(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 20221081808 8.2 (22)申请日 2022.07.13 (71)申请人 中南大学 地址 410083 湖南省长 沙市岳麓区麓山 南 路932号 (72)发明人 胡友旺　王亚龙　孙小燕　龙超　 郑皓宁　 (51)Int.Cl. B23K 26/0622(2014.01) B23K 26/70(2014.01) (54)发明名称 一种微型回转式谐振结构的高精度加工系 统和方法 (57)摘要 本发明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。 权利要求书4页 说明书9页 附图3页 CN 114985908 A 2022.09.02 CN 114985908 A 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C CD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Window s系统， 在Vi sual 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权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114985908 A 2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、 光门以及工业CCD相机与上位机 建立通讯的基础上， 基于高级编程语言在上位机中设计并运行人机交互软件， 将图像处理 程序、 运动滑台和光 门的控制程序以及加工路径规划 程序集成在该软件中， 从而实现上位 机和各子功能模块的数据交 互和自动控制。 步骤2： 将载物台调水平。 多轴运动平台和载物台的水平精度主要靠螺栓连接和定位孔 保证， 应用微型水平仪进 行检验， 根据 观察水平仪倾斜的角度确定调整 方向， 通过两个角度 翻转滑台进行微调， 对载物台的水平度进行校准。 样品可 由载物台上 的圆形定位卡槽进行 初步定位装夹 。 步骤3： 飞秒激光光路准直。 基于上述搭建的光路， 在飞秒激光光束经过物镜聚焦在感 光片上后， 调整光阑孔径的大小使得该光斑为合适尺寸， 适度转动反光镜镜架上 的微调旋 钮调整该光斑为一个完整而均匀的圆形， 即可保证投射在载物台平面上的激光光束是准直 的。 步骤4： 对工业CCD相机进行标定。 即应用合适的标定方法， 确定相机采集到的图像的像 素坐标系中尺寸与实际空间坐标系中尺寸之间的比例关系。 步骤5： 在以上多轴运动平台和工业CCD相机装配和标定完成后， 基于高级编程语言在 上位机中应用图像处理方法， 根据俯视相 机采集的微型回转式谐振结构图像， 确定谐振结 构偏移旋转滑台旋转中心的方向和距离， 调整微调装置实现谐振结构的高精度定位； 通过权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114985908 A 3