一种焦耳热加热与双伺服同步导轨联动的可控拉锥装置及方法

本发明涉及微纳器件精密加工，具体涉及一种焦耳热加热与双伺服同步导轨联动的可控拉锥装置及拉制方法。

背景技术：

1、拉锥技术通过对毛细管、玻璃管或光纤等样品进行局部加热并施加轴向拉伸，使样品中部软化后形成微纳级锥形结构或断裂后的纳米孔结构，是制备纳米移液器、固态石英纳米孔、微纳光纤器件、光纤探针及单分子检测器件的重要基础工艺。拉制成品的尖端形貌、锥角及孔径尺寸直接受热场稳定性、拉伸执行精度及工艺参数控制的影响，因此，加热方式与拉伸执行机构的协同控制是决定拉制质量的核心因素。

2、在现有技术中，拉锥装置的加热方式主要包括以下几种：（1）火焰加热，利用酒精灯、氢氧火焰或丁烷火焰对样品局部加热，其结构简单，但火焰尺寸、气流波动、环境扰动及操作者动作差异会导致热场不稳定，存在火焰湍流和对流扰动问题；（2）金属电热丝/炉丝加热，利用电阻丝产生焦耳热，升温较快，但电热丝易氧化、变形或产生局部热点漂移，热场形貌随使用时间发生变化；（3）电热条/电加热炉式加热，采用专门设计的电热条或炉腔对光纤等进行加热，通过调节供电电压控制温度，可获得较稳定的锥腰直径，但其加热结构多为条形或炉腔式，不同于面向毛细管周向软化的环状包围式热源；（4）激光加热，以商用激光拉拔器为代表，通过激光对样品进行局部加热，具有能量集中、程序化程度较高的优点，但存在光路成本高、对玻璃直径、壁厚、材料吸收率及光束位置敏感等问题，大直径或薄壁样品易出现周向加热不均；（5）焦耳热环状加热，采用石墨环或碳环等环形发热体作为焦耳热源，对样品中部形成周向包围式局部热场，并配合加热舱、水冷单元、惰性气体保护单元及两侧牵拉结构实现拉制，该方式能够在惰性气氛下实现高温局部加热，可替代部分激光拉制方式。

3、在拉伸执行机构方面，现有拉锥装置主要采用机械牵拉式结构，例如通过牵拉臂、弹簧片、滑轮、旋钮、重锤或弹簧等机构实现两侧同步拉伸。该类方案结构简单，两侧牵拉动作可通过机械结构保持同步，但其拉制过程主要依赖预设拉力、弹性元件或机械牵拉机构实现，左右夹持端在拉制全过程中的位移、速度、加速度及断开阶段不便按多阶段程序进行精细设定，也难以以伺服轴形式实时反馈和记录全过程运动数据。

4、如专利cn119221095a公开了一种使用石墨加热器拉制无机晶体及非晶体材料的装置及方法，其采用石墨环加热器、加热舱、水冷单元、惰性气体流动单元和两侧滑动夹持单元实现玻璃或石英毛细管拉制，可视为与本发明最接近的现有技术。该方案已能够通过热值、软拉力、位移、速度、加热时间等参数完成程序化拉制，并已有相应量产产品。然而，该类焦耳热拉制方案在实际应用中存在以下不足：第一，拉伸执行过程的位移可控性和反馈记录有待提高。现有方案采用滑动夹持单元或机械牵拉结构，左右夹持端在拉制全过程中的位移、速度、加速度及断开阶段不便按多阶段程序进行精细设定，也不便以伺服轴形式实时反馈和记录全过程运动数据，导致对于需要改变拉伸速度曲线、设定位移终止条件、记录全过程运动数据或适配不同规格样品的工况，其控制自由度和数据追溯能力受限；第二，温度控制与实际运动执行的联动性不足。现有方案主要以热值、软拉力及加热停止条件作为主要控制变量，对实际加热温度的闭环反馈、多阶段位移/速度曲线和左右轴运动数据的综合表达较少，难以根据样品实际软化状态精确触发拉伸时机，容易因启动时机不合适造成样品脆断、塌缩或形貌波动；第三，过程数据追溯能力不足。对于纳米移液管、纳米孔前驱体或微纳光纤等样品，最终尖端形貌与实际温度、电流、电压、左右拉伸速度、左右位置和断开阶段密切相关。若系统缺少多通道同步记录，失败样品难以反推原因，工艺配方也难以稳定复现；第四，控制结构扩展性有限。传统封闭式或机械牵拉式方案不便接入自定义上位机状态机、运动控制卡、编码器反馈和实验数据记录模块，不利于后续针对不同样品规格建立参数库及进行工艺迭代优化。

5、因此，有必要提供一种将焦耳热加热模块与精密电动位移执行机构相联动的可控拉锥装置及方法，在保留焦耳热环状加热优势的基础上，进一步提高拉伸执行的可编程性、温度与运动的联动性以及全过程数据追溯能力。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种焦耳热加热与双伺服同步导轨联动的可控拉锥装置及方法。该装置以环形焦耳发热体周向加热样品，通过非接触测温获取加热区温度并闭环调节，使温度稳定在软化窗口；以左右两套带位移反馈的电动位移执行机构替代机械牵拉，实现拉伸可编程控制与实时反馈。主控制器协调热源与运动机构联动，依据实际温度及小拉力作用下的预拉伸位移响应判断样品软化状态，在达到设定软化条件后切换至拉断阶段，同步采集温度、电参数、位移及速度数据，实现配方与时序数据追溯，提升拉制可控性、复现性及追溯能力，适用于纳米移液器、微纳光纤等器件制备。

2、一方面，本发明提供了一种焦耳热加热与双伺服同步导轨联动的可控拉锥装置，包括焦耳热加热模块和双伺服电极导轨模块；所述双伺服电极导轨模块根据所述焦耳热加热模块的实际温度反馈运行。

3、焦耳热加热模块负责通过碳环/石墨环等环形发热体对样品进行周向局部加热；双伺服电极导轨模块负责通过左右两套伺服电机导轨夹持样品两侧管段并进行精密轴向拉伸。两个模块在物理上分别对应热源与执行机构。

4、传统拉锥装置通常是“加热→等待固定时间→拉伸”的开环逻辑，而本发明的两个模块之间存在实时闭环控制关系——即双伺服导轨的启动、运行乃至停止，不是由预设延时触发，而是以焦耳热加热模块测得的真实温度数据作为控制输入条件。

5、焦耳热加热模块包括碳环发热体、直流可调电源、红外测温探头和热源控制器，红外测温探头非接触获取碳环/加热区温度，经热源控制器/主控制器判断样品是否进入软化窗口；只有当实际温度达到设定阈值（且通常配合预拉伸位移响应确认）后，双伺服导轨才被触发进入相应运动阶段，并在拉伸全过程中根据温度状态协调运动参数。这实现了热状态限定与机械运动的深度耦合，避免了未软化即拉断或过热塌缩的问题，即以实时温度闭环反馈作为精密拉伸执行机构的运动控制依据，使加热与拉伸从分步执行变为条件联动。

6、进一步的，所述焦耳热加热模块包括碳环发热体、直流可调电源、红外测温探头和热源控制器；所述碳环发热体用于对样品中部形成周向包围式局部热场，所述红外测温探头用于非接触测量所述碳环发热体或加热区域的实际温度，所述热源控制器用于根据所述红外测温探头的反馈信号调节所述直流可调电源的输出，以使加热温度稳定在设定软化窗口内。

7、碳环发热体为环形结构，样品（如毛细管、光纤）从中部穿过。碳环通电发热后，在样品中段形成一个360°环绕的局部高温区，只对样品中部一小段区域加热，而不是整体加热。这种“周向包围”保证了样品受热均匀，热场集中，能量利用率高，软化区位置可控。

8、传统接触式测温（如热电偶直接接触碳环）存在三个问题：安装困难，高温下接触不可靠；会改变碳环局部温度场，影响加热均匀性；响应滞后，难以实时反映碳环真实温度。因此采用红外测温探头，通过接收碳环发出的红外辐射来反推温度，不接触、不干扰、响应快，更适合高温、小尺寸发热体的实时监测。

9、设定软化窗口指样品材料（如硼硅酸盐玻璃、石英等）从刚性变为可拉伸状态所需的特定温度区间。不同材料对应的加热窗口不同，例如硼硅酸盐玻璃毛细管可采用约760-840℃范围内的目标温度进行参数摸索，石英毛细管可采用约1700-1800℃范围内的目标温度进行参数摸索。

10、稳定在软化窗口意味着不是一次性升温就结束，而是在拉伸全过程中，热源控制器持续根据红外反馈微调电源输出，抵消散热、拉伸形变带来的温度波动，使碳环温度始终保持在目标软化窗口内。

11、进一步的，所述双伺服电机导轨模块包括左右两套伺服电机、直线导轨、编码器和运动控制卡；所述左右两套伺服电机分别驱动左右滑台沿所述直线导轨作轴向运动，所述编码器用于实时反馈左右轴的位置和速度。

12、模块包含完全独立且对称的左右两套伺服驱动系统，分别安装在环形焦耳发热体的两侧。每套系统对应一个滑台，滑台上安装夹具，分别夹持样品的左端和右端。这种对称布局是实现同步反向拉伸的物理基础——两侧同时向相反方向运动，样品中部软化区始终保持在热场中心。

13、伺服电机是动力源，接收电信号后精确输出转速和扭矩，它通过滚珠丝杠或同步带等传动机构，驱动滑台在直线导轨上移动，滑台与夹具刚性连接，从而带动样品端部实现精确的轴向位移。与现有技术中常用的“牵拉臂+弹簧片+滑轮”等纯机械结构相比，伺服电机的优势在于：

14、可编程：速度、加速度、位移量均可通过软件设定；

15、可反向：既能拉伸也能回退，便于预拉伸试探；

16、力矩可控：可设定输出力矩上限，实现预拉伸或限力保护。

17、直线导轨为滑台提供高精度的直线运动导向，确保滑台只能沿样品轴向（即拉制方向）移动，不会产生横向偏移或扭转，这保证了左右夹具运动轨迹严格同轴，样品在拉伸过程中受力沿轴线对称，避免因机械间隙或导向不准导致的锥形偏斜。

18、编码器是安装在伺服电机或滑台上的位置/速度传感器，它实时测量并反馈滑台所处的位置和速度。这些反馈信号一方面用于闭环控制（运动控制卡根据实际位置与目标位置的偏差实时调整电机输出），另一方面用于数据记录（将全过程的位移、速度数据存入文件，实现工艺追溯）。

19、运动控制卡是模块的神经中枢，负责接收上位机（主控制器）的指令，将指令转化为伺服电机可识别的脉冲信号或模拟电压，读取编码器反馈，实现左右轴的同步控制（如电子齿轮功能），协调左右两套伺服系统的运动关系，确保两侧以相同速度、相同位移反向运动。

20、即左右对称布置的伺服电机驱动滑台沿直线导轨精密移动，并由编码器实时反馈位置速度，运动控制卡统一协调的精密拉伸执行系统，它将传统拉锥中依赖弹簧、重锤的被动牵拉升级为可编程、可反馈、可记录的主动伺服控制，为与焦耳热加热模块的温度联动提供了精确可控的机械基础。

21、进一步的，所述焦耳热加热模块还包括热电偶，所述热电偶用于检测加热舱室的环境温度及安全状态，并作为温控补偿参数。

22、焦耳热加热模块同时配置了两种温度检测手段，红外测温探头（主）非接触测量碳环/加热区域的实际高温，用于pid闭环主控温；热电偶（辅）接触式测量加热舱室内部的环境温度，作为辅助监测。这种一主一辅的双测温设计，既保留了红外测温对高温发热体的精确性和非干扰性，又利用热电偶弥补了红外测温在环境基准监测方面的不足。

23、环境温度指加热舱室内部空气、隔热陶瓷、外壳结构等部件的温度，而非碳环本身的温度，碳环工作温度可达上千摄氏度，但舱室环境（如隔热陶瓷后方、外壳内壁）温度相对较低，热电偶布置在这些位置，用于监测舱室热场分布是否异常，评估隔热、水冷系统的散热效果，为红外测温提供环境温度基准（因为红外测温的发射率补偿、背景辐射修正需要知道环境温度）。当舱室温度因水冷失效、保护气中断或隔热损坏而异常升高时，热电偶可触发报警或停机，防止设备过热损坏或引发安全事故。

24、进一步的，所述碳环发热体为石墨环、碳纤维复合环、热解碳环或碳化硅涂层碳环。

25、这些材料均为碳基或碳衍生物，共同具备稳定的电阻热特性、极高的耐温能力（远高于石英/玻璃软化温度）及可加工成环状的几何适应性，可在惰性气氛下对样品形成可靠的周向包围式焦耳热场；其中，石墨环因电阻率适中、发热均匀、机械加工性好且成本低廉，被作为本发明的优选实施方式，碳纤维复合环、热解碳环及碳化硅涂层碳环则分别适用于对抗热冲击、高纯环境或长寿命抗氧化有特殊要求的工况。

26、进一步的，所述运动控制卡通过电子齿轮功能使左右伺服轴以设定比例进行同步反向运动，其中一侧轴为主轴，另一侧轴为从动轴。

27、拉锥工艺要求样品两侧夹具同时向相反方向以相同速度运动。如果左右两侧速度或位移不一致，样品软化区会偏离碳环热场中心，导致受热不均；两侧拉伸量不同，形成的锥形不对称甚至弯曲；一侧拉伸过快可能导致样品提前断裂或尖端偏移。因此，左右轴必须保持严格的运动同步性和位移对称性。

28、当需要制备非对称锥形、偏置拉伸或调节特定锥形轮廓时，可设定如1:0.8、1:1、1:1.2等比例，使两侧拉伸速度不同，样品软化区相对碳环发生可控偏移，从而得到一侧长、一侧短或锥角不同的特殊结构。

29、电子齿轮通过“一主一从、比例跟随”的软件同步机制，以极高的实时性和精度保证左右伺服轴按1:1或设定比例严格反向运动，既消除了传统机械联动的间隙与磨损，又比独立双轴控制更抗干扰、更易编程，是实现对称或可控非对称拉锥的核心运动控制手段。

30、再一方面，本发明提供一种可控拉锥方法，包括将待拉制样品中部固定于环形焦耳发热体的热场中心，启动发热体，根据非接触测温装置反馈的实际温度调节电源输出，温度进入软化窗口后，控制左右两套电动位移执行机构进行同步反向拉伸，同时同步采集温度、电参数、位移及速度数据，保存静态配方和动态时序数据。

31、具体为将待拉制样品固定于左右电动位移执行机构的夹具上，使样品中部位于环形焦耳发热体的热场中心；设定拉制配方，所述拉制配方至少包括目标温度、加热电流参数、力矩限制、拉伸速度及终止条件；启动环形焦耳发热体，并根据非接触测温装置反馈的实际温度调节电源输出，使加热区域进入并稳定在设定软化窗口；根据所述非接触测温装置反馈的实际温度判断样品进入软化窗口后，控制左右两套电动位移执行机构进行同步反向拉伸，并通过位移反馈装置实时监测位移和/或速度，同时同步采集温度、电参数、位移及速度数据；达到终止条件后，停止加热和位移输出，并在冷却过程中继续采集数据直至温度降至安全阈值；保存静态配方和动态时序数据，所述动态时序数据包括实际温度、目标温度、环境温度、实时电压、实时电流、左右轴位移、左右轴速度、总拉伸速度及阶段状态。

32、进一步的，在同步反向拉伸之前，先对样品施加预拉伸力或低速预拉伸，并根据位移反馈判断样品是否产生预期位移响应，确认样品实际软化后再进入后续拉伸或拉断阶段。

33、在焦耳热拉制中，碳环温度通过红外反馈可快速达到设定值，但样品本身存在热惯性，且不同直径、壁厚或材质的石英/玻璃管其热传导速率和软化点存在差异。若仅依据温度信号便直接进入拉断阶段，可能出现两种情况：一是样品内部尚未充分软化，此时拉伸会导致脆断或端部钝化，无法形成尖端；二是样品已过度软化甚至熔融，直接拉伸会造成塌缩或尖端过长过细。因此，温度反馈只能提供 “热场就绪”的必要条件，而非 “可以安全拉伸”的充分条件。

34、本方案在温度进入软化窗口后，先由双伺服导轨施加极小的预拉伸力（或极低的预拉伸速度），相当于对样品进行一次力学探针测试。若样品已实际软化，其粘度下降，在微小外力下即会产生可测的塑性流动或粘性位移，编码器实时反馈到这一预期位移响应后，状态机才判定样品处于可稳定变形状态，继而切换至拉断阶段；若未检测到预期位移，则说明样品仍处于刚性状态，系统继续保温或微调温度，避免盲目拉伸。

35、进一步的，所述样品为单通道毛细管、双通道毛细管、多通道毛细管、硼硅酸盐玻璃毛细管、石英毛细管、光纤、包覆导线或预制电极载体中的一种或多种。

36、再一方面，本发明提供一种上述的可控拉锥装置或上述的可控拉锥方法在制备纳米移液器、纳米孔前驱体、单分子检测器件、微纳光纤或其他微纳玻璃/石英器件中的用途。

37、本发明具有如下的有益效果：

38、（1）本发明并非简单地按固定加热时间或单一温度阈值触发拉伸，而是将红外非接触测温反馈与双伺服导轨的预拉伸/位移响应相结合，形成“温度限定热状态窗口—力学探针确认实际软化—正式同步反向拉伸”的双重判断机制。由此避免了样品未充分软化时直接拉伸导致的脆断、端部钝化，以及过热状态下拉伸导致的塌缩或形貌波动，使尖端成形更加稳定可控，产生1+1>2的协同效果。

39、（2）采用左右双伺服电机导轨替代传统的牵拉臂、弹簧片或滑轮式机械牵拉结构，配合编码器实时反馈，使左右夹持端的位移、速度、加速度及终止条件能够按多阶段工艺配方进行精细设定；通过电子齿轮功能实现1:1或设定比例的同步反向运动，保证两侧拉伸严格对称，样品软化区始终保持在热场中心，从而显著提高了锥形结构的一致性和几何精度。

40、（3）针对碳环/石墨环焦耳热源采用红外非接触测温，避免了接触式热电偶直接测量高温碳环时存在的安装困难、局部温度场干扰及响应滞后等问题，能够更真实、连续地反映加热区域的实际温度，并以此作为pid闭环控制及运动触发依据，使样品在稳定、可重复的软化窗口内完成拉伸。

41、（4）系统在升温、预拉伸、拉断及冷却各阶段同步采集并保存温度、电压、电流、左右轴位置、左右轴速度、总拉伸速度及阶段状态等时序数据，形成与静态配方对应的完整工艺档案，这不仅便于从失败样品反推工艺原因，也支持通过参数迭代（如调整温度、拉力、位移阈值）快速优化配方，显著提升了研发效率和工艺透明度。