CN102879881A - 元件夹持装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种元件夹持装置，包括：夹持框，用于对元件施加夹持力以固定元件；压力采集单元，用于采集夹持框对元件施加的夹持力，并将夹持力输入到控制单元；控制单元，用于至少根据预设的元件期望变形量，计算夹持框的应该施加的夹持力值，然后驱动夹持框以所述夹持力值对元件施加夹持力。本发明元件夹持装置根据元件的受力情况来调整夹持点的位置以及施加的夹持力，减少了光学元件的变形。

Description

元件夹持装置

技术领域

本发明涉及装置制造技术领域，尤其涉及一种元件夹持装置。

背景技术

高功率固体激光系统中，光学元件是采用四周固定支撑的方式安装在矩形支撑金属框中，然后再将支撑金属框安装到系统中的固定支架上。随着高功率固体激光技术的不断发展，对固体激光的功率和光束质量提出了更高的要求，用于放大激光光路的能量的光学元件的尺寸也随着增大。

光学元件尺寸的增大，对使用过程中的夹持方式提出了非常高的要求。一方面，夹持力需要能够平衡光学元件自身的重力以及在安装过程中的扰动力，避免光学元件从支撑金属框中脱落。另一方面，在高功率激光器运行过程中，光学元件由于受到激光辐照的影响，会产生热形变。热形变包括由材料受热沿轴向的热膨胀、温度变化产生的热应力导致的形变和由于支撑金属框对光学元件的自由膨胀限制而导致的绕曲变形等三部分。

对于光学元件夹持方法及装置的研究引起了很多技术人员的关注。参考文献1(中国发明专利：申请号01273469.1)提出了一种用于激光腔镜及导光系统中反射镜的镜架，激光镜位于镜架内，由压紧螺丝固定，压紧螺丝头部为圆锥头，呈小锥度圆台形，激光镜侧面打三个固定孔，孔口研磨出与压紧螺丝圆锥头锥度相同的环带，压紧螺丝分别从镜架上对应激光镜固定孔位置固定激光镜。参考文献2(美国发明专利第4763991号)提出的光学元件夹持机构采用三点支撑方式，每个支撑点通过锁紧机构夹紧光学元件。三个锁紧机构可以通过联动调整光学元件的位置和姿态。

然而，申请人发现：在将光学元件安装到矩形支撑金属框的过程中、搬运安装有光学元件的金属框时，由于安装和搬运振动等，位置固定不变的胶钉、固定不变的点载荷很难平衡或抵消扰动力。夹持力较大将会在光学元件内部产生残余的微应力；夹持力过小，则光学元件有可能偏离原来的位置甚至脱落。并且，已有的夹持方式不能根据光学元件所处工作环境温度和工作环境湿度的变换，相应的调节夹持点的位置和施加到光学元件的点载荷力，也会造成光学元件的变形。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种元件夹持装置，以依据元件的受力情况，自动调整夹持点的位置以及施加的夹持力。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种元件夹持装置，包括：夹持框，用于对元件施加夹持力以固定元件；压力采集单元，用于采集夹持框对元件施加的夹持力，并将夹持力输入到控制单元；控制单元，用于至少根据预设的元件期望变形量，计算夹持框的应该施加的夹持力值，然后驱动夹持框以所述夹持力值对元件施加夹持力。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明元件夹持装置具有以下有益效果：

(1)根据元件的受力情况来调整夹持点的位置以及施加的夹持力，从而减少光学元件的变形；

(2)进一步地，根据元件的受力情况、工作环境温度、工作环境湿度来调整夹持点的位置及夹持力的大小，可以避免损伤光学元件，从而可以在不同的工作环境温度和工作环境湿度条件下使用该装置；

(3)进一步地，提出了一种根据元件的受力情况、工作环境温度、工作环境湿度来计算夹持点的位置及夹持力的大小的计算方法，从而可以提高光学元件夹持的精度和准确性。

附图说明

图1根据本发明实施例元件夹持装置的结构示意图；

图2为图1所示元件夹持装置中夹持框的结构示意图；

图3为图1所示元件夹持装置中压力采集单元的工作原理图；

图4为图1所示元件夹持装置中温度湿度采集单元的工作原理图；

图5为图1所示元件夹持装置中控制单元4的结构示意图；

图6为图5所示控制单元4中夹持计算模块45的结构示意图；

图7为图6所示夹持计算模块45中夹持位置和力计算子模块453进行夹持位置和力计算的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图1根据本发明实施例元件夹持装置的结构示意图。如图1所示，夹持装置由夹持框1、压力采集单元2、温度湿度采集单元3、控制单元4和驱动单元5组成。夹持框1用于固定光学元件6。压力采集单元2采集夹持框对光学元件6施加的夹持力值，并将夹持力值输入到控制单元4中。温度湿度采集单元5，用于采集夹持框1附近的温度值和湿度值，并将温度数值和湿度值输入到控制单元4。控制单元4，用于根据预设的光学元件的期望变形量、输入的夹持力值，温度值和湿度值，计算出夹持框1的应该施加的夹持力，然后控制驱动单元5动作，驱动夹持框1施加夹持力。

请参照图2，图2为图1所示元件夹持装置中夹持框1的结构示意图。夹持框1包括：支撑框11，胶钉131、132、133、134、135、136、137、138，胶钉驱动器141、142、143、144、145、146、147、148。8个胶钉的长度和外径一样。支撑框11上，对应着每个胶钉的位置都有一个圆孔，圆孔的内径略大于胶钉的外径。8个胶钉驱动器14固定在支撑框的外部。8个胶钉分别安装在8个胶钉驱动器上，例如，胶钉131安装在胶钉驱动器141上。并且，在胶钉驱动器的带动下，胶钉通过伸缩运动，向光学元件施加夹持力。优选地，胶钉驱动器141等可以选用伺服气缸，通过调节伺服气缸杆的伸缩长度，从而带动胶钉的伸缩运动，向光学元件施加夹持力。此外，胶钉驱动器141还可以选用伺服电机等。并且，胶钉和胶钉驱动器的数目可以根据需要进行调整，并不局限于本实施例中的8个。

请参照图3，图3为图1所示元件夹持装置中压力采集单元2的工作原理图。压力采集单元2包括：8个应变片压力传感器211、212、213、214、215、216、217、218和压力信息处理板22。8个应变片压力传感器分别安装在8个胶钉131、132、133、134、135、136、137、138与8个胶钉驱动器141、142、143、144、145、146、147、148的连接部。8个应变片压力传感器的信号输出端与压力信息处理板22的输入端连接。压力信息处理板22中包括压力板单片机221、压力信号调理电路222、通信电路223。压力信号调理电路222可以采用电阻电容滤波电路，主要目的是对输入的压力传感器的信号进行噪声抑制、放大和滤波等，获得调理后的压力信号。调理后的压力信号输入到单片机221中。单片机可以选用中ATMEL公司的AT89C2051，采用常用的数字滤波方法对调理后的压力信号进行处理，获得8个应变片压力传感器采集到的压力值。通信电路可以采用RS485串行通信，主要目的是将压力板单片机221获得的8个压力值传输到控制单元4。

请参照图4，图4为图1所示元件夹持装置中温度湿度采集单元3的工作原理图。温度湿度采集单元3包括，温湿度传感器31、温度板单片机32和温度板通信电路33。温湿度传感器31可以采用智能传感器SHT75，温度板单片机32可以选用ATMEL公司的AT89C2051。SHT75对工作环境温度和环境湿度参数实时检测，经传感器芯片内的模拟量和数字量转换器转换成对应的二进制值存储于芯片的RAM中，AT89C2051通过发送读取温湿度传感器温湿度命令码，温湿度传感器就返回对应的温度值或湿度值。温度板通信电路也可以采用RS485串行通信，主要目的是将温度单片机221获得的工作环境温度值和湿度值传输到控制单元4。

请参照图5，图5为图1所示元件夹持装置中控制单元4的结构示意图。控制单元4包括：控制计算机41、通信电路42、输出驱动模块43。控制计算机41可以选用工业控制计算机，通信电路可以选用RS485串行电路，输出驱动模块43可以选用比例流量阀。控制计算机41内存储有夹持计算模块45。控制计算机41通过RS485通信电路42，接收压力采集单元2输入的压力值，以及温度湿度采集单元3输入的温度值和湿度值；在夹持计算模块45中，计算出夹持框1中的8个胶钉应该向光学元件施加的作用力；然后，通过输出驱动模块43的比例流量阀，驱动胶钉驱动单元的伺服气缸动作。

请参照图6，图6为图5所示控制单元4中夹持计算模块45的结构示意图。如图6所示，夹持计算模块45包括：训练数据获取子模块451、变形模型回归计算子模块452、夹持位置和力计算子模块453。训练数据获取模块451主要是通过离线实验，获得工作环境温度和湿度、夹持位置及其力、光学元件的变形量等训练数据。变形模型回归计算模块452，采用支持向量机(SVM)回归算法，利用训练数据组，获得光学元件的变形量与工作环境温度值和湿度值、夹持力值之间的回归函数模型；夹持位置和力计算模块453，根据给定的光学元件的变形量，利用所述回归函数模型，计算期望的夹持位置及夹持力。

图6中的训练数据获取模块451，通过离线实验，获得的工作环境温度和湿度、夹持位置和力、光学元件变形量等实验数据S1、S2、S3、S4，训练数据获取步骤为：

A1：在工作环境温度为T₁、工作环境湿度为M₁的条件下，驱动胶钉131、133、135和137伸出，胶钉的位置用P₁₀，P₃₀，P₅₀，P₇₀表示，施加的夹持力分别为F₁₀，F₃₀，F₅₀，F₇₀。测量光学元件的变形量为Y₁。记录第一组数据为S₁＝(X₁，Y₁，T₁，M₁)，其中，X₁＝(P₁₀，P₃₀，P₅₀，P₇₀，F₁₀，F₃₀，F₅₀，F₇₀)。

A2：在工作环境温度为T₂、工作环境湿度为M₂的条件下，驱动胶钉132、134、136和138伸出，胶钉的位置分别用P₂₀，P₄₀，P₆₀，P₈₀表示，施加的夹持力分别为F₂₀，F₄₀，F₆₀，F₈₀。测量光学元件的变形量为Y₂。记录第二组数据为S₂＝(X₂，Y₂，T₂，M₂)，其中，X₂＝(P₂₀，P₄₀，P₆₀，P₈₀，F₂₀，F₄₀，F₆₀，F₈₀)。

A3：在工作环境温度为T₃、工作环境湿度为M₃的条件下，驱动胶钉131、133、135和137伸出，胶钉的位置分别用P₁₀，P₃₀，P₅₀，P₇₀表示；施加的夹持力为F₁₁，F₃₁，F₅₁，F₇₁。测量光学元件的变形量为Y₃。记录第三组数据为S₃＝(X₃，Y₃，T₃，M₃)，其中，X₃＝(P₁₀，P₃₀，P₅₀，P₇₀，F₁₁，F₃₁，F₅₁，F₇₁)。

A4：在工作环境温度为T₄、工作环境湿度为M₄的条件下，驱动胶钉132、134、136和138伸出，胶钉的位置为分别用P₂₀，P₄₀，P₆₀，P₈₀表示；施加的夹持力为F₂₁，F₄₁，F₆₁，F₈₁。测量光学元件的变形量为Y₄。记录第二组数据为S₄＝(X₄，Y₄，T₄，M₄)，其中，X₄＝(P₂₀，P₄₀，P₆₀，P₈₀，F₂₁，F₄₁，F₆₁，F₈₁)。

上述的S₁、S₂、S₃、S₄即为得到的训练数据组。当然训练数据集中的训练数据还可以为更多组，其获取的方式与此相同，不再重述。

图6中变形模型回归计算模块452根据支持向量机(SVM)回归算法，通过训练数据S₁，S₂，S₃，S₄计算出光学元件的变形量y与夹持点的位置和力的变量x、之间的回归函数模型f(x)，计算公式为：

$f\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}({{\mathrm{\α}}_i}^{*}-{\mathrm{\α}}_i)K(X_i,x)+b$

计算公式中，核函数为：

其中，i＝1，2，3，4，σ取0.5，T_i表示温度值，M_i表示湿度值。

其中，<ω^*，(X_r+X_s)>表示ω^*和(X_r+X_s)的内积， ${\mathrm{\&omega;}}^{*}=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}({\mathrm{\&alpha;}}_i-{\mathrm{\&alpha;}}_i^{*})x_i$

α_i和

可以由下式求出：

$\mathrm{\&alpha;},{\mathrm{\&alpha;}}^{*}=\arg \underset{\mathrm{\&alpha;},{\mathrm{\&alpha;}}^{*}}{\min }\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}({\mathrm{\&alpha;}}_i-{\mathrm{\&alpha;}}_i^{*})({\mathrm{\&alpha;}}_j-{{\mathrm{\&alpha;}}_j}^{*})<X_i,X_j>-\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}({\mathrm{\&alpha;}}_i-{{\mathrm{\&alpha;}}_i}^{*})Y_i+\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}({\mathrm{\&alpha;}}_i+{{\mathrm{\&alpha;}}_i}^{*})\mathrm{\&epsiv;}$

，其中式子中，ε取0.5。

X_r和X_s表示X_i(i＝1，2，3，4)中的任意两个支持向量，也就是对应的α_r和α_s满足：α_r，α_s＞0

请参照图7，图7为图6所示夹持计算模块45中夹持位置和力计算子模块453进行夹持位置和力计算的流程图。如图7所示，流程包括：

B1：温度湿度采集单元3获得的工作环境温度T和工作环境湿度M，根据回归函数模型f(x)，离线计算伸出m个(m＜8)位置为P₁，...，P_m的胶钉并且施加夹持力F₁，...，F_m时，光学元件的变形量Y。如果Y小于期望的变形量Y_T，即Y＜Y_T，则输出胶钉的位置P₁，...，P_m及其夹持力F₁，...，F_m；否则执行步骤B2。

B2：j的初始值取1，缩回位置为P_j的第j胶钉(j＜8)，伸出位置为P_m+1(m+1≤8)的胶钉，并且施加夹持力F_m+1，根据回归函数f(x)，离线计算当工作环境温度为T，湿度为M时，光学变形量Y′，如果Y′＜Y_T，输出胶钉的位置P₁，...，P_j-1，P_j+1，P_m，P_m+1及夹持力F₁，...，F_j-1，F_j+1，F_m，F_m+1；如果Y′＞Y＞Y_T，执行步骤B3；否则，j加1，重复执行步骤B2。

B3：缩回位置为P_j的第j胶钉，即仅仅施加m-1个夹持点P₁，...，P_j-1，P_j+1，P_m及夹持力F₁，...，F_j-1，F_j+1，F_m。然后根据回归函数f(x)，离线计算当工作环境温度为T，工作环境湿度为M时，光学变形量Y″，如果Y″＜Y_T，则输出胶钉的位置P₁，...，P_j-1，P_j+1，P_m及夹持力F₁，...，F_j-1，F_j+1，F_m；如果Y″＞Y＞Y_T，j加1，m减1，重复执行步骤B3。

需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：

(1)胶钉还可以采用其它弹性元件的，如弹簧片形式；

(2)温度板单片机AT89C2051可以用ARM处理器S5P6440来代替。

本发明元件夹持装置适用于固体激光器、光学天文望远镜等光学装置，用于固定、搬运光学元件的夹持装置。上文实施例中，重点以夹持光学元件为例进行说明。本领域技术人员应当清楚，除光学元件外，其他精密元件也同样可以采用本发明的装置与方法，此处不再详细说明。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种元件夹持装置，其特征在于，包括：

夹持框，用于对元件施加夹持力以固定元件；

压力采集单元，用于采集夹持框对元件施加的夹持力，并将夹持力输入到控制单元；

控制单元，用于至少根据预设的元件期望变形量，计算夹持框的应该施加的夹持力值，然后驱动夹持框以所述夹持力值对元件施加夹持力。

2.根据权利要求1所述的元件夹持装置，其特征在于，所述夹持框包括：

支撑框；

n个胶钉驱动器，分别固定在支撑框的外框；

n个胶钉，分别安装在相应的胶钉驱动器上；

在控制单元的控制下，由第i胶钉驱动器带动，第i胶钉做轴向伸缩运动，向元件施加夹持力，其中，i＝1，2，...，n，n为大于等于1的整数。

3.根据权利要求2所述的元件夹持装置，其特征在于，所述胶钉驱动器为伺服气缸。

4.根据权利要求2所述的元件夹持装置，其特征在于，所述的压力采集单元包括：

n个压力传感器，其中，第i个压力传感器安装在第i个胶钉与第i个胶钉驱动器的连接部位；

压力信息处理板，与所述n个压力传感器的信号输出端相连接，用于将由所述n个压力传感器获取的n个压力传感信号转换为相应的夹持力值，并传输至所述控制单元。

5.根据权利要求4所述的元件夹持装置，其特征在于，还包括：

温度/湿度采集单元，用于采集夹持框工作环境的温度值和湿度值，并将温度值和湿度值输入到控制单元；

所述控制单元，还用于根据预设的元件期望变形量和夹持框工作环境的温度值和湿度值，计算夹持框应该施加的夹持力值。

6.根据权利要求5所述的元件夹持装置，其特征在于，所述控制单 元包括：

夹持计算模块，用于根据预设的元件期望变形量、由压力采集单元采集的n个夹持力值、由温度湿度采集单元采集的温度值和湿度值，计算出夹持框中的n个胶钉应该向元件的n个夹持力值；

输出驱动模块，用于分别控制n个胶钉驱动器带动n个胶钉以相应的夹持力值对元件施加夹持作用力。

7.根据权利要求5所述的元件夹持装置，其特征在于，所述夹持计算模块包括：

训练数据获取子模块，用于通过离线实验，获得工作环境温度和湿度、夹持位置及其力、光学元件的变形量的训练数据；

变形模型回归计算子模块，用于采用支持向量机回归算法，利用训练数据组，获得光学元件的变形量与工作环境温度值和湿度值、夹持力值之间的回归函数模型；

夹持位置和力计算子模块，用于根据给定的光学元件的变形量、输入的夹持力和夹持框工作环境的温度和湿度，利用所述回归函数模型，计算期望的夹持位置及夹持力。

8.根据权利要求7所述的元件夹持装置，其特征在于，所述的训练数据获取模块采用以下方式获取第i组训练数据：

在工作环境温度为T_i、工作环境湿度为M_i的条件下，任意选择m个胶钉J₁，...，J_m伸出，这m个胶钉施加的夹持力分别为F₁，...，F_m；测量元件的变形量的数值Y_i，则第i组训练数据为S_i＝(X_i，Y_i，T_i，M_i)，其中，X_i＝(J_i，F_i)，2≤m≤n。

9.根据权利要求8所述的元件夹持装置，其特征在于，所述的变形函数回归计算模块采用以下方式获取回归函数模型：采用基于支持向量机回归算法，训练数据集合{S₁，S₂，...，S_n}中的l组训练数据，计算出元件的变形量的变量y与伸出的胶钉及其夹持力的变量x、工作环境温度变量T和湿度变量M之间的回归函数f(x)，支持向量机采用的核函数定义为：

其中，i＝1，2，3，4，σ为一个小的正实数，T_i表示工作环境温度值，M_i表示工作环境湿度值，X_i表示训练数据。

10.根据权利要求9所述的元件夹持装置，其特征在于，所述的夹持位置和力计算模块采用以下方式计算伸出的胶钉及其夹持力：

B1：根据温度湿度采集单元获得的工作环境温度T_i和工作环境湿度M_i，根据计算得到的回归函数f(x)，离线计算如果有m个胶钉J₁，...，J_m伸出，其中m＜n，施加夹持力F₁，...，F_m时，元件的变形量Y，如果Y小于期望的变形量Y_T，即Y＜Y_T，则输出期望伸出的胶钉J₁，...，J_m及其夹持力F₁，...，F_m；否则执行步骤B2，

B2：假设缩回第j个胶钉J_j，其中j≤m，伸出第m+1个胶钉J_m+1，其中m+1≤n，夹持力F_j变为F_m+1，根据回归函数f(x)，离线计算工作环境温度为T_i，工作环境湿度为M_i时，光学变形量Y′，如果Y′＜Y_T，输出期望伸出的胶钉J₁，...，J_j-1，J_j+1，...，J_m，J_m+1及其夹持力F₁，...，F_j-1，F_j+1，...，F_m，F_m+1；如果Y′＞Y＞Y_T，执行步骤B3；否则，重复执行B2，

B3：假设胶钉的数目减少至m-1个，即期望伸出的胶钉为J₁，...，J_m-1及其夹持力F₁，...，F_m，然后根据回归函数f(x)，离线计算当工作环境温度为T_i，工作环境湿度为M_i时，光学变形量Y″，如果Y″＜Y_T，则输出期望伸出胶钉J₁，...，J_m-1及其夹持力F₁，...，F_m；如果Y″＞Y＞Y_T，重复执行步骤B3。 

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