CN111468822B - 加工非金属轻质小球表面微结构的加工系统及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加工表面微结构的加工系统及加工方法，特别涉及一种加工非金属轻质小球表面微结构的加工系统及加工方法，解决了采用现有加工系统及方法加工非金属轻质小球表面微结构时，加工和定位过程中会出现较大误差，表面加工精度大幅劣化，甚至导致零件永久变形，无法修复的问题。该加工系统的特殊之处在于：包括加工单元、工件装夹单元、工件位置定位单元及导线；加工单元包括加工激光单元以及设置在加工激光单元输出光路上的三轴运动平台；工件装夹单元包括装夹底座、弹片、支撑座及静电发生器；非金属轻质小球通过静电吸附在支撑座顶端中心的球面凹槽内；工件位置定位单元用于对非金属轻质小球进行定位；导线用于移除电荷。

Description

加工非金属轻质小球表面微结构的加工系统及加工方法

技术领域

本发明涉及一种加工表面微结构的加工系统及加工方法，特别涉及一种加工非金属轻质小球表面微结构的加工系统及加工方法。

背景技术

飞秒激光加工相对于传统机械加工，具有明显的加工精度优势，对被加工材料没有选择性，加工过程热效应很低，加工出来的结构周围几乎没有重铸层、微裂纹、再结晶等缺陷，因此，在非金属有机材料图案精细制造领域，飞秒激光加工相对于传统机械加工有着独特的优势。非金属轻质小球是惯性约束聚变(ICF)点火的关键部件，使用飞秒激光在非金属靶球表面进行精细图案制造，可以提高其稳定性和效能。

由于加工非金属轻质小球表面微结构时，需要将非金属轻质小球放置在真空腔中，因而加工时，不能使用真空吸附的方法对非金属轻质小球进行装夹。目前加工非金属轻质小球表面微结构时，通常采用机械装夹固定非金属轻质小球，但由于非金属轻质小球刚性不足，机械装夹固定后，因压力会产生轻微变形，使得在加工和定位过程中出现较大误差，表面加工精度会因此大幅劣化，甚至导致零件永久变形，无法修复。

发明内容

本发明的目的是提供一种加工非金属轻质小球表面微结构的加工系统及加工方法，以解决采用现有加工系统及加工方法加工非金属轻质小球表面微结构时，加工和定位过程中会出现较大误差，表面加工精度大幅劣化，甚至导致零件永久变形，无法修复的技术问题。

本发明所采用的技术方案是，一种加工非金属轻质小球表面微结构的加工系统，其特殊之处在于：

包括加工单元、工件装夹单元、工件位置定位单元以及导线；

所述加工单元包括加工激光单元以及设置在加工激光单元输出光路上的三轴运动平台；

所述加工激光单元包括沿光路依次设置的激光器、光传系统、聚焦单元以及振镜加工头，或者包括沿光路依次设置的激光器、光传系统、振镜加工头以及聚焦单元；

所述激光器为飞秒激光器或皮秒激光器；

所述工件装夹单元包括装夹底座、弹片、支撑座以及静电发生器；

所述装夹底座固定设置在三轴运动平台的工作台上；所述装夹底座的上表面设置有第一凸台和第二凸台；

所述弹片一端与第二凸台固连，另一端可在水平方向摆动；

所述支撑座设置在装夹底座的上表面，且位于第一凸台与弹片另一端围城的第一凹槽内，通过第一凸台与弹片另一端对支撑座在水平四个方向进行限位；所述支撑座的顶端中心设置有球面凹槽，所述球面凹槽的尺寸与待加工非金属轻质小球的尺寸相适配；所述支撑座由电绝缘材料制成；

所述静电发生器的静电输出端与待加工非金属轻质小球接触连接，用于给待加工非金属轻质小球施加电荷，将待加工非金属轻质小球通过静电吸附方式吸附在所述球面凹槽内；

所述工件位置定位单元用于监控待加工非金属轻质小球的位置，并将位置信息传递给三轴运动平台，使三轴运动平台带动待加工非金属轻质小球运动，对待加工非金属轻质小球进行定位；

所述导线用于将非金属轻质小球和支撑座的接触处与地面导通，移除所述电荷，取下非金属轻质小球。

进一步地，所述工件位置定位单元包括第一相机、第二相机以及控制装置；

定义：加工激光单元输出激光的光轴方向为加工激光光轴；平行于加工激光光轴的方向为Z轴方向；通过所述球面凹槽的球面中心点且垂直于加工激光光轴的平面为XOY平面，且XOY平面的X轴、Y轴分别与三轴运动平台在水平方向的两个轴对应平行；所述三轴运动平台的竖直轴与Z轴平行；

所述第一相机的光轴垂直于XOZ平面；所述第一相机用于采集待加工非金属轻质小球在XOZ平面的投影图像，并将该XOZ平面的投影图像反馈给所述控制装置；

所述第二相机的光轴垂直于YOZ平面；所述第二相机用于采集待加工非金属轻质小球在YOZ平面的投影图像，并将该YOZ平面的投影图像反馈给所述控制装置；

所述控制装置：依据反馈的XOZ平面的投影图像和YOZ平面的投影图像，进行图像识别并计算待加工非金属轻质小球球心在X轴方向上偏移加工激光光轴的距离△X及偏移方向、待加工非金属轻质小球球心在Y轴方向上偏移加工激光光轴的距离△Y和偏移方向以及加工激光聚焦点在Z轴方向上偏移待加工非金属轻质小球顶端中心位置的距离△Z及偏移方向；并控制三轴运动平台运动，使△X、△Y及△Z等于零后，控制加工单元进行加工工作。

进一步地，为了在静电发生器提供相同电量的情况下，对待加工非金属轻质小球的吸附效果更好，固定更牢固，所述支撑座下端为圆柱形，上端为圆锥形，且所述圆锥形的底圆径向尺寸小于等于圆柱形的径向尺寸。同时，这样设置，第一相机与第二相机拍摄的视角更广。

进一步地，所述电荷为正电荷。

进一步地，所述第一凸台上表面设置有从第一凸台上表面贯通至装夹底座上表面的梯形槽；所述梯形槽的梯形底面一侧开口，且开口朝向弹片另一端；所述梯形槽的两腰平面和顶部平面，以及弹片另一端围成所述第一凹槽。

进一步地，所述装夹底座的底部设置有螺纹孔，通过该螺纹孔将装夹底座固定设置在三轴运动平台的工作台上。这样，装夹底座固定更方便。

进一步地，所述装夹底座由金属材料制成；

所述支撑座由聚甲基丙烯酸甲酯材料制成。这样，装夹底座的强度更好，而且材料通用性好，便于采购，成本低。

本发明还提供了一种基于上述加工非金属轻质小球表面微结构的加工系统的加工方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1：将装夹底座固定在三轴运动平台的工作台上；将支撑座放置到第一凹槽内，通过弹片限位；将待加工非金属轻质小球放置到所述球面凹槽内，并通过静电发生器给待加工非金属轻质小球施加电荷，通过静电吸附方式将待加工非金属轻质小球固定在球面凹槽内；

步骤2：第一相机采集待加工非金属轻质小球在XOZ平面的投影图像，并将该XOZ平面的投影图像反馈给控制装置；第二相机采集待加工非金属轻质小球在YOZ平面的投影图像，并将该YOZ平面的投影图像反馈给所述控制装置；

步骤3：控制装置先依据反馈的XOZ平面的投影图像和YOZ平面的投影图像，进行图像识别并计算待加工非金属轻质小球球心在X轴方向上偏移加工激光光轴的距离△X及偏移方向、待加工非金属轻质小球球心在Y轴方向上偏移加工激光光轴的距离△Y和偏移方向以及加工激光聚焦点在Z轴方向上偏移待加工非金属轻质小球顶端中心位置的距离△Z及偏移方向；接着，控制装置控制三轴运动平台运动，使△X、△Y及△Z等于零后，控制加工单元进行加工工作；

步骤4：加工完成后，使用导线将非金属轻质小球和支撑座的接触处与地面导通，移除所述电荷，取下非金属轻质小球。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的加工非金属轻质小球表面微结构的加工系统及加工方法，工件装夹方面：使用静电吸附原理装夹非金属轻质小球，避免机械装夹对零件产生的形变；同时，不受外部气压影响，即使在真空腔中也可以稳定装夹；工件位置定位方面：通过工件位置定位单元监控待加工非金属轻质小球的位置，并将位置信息传递给三轴运动平台，使三轴运动平台带动待加工非金属轻质小球运动，对待加工非金属轻质小球进行精确定位，后续使用包含有飞秒激光器或皮秒激光器的加工单元在非金属轻质小球表面进行微结构加工，比如精密图案、微孔等的加工，加工精度极高；因此，本发明解决了采用现有加工系统及加工方法加工非金属轻质小球表面微结构时，加工和定位过程中会出现较大误差，表面加工精度大幅劣化，甚至导致零件永久变形，无法修复的技术问题。

(2)本发明中的工件位置定位单元优选地包括第一相机、第二相机以及控制装置；通过第一相机与第二相机采集图像，控制装置通过数字图像特征识别方法精准定位非金属轻质小球的三维空间位置，进行图像识别并计算出非金属轻质小球中心距加工激光光轴的偏移量，控制三轴运动平台运动，精准定位待加工非金属轻质小球位置。此工件位置定位单元结构简单，定位精确。

(2)本发明中，优选地支撑座下端为圆柱形，上端为圆锥形，且圆锥形的底圆径向尺寸小于等于圆柱形的径向尺寸，这样设置，不仅在静电发生器提供相同电量的情况下，对待加工非金属轻质小球的吸附效果更好，固定更牢固，而且第一相机与第二相机拍摄的视角更广。

附图说明

图1是本发明加工非金属轻质小球表面微结构的加工系统实施例的结构简图(工件位置定位单元和导线图上未示出)；

图2是本发明实施例中工件装夹单元的结构示意图(静电发生器图上未示出)；

图3是本发明实施例中工件装夹单元去掉支撑座的结构示意图；

图4是本发明实施例中支撑座的结构示意图；

图5是本发明实施例中第一相机、第二相机位置布局示意图；

图6是本发明实施例中控制装置对第一相机反馈的XOZ平面的投影图像进行图像识别的示意图；

图7是本发明实施例中控制装置对第二相机反馈的YOZ平面的投影图像进行图像识别的示意图；

图8是通过控制装置调整后，待加工非金属轻质小球中心位于加工激光光轴的示意图。

图中各标号的说明如下：

1-加工单元，11-激光器，12-光传系统，13-聚焦单元，14-振镜加工头，15-三轴运动平台，2-工件装夹单元，21-装夹底座，211-第一凸台，2111-梯形槽，212-第二凸台，22-弹片，23-支撑座，231-球面凹槽，31-第一相机，32-第二相机，01-非金属轻质小球，02-加工激光光轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参见图1，本发明一种加工非金属轻质小球表面微结构的加工系统，包括加工单元1、工件装夹单元2、工件位置定位单元以及导线。

上述加工单元1包括加工激光单元以及设置在加工激光单元输出光路上的三轴运动平台15。本实施例中，加工激光单元包括沿光路依次设置的激光器11、光传系统12、聚焦单元13以及振镜加工头14。本实施例的聚焦单元13为聚焦镜，除了选用聚焦镜外，也可以选用其它具有聚焦功能的透镜组。加工激光单元除了为本实施例的包括沿光路依次设置的激光器11、光传系统12、聚焦单元13以及振镜加工头14外，也可以将聚焦单元13与振镜加工头14的顺序调换，即包括沿光路依次设置的激光器、光传系统、振镜加工头以及聚焦单元；当加工激光单元包括沿光路依次设置的激光器、光传系统、振镜加工头以及聚焦单元时，聚焦单元除了可以选用聚焦镜或其它具有聚焦功能的透镜组外，还可以选用聚焦场镜。上述激光器11为飞秒激光器或皮秒激光器，本实施例优选地为飞秒激光器。

参见图2，上述工件装夹单元2包括装夹底座21、弹片22、支撑座23以及静电发生器。参见图3，装夹底座21固定设置在三轴运动平台15的工作台上；本实施例中，为了方便固定，优选地在装夹底座21的底部设置有螺纹孔，通过该螺纹孔将装夹底座21固定设置在三轴运动平台15的工作台上。并且优选地装夹底座21由金属材料制成。装夹底座21的上表面设置有第一凸台211和第二凸台212；上述弹片22一端与第二凸台212固连，另一端可在水平方向摆动；参见图2，上述支撑座23设置在装夹底座21的上表面，且位于第一凸台211与弹片22另一端围城的第一凹槽内，通过第一凸台211与弹片22另一端对支撑座23在水平四个方向进行限位。本实施例在第一凸台211上表面设置有从第一凸台211上表面贯通至装夹底座21上表面的梯形槽2111；梯形槽2111的梯形底面一侧开口，且开口朝向弹片22另一端；梯形槽2111的两腰平面和顶部平面，以及弹片22另一端围成上述第一凹槽，对支撑座23在水平四个方向进行限位。参见图4，上述支撑座23的顶端中心设置有球面凹槽231，球面凹槽231的尺寸与待加工非金属轻质小球01的尺寸相适配；支撑座23由电绝缘材料制成；本实施例优选地，支撑座23由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料制成。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料不仅具有极高的机械强度，而且便于加工，成本低。为了在静电发生器提供相同电量的情况下，对待加工非金属轻质小球的吸附效果更好，固定更牢固，同时为了第一相机与第二相机拍摄的视角更广，本实施例优选地支撑座23下端为圆柱形，上端为圆锥形，且圆锥形的底圆径向尺寸小于等于圆柱形的径向尺寸。上述静电发生器的静电输出端与待加工非金属轻质小球01接触连接，用于给待加工非金属轻质小球01施加电荷，将待加工非金属轻质小球01通过静电吸附方式吸附在所述球面凹槽231内。施加完电荷后移除静电发生器。本实施例施加的电荷为正电荷，除了施加正电荷外，也可以施加负电荷。

上述工件位置定位单元用于监控待加工非金属轻质小球01的位置，并将位置信息传递给三轴运动平台15，使三轴运动平台15带动待加工非金属轻质小球01运动，对待加工非金属轻质小球01进行定位；参见图5，本实施例上述工件位置定位单元优选地包括第一相机31、第二相机32以及控制装置。定义：加工激光单元输出激光的光轴方向为加工激光光轴02；平行于加工激光光轴02的方向为Z轴方向；通过上述球面凹槽231的球面中心点且垂直于加工激光光轴02的平面为XOY平面，且XOY平面的X轴、Y轴分别与三轴运动平台15在水平方向的两个轴对应平行；上述三轴运动平台15的竖直轴与Z轴平行。上述第一相机31的光轴垂直于XOZ平面；第一相机31用于采集待加工非金属轻质小球01在XOZ平面的投影图像，并将该XOZ平面的投影图像反馈给上述控制装置；上述第二相机32的光轴垂直于YOZ平面；第二相机32用于采集待加工非金属轻质小球01在YOZ平面的投影图像，并将该YOZ平面的投影图像反馈给上述控制装置。参见图6和图7，上述控制装置：依据反馈的XOZ平面的投影图像和YOZ平面的投影图像，进行图像识别并计算待加工非金属轻质小球01球心在X轴方向上偏移加工激光光轴02的距离△X及偏移方向、待加工非金属轻质小球01球心在Y轴方向上偏移加工激光光轴02的距离△Y和偏移方向以及加工激光聚焦点在Z轴方向上偏移待加工非金属轻质小球01顶端中心位置的距离△Z及偏移方向；并控制三轴运动平台15运动，使△X、△Y及△Z等于零后，参见图8，控制加工单元1进行加工工作。

上述导线用于将非金属轻质小球01和支撑座23的接触处与地面导通，移除上述电荷，取下非金属轻质小球01。

基于上述加工非金属轻质小球表面微结构的加工系统，加工非金属轻质小球表面微结构的加工方法，包括以下步骤：

步骤1：将装夹底座21固定在三轴运动平台15的工作台上；将支撑座23放置到第一凹槽内，通过弹片22限位；将待加工非金属轻质小球01放置到上述球面凹槽231内，并通过静电发生器给待加工非金属轻质小球01施加电荷，通过静电吸附方式将待加工非金属轻质小球01固定在球面凹槽231内；

步骤2：第一相机31采集待加工非金属轻质小球01在XOZ平面的投影图像，并将该XOZ平面的投影图像反馈给控制装置；第二相机32采集待加工非金属轻质小球01在YOZ平面的投影图像，并将该YOZ平面的投影图像反馈给上述控制装置；

步骤3：控制装置先依据反馈的XOZ平面的投影图像和YOZ平面的投影图像，进行图像识别并计算待加工非金属轻质小球01球心在X轴方向上偏移加工激光光轴02的距离△X及偏移方向、待加工非金属轻质小球01球心在Y轴方向上偏移加工激光光轴02的距离△Y和偏移方向以及加工激光聚焦点在Z轴方向上偏移待加工非金属轻质小球01顶端中心位置的距离△Z及偏移方向；接着，控制装置控制三轴运动平台15运动，使△X、△Y及△Z等于零后，控制加工单元1进行加工工作；

步骤4：加工完成后，使用导线将非金属轻质小球01和支撑座23的接触处与地面导通，移除上述电荷，取下非金属轻质小球01。

Claims (8)

1.一种加工非金属轻质小球表面微结构的加工系统，其特征在于：

包括加工单元(1)、工件装夹单元(2)、工件位置定位单元以及导线；

所述加工单元(1)包括加工激光单元以及设置在加工激光单元输出光路上的三轴运动平台(15)；

所述加工激光单元包括沿光路依次设置的激光器(11)、光传系统(12)、聚焦单元(13)以及振镜加工头(14)，或者包括沿光路依次设置的激光器、光传系统、振镜加工头以及聚焦单元；

所述激光器(11)为飞秒激光器或皮秒激光器；

所述工件装夹单元(2)包括装夹底座(21)、弹片(22)、支撑座(23)以及静电发生器；

所述装夹底座(21)固定设置在三轴运动平台(15)的工作台上；所述装夹底座(21)的上表面设置有第一凸台(211)和第二凸台(212)；

所述弹片(22)一端与第二凸台(212)固连，另一端可在水平方向摆动；

所述支撑座(23)设置在装夹底座(21)的上表面，且位于第一凸台(211)与弹片(22)另一端围城的第一凹槽内，通过第一凸台(211)与弹片(22)另一端对支撑座(23)在水平四个方向进行限位；所述支撑座(23)的顶端中心设置有球面凹槽(231)，所述球面凹槽(231)的尺寸与待加工非金属轻质小球(01)的尺寸相适配；所述支撑座(23)由电绝缘材料制成；

所述静电发生器的静电输出端与待加工非金属轻质小球(01)接触连接，用于给待加工非金属轻质小球(01)施加电荷，将待加工非金属轻质小球(01)通过静电吸附方式吸附在所述球面凹槽(231)内；

所述工件位置定位单元用于监控待加工非金属轻质小球(01)的位置，并将位置信息传递给三轴运动平台(15)，使三轴运动平台(15)带动待加工非金属轻质小球(01)运动，对待加工非金属轻质小球(01)进行定位；

所述导线用于将非金属轻质小球(01)和支撑座(23)的接触处与地面导通，移除所述电荷，取下非金属轻质小球(01)。

2.根据权利要求1所述的加工非金属轻质小球表面微结构的加工系统，其特征在于：

所述工件位置定位单元包括第一相机(31)、第二相机(32)以及控制装置；

定义：加工激光单元输出激光的光轴方向为加工激光光轴(02)；平行于加工激光光轴(02)的方向为Z轴方向；通过所述球面凹槽(231)的球面中心点且垂直于加工激光光轴(02)的平面为XOY平面，且XOY平面的X轴、Y轴分别与三轴运动平台(15)在水平方向的两个轴对应平行；所述三轴运动平台(15)的竖直轴与Z轴平行；

所述第一相机(31)的光轴垂直于XOZ平面；所述第一相机(31)用于采集待加工非金属轻质小球(01)在XOZ平面的投影图像，并将该XOZ平面的投影图像反馈给所述控制装置；

所述第二相机(32)的光轴垂直于YOZ平面；所述第二相机(32)用于采集待加工非金属轻质小球(01)在YOZ平面的投影图像，并将该YOZ平面的投影图像反馈给所述控制装置；

所述控制装置：依据反馈的XOZ平面的投影图像和YOZ平面的投影图像，进行图像识别并计算待加工非金属轻质小球(01)球心在X轴方向上偏移加工激光光轴(02)的距离△X及偏移方向、待加工非金属轻质小球(01)球心在Y轴方向上偏移加工激光光轴(02)的距离△Y和偏移方向以及加工激光聚焦点在Z轴方向上偏移待加工非金属轻质小球(01)顶端中心位置的距离△Z及偏移方向；并控制三轴运动平台(15)运动，使△X、△Y及△Z等于零后，控制加工单元(1)进行加工工作。

3.根据权利要求2所述的加工非金属轻质小球表面微结构的加工系统，其特征在于：所述支撑座(23)下端为圆柱形，上端为圆锥形，且所述圆锥形的底圆径向尺寸小于等于圆柱形的径向尺寸。

4.根据权利要求3所述的加工非金属轻质小球表面微结构的加工系统，其特征在于：所述电荷为正电荷。

5.根据权利要求4所述的加工非金属轻质小球表面微结构的加工系统，其特征在于：所述第一凸台(211)上表面设置有从第一凸台(211)上表面贯通至装夹底座(21)上表面的梯形槽(2111)；所述梯形槽(2111)的梯形底面一侧开口，且开口朝向弹片(22)另一端；所述梯形槽(2111)的两腰平面和顶部平面，以及弹片(22)另一端围成所述第一凹槽。

6.根据权利要求1至5任一所述的加工非金属轻质小球表面微结构的加工系统，其特征在于：所述装夹底座(21)的底部设置有螺纹孔，通过该螺纹孔将装夹底座(21)固定设置在三轴运动平台(15)的工作台上。

7.根据权利要求6所述的加工非金属轻质小球表面微结构的加工系统，其特征在于：

所述装夹底座(21)由金属材料制成；

所述支撑座(23)由聚甲基丙烯酸甲酯材料制成。

8.一种权利要求1至7任一所述加工非金属轻质小球表面微结构的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将装夹底座(21)固定在三轴运动平台(15)的工作台上；将支撑座(23)放置到第一凹槽内，通过弹片(22)限位；将待加工非金属轻质小球(01)放置到所述球面凹槽(231)内，并通过静电发生器给待加工非金属轻质小球(01)施加电荷，通过静电吸附方式将待加工非金属轻质小球(01)固定在球面凹槽(231)内；

步骤2：第一相机(31)采集待加工非金属轻质小球(01)在XOZ平面的投影图像，并将该XOZ平面的投影图像反馈给控制装置；第二相机(32)采集待加工非金属轻质小球(01)在YOZ平面的投影图像，并将该YOZ平面的投影图像反馈给所述控制装置；

步骤3：控制装置先依据反馈的XOZ平面的投影图像和YOZ平面的投影图像，进行图像识别并计算待加工非金属轻质小球(01)球心在X轴方向上偏移加工激光光轴(02)的距离△X及偏移方向、待加工非金属轻质小球(01)球心在Y轴方向上偏移加工激光光轴(02)的距离△Y和偏移方向以及加工激光聚焦点在Z轴方向上偏移待加工非金属轻质小球(01)顶端中心位置的距离△Z及偏移方向；接着，控制装置控制三轴运动平台(15)运动，使△X、△Y及△Z等于零后，控制加工单元(1)进行加工工作；

步骤4：加工完成后，使用导线将非金属轻质小球(01)和支撑座(23)的接触处与地面导通，移除所述电荷，取下非金属轻质小球(01)。

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