CN113997069A - 光学元件悬浮装配系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学元件悬浮装配系统，支撑平台上安装有框体定位组件和元件定位组件，其中，所述框体定位组件用于定位安装元件框，所述元件定位组件包括沿框体定位组件周向分布的支撑机构，各个所述支撑机构均包括支撑块以及驱动支撑块以沿水平方向移动的水平驱动机构，各个所述支撑块用于定位支撑光学元件，所述支撑块在支撑平台的高度方向均位于框体定位组件的上方，气浮板通过升降机构可上下移动地安装在支撑平台的高度方向上，所述气浮板能够以非接触的方式将光学元件从元件定位组件位置转移至框体定位组件位置。本发明的有益效果是：采用非接触装配方式，能够彻底避免元件崩边崩角、易被污染以及重力导致元件应力形变等风险。

Description

光学元件悬浮装配系统

技术领域

本发明属于零部件装配技术领域，具体涉及一种光学元件悬浮装配系统。

背景技术

在光学和精密机械装配、调试领域，通常对被装配元件应力和表面洁净度有较高的要求，在装配过程中，元件的有效表面通常不可触碰，装配产生的应力要尽可能小。

以激光装置为例，大量的光学元件需要在离线状态下进行低应力装配，由于部分光学元件口径大，质量重，单块价值高，元件的夹持框采用的是全外包围式设计，元件四周与框内壁的间隙只有1mm，所以采用普通的夹持工装难以实现元件无损洁净入框，且部分元件的表面涂有特殊膜层，非常脆弱，一旦通光口径内有触碰或污染，就会造成不可逆的后果，影响激光输出能力。

传统方法是采用元件竖直入框、水平夹持的方式进行装配，不仅需要多人默契配合才能完成，而且还存在元件崩边崩角、易被污染以及重力导致元件应力形变等风险。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种光学元件悬浮装配系统，以解决光学元件采用传统安装方法所存在的技术问题。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种光学元件悬浮装配系统，其关键在于，包括：

支撑平台，所述支撑平台上安装有框体定位组件和元件定位组件，其中，所述框体定位组件用于定位安装元件框，所述元件定位组件包括沿框体定位组件周向分布的支撑机构，各个所述支撑机构均包括支撑块以及驱动支撑块以沿水平方向移动的水平驱动机构，各个所述支撑块用于定位支撑光学元件，所述支撑块在支撑平台的高度方向均位于框体定位组件的上方；以及

气浮板，所述气浮板通过升降机构可上下移动地安装在支撑平台的高度方向上，所述气浮板能够以非接触的方式将光学元件从元件定位组件位置转移至框体定位组件位置。

采用上述结构，提供了一种全新的光学元件安装方式，即：先将光学元件定位支撑在元件定位组件的支撑块上，以及将元件框安装在框体定位组件上，然后气浮板向上移动以非接触的方式将光学元件托起，然后水平驱动机构带动支撑块水平移开，最后气浮板向下移动即可将光学元件装配至元件框内。采用非接触装配，由于光学元件受气体反作用力使元件处于悬浮状态，可有效抑制装配过程中重力导致的应力形变。

作为优选：所述气浮板的上表面分布有气孔，各个所述气孔的内端均连接有压缩空气管路，压缩空气管路上设有空气过滤器。采用上述结构，可对空气进行有效过滤，空气洁净度达到百级，保证被悬浮的元件表面不被污染。

作为优选：所述升降机构包括安装在支撑平台下侧的升降丝杆模组，以及由升降丝杆模组驱动滑动的Y轴支架，所述Y轴支架的上端自下而上的设置有调节板和托板，所述调节板上螺纹装配有若干数量的气浮板调节螺栓，气浮板调节螺栓的一端抵接在托板下侧，所述气浮板安装在托板上侧。采用上述结构，升降丝杆模组工作即可驱动气浮板上下移动；气浮板调节螺栓可以改变气浮板的平面角度，从而有助于安装前的准系统直。

作为优选：所述水平驱动机构包括安装在支撑平台上侧的水平丝杆模组以及由水平丝杆模组驱动移动的座体组件，所述座体组件上安装有气缸，所述支撑块装配在气缸伸缩杆的远端，所述座体组件在对应支撑块的位置设有挡板，所述挡板上设有供支撑块通过的避让孔。采用上述结构，可以形成两级水平运动，在光学元件下放至元件框的过程中，仅有支撑块退回，此时，挡板起元件限位作用，保证元件悬浮后在水平方向不发生移动，从而保证装配精度；取装元件框过程中，则要求支撑块和挡板均退回至避让位置。

作为优选：所述座体组件包括底板和安装在底板上侧的垫块，垫块的两侧设有台阶，台阶上安装有锁附螺栓和调节螺钉，其中，锁附螺栓拧入底板内部，调节螺钉下端抵接在底板的上表面。采用上述结构，调节螺钉可以改变支撑块的支撑高度，以实现光学元件平面角度的调节，从而有助于安装前的准系统直。

作为优选：所述支撑机构的数量为三组，所述支撑块的上端具有支撑弧面。

作为优选：至少一组所述挡板的截面为L型。

作为优选：所述支撑平台通过支架安装有自准直仪和反射镜，所述反射镜位于气浮板上方，自准直仪位于反射镜上方。采用上述结构，在装配光学元件之前，可以采用光学准直的方式，在气浮板与光学元件对接和脱离的位置对平面角度进行分别标定，实现在两个关键位置气浮板平面分别与元件框平面平行和待装光学元件平面平行，从而保证装配精度。

作为优选：所述支撑平台对应气浮板的位置设有矩形孔。

作为优选：所述框体定位组件包括沿矩形孔周向阵列分布的定位座，定位座上具有朝向矩形孔设置的定位阶梯。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、悬浮装配系统提供了一种全新的光学元件装配方式，能够彻底避免元件崩边崩角、易被污染以及重力导致元件应力形变等风险。

2、装配之前可以采用光学准直的方式，来保证气浮板平面分别与元件框平面和待装光学元件平面平行，从而规避升降机构直线度偏差带来的装配偏差，有助于提升光学元件的安装精度。

3、悬浮装配系统采用装配的逆过程即可实现光学元件拆卸出框。

4、悬浮装配系统同样也适用于机械器件的装配与拆卸，应用前景广阔。

附图说明

图1为悬浮装配系统的结构示意图；

图2为反映气浮板与升降机构装配关系的结构示意图；

图3为框体定位组件和元件定位组件在支撑平台上的结构示意图；

图4为其中一组元件定位组件的局部结构示意图；

图5为本发明的使用状态参考图；

图6为气浮板工作原理图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

如图1和5所示，一种悬浮装配系统，系统箱体的上侧形成有支撑平台1，支撑平台1上安装有框体定位组件2和元件定位组件3。由图3可以看出，支撑平台1中部设有矩形孔1b，框体定位组件2包括沿矩形孔1b周向阵列分布的定位座2a，定位座2a上具有朝向矩形孔1b设置的定位阶梯2b，各个定位阶梯2b用于定位安装元件框A；由图3同样也可以看出，元件定位组件3包括三组沿框体定位组件2周向分布的支撑机构，支撑机构均包括支撑块3a和水平驱动机构3b，水平驱动机构3b能够驱动支撑块3a以沿水平方向移动，支撑块3a在支撑平台1的高度方向均位于框体定位组件2的上方，各个支撑块3a用于定位支撑光学元件B。

再如图1和2所示，支撑平台1在对应矩形孔1b的位置设有气浮板8，气浮板8的下侧连接有升降机构4，升降机构4能够带动气浮板8上下移动，在本实施例中，请参图6，气浮板8上分布有若干数量的小型气孔8a，各个气孔8a的内端均连接有压缩空气管路，向管路内通入压缩空气，气流从气孔8a向上喷出即可使光学元件B悬浮。为了能对空气进行有效过滤，从而保证被悬浮的元件表面不被污染，在压缩空气管路上设有空气过滤器5。气浮板8上的气孔8a为小型孔或微纳结构，其平面度优于10μm，可保证气膜稳定均匀，对光学元件B的冲击小。

请参图5所示，将光学元件B装配至元件框A的工作顺序为：

1、将元件框A安装在框体定位组件2上；

2、光学元件B定位支撑在三个支撑块3a上；

3、气浮板8通气，且升降机构4带动气浮板8上升，气浮板8对光学元件B进行非接触顶升，使光学元件B向上脱离支撑块3a；

4、水平驱动机构3b驱动支撑块3a以沿水平方向向外移开；

5、升降机构4带动气浮板8下降，直至光学元件B下表面与框体定位组件2底面接触，然后气浮板8与光学元件B脱离，从而完成元件装配。

如图4所示，水平驱动机构3b包括安装在支撑平台1上侧的水平丝杆模组31以及由水平丝杆模组31驱动移动的座体组件32，座体组件32上安装有气缸33，支撑块3a装配在气缸33伸缩杆33a的远端，座体组件32在对应支撑块3a的位置设有挡板34，挡板34上设有供支撑块3a通过的避让孔34a，基于该结构，水平驱动机构3b可以形成两级水平驱动，其一是：气缸33驱动支撑块3a移动，其二是：水平丝杆模组31驱动支撑块3a和挡板34整体移动，在光学元件B下放至元件框A的过程中，仅需要支撑块3a退回，此时，挡板34可起限位作用，确保光学元件B悬浮下降时不会在水平方向发生移动，从而保证装配精度。取装元件框A的过程中，则要求支撑块3a和挡板34均退回至避让位置。

如图4所示，为了保证三组支撑块3a对光学元件B定位支撑的稳定性，各个支撑块3a的上端均具有支撑弧面3a1，以减小与光学元件B的接触面积，实现元件精确定位，三点一面。

如图3所示，进一步的，由于水平驱动机构3b、挡板34和支撑块3a的数量均为三组，所以至少有一组挡板34的截面为L型，L型挡板34与光学元件B的直角位置相对应，从而保证三组挡板34能够将光学元件B的四个侧面均挡住。

如图2所示，升降机构4包括安装在支撑平台1下侧的升降丝杆模组4a以及由升降丝杆模组4a驱动滑动的Y轴支架4b，气浮板8安装在Y轴支架4b的顶端，升降丝杆模组4a工作即可驱动气浮板8上下移动。在本实施例中，升降丝杆模组4a和水平丝杆模组31均为现有成熟机构，其具体工作原理此处不再作进一步赘述。

由于升降机构4上下运动存在直线度的偏差，气浮板8随升降机构4运行至不同位置时，气浮板8的平面角度会有所不同，如果气浮板8在元件定位组件3位置和框体定位组件2位置的平面角度不同，则会导致光学元件B安装精度不够，为此，本实施例提供的悬浮装配系统还可以进行装配前的校正调节，以确保在两个关键位置气浮板8平面均与元件框A平面平行和光学元件B平面平行。

为了能够在装配前进行校正调节，可以进一步采用以下技术方案：

如图1所示，支撑平台1通过支架1a安装有自准直仪6和反射镜7，反射镜7位于气浮板8上方，自准直仪6位于反射镜7上方。如图2所示，Y轴支架4b的上端从下至上的设置有调节板4c和托板4d，调节板4c上螺纹装配有若干数量的气浮板调节螺栓4c1，气浮板调节螺栓4c1的上端抵接在托板4d下侧，气浮板8安装在托板4d上侧。如图4所示，座体组件32包括底板32a和安装在底板32a上侧的垫块32b，垫块32b下端的两侧设有台阶32b1，台阶32b1上安装有锁附螺栓a和调节螺钉b，锁附螺栓a拧入底板32a内部，调节螺钉b下端抵接在底板32a的上表面。

基于上述结构，悬浮装配系统的校正调节步骤为：

步骤一：元件定位组件3向外移开，升降机构4带动气浮板8下降，直至气浮板8低于框体定位组件2的定位座2a表面，再将元件框A放置在定位座2a上，并将标准镜放入元件框A内；

步骤二：用自准直仪6测出此时反射镜7与标准镜之间的夹角α；

步骤三：升降机构4带动气浮板8上升，直至气浮板8顶升起标准镜且刚好脱离元件框A底面，然后用自准直仪6测量出此时反射镜7与标准镜之间的夹角θ；

步骤四：调整气浮板8底部的气浮板调节螺栓4c1，使反射镜7与标准镜之间的夹角θ与α相等，此时气浮板8平面与元件框A平面平行；

步骤五：升降机构4继续带动气浮板8和标准镜上升，直至标准镜略高出三组支撑块3a顶端所在的平面，然后用自准直仪6测量出此时反射镜7与标准镜之间的夹角φ；

步骤六：水平丝杆模组31驱动支撑块3a和挡板34移动至靠近标准镜的位置，然后气缸33驱动支撑块3a伸出，升降机构4带动气浮板8下降，直至标准镜落在三组支撑块3a上，然后用自准直仪6测量出此时反射镜7与标准镜之间的夹角β；

步骤七：拧转锁附螺栓a和调节螺钉b来调节三组支撑块3a的高度，使反射镜7与标准镜之间的夹角β等于φ，此时三组支撑块3a所在平面与此位置的气浮板8平面平行。

通过上述校正调节，实现了气浮板8平面在第一位置与元件框A平面平行，在第二位置与三组支撑块3a所在平面平行，即：实现了在两个关键位置气浮板8平面分别与元件框A平面平行和待装光学元件平面平行，保证了气浮板8与光学元件B平行安全对接，光学元件B与气浮板8平行安全脱离，对接和脱离过程气浮板8不与光学元件B接触。

系统的装配校正工作主要是完成各个平面角度的调整，仅需要做一次，做完后靠机械重复定位精度保证，系统一次校正完成后，取走标准镜，将待装光学元件B安装在三组支撑块3a上即可实施正式装配，装配过程靠电气自动化完成，操作简单便捷。

用于校正的标准镜为两面平行的单面反射镜，反射镜7为两面平行的半透半反镜，如此设计，能够规避前后表面成像相互干扰的问题，实现对多个平面角度进行实时动态监测，保证精度。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学元件悬浮装配系统，其特征在于，包括：

支撑平台(1)，所述支撑平台(1)上安装有框体定位组件(2)和元件定位组件(3)，其中，所述框体定位组件(2)用于定位安装元件框(A)，所述元件定位组件(3)包括沿框体定位组件(2)周向分布的支撑机构，各个所述支撑机构均包括支撑块(3a)以及驱动支撑块(3a)以沿水平方向移动的水平驱动机构(3b)，各个所述支撑块(3a)用于定位支撑光学元件(B)，所述支撑块(3a)在支撑平台(1)的高度方向均位于框体定位组件(2)的上方；以及

气浮板(8)，所述气浮板(8)通过升降机构(4)可上下移动地安装在支撑平台(1)的高度方向上，所述气浮板(8)能够以非接触的方式将光学元件(B)从元件定位组件(3)位置转移至框体定位组件(2)位置。

2.根据权利要求1所述的光学元件悬浮装配系统，其特征在于：所述气浮板(8)的上表面分布有气孔(8a)，各个所述气孔(8a)的内端均连接有压缩空气管路，压缩空气管路上设有空气过滤器(5)。

3.根据权利要求1所述的光学元件悬浮装配系统，其特征在于：所述升降机构(4)包括安装在支撑平台(1)下侧的升降丝杆模组(4a)，以及由升降丝杆模组(4a)驱动滑动的Y轴支架(4b)，所述Y轴支架(4b)的上端自下而上的设置有调节板(4c)和托板(4d)，所述调节板(4c)上螺纹装配有若干数量的气浮板调节螺栓(4c1)，气浮板调节螺栓(4c1)的一端抵接在托板(4d)下侧，所述气浮板(8)安装在托板(4d)上侧。

4.根据权利要求1所述的光学元件悬浮装配系统，其特征在于：所述水平驱动机构(3b)包括安装在支撑平台(1)上侧的水平丝杆模组(31)以及由水平丝杆模组(31)驱动移动的座体组件(32)，所述座体组件(32)上安装有气缸(33)，所述支撑块(3a)装配在气缸(33)伸缩杆(33a)的远端，所述座体组件(32)在对应支撑块(3a)的位置设有挡板(34)，所述挡板(34)上设有供支撑块(3a)通过的避让孔(34a)。

5.根据权利要求4所述的光学元件悬浮装配系统，其特征在于：所述座体组件(32)包括底板(32a)和安装在底板(32a)上侧的垫块(32b)，垫块(32b)的两侧设有台阶(32b1)，台阶(32b1)上安装有锁附螺栓(a)和调节螺钉(b)，其中，锁附螺栓(a)拧入底板(32a)内部，调节螺钉(b)下端抵接在底板(32a)的上表面。

6.根据权利要求1所述的光学元件悬浮装配系统，其特征在于：所述支撑机构的数量为三组，所述支撑块(3a)的上端具有支撑弧面(3a1)。

7.根据权利要求4所述的光学元件悬浮装配系统，其特征在于：至少一组所述挡板(34)的截面为L型。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的光学元件悬浮装配系统，其特征在于：所述支撑平台(1)通过支架(1a)安装有自准直仪(6)和反射镜(7)，所述反射镜(7)位于气浮板(8)上方，自准直仪(6)位于反射镜(7)上方。

9.根据权利要求1所述的光学元件悬浮装配系统，其特征在于：所述支撑平台(1)对应气浮板(8)的位置设有矩形孔(1b)。

10.根据权利要求9所述的光学元件悬浮装配系统，其特征在于：所述框体定位组件(2)包括沿矩形孔(1b)周向阵列分布的定位座(2a)，定位座(2a)上具有朝向矩形孔(1b)设置的定位阶梯(2b)。

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