大口径KDP晶体元件表面微缺陷快速搜寻与微铣削修复装置

摘要

大口径KDP晶体元件表面微缺陷快速搜寻与微铣削修复装置，涉及一种大口径KDP晶体元件表面微缺陷搜寻与修复装置。以解决目前无对大口径KDP晶体元件表面的微缺陷进行快速搜寻及微铣削修复的装置问题。底部大平板上固定放置有整体平台装配总成，底部平台装配总成固定在整体平台装配总成上，晶体移动平台装配体固定在整体平台装配总成上，晶体显微镜移动平台固定在整体平台装配总成上；第一、二拖链通过导轨拖链连接块与晶体移动平台装配体连接，晶体显微镜移动平台支架的下部与整体平台装配总成的上端面连接，晶体显微镜移动平台安装于晶体显微镜移动平台支架上。本发明用于大口径KDP晶体元件表面微缺陷快速搜寻与微铣削修复。

说明书

技术领域

本发明涉及一种大口径KDP晶体元件表面微缺陷搜寻与修复装置。

背景技术

随着地球上化石能源的日益枯竭，核聚变能以其取之不尽而又清洁的优点，成为了人 类后续发展最理想的能源。具有优良光学特性的KDP晶体作为光学开关和倍频晶体，在 惯性约束核聚变装置中起着重要作用。然而，在超精密机械加工以及高能激光打靶产生核 聚变过程中，KDP晶体表面易产生微裂纹或烧蚀等形式的微缺陷点。若不对其采取措施 及时处理，这些微缺陷点会在后续的激光打靶过程中不断增长，以至整个晶体元件损坏。 目前，我国对大部分产生损伤的晶体元件采用整体更换新晶体的方法，极大地增加了成本； 而对于一些损伤层不深的晶体元件进行整体表面的再加工处理，这样做法不仅需要花费大 量时间，而且会减小晶体光学元件的厚度，影响整个晶体元件的光学性能。现阶段，国内 外学者认为微机械加工是最有前景的一种抑制损伤增长的方法。经过微机械修复处理后的 微缺陷轮廓相对光滑，而且微缺陷修复轮廓面积与整个光学晶体元件透光面积相比可忽略 不计，不会影响光学元件的透光性能与能流密度。但微缺陷修复后能够显著地延缓晶体损 伤点的增长，大幅度地提高了晶体元件的使用性能与使用寿命。

由于大口径KDP晶体元件表面微缺陷的尺寸很小，其尺度一般在几十微米到几百微 米之间，需要在高倍显微成像系统下才能观察到。同时，需要对大平面内的所有的微缺陷 进行快速搜寻与定位，然后对标定的微缺陷采用微铣削的方法进行精密修复，使其表面变 得光滑，以显著提升其使用性能与使用寿命。但截至目前为止，尚无能够满足大口径KDP 晶体元件表面微缺陷快速搜寻及微铣削修复的装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种大口径KDP晶体元件表面微缺陷快速搜寻与微铣削修复装 置，以解决截至目前为止，尚无对大口径KDP晶体元件表面的微缺陷进行快速搜寻及微 铣削修复的装置的问题。

本发明的装置能够实现大口径KDP晶体元件的二维大范围运动，实现快速搜寻并定 位晶体表面微缺陷，能够快速对刀，完成对所标记的微缺陷进行微机械精密修整，以满足 激光聚变装置对KDP晶体元件在打靶过程中的使用性能和使用寿命要求。

本发明为了实现上述目的，采取的技术方案如下：本发明的大口径KDP晶体元件表 面微缺陷快速搜寻与微铣削修复装置，它包括晶体移动平台装配体、整体平台装配总成、 底部平台装配总成、晶体显微镜移动平台、底部大平板、第一拖链、第二拖链、导轨拖链 连接块、第二拖链限位块及晶体显微镜移动平台支架；所述底部大平板水平设置，底部大 平板上固定放置有整体平台装配总成，底部平台装配总成固定在整体平台装配总成上，晶 体移动平台装配体固定在整体平台装配总成上表面，晶体显微镜移动平台的下端固定在整 体平台装配总成的上端面；所述第一拖链和第二拖链各通过一个导轨拖链连接块与晶体移 动平台装配体连接，第一拖链和第二拖链水平垂直设置，第二拖链限位块固定在晶体移动 平台装配体上且位于第二拖链的外侧面处，晶体显微镜移动平台支架的下部与整体平台装 配总成的上端面连接，晶体显微镜移动平台安装于晶体显微镜移动平台支架上。

本发明相对于背景技术有下述有益效果：

1、该装置能够对大口径KDP晶体元件表面进行快速扫描，其晶体移动平台（即晶体 移动平台装配体）的直线移动单元的行程达450mm×550mm，可对大口径晶体表面上的 微缺陷点实现430mm×430mm范围内的快速精确定位。两个直线运动单元（X轴直线单 元和Y轴直线单元）都有很高的运动精度，精度达±3μm，同时，晶体显微镜移动平台的 上端摄像机镜头组件（即搜寻显微镜）具有高放大倍率、大景深等特点。2、气浮框架通 过三个气浮垫和两组柔性铰链来实现其升降，其结构简单，同时对晶体直线运动单元的影 响最小。3、该装置的刀具三轴联动系统行程为50mm×50mm×20mm，其定位精度优于 ±0.5μm，能实现对微缺陷附近材料的塑性域去除，达到微缺陷修复效果。同时监控显微 镜系统的三个直线移动轴其行程为20mm×20mm×20mm，其定位精度为±1.0μm，具有快 速对刀、加工过程监控、刀具磨损情况监控等能力。4、该装置具有很好的隔振吸振能力， 保证其超精密加工能力。四个空气隔振垫铁能够很好的隔离外部环境的振动，隔振频率为 4Hz，花岗岩材质的平台又能吸收自身的振动。5、该装置整体结构紧凑，具有较高的刚 度，完全能满足对大口径KDP晶体元件表面的微缺陷快速搜寻及微铣削修复。

附图说明

图1是本发明的大口径KDP晶体元件表面微缺陷快速搜寻与微铣削修复装置的主视 图；图2是图1俯视图；图3是晶体显微镜移动平台的主视图；图4是图3的俯视图；图 5是晶体移动平台装配体的整体结构俯视图；图6是图5的左视图；图7是柔性铰链与气 浮框架装配主视图；图8是图7的俯视图；图9是图8的左视放大图；图10是柔性铰链 立体图；图11是图7的M处局部放大图；图12是晶体框的主视图；图13是图12的俯 视图；图14是整体平台装配总成的主视图；图15是图14的仰视图；图16是图14中的 A处局部放大图，图17是底部平台装配总成的主视图；图18是刀具三轴联动平台的主视 图；图19是刀具显微镜移动平台的主视图；图20是图19的俯视图；图21是切屑收集总 成的主视图。

本发明的技术方案包括下述部件名称和标号：

晶体框1、柔性铰链3、铰链座3‐1、簧片3‐2、压紧块6、锁紧块9、X轴导轨连接板 10、气浮垫一11、Y轴直线单元12、球铰螺柱一13、Y轴导轨连接板14、定位块15、定 位面15‐1，连接耳20、气浮框架30、X轴直线单元31、步进电机32、Y轴导轨托盘33、

球铰螺柱二34、气浮垫二35、大口径光学元件40、工作平台50、中间长连接杆51、 中间短连接杆52、支撑腿连接杆一53、支撑腿连接杆二54、主支撑组件55、可调辅助 支撑组件56、挂装连接杆组件57、隔震垫连接件58、支撑腿59、空气隔振垫铁60、辅 助支撑平板61、螺纹调节件62、平板连接件63、推力圆柱滚子轴承64、螺母一65、辅 助支撑螺柱66、螺母二67、底部安装平板68、手动升降调整平台69、显微镜连接板70、 刀具显微镜移动平台71、切屑收集总成72、刀具三轴联动平台73、刀具移动部分布线板 74、刀具移动部分垫块75、电主轴77、电主轴夹具78、Z轴连接件79、刀具运动Z轴单 元80、刀具运动Y轴单元81、刀具运动X轴单元82、光源连接板83、刀具显微镜Z轴 单元84、刀具显微镜导轨连接件85、刀具显微镜XY轴单元86、夹具连接件87、监控显 微镜88、刀具显微镜卡具89、光源支撑件90、光源夹具91、CCS点光源92、金属软管 93、金属软管接头94、底部连接头95、切屑收集头96、锁紧螺母97、切屑收集安装件 98、晶体显微镜卡具连接件99、晶体移动平台装配体101、整体平台装配总成102、底部 平台装配总成103、晶体显微镜移动平台104、晶体显微镜卡具110、上端摄像机镜头组 件111、晶体显微镜Z轴单元112、晶体显微镜Z轴单元支架113、晶体显微镜微调装置 114、手动平台与支架连接件115、底部大平板116、第一拖链117、第二拖链118、导轨 拖链连接块119、第二拖链限位块120、晶体显微镜移动平台支架121、晶体显微镜罩122。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图4说明，本实施方式的大口径KDP晶体元件表面微缺 陷快速搜寻与微铣削修复装置，它包括晶体移动平台装配体101、整体平台装配总成102、 底部平台装配总成103、晶体显微镜移动平台104、底部大平板116、第一拖链117、第二 拖链118、导轨拖链连接块119、第二拖链限位块120及晶体显微镜移动平台支架121； 所述底部大平板116（由成型钢板切割而成，起到减小对地面压强的作用）水平设置，底 部大平板116上固定放置有整体平台装配总成102（作为整体装置的安装平台，具有隔振、 吸振、调节水平等功能），底部平台装配总成103固定在整体平台装配总成102上（底部 平台装配总成103是该装置的核心部分，能够实现快速对刀、加工过程监控、对晶体微缺 陷进行三轴联动微铣削修复等功能），晶体移动平台装配体101固定在整体平台装配总成 102上表面（晶体移动平台装配体101能够实现大口径KDP晶体元件的装卡、晶体元件 的二维大范围移动等功能），晶体显微镜移动平台104的下端固定在整体平台装配总成102 的上端面；所述第一拖链117和第二拖链118各通过一个导轨拖链连接块119与晶体移动 平台装配体101连接，第一拖链117和第二拖链118水平垂直设置，第二拖链限位块120 固定在晶体移动平台装配体101上且位于第二拖链118的外侧面处（用于固定第二拖链 118），晶体显微镜移动平台支架121的下部与整体平台装配总成102的上端面连接，晶体 显微镜移动平台104安装于晶体显微镜移动平台支架121上。

具体实施方式二：结合图2至图13说明，本实施方式所述晶体移动平台装配体101 包括气浮框架30、X轴直线单元31、步进电机32、X轴导轨连接板10、Y轴导轨托盘33、 Y轴直线单元12、Y轴导轨连接板14及两组柔性铰链3；所述X轴直线单元31固定在精 密平台上表面，所述X轴导轨连接板10固定在X轴直线单元31的运动部件上；步进电 机32驱动X轴直线单元31的运动部件做直线运动，所述Y轴导轨连接板14固定在Y轴 直线单元12的运动部件上；Y轴直线单元12固定在Y轴导轨托盘33中，Y轴导轨托盘 33一端面与X轴导轨连接板10的一侧面定位并连接，Y轴导轨托盘33另一端为气浮端， Y轴直线单元12的运动轴线与X轴直线单元31的运动轴线在X、Y平面的投影垂直（目 的是为了保证整个装置的精度）；所述气浮框架30设置在精密平台上表面，且气浮框架 30的一侧面通过两组柔性铰链3与Y轴导轨连接板14的一侧面连接，气浮框架30的X 向对称面与Y轴直线单元12的运动轴线垂直，以确保装置的整体性能良好，由此实现气 浮框架30在精密平台上的二维运动）。第一拖链117平行Y轴导轨托盘33设置。本实施 方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。本实施方式中的X轴直线单元31及Y 轴直线单元12均为外购件，它们均由美国Parker公司生产。

具体实施方式三：结合图5、图7和图8说明，所述气浮框架30包括晶体框1、两 个压紧块6、两个锁紧块9、两个定位块15、五个连接耳20、三个球铰螺柱一13及三个 气浮垫一11；所述晶体框1为水平设置的矩形框，两组柔性铰链3与晶体框1的同一任 意外侧面固接，晶体框1的其余三个外侧面上固定有五个连接耳20，晶体框1的其中两 个相对内侧面各固定有一个定位块15，两个定位块15上分别设有一定位面15‐1，两个定 位面15‐1设置在同一竖直面内，大口径光学元件40整体放置在晶体框1内部，并通过所 述两个定位块15的两个定位面15‐1定位；晶体框1内与每个定位块15的相同侧设置有 一个锁紧块9，两个锁紧块9与晶体框1固接，两个锁紧块9相对设置，锁紧块9内与所 述定位面15‐1相垂直方向设有螺孔一，定位螺钉一旋入锁紧块9的螺孔一内，大口径光 学元件40预夹紧固定于两个定位螺钉一及两个定位块15之间；晶体框1内位于每个定 位块15的同侧设置有一个压紧块6，压紧块6与晶体框1固接，每个压紧块6上沿竖向 设有螺孔二，定位螺钉二旋入螺纹孔二内并抵靠在晶体框1上，大口径光学元件40通过 压紧块6竖向压紧固定；三个球铰螺柱一13与五个连接耳20中的任意三个连接耳20固 接，每个球铰螺柱一13的球端与相对应的气浮垫一11上端面接触；所述Y轴导轨托盘 33所述另一端的上端设有沿Y轴导轨托盘33长度方向延伸的平台，所述平台与球铰螺柱 二34固接，球铰螺柱二34的球端与气浮垫二35上端面接触。本实施方式中未公开的技 术特征与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图10说明，本实施方式每组柔性铰链3包括两个铰链座3‐1 和两个簧片3‐2；所述两个铰链座3‐1并列设置，两个铰链座3‐1之间并列设置有两个簧 片3‐2；两个铰链座3‐1与两个簧片3‐2固接，每组柔性铰链3的其中一个铰链座3‐1与 晶体框1的所述同一任意外侧面固接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式 二或三相同。

具体实施方式五：结合图14至图16说明，本实施方式所述整体平台装配总成102 包括工作平台50、中间长连接杆51、中间短连接杆52、四个支撑腿连接杆一53、四个 支撑腿连接杆二54、四个主支撑组件55、五个可调辅助支撑组件56及三个挂装连接杆组 件57；每个主支撑组件55包括隔震垫连接件58、支撑腿59及空气隔振垫铁60；所述空 气隔振垫铁60的上端与隔振垫连接件58连接，支撑腿59设置在隔振垫连接件58上，隔 振垫连接件58与支撑腿59连接，四个支撑腿59设置在工作平台50的下端面的四个角部， 四个支撑腿59与工作平台50连接，相邻两个支撑腿59之间通过由上至下并列设置的支 撑腿连接杆一53和支撑腿连接杆二54连接，任意两个相对设置的支撑腿连接杆一53之 间连接有中间长连接杆51，中间长连接杆51和与其平行设置的一个支撑腿连接杆一53 之间连接有中间短连接杆59；每个支撑腿连接杆一53内及中间长连接杆51内分别装有 一个可调辅助支撑组件56，可调辅助支撑组件56的上端面与工作平台50下端面连接； 三个挂装连接杆组件57设置在工作平台50的下方，且三个挂装连接杆组件57的上端与 工作平台50连接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图14至图16说明，本实施方式每个可调辅助支撑组件56包 括辅助支撑平板61、螺纹调节件62、平板连接件63、推力圆柱滚子轴承64、螺母一65、 辅助支撑螺柱66及螺母二67；所述平板连接件63和螺纹调节件62均设有相通的台肩孔 和螺纹孔，平板连接件63设置在螺纹调节件62的上端，平板连接件63和螺纹调节件62 的台肩孔同轴且相对设置，所述每个支撑腿连接杆一53内及中间长连接杆51内分别装 有一个辅助支撑螺柱66，辅助支撑螺柱66的上端与螺纹调节件62的螺纹孔旋接，所述 推力圆柱滚子轴承64套装在辅助支撑螺柱66上并设置在平板连接件63和螺纹调节件62 的台肩孔内，平板连接件63设置在辅助支撑平板61的下端面且二者连接，辅助支撑平板 61设置在工作平台50的下面，辅助支撑平板61的上端面与工作平台50的下端面连接， 螺母一65和螺母二67均与辅助支撑螺柱66旋接，螺母一65抵靠在螺纹调节件62的下 端面，螺母二67抵靠在支撑腿连接杆一53的下端面。本实施方式中未公开的技术特征 与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图17至图21说明，本实施方式所述底部平台装配总成103 包括底部安装平板68、手动升降调整平台69、显微镜连接板70、刀具显微镜移动平台71、 切屑收集总成72、刀具三轴联动平台73、刀具移动部分布线板74及刀具移动部分垫块 75；

所述刀具移动部分布线板74、刀具移动部分垫块75及手动升降调整平台69均固定在底 部安装平板68的上端面，底部安装平板68上沿其厚度方向加工有三个连接孔76，三个 连接孔76均布设置在同一圆周上，刀具三轴联动平台73固定在刀具移动部分垫块75上， 切屑收集总成72与刀具三轴联动平台73连接，刀具显微镜移动平台71、手动升降调整 平台69及显微镜连接板70由上至下依次连接，显微镜连接板70与底部安装平板68的上 端面连接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。本实施方式中的手动 升降调整平台69为外购件，手动升降调整平台69由北京茂丰公司生产。

具体实施方式八：结合图17及图18说明，本实施方式所述刀具三轴联动平台73包 括电主轴77、电主轴夹具78、Z轴连接件79、刀具运动Z轴单元80、刀具运动Y轴单 元81及刀具运动X轴单元82；Z轴连接件79、刀具运动Z轴单元80、刀具运动Y轴单 元81及刀具运动X轴单元82由上至下依次连接，电主轴卡具78坐落在Z轴连接件79 上且二者连接，电主轴77设置在电主轴卡具78内，电主轴77通过电主轴卡具78夹紧固 定；所述刀具显微镜移动平台71包括光源连接板83、刀具显微镜Z轴单元84、刀具显 微镜导轨连接件85、刀具显微镜XY轴单元86、夹具连接件87、监控显微镜88、刀具显 微镜卡具89和两个光源组件，每个光源组件包括光源支撑件90、光源夹具91及CCS点 光源92；夹具连接件87、光源连接板83、刀具显微镜XY轴单元86、刀具显微镜导轨连 接件85及刀具显微镜Z轴单元84由上至下依次连接，刀具显微镜卡具89固定在夹具连 接件87上，监控显微镜88装在刀具显微镜卡具89内并通过刀具显微镜卡具89夹持固定， 两个光源支撑件90均与光源连接板83的上端面连接，光源夹具91固定在光源支撑件90 上，CCS点光源92固定在光源夹具91内。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施 方式七相同。

本实施方式中的刀具运动Z轴单元80、刀具运动Y轴单元81、刀具运动X轴单元82及 刀具显微镜XY轴单元86均为外购件，其中，刀具运动Z轴单元80、刀具运动Y轴单 元81和刀具运动X轴单元82也由美国Newport公司生产；刀具显微镜XY轴单元86由 日本西格玛公司生产。

具体实施方式九：结合图17、图21说明，本实施方式所述切屑收集总成72包括金 属软管93、金属软管接头94、底部连接头95、切屑收集头96、锁紧螺母97及切屑收集 安装件98；所述切屑收集头96外侧壁的下部设有外螺纹，底部连接头95设有内螺纹孔， 切屑收集头96与底部连接头95螺纹连接，锁紧螺母97与切屑收集头96螺纹连接且与底 部连接头95上端面相抵靠，切屑收集安装件98安装在底部连接头95上，金属软管93 通过金属软管接头94与底部连接头95连接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施 方式七或八相同。

具体实施方式十：结合图3、图4说明，本实施方式所述晶体显微镜移动平台104包 括晶体显微镜卡具连接件99、晶体显微镜卡具110、上端摄像机镜头组件111、晶体显微 镜Z轴单元112、晶体显微镜Z轴单元支架113、晶体显微镜微调装置114及手动平台与 支架连接件115；所述晶体显微镜微调装置114水平设置并安装在手动平台与支架连接件 115上，晶体显微镜微调装置114上设有X向手动调节旋钮和Y向手动调节旋钮，晶体 显微镜Z轴单元支架113安装在晶体显微镜微调装置114的上端面，晶体显微镜Z轴单 元112安装在晶体显微镜Z轴单元支架113的直侧面上，上端摄像机镜头组件111通过晶 体显微镜卡具110夹持固定，晶体显微镜卡具110通过晶体显微镜卡具连接件99安装于 晶体显微镜Z轴单元112的移动滑块上。所述晶体显微镜Z轴单元112为现有技术，由 日本西格玛公司生产；所述晶体显微镜微调装置114为现有技术，由日本西格玛公司生产。 本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。该晶体显微镜移动平台可以实现 对晶体表面微缺陷的图像采集，以及晶体显微镜在Z向的电动控制（通过晶体显微镜Z 轴单元112实现的电动控制）、XY方向的手动调节。

具体实施方式十一：结合图1、图2说明，本实施方式的大口径KDP晶体元件表面 微缺陷快速搜寻与微铣削修复装置还包括晶体显微镜罩122；所述晶体显微镜罩122安装 于晶体显微镜移动平台支架121上，所述晶体显微镜移动平台104设置在晶体显微镜罩 122内。如此设置，可防止灰尘和杂质进入晶体显微镜移动平台104内，造成污染。

工作原理

大口径晶体移动系统（即晶体移动平台装配体101）主要实现大口径晶体元件的装卡 以及二维大范围运动功能，其中大口径晶体移动系统两高精度直线移动单元的行程达 450mm×550mm，定位精度为±3μm，因此本修复装置能实现口径为430mm×430mm范围 内的大尺度晶体精密修整。

刀具三轴联动系统（即底部平台装配总成103），可实现微铣削刀具的超精密三轴联 动加工，高速电主轴最高转速为80000rpm，回转精度优于1μm，刀具三轴联动系统的行 程为50mm×50mm×20mm，其定位精度优于±0.5μm，能很好实现软脆晶体材料的塑性域 超精密修复，获得超光滑的零件加工表面。

监控显微镜系统（即刀具显微镜移动平台71和刀具三轴联动平台73），用于辅助快 速对刀、加工过程监控等，监控显微镜系统的三个直线移动轴其行程为 20mm×20mm×20mm，其定位精度为±1.0μm，可精确调整监控显微镜系统的准确位置。

搜寻显微镜系统（即晶体显微镜移动平台104），用于晶体微缺陷图像采集、辅助对 刀等，搜寻显微镜系统移动轴的行程为50mm，定位精度为±1.0μm，可对调整该系统的焦 距进行精确对焦，提高微缺陷精确探测时的成像精度。工作平台具有高精度的工作表面， 主要实现隔离外部振动、吸振等功能。

该装置主要用于大口径KDP晶体表面微缺陷的搜寻以及对其进行微机械修复。首先， 将大口径KDP晶体元件放置于夹持器上并夹紧。两个高精度直线移动单元带动晶体元件 作平面运动，利用搜寻显微镜，采用逐行扫描的方式对KDP晶体元件表面的微缺陷进行 搜索。当发现微缺陷时，将其位置坐标发送到控制系统中储存起来，从而记录下所有微缺 陷的位置。逐个读取微缺陷的位置，移动晶体元件使得微缺陷在刀具正上方。开启高速电 主轴，利用监控显微镜系统进行对刀操作。由数控系统发送加工指令，刀具三轴联动系统 对微缺陷进行微铣削修复。同时，对所产生的切屑进行收集，排出到装置外。