一种微型回转式谐振结构的高精度加工系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种微型回转式谐振结构的高精度加工系统和方法，系统包括：飞秒激光器、光路模块、多轴运动平台、微调装置、机器视觉高倍成像模块、图像处理程序、加工路径规划模块。所述飞秒激光器配合光路模块可实现对微型器件的高精度加工；所述多轴运动平台可承载样品与激光焦点作相对运动，实现复杂轮廓形状的三维加工；所述微调装置可实现微型回转式谐振结构在两个水平方向的距离微调，配合视觉成像模块可实现样品精准定位。本发明专利技术也公开了一种微型回转式谐振结构的高精度加工方法，在上述系统的基础上，通过将机器视觉高倍成像模块与图像处理技术应用于飞秒激光加工系统，实现样品与飞秒激光焦点的精准定位，结合自动控制程序为微型回转式谐振结构的高精度加工提供方法，保证了谐振结构加工后的高度三维对称性，具有操作简单，自动化程度高等特点。自动化程度高等特点。自动化程度高等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种微型回转式谐振结构的高精度加工系统和方法


[0001]本专利技术涉及微机械加工制造领域，尤其涉及一种微型回转式谐振结构的高精度加工系统和方法。

技术介绍

[0002]陀螺仪是惯性导航系统中的核心传感器之一，适用于海陆空天等诸多领域，可在卫星拒止情况下为运载体测量角速度或姿态角，配合加速计等器件和子系统使用可提供高精度定位和导航信息。微机械振动陀螺作为陀螺仪的一个重要分支，随着惯性传感技术和微加工技术的进步，其也得到极大的发展，主要由微机械谐振结构和测控电路组成，相较于其它类型的陀螺具有精度高、结构简单、体积小、功耗小、制造成本低，且便于集成化和批量化等特点，在实际场景中已有广泛的应用基础。
[0003]微机械振动陀螺的工作原理是基于微谐振结构的科里奥利效应。现有的高性能陀螺采用的材料多为熔融石英、多晶硅、多晶金刚石等各项同性材料，且多为回转式谐振结构，具有高度的物理参数和几何结构的对称性，其对称精度直接决定陀螺的性能上限。微型回转式的谐振结构的加工制造的相关研究受到国内外科研机构的重点关注，常见的结构为圆盘式环状结构、微半球式结构等等。由于微谐振结构尺寸小、结构复杂、材料多为硬脆性透明介质，传统的机械加工方式大多并不适用，对其实现高精度的加工制造具有一定的难度。
[0004]针对圆盘式环状结构的硅谐振陀螺，如嵌套环式MEMS陀螺，采用的加工工艺为深反应离子刻蚀技术，然而该技术需要使用掩膜，对样品加工深度有一定的限制，且随着硅片厚度的增加，加工样品的深宽比不能保证，严重影响加工精度，不利于陀螺性能的提升；针对性能较高的微半球式石英谐振陀螺，其具有灵敏度放大结构，多呈现在边缘部分的圆周阵列的若干小结构，如T型块、矩形块等等，故对于初步整体成形后的谐振结构需要进一步加工，现有研究多采用加工精度高的飞秒激光技术，可实现“冷加工”。而为了按照预设轮廓形状对谐振结构进行切割释放，较多方案是将飞秒激光器与振镜系统配合使用来实现对微机械陀螺进行切割，但该系统成本较高，且常见的是实现二维加工，样品厚度方向的加工质量较难保证。且现有加工系统和方法采用的飞秒激光多为不可见光，对于确定激光焦点位置，以及对回转式的微谐振结构的装夹、定位精度并不能严格保证，会大大降低微谐振结构在加工后的三维结构对称性。若将视觉传感器、高倍物镜、高精度运动平台等功能模块，结合飞秒激光器应用于微谐振结构的加工系统中，利用飞秒激光焦点具有高空间分辨率，激光通量可控等特点，并通过机器视觉技术对激光焦点、微谐振结构精准定位，基于编写的程序控制运动平台相对激光焦点按照预设轨迹进行运动，可实现对样品的高精度加工，并保证加工质量的一致性和加工工艺的可重复性。

技术实现思路

[0005](一)要解决的技术问题
[0006]本专利技术的目的是提供一种微型回转式谐振结构的高精度加工系统和方法。本专利技术针对现有利用飞秒激光对微型回转式谐振结构的加工过程中，激光焦点不易确定，较难保证样品的装夹、定位精度和高度三维对称性等问题，基于多轴运动平台等硬件装置，提出将机器视觉高倍成像模块与图像处理技术应用于飞秒激光加工系统，为实现微型回转谐振结构的高精度装夹、定位和加工提供方法。
[0007](二)技术方案
[0008]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0009]本专利技术涉及一种微型回转式谐振结构的高精度加工系统，整个系统布置于特定实验环境中，避免一定的环境污染等影响系统的正常工作。该系统包括：飞秒激光器、光路模块、多轴运动平台、微调装置、机器视觉高倍成像模块、图像处理程序、加工路径规划模块。
[0010]所述飞秒激光器，可发出飞秒级超短脉冲激光。将激光器连接到上位机控制模块，具有激光能量等参数可调的功能。配备有专门的制冷系统和除湿系统，使得飞秒激光器工作在一定温度和湿度条件下，保证激光系统可以长期稳定运行。
[0011]所述光路模块，布置于光学试验平台，主要包括镜架、光阑、反光镜、电控光门(配置有通讯接口)、高倍物镜。用于调整、设置和控制飞秒激光的光路，以及将飞秒激光的光束进行聚焦，方便后续对样品进行加工。
[0012]所述多轴运动平台，以光学试验平台为基准，载物台上有用于装夹样品的定位卡槽，以载物台平面及中心为参考建立空间直角坐标系(X
‑
Y轴与载物台平面重合，Z轴垂直于载物台平面且过面中心点)，主体包括三个自动直线运动滑台，组成XYZ三轴正交的运动系统，分别控制载物台沿X轴、Y轴以及Z轴做正交直线运动；一个自动旋转滑台，控制载物台绕Z轴旋转运动；两个方向的角度翻转滑台，可承载载物台分别绕X轴和Y轴翻转一定角度。以上多个滑台组装成一个六自由度的多轴运动平台，配置有通讯接口。
[0013]所述微调装置，安装于旋转滑台和载物台之间，仍以上述X
‑
Y
‑
Z笛卡尔坐标系为参考，可控制载物台沿着X、Y轴两个方向做微小距离运动，实现两自由度的微调。
[0014]所述机器视觉高倍成像模块，包括两个工业CCD相机，分别用于采集微型回转式谐振结构的俯视图像和正视图像，配套有高倍物镜和标准镜头，调整光源、主光轴方向、视场以及焦距等得到清晰的图像。应用专门的固定夹具将CCD相机、物镜以及光源等安装在光学试验平台。两个工业CCD相机配置有通讯接口。
[0015]所述图像处理程序，对机器视觉传感器采集到的谐振结构局部图像进行处理，主要包括图像预处理、标记点设定、目标边缘识别和检测等，用来确定微型回转式谐振结构的偏心距离。核心程序集成在上位机中，可进行人机交互操作。
[0016]所述加工路径规划模块，配置有与上述多轴运动平台、光门以及相机等装置的通讯、控制及驱动程序，可编程实现将谐振结构的轮廓形状转化为多轴运动平台的运动轨迹，将程序编译后执行，即可进行微型回转式谐振结构的加工。
[0017]一种利用上述微型回转式谐振结构加工系统进行谐振结构高精度加工的方法，主要方式：在对样品加工时保持飞秒激光光路和焦点不动，通过多轴运动平台带动样品移动，与固定激光焦点相互作用的方式进行加工。包括步骤如下：
[0018]步骤1：完成加工系统的搭建，进行硬件和软件安装。
[0019]步骤1.1：通过调控制冷系统和除湿系统，设置飞秒激光器工作环境的温度和湿
度。将飞秒激光器与上位机进行通讯连接，实现控制。通过上位机中的软件即可完成飞秒激光器开启，设置激光重复频率、激光能量参数等。
[0020]步骤1.2：对飞秒激光光路进行搭建。根据试验台布局规划，将飞秒激光器发出的激光光束依次经过用镜架装夹固定的光阑、反光镜、光门等，按照预设路径最后经过物镜垂直聚焦在样品上。
[0021]步骤1.3：组装多轴运动平台。将三个直线运动滑台、一个旋转滑台、两个角度翻转滑台按照实际需求装配起来，旋转平台旋转轴与Z轴平行，将微调装置加装在旋转平台上，最后将载物台安装在微调平台上，可将样品装夹在载物台上。通过各个滑台配置的通讯接口与上位机进行连接，实现数据交互和程序控制。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微型回转式谐振结构的高精度加工系统，其特征在于整个系统布置于特定实验环境中，避免一定的环境污染等影响系统的正常工作。系统包括飞秒激光器、光路模块、多轴运动平台、微调装置、机器视觉高倍成像模块、图像处理程序、加工路径规划模块。所述飞秒激光器，可发出飞秒级超短脉冲激光。将激光器连接到上位机控制模块，具有激光能量等参数可调的功能。所述光路模块，布置于光学试验平台，主要包括镜架、光阑、反光镜、电控光门(配置有通讯接口)、高倍物镜。所述多轴运动平台，包括三个自动直线运动滑台，组成XYZ三轴正交的运动系统，一个自动旋转滑台，两个方向的角度翻转滑台。自动滑台均配置有通讯接口，可与上位机建立通讯，实现程序控制。所述微调装置，安装于旋转滑台和载物台之间，可控制载物台沿着X、Y轴两个方向做微小距离运动，实现两自由度的微调。所述机器视觉高倍成像模块，包括两个工业CCD相机，配套有高倍物镜和标准镜头，应用专门的固定夹具将CCD相机、物镜以及光源等安装在光学试验平台。两个工业CCD相机配置有通讯接口。所述图像处理程序，对机器视觉成像模块采集到的谐振结构局部图像进行处理，主要包括图像预处理、标记点设定、目标边缘识别和检测等，用来确定微型回转式谐振结构的偏心距离。核心程序集成在上位机中，可进行人机交互操作。所述加工路径规划模块，配置有与上述多轴运动平台、光门以及相机等装置的通讯、控制及驱动程序，可编程实现将谐振结构的轮廓形状转化为多轴运动平台的运动轨迹，将程序编译后执行，可进行微型回转式谐振结构的加工。2.如权利要求1所述的微型回转式谐振结构的高精度加工系统，其特征在于所述光路模块，光路主要包括光阑、镜架、反光镜、光门以及高倍物镜。其中镜架起到支撑光学元件的作用，且高度可调；光阑、反光镜用于调整光路使其准直；光门配有专门的控制器，可通过程序控制激光光路的通断；高倍物镜，选用10X(NA＝0.25)物镜，既用于聚焦飞秒激光光束，又用于俯视方向的工业CCD相机高倍成像。3.如权利要求1所述的微型回转式谐振结构的高精度加工系统，其特征在于，所述图像处理程序，整个程序流程主要包括对微半球谐振结构图像的采集；图像的预处理，即在图像中设置标记点，并对原始图像进行灰度化；灰度图像的滤波操作，去除噪声干扰；对滤波后图像进行、目标提取、边缘检测、曲线拟合等等；求解标记点相对于谐振结构边缘曲线的相对位置。基于上位机的Windows系统，在Visual Studio 2018集成开发环境下，采用C++高级编程语言实现上述程序，并结合微软基础类库MFC将该程序集成到设计的人机交互软件中，方便操作，可提高工作效率。4.如权利要求1所述的微型回转式谐振结构的高精度加工系统，其特征在于所述加工路径规划模块，是在多轴运动平台中三个自动直线运动滑台、一个自动旋转滑台以及电控光门与上位机建立通讯，并配置驱动文件完成后，可在上位机的Windows系统中，在VisualStudio2018集成开发环境下，采用C++高级编程语言实现对以上四个运动滑台和光门的程序化控制，主要是将样品灵敏度放大结构的轮廓形状转化为四个运动平台的运动轨迹，并通过程序控制光门开关来实现飞秒激光的通断，从而实现样品与飞秒激光焦点的相
对移动和作用。将编写的程序结合微软基础类库MFC将该程序集成到设计的人机交互软件中，经过编译和运行后即可实现飞秒激光加工的自动化。5.一种利用上述微型回转式谐振结构加工系统进行谐振结构高精度加工的方法，其特征在于，主要方式：在对样品加工时保持飞秒激光光路和焦点不动，通过多轴运动平台带动样品移动，与固定激光焦点相互作用的方式进行加工。包括步骤如下：步骤1：完成加工系统的搭建，进行硬件和软件安装。步骤1.1：通过调控制冷系统和除湿系统，设置飞秒激光器工作环境的温度和湿度。将飞秒激光器与上位机进行通讯连接，实现控制。通过上位机中的软件即可完成飞秒激光器开启，设置激光重复频率、激光能量参数等。步骤1.2：对飞秒激光光路进行搭建。根据试验台布局规划，将飞秒激光器发出的激光光束依次经过用镜架装夹固定的光阑、反光镜、光门等，按照预设路径最后经过物镜垂直聚焦在样品上。步骤1.3：组装多轴运动平台。将三个直线运动滑台、一个旋转滑台、两个角度翻转滑台按照实际需求装配起来，旋转平台旋转轴与Z轴平行，将微调装置加装在旋转平台上，最后将载物台安装在微调平台上，可将样品装夹在载物台上。通过各个滑台配置的通讯接口与上位机进行连接，实现数据交互和程序控制。步骤1.4：根据飞秒激光光路、多轴运动平台上载物台中心位置、以及高倍物镜的轴心线位置，将俯视方向的工业CCD安装在物镜正上方的合适位置，此时高倍物镜既起到聚焦激光的作用，又配合相机起到成像的作用；由微型回转式谐振结构在载物台上的装夹位置，以及在笛卡尔坐标系中的运动范围，将正视方向的工业CCD相机装配上标准镜头安装在载物台正前方。将两相机与上位机通过数据线连接建立通讯后，调整两相机的角度、光照条件、焦距等，保证采集到清晰的微型回转式谐振结构的图像。步骤1.5：软件程序的配置。在上述激光器、运动滑台、光门以及...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡友旺，王亚龙，孙小燕，龙超，郑皓宁，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：