CN114799689A - 一种激光加工用微球吸附定位装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为解决现有微球加工中仍存在微球难装夹、无法高精度定位等难题，导致基于激光制造的微球微孔加工难以满足要求的问题，而提供了一种激光加工用微球吸附定位装置及方法。包括微球吸附模块和微球视觉定位模块，微球视觉定位模块的成像光轴对准吸附在微球吸附模块上的微球的中心；所述微球吸附模块包括通过气管依次连接的泄压阀、真空吸附腔、单向阀、精密调压阀和真空发生器，以及与真空发生器另一入口连接通过气管连接的空气压缩机；所述空气压缩机产生压缩空气进入真空发生器后产生空气负压，真空吸附腔腔内的空气沿着单向阀、精密调压阀至真空发生器中，使真空吸附腔变为真空；所述微球吸附在真空吸附腔上。

Description

一种激光加工用微球吸附定位装置及方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种激光加工用微球吸附定位装置及方法。
背景技术
微球微孔是激光聚变能源点火的关键结构，要求微米级孔径，而深径比不小于100:1，并且位置精度2μm，传统制造方式无法加工，因此微球微孔制备成为了激光聚变研究最关键、最具挑战的环节之一。
激光打孔是一种先进的加工技术，通过聚焦到材料表面产生的热效应或高密度激光高能光子引发的光化学反应实现材料去除，有以下优势：1.加工材料无选择性；2.可调控参数多样，制造精度高；3.非接触加工，无道具磨损。同时，激光打孔还具有质量好、效率高、切割速度快、适应性好、维护成本低等优点。然而，微球加工中仍存在微球难装夹、无法高精度定位等难题，导致基于激光制造的微球微孔加工难以满足要求。
发明内容
本发明的目的是解决现有微球加工中仍存在微球难装夹、无法高精度定位等难题，导致基于激光制造的微球微孔加工难以满足要求的问题，而提供了一种激光加工用微球吸附定位装置及方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种激光加工用微球吸附定位装置，其特殊之处在于：包括微球吸附模块和设置在微球吸附模块上方的微球视觉定位模块，微球视觉定位模块的成像光轴对准吸附在微球吸附模块上的微球的中心；
所述微球吸附模块包括通过气管依次连接的泄压阀、真空吸附腔、单向阀、精密调压阀和真空发生器，以及与真空发生器另一入口连接通过气管连接的空气压缩机；
所述空气压缩机产生压缩空气进入真空发生器后产生空气负压，真空吸附腔腔内的空气沿着单向阀、精密调压阀至真空发生器中，使真空吸附腔变为真空；
所述真空吸附腔用于吸附微球；
所述微球视觉定位模块用于通过对微球成像实现对微球的定位。
进一步地，所述真空吸附腔包括密封连接的上玻璃板、下玻璃板以及设置在上玻璃板与下玻璃板之间的支撑座；所述上玻璃板的中心位置用于设置微球；
所述微球视觉定位模块包括CCD相机、远心成像镜头、分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第一背光源和第二背光源；
所述远心成像镜头设置在CCD相机的下端，远心成像镜头的光轴对准微球的中心；所述分光镜设置在远心成像镜头的正下方，位于远心成像镜头和微球之间；
所述第二反射镜设置在真空吸附腔的一侧，且至少一半位于上玻璃板以上，第二反射镜与上玻璃板所在平面的夹角呈45°；
所述第一反射镜设置在第二反射镜的上方，且与第二反射镜垂直设置，第一反射镜与分光镜平行设置且分光镜位于第一反射镜的反射光路上；
第一背光源设置在真空吸附腔的另一侧，且至少一半位于上玻璃板以上，第二背光源设置在下玻璃板的下方，且与下玻璃板平行。
进一步地，所述真空吸附腔的两侧均开设通孔，分别密封连接泄压阀和单向阀。
进一步地，所述上玻璃板中心开设用于吸附微球的漏斗形微孔；
所述微孔的上部为斜沉孔，大端直径为0.7mm，倾角为60°；
所述微孔的下部为直通孔，直径为0.5mm。
进一步地，所述斜沉孔的表面涂有弹性胶层。
进一步地，所述远心成像镜头的放大倍率为三倍；
所述分光镜的反射率为50％，透射率为50％；
所述第一反射镜、第二反射镜的反射率均优于99％；
所述第一背光源、第二背光源均为平面白色光源。
进一步地，所述空气压缩机的排气压力为0.8MPa；
所述真空发生器的最高真空度为88KPa；
所述精密调压阀用于调节真空吸附腔内的气压，调节范围为-100Pa至-1.3KPa。
同时，本发明还提供了一种激光加工用微球吸附定位方法，采用上述激光加工用微球吸附定位装置，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、搭建微球吸附定位装置；
步骤2、对微球进行X-Y平面方向定位；
关闭第一背光源，打开第二背光源，此时第二背光源发射的照明光穿过真空吸附腔的下玻璃板和上玻璃板，光束经过微球后具有微球外轮廓信息，光束通过分光镜后进入远心成像镜头，并最终在CCD相机上形成微球外轮廓图像，通过图像可以识别出微球的中心，从而确定微球在X-Y平面的位置；
步骤3、对微球进行Z向定位；
打开第一背光源，关闭第二背光源，此时第一背光源发出的照明光通过微球后经过第二反射镜和第一反射镜，光束通过分光镜后进入远心成像镜头，并最终在CCD相机上形成微球外轮廓图像，通过图像可以识别出微球的顶部，从而确定微球顶点在Z向的位置；
步骤4、通过X-Y-Z向的定位，即可得到微球顶点的位置信息，实现微球3的吸附定位。
与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：
本发明利用空气负压的吸附作用设计装夹模块固定微球，既可以保证微球可靠固定又不会对微球表面产生损伤，并基于视觉成像系统实现微球的高精度定位，为微球激光微孔制备提供准确基准。
附图说明
图1为本发明激光加工用微球吸附定位装置中微球吸附模块示意图；
图2为本发明实施例中真空吸附腔结构示意图；
图3为本发明实施例中真空吸附腔上微孔放大图；
图4为本发明实施例中微球视觉定位模块结构示意图；
附图标记：
1-微球吸附模块，2-微球视觉定位模块，3-微球；
11-泄压阀，12-真空吸附腔，13-单向阀，14-精密调压阀，15-真空发生器，16-空气压缩机；
121-上玻璃板，122-支撑座，123-下玻璃板，124-弹性胶层；
21-CCD相机，22-远心成像镜头，23-分光镜，24-第一反射镜，25-第二反射镜，26-第一背光源，27-第二背光源。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种激光加工用微球吸附定位装置及方法作进一步详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
本发明提供的激光加工用微球吸附定位装置，包括微球吸附模块1和微球视觉定位模块2，微球视觉定位模块2的成像光轴对准微球3的中心。
如图1所示，微球吸附模块1包括通过气管依次连接的泄压阀11、真空吸附腔12、单向阀13、精密调压阀14和真空发生器15，以及与真空发生器15另一入口连接通过气管连接的空气压缩机16。
在进行微球吸附定位时，微球吸附模块1的工作过程为：关闭泄压阀11，开启空气压缩机16，空气压缩机16产生压缩空气进入真空发生器15后产生空气负压，使真空吸附腔12腔内的空气沿着单向阀13、精密调压阀14至真空发生器15，此时真空吸附腔12变为真空。
空气压缩机16的排气压力为0.8MPa，真空发生器15的最高真空度为88KPa，精密调压阀14可以精准调节真空吸附腔12内的气压，调节范围为-100Pa至-1.3KPa。
如图2所示，泄压阀11和单向阀13也可以直接密封连接在真空吸附腔12上。真空吸附腔12由上玻璃板121、支撑座122和下玻璃板123构成，上玻璃板121、下玻璃板123与支撑座122之间均采用密封胶密封，上玻璃板121中心加工漏斗形微孔，微孔的上部为斜沉孔，直径为0.7mm，倾角为60°，微孔的下部为直通孔，直径为0.5mm，真空吸附腔12负压时，上玻璃板121微孔处产生吸附力可将微球3固定。
如图3所示，在上玻璃板121的中心斜沉孔表面涂一层弹性胶层124，可避免微球3表面被划伤，同时微球3与弹性胶层124可以紧密贴合，减少由于微球3不圆产生微球3与薄膜之间的间隙，避免吸附力不平衡引起微球3滚动的现象，保证了吸附效果。
如图4所示，微球视觉定位模块2由CCD相机21、远心成像镜头22、分光镜23、第一反射镜24、第二反射镜25、第一背光源26和第二背光源27组成；
远心成像镜头22设置在CCD相机21的前端，远心成像镜头22的光轴方向为Z向(真空吸附腔12的上玻璃板121表面为X-Y平面)对准上玻璃板121表面的微孔。沿光轴依次设置分光镜23、第一反射镜24和第二反射镜25，第二反射镜25设置在真空吸附腔12的一侧，且一半位于上玻璃板121以上，与上玻璃板121呈45°，第一反射镜24与第二反射镜25垂直，分光镜23与第一反射镜24平行，使得经过分光镜23、第一反射镜24和第二反射镜25后的光轴与准真空吸附腔12的侧边平行。
第一背光源26设置在真空吸附腔12的另一侧，且至少一半位于上玻璃板121以上，第二背光源27设置在真空吸附腔12的下玻璃板123的下方，与真下玻璃板123平行。
远心成像镜头22的放大倍率为三倍；分光镜23的反射率为50％，透射率为50％；第一反射镜24、第二反射镜25的反射率优于99％；第一背光源26、第二背光源27均为平面光源，颜色为白色。
利用上述微球吸附定位装置在激光加工中定位时，具体为：
步骤1、搭建上述微球吸附定位装置；
步骤2、对微球3进行X-Y平面方向定位；
关闭第一背光源26，打开第二背光源27，此时第二背光源27发射的照明光穿过真空吸附腔12的上玻璃板121和下玻璃板123，光束经过微球3后具有微球外轮廓信息，光束通过分光镜23后进入远心成像镜头22，并最终在CCD相机21上形成微球外轮廓图像，通过图像可以识别出微球3的中心，从而确定微球3在X-Y平面的位置；
步骤3、对微球3进行Z向定位；
打开第一背光源26，关闭第二背光源27，此时第一背光源发26出的照明光通过微球3后经过第二反射镜25和第一反射镜24，光束通过分光镜23后进入远心成像镜头22，并最终在CCD相机21上形成微球外轮廓图像，通过图像可以识别出微球3的顶部，从而确定微球3顶点在Z向的位置；
步骤4、通过X-Y-Z向的定位，即可得到微球3顶点的位置信息，实现定位。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种激光加工用微球吸附定位装置，其特征在于：包括微球吸附模块(1)和设置在微球吸附模块(1)上方的微球视觉定位模块(2)，微球视觉定位模块(2)的成像光轴对准吸附在微球吸附模块(1)上的微球(3)的中心；
所述微球吸附模块(1)包括通过气管依次连接的泄压阀(11)、真空吸附腔(12)、单向阀(13)、精密调压阀(14)和真空发生器(15)，以及与真空发生器(15)另一入口连接通过气管连接的空气压缩机(16)；
所述空气压缩机(16)产生压缩空气进入真空发生器(15)后产生空气负压，真空吸附腔(12)腔内的空气沿着单向阀(13)、精密调压阀(14)至真空发生器(15)中，使真空吸附腔(12)变为真空；
所述真空吸附腔(12)用于吸附微球(3)；
所述微球视觉定位模块(2)用于通过对微球(3)成像实现对微球(3)的定位。
2.根据权利要求1所述的激光加工用微球吸附定位装置，其特征在于：
所述真空吸附腔(12)包括密封连接的上玻璃板(121)、下玻璃板(123)以及设置在上玻璃板(121)与下玻璃板(123)之间的支撑座(122)；所述上玻璃板(121)的中心位置用于设置微球(3)；
所述微球视觉定位模块(2)包括CCD相机(21)、远心成像镜头(22)、分光镜(23)、第一反射镜(24)、第二反射镜(25)、第一背光源(26)和第二背光源(27)；
所述远心成像镜头(22)设置在CCD相机(21)的下端，远心成像镜头(22)的光轴对准微球(3)的中心；所述分光镜(23)设置在远心成像镜头(22)的正下方，位于远心成像镜头(22)和微球(3)之间；
所述第二反射镜(25)设置在真空吸附腔(12)的一侧，且至少一半位于上玻璃板(121)以上，第二反射镜(25)与上玻璃板(121)所在平面的夹角呈45°；
所述第一反射镜(24)设置在第二反射镜(25)的上方，且与第二反射镜(25)垂直设置，第一反射镜(24)与分光镜(23)平行设置且分光镜(23)位于第一反射镜(24)的反射光路上；
第一背光源(26)设置在真空吸附腔(12)的另一侧，且至少一半位于上玻璃板(121)以上，第二背光源(27)设置在下玻璃板(123)的下方，且与下玻璃板(123)平行。
3.根据权利要求2所述的激光加工用微球吸附定位装置，其特征在于：
所述真空吸附腔(12)的两侧均开设通孔，分别密封连接泄压阀(11)和单向阀(13)。
4.根据权利要求3所述的激光加工用微球吸附定位装置，其特征在于：
所述上玻璃板(121)中心开设用于吸附微球(3)的漏斗形微孔；
所述微孔的上部为斜沉孔，大端直径为0.7mm，倾角为60°；
所述微孔的下部为直通孔，直径为0.5mm。
5.根据权利要求4所述的激光加工用微球吸附定位装置，其特征在于：
所述斜沉孔的表面涂有弹性胶层(124)。
6.根据权利要求4所述的激光加工用微球吸附定位装置，其特征在于：
所述远心成像镜头(22)的放大倍率为三倍；
所述分光镜(23)的反射率为50％，透射率为50％；
所述第一反射镜(24)、第二反射镜(25)的反射率均优于99％；
所述第一背光源(26)、第二背光源(27)均为平面白色光源。
7.根据权利要求6所述的激光加工用微球吸附定位装置，其特征在于：
所述空气压缩机(16)的排气压力为0.8MPa；
所述真空发生器(15)的最高真空度为88KPa；
所述精密调压阀(14)用于调节真空吸附腔(12)内的气压，调节范围为-100Pa至-1.3KPa。
8.一种激光加工用微球吸附定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、搭建微球吸附定位装置；
步骤2、对微球(3)进行X-Y平面方向定位；
关闭第一背光源(26)，打开第二背光源(27)，此时第二背光源(27)发射的照明光穿过真空吸附腔(12)的下玻璃板(123)和上玻璃板(121)，光束经过微球(3)后具有微球外轮廓信息，光束通过分光镜(23)后进入远心成像镜头(22)，并最终在CCD相机(21)上形成微球外轮廓图像，通过图像可以识别出微球(3)的中心，从而确定微球(3)在X-Y平面的位置；
步骤3、对微球(3)进行Z向定位；
打开第一背光源(26)，关闭第二背光源(27)，此时第一背光源发(26)出的照明光通过微球(3)后经过第二反射镜(25)和第一反射镜(24)，光束通过分光镜(23)后进入远心成像镜头(22)，并最终在CCD相机(21)上形成微球外轮廓图像，通过图像可以识别出微球(3)的顶部，从而确定微球(3)顶点在Z向的位置；
步骤4、通过X-Y-Z向的定位，即可得到微球(3)顶点的位置信息，实现微球(3)的吸附定位。
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