CN109947140A - 一种5自由度激光准直微调装置及其调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种5自由度激光准直微调装置及其调节方法，所述微调装置包括单向初调机构、2自由度转动调节机构及2自由度轴向微调机构；单向初调机构中设x向移动微分头、移动平台及弹簧复位机构，移动平台能够在x向移动微分头作用下沿x轴方向移动；2自由度转动调节机构中设大动板、y轴旋转顶丝及z轴旋转顶丝，大动板在y轴旋转顶丝、z轴旋转顶丝的作用下能够绕y轴、z轴方向转动；2自由度轴向微调机构中设小动板、y向移动微分头及z向移动微分头，小动板在y向移动微分头、z向移动微分头的作用下能够沿y轴、z轴方向移动。本发明所述装置结构简单精巧、集成度高，可实现3个自由度的位移调节和2个自由度的转动调节，调节精度高。

Description

一种5自由度激光准直微调装置及其调节方法

技术领域

本发明涉及激光准直校准技术领域，尤其涉及一种具有5自由度、高精度和高灵活性的激光准直微调装置。

背景技术

近年来，激光技术在探测未知气体成分和浓度等方面做出很大贡献。在激光探测装置中，通常需要较大的光程和精密的反射镜组。制造和装配上述激光探测装置时，难免会出现一些尺寸公差和几何误差，导致发出的光束达不到理想的光程或无法回到探测接收区域。因此，需要一种精密的、灵活性高的激光准直微调装置，精确控制激光准直器的位姿，以实现对不可避免的制造和装配误差进行有效补偿。

发明内容

本发明提供了一种5自由度激光准直微调装置及其调节方法，其结构简单精巧、操作方便、集成度高，可实现3个自由度的位移调节和2个自由度的转动调节，调节精度高。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种5自由度激光准直微调装置，包括单向初调机构、2自由度转动调节机构及2自由度轴向微调机构；所述单向初调机构中设x向移动微分头、移动平台及弹簧复位机构，移动平台能够在x向移动微分头的作用下沿x轴方向移动，并由弹簧复位机构复位；所述2自由度转动调节机构中设大动板、y轴旋转顶丝及z轴旋转顶丝，大动板通过支架设置在移动平台上，大动板通过弹簧支撑机构与支架弹性连接，在y轴旋转顶丝的作用下大动板能够绕y轴方向转动，在z轴旋转顶丝的作用下大动板能够绕z轴方向转动，弹簧支撑机构同时用于大动板复位；所述2自由度轴向微调机构中设小动板、y向移动微分头及z向移动微分头，小动板通过弹簧悬吊机构悬吊在大动板的中心孔内，在y向移动微分头的作用下小动板能够沿y轴方向移动，在z向移动微分头的作用下小动板能够沿z轴方向移动；弹簧悬吊机构同时用于小动板复位；小动板的中部设激光准直器安装孔。

所述单向初调机构由底座、移动平台、x向移动微分头及弹簧复位机构组成，底座顶部设滑轨，底座一端与滑轨平行地设有x向移动微分头，移动平台底部设滑槽与滑轨配合滑动，在与x向移动微分头相对一端的底座与移动平台之间设弹簧复位机构，弹簧复位机构由1至多个复位弹簧组成。

所述支架为L形支架，其底板与移动平台通过螺钉连接，立板垂直于x轴方向设置，立板中部对应激光准直器安装孔的位置设通孔。

所述2自由度转动调节机构由大动板、y轴旋转顶丝、z轴旋转顶丝、支撑头及弹簧支撑机构组成；大动板是立面为正方形的板状体，与支架的立板平行设置；大动板中部在靠近支架一侧开设通孔，另一侧开设小动板安装孔；大动板的底部一端设支撑头，另一端设y轴旋转顶丝，支撑头上方的大动板顶部设z轴旋转顶丝，支撑头、z轴旋转顶丝、y轴旋转顶丝分别穿过大动板后垂直顶紧在支架立面上，且支撑头与z轴旋转顶丝轴线的连线平行于z轴方向，支撑头与y轴旋转顶丝轴线的连线平行于y轴方向；所述弹簧支撑机构由多个支撑弹簧及弹簧连杆组成，在支撑头与z轴旋转顶丝之间并且在两者轴线的连线上设有数个支撑弹簧，在支撑头与y轴旋转顶丝之间并且在两者轴线的连线上设有数个支撑弹簧，支撑弹簧的两端套在弹簧连杆上，弹簧连杆分别卡设在大动板或支架上开设的安装孔中。

所述支撑头、z轴旋转顶丝、y轴旋转顶丝的头部端面为球面。

所述2自由度轴向微调机构由小动板、y向移动微分头、z向移动微分头及弹簧悬吊机构组成；小动板置于大动板上的小动板安装孔中，大动板在对应小动板安装孔一侧的立面上开设弹簧安装槽，弹簧悬吊机构由至少3个悬吊弹簧组成，悬吊弹簧分别置于弹簧安装槽中，两端分别与大动板、小动板固定连接；沿小动板上激光准直器安装孔的竖直轴线方向，小动板的上方设y向移动微分头，y向移动微分头穿过大动板后垂直顶紧在小动板的水平平面上；沿小动板上激光准直器安装孔的水平轴线方向，小动板的一侧设z向移动微分头，z向移动微分头穿过大动板后垂直顶紧在小动板的竖直平面上。

所述小动板的外侧还设有盖板，盖板与大动板固定连接并对小动板起封挡作用，盖板的中部设操作孔，操作孔的直径大于小动板上激光准直器安装孔的直径，在激光准直器安装孔与操作孔之间的小动板上设有多个调节螺钉孔，调节螺钉穿过小动板上的调节螺钉孔后顶紧在大动板的外立面上。

所述调节螺钉的头部端面为球面。

一种5自由度激光准直微调装置的调节方法，包括如下步骤：

1)进行x向大位移平动调节；通过旋合固定在底座一端的x向移动微分头，推动移动平台沿底座上的滑轨移动，通过滑轨另一端设置的复位弹簧复位，实现对激光准直器沿x向大位移平动调节；

2)进行y轴、z轴方向的2自由度转动调节；大动板与支架活动连接，通过支撑弹簧的拉力，以及y轴旋转顶丝、z轴旋转顶丝及支撑头的推力作用，使大动板相对于支架保持初始的稳定状态；在支撑头和y轴旋转顶丝的定位作用下，旋合z轴旋转顶丝时将会带动大动板绕着y轴旋转顶丝与支撑头轴线连线方向转动，从而实现大动板绕z轴方向的转动调节；同理，旋合y轴旋转顶丝时将会带动大动板绕着z轴旋转顶丝与支撑头轴线连线方向转动，从而实现大动板绕y轴方向的转动；2自由度转动调节均通过支撑弹簧复位；

3)进行y轴、z轴方向的2自由度微量调节；小动板通过弹簧悬吊机构与大动板活动连接，进行步骤1)和步骤2)的调节时，小动板随之移动和转动；旋合大动板上的z向移动微分头和y向移动微分头，分别推动小动板沿着y轴方向和z轴方向小位移移动，实现对激光准直器位置的微调，并由悬吊弹簧实现复位；

4)由于大动板与支架之间、小动板与大动板之间均为活动连接，当激光准直器嵌入小动板上的激光准直器安装孔开始工作时，激光准直器的重力和布线操作对小动板的姿态形成扰动；激光准直器布线后，在不拆卸盖板的情况下，通过调节螺钉调节小动板与盖板的x向间隙，实现小动板活动灵敏度的调节，也可以锁死小动板。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)通过单向初调机构实现对激光准直器沿x轴方向的大位移位置调节，单向初调机构采用x向移动微分头推动移动平台沿底座上的滑轨移动，其结构简单，可实现快速初调；

2)在单向初调后，通过2自由度转动调节机构实现对激光准直器2个自由度转动角度的姿态调节，采用大动板与y轴旋转顶丝、z轴旋转顶丝、支撑头及弹簧支撑机构配合实现，其结构精巧，调节精度高；

3)通过2自由度轴向微调机构实现y轴方向及z轴方向的精确微调；采用小动板与y向移动微分头、z向移动微分头及弹簧悬吊机构配合，精确调节激光准直器的最终位置；

4)通过调节螺钉调节小动板与盖板的x向间隙，实现小动板活动灵敏度的调节，直至锁死小动板，有效防止激光准直器工作时的扰动影响。

附图说明

图1是本发明所述一种5自由度激光准直微调装置的立体结构示意图。

图2是本发明所述支架与2自由度转动调节机构的爆炸视图。

图3是本发明所述2自由度转动调节机构与2自由度轴向微调机构的连接关系示意图。

图4是本发明所述大动板、小动板与调节螺钉的爆炸视图。

图中：1.x向移动微分头 2.底座 3.移动平台 4.支架 5.y轴旋转顶丝 6.大动板7.z向移动微分头 8.盖板 9.小动板 10.y向移动微分头 11.z轴旋转顶丝 12.支撑头 13.悬吊弹簧 14.调节螺钉 15.支撑弹簧 16.弹簧连杆

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，本发明所述一种5自由度激光准直微调装置，包括单向初调机构、2自由度转动调节机构及2自由度轴向微调机构；所述单向初调机构中设x向移动微分头1、移动平台3及弹簧复位机构，移动平台3能够在x向移动微分头1的作用下沿x轴方向移动，并由弹簧复位机构复位；所述2自由度转动调节机构中设大动板6、y轴旋转顶丝5及z轴旋转顶丝11，大动板6通过支架4设置在移动平台3上，大动板6通过弹簧支撑机构与支架4弹性连接，在y轴旋转顶丝5的作用下大动板6能够绕y轴方向转动，在z轴旋转顶丝11的作用下大动板6能够绕z轴方向转动，弹簧支撑机构同时用于大动板6复位；所述2自由度轴向微调机构中设小动板9、y向移动微分头10及z向移动微分头7，小动板9通过弹簧悬吊机构悬吊在大动板6的中心孔内，在y向移动微分头10的作用下小动板9能够沿y轴方向移动，在z向移动微分头7的作用下小动板9能够沿z轴方向移动；弹簧悬吊机构同时用于小动板9复位；小动板9的中部设激光准直器安装孔。

如图1所示，所述单向初调机构由底座2、移动平台3、x向移动微分头1及弹簧复位机构组成，底座2顶部设滑轨，底座2一端与滑轨平行地设有x向移动微分头1，移动平台3底部设滑槽与滑轨配合滑动，在与x向移动微分头1相对一端的底座2与移动平台3之间设弹簧复位机构，弹簧复位机构由1至多个复位弹簧组成。

如图2所示，所述支架4为L形支架，其底板与移动平台3通过螺钉连接，立板垂直于x轴方向设置，立板中部对应激光准直器安装孔的位置设通孔。

如图2所示，所述2自由度转动调节机构由大动板6、y轴旋转顶丝5、z轴旋转顶丝11、支撑头12及弹簧支撑机构组成；大动板6是立面为正方形的板状体，与支架4的立板平行设置；大动板6中部在靠近支架4一侧开设通孔，另一侧开设小动板安装孔；大动板6的底部一端设支撑头12，另一端设y轴旋转顶丝5，支撑头12上方的大动板6顶部设z轴旋转顶丝11，支撑头12、z轴旋转顶丝11、y轴旋转顶丝5分别穿过大动板6后垂直顶紧在支架4立面上，且支撑头12与z轴旋转顶丝11轴线的连线平行于z轴方向，支撑头12与y轴旋转顶丝5轴线的连线平行于y轴方向；所述弹簧支撑机构由多个支撑弹簧15及弹簧连杆16组成，在支撑头12与z轴旋转顶丝11之间并且在两者轴线的连线上设有数个支撑弹簧15，在支撑头12与y轴旋转顶丝5之间并且在两者轴线的连线上设有数个支撑弹簧15，支撑弹簧15的两端套在弹簧连杆16上，弹簧连杆16分别卡设在大动板6或支架4上开设的安装孔中。

所述支撑头12、z轴旋转顶丝11、y轴旋转顶丝5的头部端面为球面。

如图3所示，所述2自由度轴向微调机构由小动板9、y向移动微分头10、z向移动微分头7及弹簧悬吊机构组成；小动板9置于大动板6上的小动板安装孔中，大动板6在对应小动板安装孔一侧的立面上开设弹簧安装槽，弹簧悬吊机构由至少3个悬吊弹簧13组成，悬吊弹簧13分别置于弹簧安装槽中，两端分别与大动板6、小动板9固定连接；沿小动板9上激光准直器安装孔的竖直轴线方向，小动板9的上方设y向移动微分头10，y向移动微分头10穿过大动板6后垂直顶紧在小动板9的水平平面上；沿小动板9上激光准直器安装孔的水平轴线方向，小动板9的一侧设z向移动微分头7，z向移动微分头7穿过大动板6后垂直顶紧在小动板9的竖直平面上。

如图3、图4所示，所述小动板9的外侧还设有盖板8，盖板8与大动板6固定连接并对小动板9起封挡作用，盖板8的中部设操作孔，操作孔的直径大于小动板9上激光准直器安装孔的直径，在激光准直器安装孔与操作孔之间的小动板9上设有多个调节螺钉孔，调节螺钉14穿过小动板9上的调节螺钉孔后顶紧在大动板6的外立面上。

所述调节螺钉14的头部端面为球面。

一种5自由度激光准直微调装置的调节方法，包括如下步骤：

1)进行x向大位移平动调节；通过旋合固定在底座2一端的x向移动微分头1，推动移动平台3沿底座2上的滑轨移动，通过滑轨另一端设置的复位弹簧复位，实现对激光准直器沿x向大位移平动调节；

2)进行y轴、z轴方向的2自由度转动调节；大动板6与支架4活动连接，通过支撑弹簧15的拉力，以及y轴旋转顶丝5、z轴旋转顶丝11及支撑头12的推力作用，使大动板6相对于支架4保持初始的稳定状态；在支撑头12和y轴旋转顶丝5的定位作用下，旋合z轴旋转顶丝11时将会带动大动板6绕着y轴旋转顶丝5与支撑头12轴线连线方向转动，从而实现大动板6绕z轴方向的转动调节；同理，旋合y轴旋转顶丝5时将会带动大动板6绕着z轴旋转顶丝11与支撑头12轴线连线方向转动，从而实现大动板6绕y轴方向的转动；2自由度转动调节均通过支撑弹簧15复位；

3)进行y轴、z轴方向的2自由度微量调节；小动板9通过弹簧悬吊机构与大动板6活动连接，进行步骤1)和步骤2)的调节时，小动板9随之移动和转动；旋合大动板6上的z向移动微分头7和y向移动微分头10，分别推动小动板9沿着y轴方向和z轴方向小位移移动，实现对激光准直器位置的微调，并由悬吊弹簧13实现复位；

4)由于大动板6与支架4之间、小动板9与大动板6之间均为活动连接，当激光准直器嵌入小动板9上的激光准直器安装孔开始工作时，激光准直器的重力和布线操作对小动板9的姿态形成扰动；激光准直器布线后，在不拆卸盖板8的情况下，通过调节螺钉14调节小动板9与盖板8的x向间隙，实现小动板9活动灵敏度的调节，也可以锁死小动板9。

本发明所述的x向移动微分头1、y向移动微分头10、z向移动微分头7、y轴旋转顶丝5、z轴旋转顶丝11、调节螺钉14均采用小螺距螺纹副，以实现对激光准直器的精密微调。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种5自由度激光准直微调装置，其特征在于，包括单向初调机构、2自由度转动调节机构及2自由度轴向微调机构；所述单向初调机构中设x向移动微分头、移动平台及弹簧复位机构，移动平台能够在x向移动微分头的作用下沿x轴方向移动，并由弹簧复位机构复位；所述2自由度转动调节机构中设大动板、y轴旋转顶丝及z轴旋转顶丝，大动板通过支架设置在移动平台上，大动板通过弹簧支撑机构与支架弹性连接，在y轴旋转顶丝的作用下大动板能够绕y轴方向转动，在z轴旋转顶丝的作用下大动板能够绕z轴方向转动，弹簧支撑机构同时用于大动板复位；所述2自由度轴向微调机构中设小动板、y向移动微分头及z向移动微分头，小动板通过弹簧悬吊机构悬吊在大动板的中心孔内，在y向移动微分头的作用下小动板能够沿y轴方向移动，在z向移动微分头的作用下小动板能够沿z轴方向移动；弹簧悬吊机构同时用于小动板复位；小动板的中部设激光准直器安装孔。

2.根据权利要求1所述的一种5自由度激光准直微调装置，其特征在于，所述单向初调机构由底座、移动平台、x向移动微分头及弹簧复位机构组成，底座顶部设滑轨，底座一端与滑轨平行地设有x向移动微分头，移动平台底部设滑槽与滑轨配合滑动，在与x向移动微分头相对一端的底座与移动平台之间设弹簧复位机构，弹簧复位机构由1至多个复位弹簧组成。

3.根据权利要求1所述的一种5自由度激光准直微调装置，其特征在于，所述支架为L形支架，其底板与移动平台通过螺钉连接，立板垂直于x轴方向设置，立板中部对应激光准直器安装孔的位置设通孔。

4.根据权利要求1所述的一种5自由度激光准直微调装置，其特征在于，所述2自由度转动调节机构由大动板、y轴旋转顶丝、z轴旋转顶丝、支撑头及弹簧支撑机构组成；大动板是立面为正方形的板状体，与支架的立板平行设置；大动板中部在靠近支架一侧开设通孔，另一侧开设小动板安装孔；大动板的底部一端设支撑头，另一端设y轴旋转顶丝，支撑头上方的大动板顶部设z轴旋转顶丝，支撑头、z轴旋转顶丝、y轴旋转顶丝分别穿过大动板后垂直顶紧在支架立面上，且支撑头与z轴旋转顶丝轴线的连线平行于z轴方向，支撑头与y轴旋转顶丝轴线的连线平行于y轴方向；所述弹簧支撑机构由多个支撑弹簧及弹簧连杆组成，在支撑头与z轴旋转顶丝之间并且在两者轴线的连线上设有数个支撑弹簧，在支撑头与y轴旋转顶丝之间并且在两者轴线的连线上设有数个支撑弹簧，支撑弹簧的两端套在弹簧连杆上，弹簧连杆分别卡设在大动板或支架上开设的安装孔中。

5.根据权利要求1或4所述的一种5自由度激光准直微调装置，其特征在于，所述支撑头、z轴旋转顶丝、y轴旋转顶丝的头部端面为球面。

6.根据权利要求1所述的一种5自由度激光准直微调装置，其特征在于，所述2自由度轴向微调机构由小动板、y向移动微分头、z向移动微分头及弹簧悬吊机构组成；小动板置于大动板上的小动板安装孔中，大动板在对应小动板安装孔一侧的立面上开设弹簧安装槽，弹簧悬吊机构由至少3个悬吊弹簧组成，悬吊弹簧分别置于弹簧安装槽中，两端分别与大动板、小动板固定连接；沿小动板上激光准直器安装孔的竖直轴线方向，小动板的上方设y向移动微分头，y向移动微分头穿过大动板后垂直顶紧在小动板的水平平面上；沿小动板上激光准直器安装孔的水平轴线方向，小动板的一侧设z向移动微分头，z向移动微分头穿过大动板后垂直顶紧在小动板的竖直平面上。

7.根据权利要求1所述的一种5自由度激光准直微调装置，其特征在于，所述小动板的外侧还设有盖板，盖板与大动板固定连接并对小动板起封挡作用，盖板的中部设操作孔，操作孔的直径大于小动板上激光准直器安装孔的直径，在激光准直器安装孔与操作孔之间的小动板上设有多个调节螺钉孔，调节螺钉穿过小动板上的调节螺钉孔后顶紧在大动板的外立面上。

8.根据权利要求7所述的一种5自由度激光准直微调装置，其特征在于，所述调节螺钉的头部端面为球面。

9.如权利要求1所述的一种5自由度激光准直微调装置的调节方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)进行x向大位移平动调节；通过旋合固定在底座一端的x向移动微分头，推动移动平台沿底座上的滑轨移动，通过滑轨另一端设置的复位弹簧复位，实现对激光准直器沿x向大位移平动调节；

2)进行y轴、z轴方向的2自由度转动调节；大动板与支架活动连接，通过支撑弹簧的拉力，以及y轴旋转顶丝、z轴旋转顶丝及支撑头的推力作用，使大动板相对于支架保持初始的稳定状态；在支撑头和y轴旋转顶丝的定位作用下，旋合z轴旋转顶丝时将会带动大动板绕着y轴旋转顶丝与支撑头轴线连线方向转动，从而实现大动板绕z轴方向的转动调节；同理，旋合y轴旋转顶丝时将会带动大动板绕着z轴旋转顶丝与支撑头轴线连线方向转动，从而实现大动板绕y轴方向的转动；2自由度转动调节均通过支撑弹簧复位；

3)进行y轴、z轴方向的2自由度微量调节；小动板通过弹簧悬吊机构与大动板活动连接，进行步骤1)和步骤2)的调节时，小动板随之移动和转动；旋合大动板上的z向移动微分头和y向移动微分头，分别推动小动板沿着y轴方向和z轴方向小位移移动，实现对激光准直器位置的微调，并由悬吊弹簧实现复位；

4)由于大动板与支架之间、小动板与大动板之间均为活动连接，当激光准直器嵌入小动板上的激光准直器安装孔开始工作时，激光准直器的重力和布线操作对小动板的姿态形成扰动；激光准直器布线后，在不拆卸盖板的情况下，通过调节螺钉调节小动板与盖板的x向间隙，实现小动板活动灵敏度的调节，也可以锁死小动板。