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1、(10)申请公布号 CN 103817389 A (43)申请公布日 2014.05.28 CN 103817389 A (21)申请号 201410052934.X (22)申请日 2014.02.17 B23H 5/00(2006.01) (71)申请人 中国矿业大学 地址 221116 江苏省徐州市大学路 1 号中国 矿业大学科研院 (72)发明人 杨海峰 陈天驰 唐玮 杨建华 郝敬宾 朱华 (74)专利代理机构 南京瑞弘专利商标事务所 ( 普通合伙 ) 32249 代理人 杨晓玲 (54) 发明名称 一种全息激光微细电解加工方法及其装置 (57) 摘要 一种全息激光微细电解加工方法及其。
2、装置, 属于微细电解加工方法及装置。该加工方法为无 模具全息激光微细电解加工方法, 在电解过程中, 同时利用全息激光系统, 生成具有特定图形的全 息激光图案, 利用聚焦成像系统将全息激光图案 聚焦于工件表面 ; 在激光束聚焦的工件表面上, 激光束在聚焦工件表面所产生的温度梯度场可以 促进阴极与工件表面电解液的流动, 调控工件表 面温度, 从而促进工件表面的电化学反应, 加速去 除工件表面的材料, 使得工件表面所加工的图形 与全息激光所形成的图形相一致, 实现无模具的 微细电解加工。优点 : 简化了模具的设计与制造 过程, 降低了模具的制造成本 ; 加快了微电解加 工的整体速度 ; 提高了微电解。
3、的加工效率。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103817389 A CN 103817389 A 1/2 页 2 1. 一种全息激光微细电解加工方法, 其特征是 : 加工方法为无模具的全息激光微细电 解加工方法, 在电解过程中, 同时利用全息激光系统, 生成具有特定图形的全息激光图案, 利用聚焦成像系统将全息激光图案聚焦于工件表面 ; 在激光束聚焦的工件表面上, 激光束 在聚焦工件表面所产生的温度梯度场可以促进阴极与工件表面电解。
4、液的流动, 调控工件表 面温度, 从而促进工件表面的电化学反应, 加速去除工件表面的材料, 使得工件表面所加工 的图形与全息激光所形成的图形相一致, 实现无模具的微细电解加工 ; 该加工方法具体包括前期准备、 全息光束生成、 全息光束聚焦和全息激光与微细电解 耦合加工 ; 前期准备 : 首先准备好所需加工的工件, 建立全息激光微细电解加工装置, 建立该装置 所需的三个系统 : 全息激光系统, 全息激光聚焦系统, 微细电解加工系统 ; 其中所述全息激 光系统按照脉冲激光模块、 光路传输模块、 全息光束模块依次连接 ; 所述全息激光聚焦系统 按照光束聚焦模块和光束成像模块依次连接 ; 所述微细电解。
5、加工系统按照移动平台模块、 电解加工模块、 脉冲电源模块依次连接 ; 在所有装置连接好后, 将准备好的工件放入电解加 工模块中等待加工 ; 全息光束生成 : 由脉冲激光模块生成的激光束经由光路传输模块入射至全息光束模 块, 全息光束模块的空间光调制器经由计算机软件预先编写的程序生成不同的全息图案, 因而经由空间光调制器反射的光束会得到与计算机图案相一致的光强可变的实时全息光 束 ; 通过控制计算机软件可以得到各种各样的图样, 即实际需要加工的各种各样的图样 ; 全息光束聚焦 : 将经由全息激光系统生成的实时全息光束通过全息激光聚焦系统的光 束聚焦模块, 垂直的照射在所需加工的工件表面, 通过移。
6、动电解加工系统中的移动模块控 制工件的上下移动, 在全息激光系统中的光束成像模块中观察并判断全息光束是否聚焦于 工件所需加工的表面 ; 全息激光与微细电解耦合加工 : 首先待全息光束聚焦到工件需加工表面后, 在电解模 块中的电解池内注入电解液, 其次通过恒温水浴锅控制电解池内电解液的温度, 使得工件 表面不发生电化学反应, 从而使工件只在激光辐照区域发生电化学反应 ; 最后通过设置脉 冲电源模块, 对所需工件表面进行全息激光和微细电解耦合加工。 2. 根据权利要求 1 所述的一种全息激光微细电解加工方法的装置, 其特征是 : 加工方 法的装置, 包括 : 全息激光系统 A、 全息激光聚焦系统 。
7、B 和微细电解加工系统 C ; 全息激光系 统 A、 全息激光聚焦系统 B 和微细电解加工系统 C 按照顺序依次连接 ; 所述全息激光系统 A 包括脉冲激光模块、 光路传输模块和全息光束模块, 脉冲激光模 块、 光路传输模块和全息光束模块按顺序依次连接 ; 所述脉冲激光模块包括控制器和脉冲 激光器, 脉冲激光器与控制器依次连接, 所述光路传输模块包括扩束镜和反射镜组 ; 所述扩 束镜与反射镜组顺序连接 ; 所述全息光束模块包括空间光调制器、 望远镜筒和计算机 ; 所 述空间光调制器、 望远镜筒和计算机顺序连接 ; 所述全息激光聚焦系统 B 包括光束聚焦模块和光束成像模块, 光束聚焦模块和光束成。
8、 像模块顺序连接 ; 所述光束聚焦模块包括分色镜和显微物镜, 其中分色镜和显微物镜顺序 连接 ; 所述光束成像模块包括会聚镜、 CCD 摄像机和计算机, 其中会聚镜、 CCD 摄像机和计算 机顺序连接 ; 所述微细电解加工系统 C 包括移动平台模块、 电解加工模块和脉冲电源模块 ; 移动平 权 利 要 求 书 CN 103817389 A 2 2/2 页 3 台模块、 电解加工模块和脉冲电源模块按照顺序依次连接 ; 所述移动平台模块包括三维移 动平台和计算机, 计算机与三维移动平台相连接 ; 所述电解加工模块包括恒温水浴锅、 电解 池、 工具阴极、 绝缘块、 工件和电解液 ; 电解池放置在恒温。
9、水浴锅中, 在电解池的底部放置绝 缘块, 在绝缘块上顺序放置工件和工具阴极, 工件和工具阴极之间放置绝缘块, 在电解池中 有电解液 ; 所述脉冲电源模块包括脉冲电源和计算机, 计算机与脉冲电源依次连接。 权 利 要 求 书 CN 103817389 A 3 1/5 页 4 一种全息激光微细电解加工方法及其装置 技术领域 0001 本发明涉及一种微细电解加工方法及装置, 尤其涉及一种全息激光微细电解加工 方法及其装置。 技术背景 0002 随着科技水平的快速发展, 零件的尺寸由毫米级逐渐缩小至微米级甚至于纳米 级。 为了加工出各种形状尺寸的微器件, 微细电火花加工、 电解加工、 超声波加工、 激。
10、光加工 及其之间的复合加工已经被广泛运用于各类微小零件的精加工中。 0003 在传统机械加工领域, 电解加工具有加工范围广, 加工效率高、 适合加工薄壁件等 优点, 因此在微零件的加工方面具有独特的优越性。因而电解微细加工得到了国内外学者 的高度重视并且有着广泛的发展空间和应用前景。 南京航空大学等国内高校对电解加工进 行了广泛而又深入的研究, 其研究成果被大量应用于航空航天领域和国防装备领域, 例如 飞机发动机的叶轮, 枪的膛线等。 但是电解加工现阶段依旧存在着某些局限性, 其局限性主 要在于阴极的模具的设计与制作困难, 模具的开发周期较长, 模具的精度和形状直接影响 了加工工件的精度和形状。
11、, 因而在进行单件小批量生产时的成本较高。在微型器件加工领 域, 微细电解加工可以实现离子数量级的去除, 为微细加工领域提供了一种新的途径。 但现 阶段微细电解加工依旧存在着一些问题, 如工具阴极与工件阳极之间的间隙小, 电解液流 动不流畅, 定域加工能力差, 电解效率低。 发明内容 0004 本发明的目的在于提供一种快速、 高稳定性、 无模具、 和简单的全息激光微细电解 加工方法及其装置。 0005 本发明的目的是这样实现的 : 该加工方法为一种全息激光微细电解加工方法, 在 电解过程中, 同时利用全息激光系统, 生成具有特定图形的全息激光图案, 利用聚焦成像系 统将全息激光图案聚焦于工件表。
12、面 ; 在激光束聚焦的工件表面上, 激光束在聚焦工件表面 所产生的温度梯度场可以促进阴极与工件表面电解液的流动, 调控工件表面温度, 从而促 进工件表面的电化学反应, 加速去除工件表面的材料, 使得工件表面所加工的图形与全息 激光所形成的图形相一致, 实现无模具的微细电解加工。 0006 该加工方法具体包括前期准备、 全息光束生成、 全息光束聚焦和全息激光与微细 电解耦合加工 ; 0007 前期准备 : 首先准备好所需加工的工件, 建立全息激光微细电解加工装置, 建立该 装置所需的三个系统 : 全息激光系统, 全息激光聚焦系统, 微细电解加工系统 ; 其中所述全 息激光系统按照脉冲激光模块、 。
13、光路传输模块、 全息光束模块依次连接 ; 所述全息激光聚焦 系统按照光束聚焦模块和光束成像模块依次连接 ; 所述微细电解加工系统按照移动平台模 块、 电解加工模块、 脉冲电源模块依次连接 ; 在所有装置连接好后, 将准备好的工件放入电 解加工模块中等待加工 ; 说 明 书 CN 103817389 A 4 2/5 页 5 0008 全息光束生成 : 由脉冲激光模块生成的激光束经由光路传输模块入射至全息光 束模块, 全息光束模块的空间光调制器经由计算机软件预先编写的程序生成不同的全息图 案, 因而经由空间光调制器反射的光束会得到与计算机图案相一致的光强可变的实时全 息光束 ; 通过控制计算机软件。
14、可以得到各种各样的图样, 即实际需要加工的各种各样的图 样 ; 0009 全息光束聚焦 : 将经由全息激光系统生成的实时全息光束通过全息激光聚焦系统 的光束聚焦模块, 垂直的照射在所需加工的工件表面, 通过移动电解加工系统中的移动模 块控制工件的上下移动, 在全息激光系统中的光束成像模块中观察并判断全息光束是否聚 焦于工件所需加工的表面 ; 0010 全息激光与微细电解耦合加工 : 首先待全息光束聚焦到工件需加工表面后, 在电 解模块中的电解池内注入电解液, 其次通过恒温水浴锅控制电解池内电解液的温度, 使得 工件表面不发生电化学反应, 从而使工件只在激光辐照区域发生电化学反应 ; 最后通过设。
15、 置脉冲电源模块, 对所需工件表面进行全息激光和微细电解耦合加工。 0011 本发明所述的全息激光微细电解加工方法的装置, 包括 : 全息激光系统 A、 全息激 光聚焦系统 B 和微细电解加工系统 C ; 全息激光系统 A、 全息激光聚焦系统 B 和微细电解加 工系统 C 按照顺序依次连接 ; 0012 所述全息激光系统 A 包括脉冲激光模块、 光路传输模块和全息光束模块, 脉冲激 光模块、 光路传输模块和全息光束模块按顺序依次连接 ; 所述脉冲激光模块包括控制器和 脉冲激光器, 脉冲激光器与控制器依次连接, 所述光路传输模块包括扩束镜和反射镜组 ; 所 述扩束镜与反射镜组顺序连接 ; 所述全。
16、息光束模块包括空间光调制器、 望远镜筒和计算机 ; 所述空间光调制器、 望远镜筒和计算机顺序连接 ; 0013 所述全息激光聚焦系统 B 包括光束聚焦模块和光束成像模块, 光束聚焦模块和光 束成像模块顺序连接 ; 所述光束聚焦模块包括分色镜和显微物镜, 其中分色镜和显微物镜 顺序连接 ; 所述光束成像模块包括会聚镜、 CCD 摄像机和计算机, 其中会聚镜、 CCD 摄像机和 计算机顺序连接 ; 0014 所述微细电解加工系统 C 包括移动平台模块、 电解加工模块和脉冲电源模块 ; 移 动平台模块、 电解加工模块和脉冲电源模块按照顺序依次连接 ; 所述移动平台模块包括三 维移动平台和计算机, 计。
17、算机与三维移动平台相连接 ; 所述电解加工模块包括恒温水浴锅、 电解池、 工具阴极、 绝缘块、 工件和电解液 ; 电解池放置在恒温水浴锅中, 在电解池的底部放 置绝缘块, 在绝缘块上顺序放置工件和工具阴极, 工件和工具阴极之间放置绝缘块, 在电解 池中有电解液 ; 所述脉冲电源模块包括脉冲电源和计算机, 计算机与脉冲电源依次连接。 0015 由于采用了上述方案, 本发明有如下有益效果 : 0016 (1) 无模具的设计与制造。 相较于传统的电解加工方式, 阴极模具的设计与制造难 度较大, 特别是在微细电解中, 阴极所需的模具尺寸在微米级, 加工难度很大, 因而从某种 程度上也制约微细电解加工技。
18、术的发展。本发明采用全息激光与电解加工相结合, 无需模 具也可在工件表面进行加工, 减少了模具设计与制造的困难和成本, 降低了单件小批量生 产的成本。 0017 (2) 工件表面加工图案的类型多种多样。本发明使用全息激光图案充当电解所需 的模具, 与传统电解中一个工具阴极只能有一种模具图案相比, 在本发明中, 其图案在计算 说 明 书 CN 103817389 A 5 3/5 页 6 机上通过软件进行绘制, 可以方便、 快捷的获得各种加工所需样式的图案, 可以在一次加工 中随时更换不同的图案从而达到电解加工复杂形貌的目的。 0018 (3) 激光与电化学的耦合作用。 相较于传统电解单一的电化学。
19、作用, 本发明将电解 加工与全息激光相耦合。 在电解加工的同时聚焦于工件表面的激光束对工件表面产生的热 效应, 既提高了电化学反应的定域去除能力, 又提高了电化学反应的去除效率。 0019 (4) 高效率的微细电解加工。 传统的微细电解中产生定域去除能力差、 电解速度慢 等问题的主要原因是工具阴极与工件阳极之间的距离需要很小, 使得电解液流动不畅, 小 间隙中的电场和流场分布复杂, 电解效率低下。 而本发明中工具阴极不再充当模具的角色, 通过全息激光图案作为模具可以增加工具阴极和工件阳极间的距离, 即大距离下的微细电 解加工, 从而提高微细电解加工的效率。 0020 优点 : 使用全息光束代替。
20、传统微电解中的模具, 既简化了模具的设计与制造过程, 降低了模具的制造成本, 又利用激光束的热效应提高了微电解加工的定域去除能力 ; 同时 通过计算机控制不同的全息图案光束, 无需更换工具阴极便可在工件表面电解加工不同的 形状, 加快了微电解加工的整体速度 ; 工具阴极的无模具设计增加了工件与工具阴极间的 距离, 提高了微电解的加工效率。 附图说明 0021 图 1 是本发明的总体装置系统方案图。 0022 图 2 是本发明的总体装置系统示意图。 0023 图中, A、 全息激光系统 ; B、 全息激光聚焦系统 ; C、 微细电解加工系统 ; 1-1、 脉冲激 光模块 ; 1-2、 光路传输模。
21、块 ; 1-3、 全息光束模块 ; 2-1、 光束聚焦模块 ; 2-2 光束成像模块 ; 3-1、 移动平台模块 ; 3-2、 电解加工模块 ; 3-3、 脉冲电源模块 ; 1、 控制器 ; 2、 脉冲激光器 ; 3、 扩束镜 ; 4、 反射镜组 ; 5、 空间光调制器 ; 6、 望远镜筒 ; 7、 分色镜 ; 8、 会聚镜 ; 9、 CCD 摄像机 ; 10、 显微物镜 ; 11、 计算机 ; 12、 三维位移平台 ; 13、 恒温水浴锅 ; 14、 电解池 ; 15、 工具阴极 ; 16、 绝缘块 ; 17、 工件 ; 18、 电解液 ; 19、 计算机 ; 20、 脉冲电源。 具体实施方。
22、式 0024 通过附图对本发明的一个具体实施例作进一步的说明 : 0025 实施例 1 : 本发明的装置是由全息激光系统 A、 全息激光聚焦系统 B 和微细电解加 工系统 C 所组成 ; 全息激光系统 A、 全息激光聚焦系统 B 和微细电解加工系统 C 按照顺序依 次连接。 0026 所述全息激光系统 A 包括脉冲激光模块 1-1、 光路传输模块 1-2 和全息光束模块 1-3, 脉冲激光模块 1-1、 光路传输模块 1-2 和全息光束模块 1-3 按顺序依次连接 ; 所述脉冲 激光模块 1-1 包括控制器 1 和脉冲激光器 2, 脉冲激光器 2 与控制器 1 依次连接, 所述脉冲 激光器 2。
23、 的脉宽为大于等于 1ps、 激光波长为 532 1064nm ; 所述控制器 1 用于控制脉冲激 光器 2 的激光加工参数 ; 所述光路传输模块 1-2 包括扩束镜 3 和反射镜组 4 ; 所述扩束镜 3 与反射镜组 4 顺序连接, 通过改变反射镜组 4 的角度控制激光束以合适的角度照射至全息 光束模块 1-3 ; 所述全息光束模块 1-3 包括空间光调制器 5、 望远镜筒 6 和计算机 11, 所述 空间光调制器 5 为液晶空间光调制器, 与计算机 11 相连, 通过计算机 11 编程可以得到不同 说 明 书 CN 103817389 A 6 4/5 页 7 的全息图案 ; 所述空间光调制。
24、器 5、 望远镜筒 6 和计算机 11 顺序连接, 所述空间光调制器 5 和望远镜筒 6 是生成全息光束并进行实时位相调制。 0027 所述全息激光聚焦系统 B 包括光束聚焦模块 2-1 和光束成像模块 2-2, 光束聚焦 模块 2-1 和光束成像模块 2-2 顺序连接 ; 所述光束聚焦模块 2-1 包括分色镜 7 和显微物镜 10, 其中分色镜 7 和显微物镜 10 顺序连接, 所述分色镜 7 用于滤去激光束聚焦在工件表面 反射所生成的光束, 所述显微物镜 10 为低倍物镜, 倍数小于等于 40 倍, 用于将全息光束聚 焦在工件表面 ; 所述光束成像模块 2-2 包括会聚镜 8、 CCD 摄。
25、像机 9 和计算机 11, 其中会聚 镜 8、 CCD 摄像机 9 和计算机 11 顺序连接, 所述会聚镜 8 将工件表面的全息光束图案聚焦于 CCD 上 ; 所述 CCD 摄像机 9 与计算机 11 连接, 以便在计算机 11 上观察全息光束在工件表面 的聚焦情况。 0028 所述微细电解加工系统C包括移动平台模块3-1、 电解加工模块3-2和脉冲电源模 块3-3 ; 移动平台模块3-1、 电解加工模块3-2和脉冲电源模块3-3按照顺序依次连接 ; 所述 移动平台模块 3-1 包括三维移动平台 12 和计算机 19, 计算机 19 与三维移动平台 12 相连 接, 该三维移动平台 12 上放。
26、置电解加工模块 3-2, 并与计算机 19 相连接, 通过计算机 19 控 制其移动, 从而控制全息光束聚焦在所加工表面 ; 所述电解加工模块 3-2 包括恒温水浴锅 13、 电解池 14、 工具阴极 15、 绝缘块 16、 工件 17 和电解液 18 ; 电解池 14 放置在恒温水浴锅 13 中, 在电解池 14 的底部放置绝缘块 16(a), 在绝缘块 16(a) 上顺序放置工件 17 和工具阴 极15, 工件17和工具阴极15之间放置绝缘块16(b), 在电解池14中有电解液18 ; 所述电解 池 14 用于放置电解液 18、 所需加工工件 17、 工具阴极 15 和绝缘块 16, 所述。
27、恒温水浴锅 13 用于控制电解池 14 内电解液 18 的温度, 所述工具阴极 15 选用 ITO 透明导电玻璃, 使得全 息光束可以穿过工具阴极 15 聚焦于工件 17 表面 ; 所述脉冲电源模块 3-3 包括脉冲电源 20 和计算机 19, 计算机 19 与脉冲电源 20 依次连接, 所述脉冲电源 20 为电解加工提供脉冲电 流, 其中, 电源频率选用 2MHz、 脉宽为 200ns, 所述计算机 19 用于控制脉冲电源 20 的参数。 0029 该加工方法为全息激光微细电解加工方法, 在电解过程中, 同时利用全息激光系 统, 生成具有特定图形的全息激光图案, 利用聚焦成像系统将全息激光图。
28、案聚焦于工件表 面 ; 在激光束聚焦的工件表面上, 激光束在聚焦工件表面所产生的温度梯度场可以促进阴 极与工件表面电解液的流动, 调控工件表面温度, 从而促进工件表面的电化学反应, 加速去 除工件表面的材料, 使得工件表面所加工的图形与全息激光所形成的图形相一致, 实现无 模具的微细电解加工。 0030 该加工方法具体包括前期准备、 全息光束生成、 全息光束聚焦和全息激光与微细 电解耦合加工 ; 0031 前期准备 : 首先准备好所需加工的工件, 建立全息激光微细电解加工装置, 建立该 装置所需的三个系统 : 全息激光系统, 全息激光聚焦系统, 微细电解加工系统 ; 其中所述全 息激光系统按照。
29、脉冲激光模块、 光路传输模块、 全息光束模块依次连接 ; 所述全息激光聚焦 系统按照光束聚焦模块和光束成像模块依次连接 ; 所述微细电解加工系统按照移动平台模 块、 电解加工模块、 脉冲电源模块依次连接 ; 在所有装置连接好后, 将准备好的工件放入电 解加工模块中等待加工 ; 0032 全息光束生成 : 由脉冲激光模块生成的激光束经由光路传输模块入射至全息光 束模块, 全息光束模块的空间光调制器经由计算机软件预先编写的程序生成不同的全息图 说 明 书 CN 103817389 A 7 5/5 页 8 案, 因而经由空间光调制器反射的光束会得到与计算机图案相一致的光强可变的实时全 息光束 ; 通。
30、过控制计算机软件可以得到各种各样的图样, 即实际需要加工的各种各样的图 样 ; 0033 全息光束聚焦 : 将经由全息激光系统生成的实时全息光束通过全息激光聚焦系统 的光束聚焦模块, 垂直的照射在所需加工的工件表面, 通过移动电解加工系统中的移动模 块控制工件的上下移动, 在全息激光系统中的光束成像模块中观察并判断全息光束是否聚 焦于工件所需加工的表面 ; 0034 全息激光与微细电解耦合加工 : 首先待全息光束聚焦到工件需加工表面后, 在电 解模块中的电解池内注入电解液, 其次通过恒温水浴锅控制电解池内电解液的温度, 使得 工件表面不发生电化学反应, 从而使工件只在激光辐照区域发生电化学反应。
31、 ; 最后通过设 置脉冲电源模块, 对所需工件表面进行全息激光和微细电解耦合加工。 0035 在图 2 中, 首先建立全息激光系统 A 和全息激光聚焦系统 B, 打开激光器 2, 通过控 制器 1 调整好合适的激光参数, 激光束经扩束镜 3 扩束, 通过反射镜组 4 改变入射方向, 使 激光束照射至空间光调制器 5 上, 空间光调制器 5 经由计算机 9 软件控制, 在空间光调制器 5上生成所需的全息图案, 激光束经由空间光调制器5和望远镜筒6生成实时可变光强图案 的全息光束, 经分色镜 7 进入显微物镜 10 中, 在显微物镜 10 的焦点处聚焦产生实时全息图 案, 与此同时全息光束产生的反。
32、射光经由分色镜 7 和会聚镜 8 聚焦在 CCD 摄像机 9 上。然 后建立电解加工系统 C, 将带有电解液 18 的电解池 14 放入恒温水浴锅 13 中, 恒温水浴锅 13 保持恒温 (温度小于 20) 以保证工件 17 表面与阴极工具 15 不发生电化学反应。将恒 温水浴锅 13 放置在三维移动平台 12 上, 将所需加工工件 17 放入电解池中, 阴极工具 15 通 过绝缘块 16(b) 放置在工件 17 上。通过计算机 19 控制移动平台 12 的移动, 在计算机 11 中观察 CCD 摄像机 9 的图案, 将全息光束聚焦于工件 17 表面后, 通过计算机 19 控制脉冲电 源 20 设置合适的脉冲电流参数, 对工件 17 表面进行微细电解加工。 说 明 书 CN 103817389 A 8 1/1 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103817389 A 9 。