CN103713102B - 大口径光学元件表面微缺陷修复用二维大行程联动装置 - Google Patents

Abstract

大口径光学元件表面微缺陷修复用二维大行程联动装置，涉及大口径光学元件表面微缺陷修复用联动装置。该装置在大型高精度隔振平台上可实现二维联动，用以辅助晶体表面微缺陷的快速探测、精确定位、循环扫描等后续修复工作。X轴直线单元固定在精密平台上，X轴导轨连接板固定在X轴直线单元运动部件上；步进电机驱动X轴直线单元运动部件运动，Y轴导轨连接板固定在Y轴直线单元运动部件上；Y轴直线单元固定在Y轴导轨托盘中，Y轴导轨托盘与X轴导轨连接板定位连接，Y轴导轨托盘另一端为气浮端，气浮框架通过柔性铰链与Y轴导轨连接板连接。本发明用以辅助实现大口径光学元件晶体表面微缺陷修复时的微缺陷快速探测、精确定位与循环扫描等功能。

Description

大口径光学元件表面微缺陷修复用二维大行程联动装置

技术领域

本发明涉及一种大口径光学元件表面微缺陷修复用联动装置。

背景技术

随着化石能源的日益枯竭，核聚变能以其取之不尽又清洁的优点，成为人类最理想的未来能源。具有优良光学特性的大口径KDP晶体作为光学开关和倍频光学元件，在惯性约束核聚变装置中起着重要作用。然而，如文献号为CN102380913A的发明申请中记载，在超精密加工及激光打靶过程中，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，最终导致整个晶体元件的损坏。

目前，我国对大部分产生初始损伤的晶体元件采用整体更换新晶体的方法，极大地增加了研制成本。而对于一些损伤层不深的晶体元件进行整个表面的再加工处理，这样的做法不仅需要花费大量时间，而且会减小元件的厚度尺寸，影响了整个晶体元件的光学性能。现阶段最可行的方法是采用微修复处理方法，即当光学元件发生初始损伤时，将该光学元件拆换下来，随后进行微加工修复处理，然后再重新安装回设备中，以进行后续的高能量激光打靶。经过修复处理后的微缺陷轮廓相对光滑，而且修复轮廓面积与整个光学晶体元件透光面积相比是可以忽略不计的，因而对晶体元件的光学性能影响不大，但却能够显著延缓微缺陷尺寸的增长，大幅度的提高晶体元件的使用性能与使用寿命。通过前期试验研究发现，微机械加工方法对修复轮廓有很好的控制效果，该方法是目前最有前景的一种修复方法。

截至目前为止，国内已基本实现了晶体表面单个微缺陷的有效修复，但对于全口径的晶体表面微缺陷修复装置还没有问世。为了对大口径晶体实现快速修复，因而急需一种大口径晶体元件的二维大行程联动装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种大口径光学元件表面微缺陷修复用二维大行程联动装置，该装置在大型高精度隔振平台上可实现大范围的二维联动，用以辅助晶体表面微缺陷的快速探测、精确定位、循环扫描等后续修复工作，节约成本，提高大口径晶体表面微缺陷的修整效率。

对于大口径晶体来说，其全口径表面有若干微缺陷点需要及时进行修复。因此大口径晶体(430mm×430mm)表面微缺陷在修复过程中，需首先对整个大口径晶体表面进行微缺陷的快速探测，然后对探测出的每个微缺陷点进行分析，最后执行微缺陷的修复工作。

本发明为实现上述目的，采取的技术方案是：

大口径光学元件表面微缺陷修复用二维大行程联动装置，它包括气浮框架、X轴直线单元、步进电机、X轴导轨连接板、Y轴导轨托盘、Y轴直线单元、Y轴导轨连接板及两组柔性铰链；所述X轴直线单元固定在精密平台上表面，所述X轴导轨连接板固定在X轴直线单元的运动部件上；步进电机驱动X轴直线单元的运动部件做直线运动，所述Y轴导轨连接板固定在Y轴直线单元的运动部件上；Y轴直线单元固定在Y轴导轨托盘中，Y轴导轨托盘一端面与X轴导轨连接板的一侧面定位并连接，Y轴导轨托盘另一端为气浮端，Y轴直线单元的运动轴线与X轴直线单元的运动轴线在X、Y平面的投影垂直；所述气浮框架设置在精密平台上表面，且气浮框架的一侧面通过两组柔性铰链与Y轴导轨连接板的一侧面连接，气浮框架的X向对称面与Y轴直线单元的运动轴线垂直。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

(1)本发明由于具有高精度的直线单元，能够保证大行程下的精确定位，因而适合全口径光学元件表面进行完全检测，其全行程运动范围为450mm×550mm，完全可实现大口径晶体430mm×430mm的全口径表面微缺陷探测。

(2)本发明采用了柔性铰链连接与真空预载荷气浮垫支承方式，能够很好地保证光学元件表面与精密平台的平行度，气浮垫最大可承载60kg重量，完全能满足二维大行程联动装置的承载要求。

(3)本发明采用多轴控制器(多轴控制器为两个直线单元自带的)对两个联动轴进行闭环运动控制，具有很高的定位精度，其闭环定位精度可控制在±3μm范围内。

(4)本发明在Y轴另一端采用真空预载荷气浮支撑方式，其气浮高度为6μm-10μm，有效控制了Y轴与X轴联接过程中的悬伸变形，严格保证了Y轴精密移动时与高精度花岗岩平台的平行度。

综上，该装置在大型高精度隔振平台上可实现大口径晶体元件的大范围二维联动，用以辅助晶体表面微缺陷的快速探测、循环扫描等后续修复工作，节约成本，以提升光学元件表面微缺陷的检测效率与自动化水平，提高大口径晶体表面微缺陷的修整效率，它是大口径晶体元件表面微缺陷微铣削修复机床的重要组成部分。

附图说明

图1是本发明的整体结构主视图；图2是图1的俯视图；图3是图2的左视图；图4是图3的W向视图；图5是本柔性铰链与气浮框架装配主视图；图6是图5的俯视图；图7是图6的左视放大图；图8是柔性铰链的俯视图；图9是图8的A-A剖视图；图10是柔性铰链立体图；图11是铰链座的主视图；图12是图11俯视图；图13是图11的B-B剖视图；图14是铰链座的立体图；图15是晶体框的主视图；图16是图15的俯视图；图17是图16的左视放大图；图18是晶体框的立体图；图19是锁紧块的主视图；图20是图19的俯视图；图21是图19的左视图；图22是锁紧块的立体图；图23是压紧块的主视图；图24是图23的俯视图；图25是图23的左视图；图26是压紧块的立体图；图27是图5的M处局部放大图；图28是图6的N处局部放大图；图29是图7的P处局部放大图；图30是图2的R处放大图；图31是图2的Q处放大图；图32是直线导轨偏载示意图。

上述图中各部件的名称及标号如下：

晶体框1、圆柱销2、柔性铰链3、铰链座3-1、簧片3-2、六角薄螺母4、内六角圆柱头螺钉5、压紧块6、凸台6-1、长槽6-2、定位螺钉二7、定位螺钉一8、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。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图4及图31说明，本实施方式的大口径光学元件表面微缺陷修复用二维大行程联动装置，它包括气浮框架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(通过内六角螺钉固定)，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(通过内六角螺钉固定)；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(通过内六角螺钉固定)；Y轴直线单元12固定在Y轴导轨托盘33中(通过内六角螺钉固定)，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。

具体实施方式二：结合图1和图30说明，本实施方式所述Y轴导轨托盘33一端面与X轴导轨连接板10的一侧面通过两个圆柱销2定位，并通过螺纹连接件连接。如此设置，容易定位和连接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1、图5至图28说明，本实施方式所述气浮框架30包括晶体框1、两个压紧块6、两个定位螺钉一8、两个定位螺钉二7、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，定位螺钉一8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一8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，定位螺钉二7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上端面球窝接触，本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式所述五个连接耳20在晶体框1的所述其余三个外侧面上的分布方式如下：晶体框1上与固定有两组柔性铰链3一侧相对应侧的外侧面固接有一个连接耳20，晶体框1上与固定有两组柔性铰链3一侧相垂直的每个外侧面固接有两个连接耳20。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式所述五个连接耳20在晶体框1的所述其余三个外侧面上的分布方式如下：晶体框1上与固定有两组柔性铰链3一侧相垂直的两个外侧面的其中一外侧面固接有两个连接耳20，晶体框1上与固定有两组柔性铰链3一侧相垂直的两个外侧面的另一外侧面固接有一个连接耳20。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式三相同。

具体实施方式六：结合图1、图8至图14说明，本实施方式的每组柔性铰链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三相同。

具体实施方式七：结合图1说明，本实施方式所述气浮框架30由硬铝合金材料制成。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一或三相同。

具体实施方式八：结合图1、图5、图23及图27说明，本实施方式所述压紧块6的下端面的一端设有凸台6-1，所述大口径光学元件40通过压紧块6下端面设有的凸台6-1竖向压紧固定，压紧块6设有长槽6-2，长槽6-2贯穿压紧块6的高度方向开设，内六角圆柱头螺钉5穿入压紧块6的长槽6-2内，压紧块6与晶体框1通过内六角圆柱头螺钉5和六角薄螺母4固接。如此设置，压紧块6可以沿通槽6-2滑动，方便让出遮挡区域取放光学元件随行夹具。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式三相同。

具体实施方式九：结合图3说明，本实施方式的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上端面球窝接触。

X、Y轴直线单元中的X、Y轴属于悬臂梁布局结构，如图32所示。X、Y轴直线单元中的X、Y轴直线导轨均有其承载与偏载方面的限制，因此需要验算承载和偏载是否满足要求。根据修复机床对二维大行程联动装置定位精度、承载性能等方面的综合要求，本发明装置的X轴直线单元采用美国Parker Hannifin公司的产品406LXR直线单元，其导轨为双直线滚动导轨，以直线电机驱动，额定载荷180kg，Y轴直线单元采用美国ParkerHannifin公司的产品412XR直线单元，其导轨为双直线滚动导轨，以步进电机经由滚珠丝杠驱动，额定载荷1470kg，承载完全满足要求，但需要对其偏载进行理论分析，下面就该发明装置的偏载特性进行校验计算。其作用于X、Y轴直线单元中的每个轴承上的力为P，四个轴承上的力分别为P₁、P₂、P₃和P₄，P₁、P₂、P₃和P₄的计算公式为：

$P_1=\left[\frac{L}{4}\right]-[\frac{L}{2}\×\frac{d_3}{d_1}]+[\frac{L}{2}\×\frac{d_4}{d_2}]$

$P_2=\left[\frac{L}{4}\right]+[\frac{L}{2}\×\frac{d_3}{d_1}]+[\frac{L}{2}\×\frac{d_4}{d_2}]$

$P_3=\left[\frac{L}{4}\right]-[\frac{L}{2}\×\frac{d_3}{d_1}]-[\frac{L}{2}\×\frac{d_4}{d_2}]$

$P_4=\left[\frac{L}{4}\right]+[\frac{L}{2}\×\frac{d_3}{d_1}]-[\frac{L}{2}\×\frac{d_4}{d_2}]$

式中L—集中载荷的质量，kg；

d₁—一根直线导轨上两轴承间的跨距，mm；

d₂—两根导轨的间距，mm；

d₃—平行于导轨方向载荷距离载物台中心的距离，mm；

d₄—垂直于导轨方向载荷距离载物台中心的距离，mm。

通过理论的偏载校验计算，该装置的最大载荷为132kg，而X轴直线单元412XR在普通载荷下的单个轴承最大载荷为367.5kg，由此可见，该结构设计中的载荷均能满足本发明装置具体参数要求。

精密平台由花岗岩材料制成，经过精加工后其工作表面的平面度可以控制在5μm以内。由于花岗岩具有很好的吸收振动的性能，因而可以提高整个装置的动态性能。为了能够检测整个晶体表面，使气浮框架30在精密平台上实现X、Y二维大行程运动，移动机构使用X、Y两轴布置形式，X、Y轴的开环定位精度为30μm，当进行闭环控制后，其定位精度可控制在±3μm范围内，因而该联动装置具有很高的定位精度。X轴直线单元31使用内六角螺钉固定在精密平台上，X轴导轨连接板10使用内六角螺钉安装在X轴直线单元31的运动部件上。Y轴直线单元12使用内六角螺钉固定在Y轴导轨托盘33中。Y轴导轨托盘33一侧以两个圆柱销2与X轴导轨连接板10定位，再使用内六角螺钉和螺栓进行固定，另一侧采用一个真空预载荷气浮垫(气浮垫二35)支撑，在其支撑下可使气浮框架30在花岗岩平台上实现大范围运动，并且气浮框架30与气浮垫二35均采用气浮方式，避免与高精度花岗岩平台直接接触，有效保护了花岗岩的面形精度与表面划伤；再者，由于采用真空预载荷气浮垫支撑方式，其气浮高度为6μm-10μm，有效控制了Y轴与X轴联接过程中的悬伸变形，从而保证了Y轴精密移动时与高精度花岗岩平台的平行度，并且其X、Y大行程移动范围为450mm×550mm，这是本发明的一个关键点所在。

为了保证整个装置的精度，在安装过程中，必须保证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平面的投影严格垂直，同X轴直线单元类似，Y轴直线单元12的运动部件上也安装有Y轴导轨连接板14，它由内六角螺钉进行连接。气浮垫可最大承载60kg重量，完全满足二维大行程联动装置的承载要求。在安装过程中，气浮框架30的X向对称面与Y轴直线单元12的运动轴线也必须保证严格垂直，以确保装置的整体性能良好。由此移动机构实现气浮框架30在精密平台的二维运动。

工作原理

该装置为大口径晶体缺陷检测平台，包括两个联动的晶体直线移动轴(即为Y轴直线单元12和X轴直线单元31)，每个晶体直线移动轴都有独立的驱动器，其中两个联动轴的驱动器和其反馈信号线都与多轴控制器进行联接。该多轴控制器可以对每个联动轴进行单独控制或联动控制，多轴控制器和各联动轴、驱动器以及光栅构成了一个闭环的两轴联动控制系统。通过上位机将控制信号传送给多轴控制器，来实现晶体组件的二维运动。

通过步进电机32驱动X轴直线单元31的运动部件做直线运动，从而带动X轴导轨连接板10同步运动，由于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，由此带动Y轴导轨连接板14一同运动，从而实现X轴、Y轴二维大行程联动。

Claims (9)

1.一种大口径光学元件表面微缺陷修复用二维大行程联动装置，其特征在于：它包括气浮框架（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；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。

2.根据权利要求1所述大口径光学元件表面微缺陷修复用二维大行程联动装置，其特征在于：所述Y轴导轨托盘（33）一端面与X轴导轨连接板（10）的一侧面通过两个圆柱销（2）定位，并通过螺纹连接件连接。

3.根据权利要求1所述大口径光学元件表面微缺陷修复用二维大行程联动装置，其特征在于：所述气浮框架（30）包括晶体框（1）、两个压紧块（6）、两个定位螺钉一（8）、两个定位螺钉二（7）、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（8）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（8）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（7）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）上端面球窝接触。

4.根据权利要求3所述大口径光学元件表面微缺陷修复用二维大行程联动装置，其特征在于：所述五个连接耳（20）在晶体框（1）的所述其余三个外侧面上的分布方式如下：晶体框（1）上与固定有两组柔性铰链（3）一侧相对应侧的外侧面固接有一个连接耳（20），晶体框（1）上与固定有两组柔性铰链（3）一侧相垂直的每个外侧面固接有两个连接耳（20）。

5.根据权利要求3所述大口径光学元件表面微缺陷修复用二维大行程联动装置，其特征在于：所述五个连接耳（20）在晶体框（1）的所述其余三个外侧面上的分布方式如下：晶体框（1）上与固定有两组柔性铰链（3）一侧相垂直的两个外侧面的其中一外侧面固接有两个连接耳（20），晶体框（1）上与固定有两组柔性铰链（3）一侧相垂直的两个外侧面的另一外侧面固接有一个连接耳（20）。

6.根据权利要求3所述大口径光学元件表面微缺陷修复用二维大行程联动装置，其特征在于：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。

7.根据权利要求1或3所述大口径光学元件表面微缺陷修复用二维大行程联动装置，其特征在于：所述气浮框架（30）由硬铝合金材料制成。

8.根据权利要求3所述大口径光学元件表面微缺陷修复用二维大行程联动装置，其特征在于：所述压紧块（6）的下端面的一端设有凸台（6-1），所述大口径光学元件（40）通过压紧块（6）下端面设有的凸台（6-1）竖向压紧固定，压紧块（6）设有长槽（6-2），长槽（6-2）贯穿压紧块（6）的高度方向开设，内六角圆柱头螺钉（5）穿入压紧块（6）的长槽（6-2）内，压紧块（6）与晶体框（1）通过内六角圆柱头螺钉（5）和六角薄螺母（4）固接。

9.根据权利要求1所述大口径光学元件表面微缺陷修复用二维大行程联动装置，其特征在于：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）上端面球窝接触。