚀出第一层铜材料的电沉积区域，完成后移动到清洗工位洗净残留电解液；

（f）工件移动到结构材料电沉积工位，在下表面上沉积一层铜，作为附图6中的外臂18 和内臂19的第一层结构材料，完成后移动到清洗工位洗净残留镀锌电镀液；

（g）工件移动到平坦化工位，令下表面在平坦化工位的磨抛布上整平，并去除所述步骤 （d）和步骤（f）中过量沉积的锌和铜，作为图7中第二层切片的初始加工表面，完成后移动到 清洗工位洗净残留磨抛液；

（h）对后续图7中的第二层切片和图8中的第三层切片模型重复所述步骤（d）到步骤 （g）,直至所有分层切片的牺牲材料和结构材料全部成形完毕；

（i）将所述步骤（h）得到的工件中的锌在10%的稀硫酸溶液中全部溶解，同时保留铜材 料，释放出外臂18和内臂19，并进行干燥等后处理，完成整个铰链机构的制造。

作为优选，所述步骤（a）中，各零件模型的数字化装配和铰链机构三维模型的分层 切片过程包括下述步骤：

（a1）在上位机中，设计外臂1和内臂2并建立其模型；

（a2）在上位机中，将两个零件的三维模型导入Solidworks设计系统（达索公司）中，并 放置在同一坐标系中，完成铰链机构所有零件的添加；

（a3）根据外臂1和内臂2之间的位置关系，连接关系，运动关系和配合约束关系将二者 装配成整体铰链，得到其三维模型。

所述步骤（a1）中，设计铰链时只需以实现其功能为目标，从而只有两个零件外臂 18和内臂19。若采用传统加工方法和装配手段，则至少需要再设计一个插销。

所述步骤（a2）中，首先在Solidworks设计系统中导入外臂18的模型，将其完全约 束地放置在系统坐标系中，再根据其与内臂19之间的装配关系，将内臂19的模型添加到系 统坐标系中，并通过所述步骤（a3）进行装配。

所述步骤（a3）中，为使组合装配完成后的微机械三维模型具有尽可能多的与水平 面平行的表面和尽可能少的不与水平面垂直的曲面，为后续分层微细电沉积和微细电去除 加工提供便利，需要结合两个零件之间的装配关系对内臂19进行适当的平移和旋转，使铰 链两臂平行并水平放置。

由于机构较为简单，无需再倒入切片软件中分层切片，因此作为优选，所述步骤 （b）中，分层切片和生成数控程序过程包括：

（b1）在上位机中，将铰链机构按照其结构特征分为三层；

（b2）通过自主开发的路径规划软件对各个切片进行加工路径规划，生成微细电解铣削 数控程序，作为所述步骤（e）中每一层的加工程序。

所述步骤（b2）中，配合间隙成形采用加工时添加刀补的方式实现。在自动生成微 细电解加工数控程序时，在三个轴的运动方向上都添加配合间隙一半大小的刀补量，即令 每个成形的结构零件在三向上都缩小相当于配合间隙量的尺寸。

所述步骤（c）中，锌块表面处理过程包括侧面喷涂绝缘涂层，防止侧面材料沉积； 下表面蒸馏水洗净后，用酒精溶液除油。

所述步骤（d）中，作为优选，电镀液主要成分可以是氯化锌，并加入合适的添加剂， 电沉积的电压可以控制在5V左右。为了保证工件每一层的牺牲材料锌成形完全，电沉积锌 的厚度要大于该层的切片厚度。

所述步骤（e）中，作为优选，电解液可以是15%的硝酸钠溶液，阴极可以采用直径50 微米左右的石墨电极，电源可以采用5V左右的脉冲电源，脉宽调制在40ns左右可以较为有 效地减弱杂散腐蚀效应。其中每一层牺牲材料锌的选区去除深度要略大于该层的切片厚 度，保证去除区域底部无该层的锌残留，从而避免两层结构材料之间残留锌而导致最终微 机械结构在此处由于锌的溶解出现开裂、断层等失效。

所述步骤（f）中，作为优选，电镀液主要成分可以是硫酸铜，并加入合适的添加剂， 电沉积的电压可以控制在5V左右。为了保证工件每一层的结构材料铜成形完全，电沉积铜 的厚度要大于该层的切片厚度。

所述步骤（g）中，平坦化时开启主轴旋转，并根据该层的层厚制定平坦化的去除 量，控制平坦化完成后该层的尺寸精度和表面精度。

所述步骤（i）中，为了保证牺牲材料锌能够被完全去除，可以在去除时采用振动 （如超声）、并在稀硫酸中添加表面活性剂。

实施例2

本实施例除下述特征外其他特征同实施例1：

铰链机构的材料为镍。

所述步骤（b2）中，通过路径规划生成微细电火花铣削数控程序。

所述步骤（c）中，取一块合适尺寸的铜块。

所述步骤（d）中，沉积的牺牲材料为铜，作为优选，电镀液主要成分可以是硫酸铜， 并加入合适的添加剂。

所述步骤（e）中，作为优选，工作液可以是电火花油，阴极可以采用直径30微米左 右的钨电极，电源可以采用70V左右的脉冲电源，脉宽调制在0.5μm左右。

所述步骤（f）中，沉积的结构材料为镍，作为优选，电镀液主要成分可以是氨基磺 酸镍，并加入合适的添加剂。

所述步骤（i）中，去除牺牲材料铜并保留结构材料镍的试剂可以是铜氨溶液，并加 入合适的添加剂。