CN104874911B - 一种微探针尖端成形激光加工*** - Google Patents

一种微探针尖端成形激光加工*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微探针尖端成形激光加工***，涉及微探针尖端加工制造领域。该***主要包括：激光发生模块、光路调节模块、探针位置调整模块、在线监测模块、信号分析处理模块、激光防护模块等；所述的激光发生模块发出的激光，经光路调节模块调节后，汇聚在探针尖端，可对探针尖端进行局部快速加热成形；所述的在线监测模块能够对加工过程进行实时监测，所述的信号分析处理模块通过调节与其连接的功率控制器，控制整个加工过程。本***可灵活调整热源作用区域的大小和位置，不易导致微探针除尖端以外其他区域的损坏，适合对微小局部区域快速加热，同时加热功率和加热时间容易精确控制，可在短时间内得到理想的探针尖端球形形状。

Description

一种微探针尖端成形激光加工***
技术领域
本发明涉及微探针尖端加工制造领域，特别涉及一种微探针尖端成形激光加工***。
背景技术
微探针是表面形貌测量仪、轮廓测量仪、触针式位移传感器等测量仪器的核心组成部件，在精密测量加工、高端产品制造等工业生产领域，有着广泛地应用。
对于微探针，一个好的微球形尖端是必不可少的。如何对探针进行加工，使其具有良好的微球形尖端是一个亟待解决的技术难题。
传统的微探针尖端热成形加工方法有以下几种：火焰加热成形法、电阻丝加热成形法、电弧放电加热成形法等。这些加工方法都有其自身的缺陷与不足。
火焰烧制方法是一种较早的微探针尖端成形加工方法。该成形加工***主要包括：火焰发生器，固定夹具，夹持调整平台等。其中火焰由氢气或乙醇或丙烷等燃料燃烧产生，通过火焰发生器的喷嘴喷出，给被加工探针尖端加热。这种加工方法存在的主要问题是：1、火焰空间分布较大，不适用于微小局部精确加工。2、燃烧产生的火焰温度场易受气流、湿度等外界影响，且加热时间不能精确控制，导致尖端成型的一致性和重复性较差。3、燃料的燃烧会引入其他氧化物附着于探针球形尖端，对探针尖端造成影响。
电阻丝加热烧制法是在火焰加热方法的基础上产生的，该成形加工***主要包括：发热电阻丝或电阻片及与之连接的电路、固定夹具、夹持调整平台等。与火焰烧制方法相比此方法的加热区域由电阻片大小约束。但就其本身特点来说还是存在以下缺陷：1、加热区域较大，不适宜微小局部精确加工。2、加热过程中，发热材料容易粉末化和裂损，释放有毒物质；3、发热材料升温速度较慢且需要通入较大电流，对硬件电路要求很高。
电弧放电加热方法是一种较常见的针对高熔点材料探针的尖端成形加工方法，该方法主要基于电弧放电、能量吸收和表面张力等基本原则对探针尖端成形加工。其加工***的组成包括：高频高压电源、两个对称的电极组件和与之连接的电路、固定夹具、夹持调整平台等。电极放电加工方式主要存在的缺陷是：1、加热区域虽然较前面几种较小但是其大小不能根据加工要求调整，灵活性和通用性差。2、加工出来的球形尖端表面存在电弧坑、气泡等缺陷。3、加工时为防止被加工材料和放电电极与氧气反应，需要通入保护气体，因此结构复杂，不易操作。
发明内容
为解决以上微探针尖端成形加工技术中存在的缺陷，提高微探针尖端的球形质量，本发明提供了一种微探针尖端成形激光加工***。该***采用的具体技术方案详见下文描述。
一种微探针尖端成形激光加工***，主要由激光发生模块、光路调节模块、探针位置调整模块、在线监测模块、信号分析处理模块、激光防护模块组成。所述的激光发生模块包括：CO2激光器(1)、直流电源(2)、功率控制器(3)，用来产生CO2激光；其特征是：所述的CO2激光器的后端分别连接直流电源(2)和功率控制器(3)，前方设有所述的光路调节模块。
所述的光路调节模块包括：激光指示器(4)、合束镜(5)、聚焦透镜(6)、激光吸收器(10)；所述的激光指示器、合束镜、聚焦透镜、激光吸收器的中心处在与X-Y平面平行的同一水平面上，其中激光指示器位于合束镜(5)的右侧，可发射出能量较低且可见的第二激光，所述的合束镜、聚焦透镜和激光吸收器，沿着水平的CO2激光光轴从左向右依次排列。
所述的位移调整模块为二维或多维精密位移平台(9)，用来调整微探针毛坯的相对位置；所述的位移平台是一种精密驱动平台，设置在聚焦透镜(6)的右侧；在所述的位移平台上刚性连接有夹具，所述的夹具用来固定所述的微探针毛坯，通过调节位移平台可改变微探针毛坯(8)的位置，使其尖端处于所述的聚焦透镜的右侧焦点附近。
所述的在线监测模块为一种显微成像设备(7)，用来观测探针尖端的成形过程；所述的显微成像设备主要包括显微成像镜头和图像传感器阵列，所述的图像传感器阵列通常为CCD器件或CMOS器件中的一种，所述的显微成像设备的镜头对准被加工的微探针毛坯(8)的尖端，设备输出端接入信号分析处理模块(11)中，可将微探针毛坯尖端成形加工过程的实时图像信息传输给信号分析处理模块(11)，实现了可视化的在线加工操作。
所述的信号分析处理模块(11)为计算机，用来控制功率控制器(3)的信号输出和接收显微成像设备(7)的图像信息；所述的信号分析处理模块分别与功率控制器(3)和显微成像设备(7)连接，所述的显微成像设备将拍摄的实时加工信息，传输给信号分析处理模块(11)进行分析处理。根据分析结果，信号分析处理模块(11)再通过调整功率控制器(3)的参数来控制CO2激光器(1)的加工功率。
所述的激光防护模块为防护玻璃罩(12)；所述的防护玻璃罩由四块CO2激光专用防护玻璃板构成，罩在整个激光光路经过的区域，可防止CO2激光的偏移散射对使用人员造成伤害。
如上所述的一种微探针尖端成形激光加工***，更进一步说明为，所述的合束镜的中心平面与X-Y平面垂直且与Y-Z平面成45度角放置，所述的CO2激光器发出的沿Y轴方向的第一激光(13)，入射到合束镜(5)的中心，激光指示器(4)发出的沿X轴负方向可见的第二激光(14)入射到合束镜(5)的中心，两束激光经过合束镜(5)后，合并成一束沿Y轴方向具有与第二激光相同颜色的第三激光(15)；所述的第三激光入射到聚焦透镜(6)后，汇聚在所述的微探针毛坯(8)的尖端，可对微探针尖端加热成形。其他的残余激光照射在激光吸收器(10)上，被激光吸收器(10)阻隔吸收。
如上所述的一种微探针尖端成形激光加工***，更进一步说明为，所述的CO2激光的电源由直流电源(2)提供，激光功率由与信号分析处理模块(11)相连的功率控制器(3)调节。本***之所以采用CO2激光器，是因为被加工的微探针多数由非金属材料制成，而非金属材料对CO2激光的吸收效率比其它激光要高。
如上所述的一种微探针尖端成形激光加工***，更进一步说明为，所述的功率控制器为一种通过调节脉冲宽度输出，实现激光输出功率调节的设备，分别与CO2激光器(1)和信号分析处理模块(11)连接。所述的信号分析处理模块用来给所述的功率控制器提供控制信号，控制功率控制器(3)的启动和停止。功率控制器(3)启动后，会把用户预设的PWM信号作用于CO2激光器(1)，实现CO2激光的触发。用户可通过信号分析处理模块(11)调节预设的PWM信号参数，灵活调整CO2激光的输出时间和输出功率，从而可精确控制探针尖端加热时间和加热量，增强了加工过程的可控性和可操作性。
如上所述的一种微探针尖端成形激光加工***，更进一步说明为，所述的合束镜为一种对不同波长的光作用不同的镜片。由于本***使用的CO2激光为人眼不可见的红外激光，若不经处理，将会影响后续加工操作和带来安全隐患。为此本***增加了激光指示器(4)与合束镜(5)，用来对CO2激光进行标注指示。所述的激光指示器可发射出一种能量较低且可见的第二激光，所述的合束镜对第一激光(13)具有超高的透射率，对第二激光(14)有很强的反射能力。透射出合束镜(5)的第一激光(13)与经合束镜(5)反射的第二激光(14)将合并成与所述的第二激光具有相同颜色的第三激光(15)，从而完成对CO2激光的标注指示，实现了后续加工过程中CO2激光光路的可视化。
如上所述的一种微探针尖端成形激光加工***，更进一步说明为，所述的聚焦透镜为一种根据激光器输出激光的波长范围选择的聚焦透镜，聚焦透镜的镜片采用对CO2激光具有超高透射率的ZnSe或Ge材料制成。聚焦透镜(6)的中心在第三激光(15)的光轴上，用来对CO2激光进行汇聚，使激光光斑变小，汇聚后的CO2激光空间能量分布更加集中，可对探针尖端进行局部快速加热成型。
如上所述的一种微探针尖端成形激光加工***，更进一步说明为，所述的激光吸收器安置在整个光路***的末端，用来阻挡和吸收残余激光，保证使用人员的人身安全。
与传统的微探针尖端热成形方法相比，本发明带来的有益效果是。
能够灵活调整热源作用区域的大小和位置，不易导致微探针除尖端以外其他区域损坏，非常适合对微小局部区域快速加热，得到理想的探针尖端形状。
加工时间较短，探针尖端成形一致性和重复性较好，加工功率和作用时间容易精确控制，可按照自己的需求灵活调节。
附图说明
图1是本发明一种微探针尖端成形激光加工***，整体结构图。
图2是本发明一种微探针尖端成形激光加工***，加工成形的一种标准微探针尖端球形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示：本发明涉及一种微探针尖端成形激光加工***，包括：CO2激光器1、直流电源2、功率控制器3、激光指示器4、合束镜5、聚焦透镜6、显微成像设备7、微探针毛坯8、探针位置调整模块9、激光吸收器10、信号分析处理模块11、防护玻璃罩12。所述的显微成像设备7以CCD显微成像仪作为实例，所述的微探针毛坯8以玻璃探针作为实例，所述的探针位置调整模块9以精密三维位移平台为实例，所述的信号分析处理模块11以计算机为实例来进行描述。本发明的具体加工过程可分为以下几步。
在图1所示的加工***中，第一步为***调整准备阶段。首先，将***中的直流电源2、功率控制器3、CCD显微成像仪7、计算机11等用电设备的电源接好，同时将直流电源(2)与CO2激光器1连接，功率控制器3与CO2激光器1和计算机11连接，再将显微成像设备7与计算机11连接。其次，对***中各组成部分的位置进行初步调整，将CO2激光器1、激光指示器4、合束镜5、聚焦透镜6、激光吸收器10的中心调整到与X-Y平面平行的同一水平面上，并且将所述的CO2激光器、合束镜、聚焦透镜、激光吸收器沿着水平的CO2激光光轴从左向右依次排列，将所述的激光指示器设置在合束镜5的右侧。最后，调整CCD显微成像仪7，使其镜头大致对准所述的聚焦透镜的右侧焦点。
在图1所示的加工***中，第二步为所述的第一激光与第二激光的合束调整和玻璃探针8的夹装定位。在第一步操作基础上，打开直流电源2和功率控制器3，首先给功率控制器3输入一个较低的功率参数，使所述的CO2激光器发出一束能量比较适中的第一激光。所述的第一激光分别经过合束镜5的透射和聚焦透镜6的聚焦后，照射在激光吸收器10上，并在激光吸收器10上留下一个灼烧点。
然后关闭功率控制器3，打开激光指示器4使其发射出的可见的第二激光照射在合束镜5上，所述的第二激光通过合束镜5的反射和聚焦透镜6的聚焦后同样照射在所述的激光吸收器上，并在激光吸收器上形成一个可见光斑，观察所述的可见光斑与所述的灼烧点的相对位置。通过调整激光指示器4的位置，使所述的可见光斑的中心与所述的灼烧点的中心重合，从而实现对不可见的第一激光的标注指示。
确定两束激光同轴后，保持激光指示器4处于开启状态。然后，将被加工的玻璃管沿Z轴方向竖直固定夹持在所述的精密三维位移平台上。打开CCD显微成像仪7观察玻璃管的尖端位置，通过调节精密三维位移平台9，使玻璃探针尖端与所述的第二激光在聚焦透镜6的右侧焦点附近正交时，停止调节。
在图1所示的加工***中，第三步为玻璃探针尖端加热成形。在第二步操作基础上，把设定好的功率参数与时间参数通过计算机11输入到功率控制器3中。打开功率控制器3，所述的CO2激光器发出的CO2激光将对玻璃探针8的尖端进行加热处理。由于所述的CO2激光具有很高的能量，因此在加热很短时间后，玻璃探针尖端会软化流动，在表面张力和内部应力作用下，所述的玻璃探针尖端将会形成如图2所示的半球形。
所述的玻璃探针尖端的软化成形过程，处于CCD显微成像仪7的实时观测中。所述的CCD显微成像仪观测的成形信息经过计算机11分析处理后，形成新的功率参数和时间参数，再通过功率控制器3，控制CO2激光器1，可形成新的探针尖端加工方案。这样的结构设计，可有效地提高玻璃探针尖端加工成形的成功率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的思想和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微探针尖端成形激光加工***，主要由激光发生模块、光路调节模块、探针位置调整模块、在线监测模块、信号分析处理模块、激光防护模块组成；所述的激光发生模块包括：CO2激光器(1)、直流电源(2)、功率控制器(3)，所述的CO2激光器的后端分别连接直流电源(2)和功率控制器(3)，CO2激光器(1)的前方设有所述的光路调节模块；所述的光路调节模块包括：激光指示器(4)、合束镜(5)、聚焦透镜(6)、激光吸收器(10)，所述的激光指示器、合束镜、聚焦透镜、激光吸收器的中心处在与X-Y平面平行的同一水平面上，其中激光指示器位于合束镜(5)的右侧，可发射出能量较低且可见的第二激光(14)，所述的合束镜、聚焦透镜和激光吸收器，沿着水平的CO2激光光轴从左向右依次排列；所述的探针位置调整模块(9)上固定有待加工微探针毛坯(8)，待加工微探针毛坯(8)的位置可通过探针位置调整模块(9)进行调整；所述的在线监测模块为一种显微成像设备(7)，该设备的镜头正对微探针毛坯(8)的尖端，且输出端接入信号分析处理模块(11)中，可将输出信号传输给信号分析处理模块(11)；所述的信号分析处理模块分别与功率控制器(3)和显微成像设备(7)连接，用来控制功率控制器(3)的信号输出和接收显微成像设备(7)的图像信息；所述的激光防护模块为长方体防护玻璃罩(12)，所述的防护玻璃罩由四块CO2激光专用防护玻璃板构成，罩在整个激光光路经过的区域。
2.如权利要求1所述的一种微探针尖端成形激光加工***，其特征是：所述的CO2激光器、合束镜、聚焦透镜、微探针毛坯、激光吸收器在水平的CO2激光光轴上从左向右依次排列，CO2激光器(1)发出的沿Y轴方向的第一激光(13)，与激光指示器(4)发出的沿X轴负方向可见的第二激光(14)，在合束镜(5)的中心合并成一束沿Y轴方向具有与第二激光(14)相同颜色的第三激光(15)，所述的第三激光依次照射在聚焦透镜(6)、微探针毛坯(8)的尖端和激光吸收器(10)上。
3.如权利要求1所述的一种微探针尖端成形激光加工***，其特征是：所述的功率控制器为一种常用的方波脉冲宽度可调的函数信号发生设备，用来控制所产生的激光强度。
4.如权利要求1所述的一种微探针尖端成形激光加工***，其特征是：所述的合束镜的中心平面垂直于X-Y面且与Y-Z面成45度角放置，在靠近CO2激光器(1)的一侧表面涂覆有针对第一激光(13)的低反增透涂层，在靠近激光指示器(4)的一侧表面涂覆有针对第二激光(14)的高反射涂层。
5.如权利要求1所述的一种微探针尖端成形激光加工***，其特征是：所述的聚焦透镜中心位于第三激光(15)光轴上，其右侧焦点位置与所述的微探针毛坯(8)的尖端重合；所述的聚焦透镜的镜片采用对CO2激光具有超高透射率的ZnSe或Ge材料制成。
6.如权利要求1所述的一种微探针尖端成形激光加工***，其特征是：所述的显微成像设备(7)为一种基于CCD器件或CMOS器件的显微成像仪。
7.如权利要求1所述的一种微探针尖端成形激光加工***，其特征是：所述的探针位置调整模块为二维或多维精密位移平台，在所述的位移平台上刚性连接有固定夹具，所述的固定夹具上夹持有所述的微探针毛坯。
8.如权利要求1所述的一种微探针尖端成形激光加工***，其特征是：所述的信号分析处理模块为计算机。
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