CN110082887A - 一种大口径激光传输反射镜的精密夹持装置与预紧方法 - Google Patents

Abstract

一种大口径激光传输反射镜精密夹持装置，包括反射镜元件、镜框组件、镜体压板、导向垫块、挠性元件、平端细牙螺钉、胶头螺钉等。反射镜元件在所述镜框组件底部的凸台实现底面定位；镜框组件周向四个侧面开有多个阶梯孔，呈三角形阵列分布，其中大孔为螺纹孔，小孔为通孔，导向垫块与挠性元件依次装入通孔后，将平端细牙螺钉拧入侧壁螺纹孔，实现反射镜元件周向的预紧；镜体压板安装在镜框组件上，通过胶头螺钉实现对反射镜元件的正面紧固。通过将精密测量与数值分析相结合，实现高功率固体激光装置中的大口径反射镜元件的精密、高效装配。

Description

一种大口径激光传输反射镜的精密夹持装置与预紧方法

技术领域

本发明涉及高功率固体激光装置中的大口径光学元件精密制造及装配领域，特别涉及一种大口径激光传输反射镜的精密夹持装置与预紧方法。

背景技术

高功率固体激光装置包含成千上万块大口径光学元件，其中的上千块激光传输反射镜往往同时具有位置调整、对准方向、光程匹配等关键功能，因此，其面形精度将会直接影响光束质量(波前误差)和靶心的能量密度。在精密光学元件的装校过程中都存在一个共性的难题，就是需要在保证牢固夹持光学元件的同时尽量减小夹持力导致的面形畸变。具体地说，要保证每一个光学元件被稳定、精确地安装在工作位置，又要避免因为夹持力而产生的变形、双折射、甚至是破裂的发生。目前我国的高功率固体激光装置中采用周向夹持，其夹持装置及预紧方法存在夹持工艺难以控制，即各个加载点预紧力无法精确控制，直接导致了光学元件应力分布不均、面形精度难以控制，并且调控操作复杂、装配费时、效率低等问题。

发明内容

从满足大口径光学元件精密高效装配技术的迫切需求出发，针对现有大口径反射镜元件夹持装置及装配工艺的不足，本发明提供一种大口径激光传输反射镜的精密夹持装置与预紧方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种大口径激光传输反射镜的精密夹持装置，包括：

镜框组件2，为矩形框体，用于安装和夹持反射镜元件1；

镜体压板3，为回形结构，设置在镜框组件2的框体上方，实现反射镜元件1的正面紧固；

挠性元件5，为矩形螺旋压缩弹簧，安装在镜框组件2侧面的与反射镜元件1侧面对应的周向阶梯孔内，一端通过导向垫块4与反射镜元件1接触，另一端与平端细牙螺钉6接触，实现反射镜元件1的周向预紧。

所述镜框组件2在其四个侧面共开有48个阶梯孔，每个侧面上的阶梯孔呈三角形阵列分布。阶梯孔的大孔为螺纹孔，小孔为通孔，导向垫块4与挠性元件5依次装入通孔后，将平端细牙螺钉6拧入螺纹孔，实现反射镜元件1周向的预紧。

所述镜框组件2的正端面上共开有28个螺纹孔，用于安装镜体压板3以固定反射镜元件1。所述镜体压板3共开有28个通孔和24个螺纹孔，螺钉穿过通孔将镜体压板3固定在镜框组件2上，胶头螺钉7拧入螺纹孔实现对反射镜元件1的正面紧固。

本发明还提供了一种基于所述大口径激光传输反射镜的精密夹持装置的大口径激光传输反射镜预紧方法，将精密测量与数值仿真分析相结合，通过对反射镜元件1周向预紧力的精确加载与调控，实现对大口径反射镜元件面形的控制与优化，达到ISO14644-1规定的5级空气洁净标准的光学精密装配环境中，执行如下步骤：

步骤1：基于弹性力学相关理论建立激光传输反射镜的力学模型，计算出保持结构稳定的初始预紧力参数；

步骤2：将反射镜元件1水平放置在大口径激光干涉仪上，获取裸镜表面制造面形数据，并判断是否满足工艺要求；若满足，则继续执行如下装配预紧操作；若不满足，须更换元件再次执行此操作步骤；

步骤3：采用大口径真空吸盘吸附反射镜元件1正面边缘区域，精确装入镜框组件2方框内；

步骤4：在镜框组件2侧面的阶梯孔中，依次安装入导向垫块4、挠性元件5与平端细牙螺钉6，按加载顺序将平端细牙螺钉6旋至台阶面处限位，实现对反射镜元件1的周向预紧；

步骤5：用螺钉穿过镜体压板3外圈通孔将其固定在镜框组件2上，后用胶头螺钉7拧入镜体压板3内圈螺纹孔，实现对反射镜元件1的正面紧固；

步骤6：根据步骤1中得到的预紧力参数，通过精确控制平端细牙螺钉6回旋转角的角度，调控周向预紧力至指定参数；

步骤7：将预紧完成后的反射镜组件水平放置在大口径激光干涉仪上，获取预紧状态下元件表面面形数据，并判断是否满足工艺要求；若满足，则装配完成；若不满足，则继续执行如下操作；

步骤8：将当前预紧状态下反射镜元件1的面形数据与预紧力参数输入计算机中，进一步仿真优化得到预紧力调整参数(可采用ansys有限元仿真的方式进行优化计算)，根据优化后的预紧力参数调控预紧力数值；

步骤9：重复执行步骤7和步骤8的操作，直至反射镜元件1的面形数据满足工艺要求。

其中，由于加载顺序是首先将所有螺钉旋至台阶面处限位(步骤4)，此时由于弹簧压缩量为定值，弹簧预紧力也为定值，且可由台阶面至镜框内壁厚度、导向柱厚度及弹簧弹性系数准确计算求得。接下来(步骤6)通过控制螺钉回旋的角度，由于螺钉螺距为定值，弹簧弹性系数为定值，因此旋转螺钉转角与预紧力的关系可准确求得，本发明中所采用的矩形压缩弹簧弹性系数为180N/mm，M12细牙螺钉螺距为1mm，因此回旋螺钉转角与预紧力的关系为1N/°。由此通过控制回旋转角的角度，可准确调控周向预紧力至指定参数。

本发明的有益效果是：

针对高功率固体激光装置中大口径反射镜元件精密高效装配的技术难题，提出了一种基于挠性件的创新型预紧力加载结构和装配工艺，本发明能够有效解决当前大口径激光传输反射镜组件预紧力误差大、可控性差、装配效率低等典型技术问题，通过设计挠性加载单元，实现了：

一、能够精确控制预紧力的大小，从传统利用扭矩扳手测量扭矩变为测量螺钉转角，采用细牙螺纹可进一步提高精度，将现场装配工艺条件与理论仿真参数相匹配，避免了实际预紧力与理论预紧力偏差过大导致的面形超差问题，保证了面形精度的可控性。

二、能够有效减弱误差敏感度，挠性件受压过程均载特性好，对制造误差和操作误差不敏感，同时可以有效减弱热载荷导致预紧力增大对面形精度的影响。

三、能够实现反射镜元件在镜框组件中自动找正，周向预紧螺钉全部旋至台阶面限位后，由于挠性件的加载特性，当反射镜元件偏置时产生反向力矩使其回到中心位置。

四、运用智能算法对反射镜周向加载点的位置和数量进行优化，得到三角形阵列分布方案，实现了面形精度与装配效率的最优组合。

五、通过将精密测量与数值分析相结合，实现对大口径反射镜元件面形的控制与优化。将数字化建模方法与现场工艺条件精细化对接，为我国激光高功率固体激光装置中大口径光学元件的精密装校工程提供工艺优化改进的思路。

附图说明

图1是发明所涉大口径激光传输反射镜精密夹持装置的装配结构图。

图2是发明所涉周向预紧力加载模块细节结构图。

图3是发明所涉大口径反射镜元件周向预紧力加载顺序流程图。

图4是发明所涉大口径反射镜元件装配工艺流程图。

图5是实施案例中大口径反射镜元件的裸镜面形图。

图6是实施案例中大口径反射镜元件装较后面形图。

具体实施方式

下面结合附图和一个具体实施案例对本发明作详细说明。

如图1和图2所示，一种大口径激光传输反射镜精密夹持装置，包括反射镜元件1、镜框组件2、镜体压板3、导向垫块4、挠性元件5、平端细牙螺钉6、胶头螺钉7等。镜框组件2，为矩形框体，用于安装和夹持反射镜元件1。在其四个侧面共开有48个阶梯孔，呈三角形阵列分布，其中大孔为螺纹孔，小孔为通孔，导向垫块4与挠性元件5依次装入通孔后，将平端细牙螺钉6拧入侧壁螺纹孔，实现反射镜元件1周向的预紧。镜框组件2的正面上部，共开有28个螺纹孔，用于安装镜体压板3以固定反射镜元件1。镜体压板3，为回形结构，设置在镜框组件2的框体上方，在其表面共开有28个通孔和24个螺纹孔，螺钉穿过通孔将镜体压板3固定在镜框组件2上，胶头螺钉7拧入螺纹孔实现对反射镜元件1的正面紧固。

本实施案例中，反射镜元件1的主要尺寸为610mm×440mm×85mm，材料为K9玻璃，镜面为平面，要求裸镜面形偏差P-V(波峰-波谷)值小于100nm，装校后面形偏差P-V值小于310nm。镜框组件2与镜体压板3均为刚度较高的不锈钢材料，主要尺寸公差优于±0.05mm，与反射镜元件1接触面平面度公差优于±0.005mm。导向垫块4为聚四氟乙烯材料，可减小摩擦力对预紧力控制精度的影响，与元件接触面平面度公差优于±0.005mm。挠性元件5为硬钢丝材质的矩形螺旋压缩弹簧，劲度系数为180N/mm，最大压缩量为2mm。此外，本实施案例中螺钉及全部螺纹孔，均为细牙精制，螺距误差应小于0.02mm。

在达到ISO14644-1规定的5级空气洁净标准的光学精密装配环境中，如图3和图4所示，具体执行如下步骤：

步骤1：基于弹性力学相关理论和有限元方法，在ANSYS软件中建立所述激光传输反射镜元件的力学模型，并求解出在给定外部激励(振动和热冲击)下保持结构稳定的初始预紧力参数，包括周向预紧力和正面压紧力；

步骤2：将反射镜元件1水平放置在Φ600mm近红外大口径波长移相干涉仪上，获取裸镜表面制造面形数据(如图5所示)，并判断是否满足工艺要求。若满足，则继续执行如下装配预紧操作；若不满足，须更换元件再次执行此操作步骤；

步骤3：采用大口径真空吸盘吸附反射镜元件1正面边缘区域，精确装入镜框组件2方框内；

步骤4：在镜框组件2侧面的阶梯孔中，依次安装入导向垫块4、挠性元件5与平端细牙螺钉6，按图3所示加载顺序将平端细牙螺钉6旋至台阶面处限位，实现对反射镜元件1的周向预紧；

步骤5：用螺钉穿过镜体压板3外圈通孔将其固定在镜框组件2上，后用胶头螺钉7拧入镜体压板内圈螺纹孔，实现对反射镜元件1的正面紧固；

步骤6：根据步骤1中得到的预紧力参数，通过精确控制平端细牙螺钉6回旋转角的角度，调控周向预紧力至指定参数；

步骤7：将预紧完成后的反射镜组件水平放置在Φ600mm近红外大口径波长移相干涉仪上，获取预紧状态下元件表面面形数据(如图6所示)，并判断是否满足工艺要求。若满足，则装配完成；若不满足，则继续执行如下操作；

步骤8：将当前预紧状态下反射镜元件1的面形数据与预紧力参数输入计算机中，进一步仿真优化得到预紧力调整参数，根据优化后的预紧力参数调控预紧力数值；

步骤9：重复执行步骤7和步骤8的操作，直至反射镜元件1的面形数据满足工艺要求。

经现场案例实施及精密测量，如图4和图5所示，大口径反射镜元件裸镜面形P-V值为92nm，装校后面形P-V值为276nm，满足高功率固体激光装置中对反射镜组件的性能要求。与当前采用的大口径激光传输反射镜夹持装置相比，本发明的实际加载预紧力精度高，误差小于5％；装配效率显著提高，相较传统方式可减少70％的工作时间。

Claims (7)

1.一种大口径激光传输反射镜的精密夹持装置，其特征在于，包括：

镜框组件(2)，为矩形框体，用于安装和夹持反射镜元件(1)；

镜体压板(3)，为回形结构，设置在镜框组件(2)的框体上方，实现反射镜元件(1)的正面紧固；

挠性元件(5)，为矩形螺旋压缩弹簧，安装在镜框组件(2)侧面的与反射镜元件(1)侧面对应的周向阶梯孔内，一端通过导向垫块(4)与反射镜元件(1)接触，另一端与平端细牙螺钉(6)接触，实现反射镜元件(1)的周向预紧。

2.根据权利要求1所述大口径激光传输反射镜的精密夹持装置，其特征在于，所述镜框组件(2)在其四个侧面共开有48个阶梯孔，阶梯孔的大孔为螺纹孔，小孔为通孔，导向垫块(4)与挠性元件(5)依次装入通孔后，将平端细牙螺钉(6)拧入螺纹孔，实现反射镜元件(1)周向的预紧。

3.根据权利要求2所述大口径激光传输反射镜的精密夹持装置，其特征在于，每个侧面上的阶梯孔呈三角形阵列分布。

4.根据权利要求1所述大口径激光传输反射镜的精密夹持装置，其特征在于，所述镜框组件(2)的正端面上共开有28个螺纹孔，用于安装镜体压板(3)以固定反射镜元件(1)。

5.根据权利要求4所述大口径激光传输反射镜的精密夹持装置，其特征在于，所述镜体压板(3)共开有28个通孔和24个螺纹孔，螺钉穿过通孔将镜体压板(3)固定在镜框组件(2)上，胶头螺钉(7)拧入螺纹孔实现对反射镜元件(1)的正面紧固。

6.基于权利要求1所述大口径激光传输反射镜的精密夹持装置的大口径激光传输反射镜预紧方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：基于弹性力学相关理论建立激光传输反射镜的力学模型，计算出保持结构稳定的初始预紧力参数；

步骤2：将反射镜元件(1)水平放置在大口径激光干涉仪上，获取裸镜表面制造面形数据，并判断是否满足工艺要求；若满足，则继续执行如下装配预紧操作；若不满足，须更换元件再次执行此操作步骤；

步骤3：采用大口径真空吸盘吸附反射镜元件(1)正面边缘区域，精确装入镜框组件(2)方框内；

步骤4：在镜框组件(2)侧面的阶梯孔中，依次安装入导向垫块(4)、挠性元件(5)与平端细牙螺钉(6)，按加载顺序将平端细牙螺钉(6)旋至台阶面处限位，实现对反射镜元件(1)的周向预紧；

步骤5：用螺钉穿过镜体压板(3)外圈通孔将其固定在镜框组件(2)上，后用胶头螺钉(7)拧入镜体压板(3)内圈螺纹孔，实现对反射镜元件(1)的正面紧固；

步骤6：根据步骤1中得到的预紧力参数，通过精确控制平端细牙螺钉(6)回旋转角的角度，调控周向预紧力至指定参数；

步骤7：将预紧完成后的反射镜组件水平放置在大口径激光干涉仪上，获取预紧状态下元件表面面形数据，并判断是否满足工艺要求；若满足，则装配完成；若不满足，则继续执行如下操作；

步骤8：将当前预紧状态下反射镜元件(1)的面形数据与预紧力参数输入计算机中，进一步仿真优化得到预紧力调整参数，根据优化后的预紧力参数调控预紧力数值；

步骤9：重复执行步骤7和步骤8的操作，直至反射镜元件(1)的面形数据满足工艺要求。

7.根据权利要求6所述大口径激光传输反射镜预紧方法，其特征在于，所述步骤2-9在达到ISO14644-1规定的5级空气洁净标准的光学精密装配环境中执行。