CN114911019B - 一种光学元件六自由度位姿精密调整装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密调整技术领域，提出了一种光学元件六自由度位姿精密调整装置及其方法，用于光学组件的精密调整和装配。该装置包括角度调整模块、直线位移调整模块、Z轴回转机构以及旋转工作台。角度调整模块实现待调整光学元件在X方向以及Y方向角度的精密调整，直线位移调整模块实现待调整光学元件在X、Y、Z方向位移的精密调整，Z轴回转机构实现待调整光学元件在Z方向角度的精密调整。角度调整模块、直线位移调整模块、Z轴回转机构共同构成了光学组件六自由度位姿精密调整机构。本发明结构简单，电气连接简单，易于与精密加工和装配设备集成，通过将直线位移滑台的直线运动转化为光学元件旋转运动，提高了光学元件角度调整的精度。

Description

一种光学元件六自由度位姿精密调整装置及其方法

技术领域

本发明涉及精密调整技术领域，具体涉及一种光学元件六自由度位姿精密调整装置及其方法。

背景技术

随着激光加工、激光测量技术的发展，各种光学设备的设计趋向于多功能化、高精度化、结构紧凑化，这必然要求其内部光学系统逐渐朝着高集成化、高精度化、微小化的方向发展，进而对光学系统中光学组件位姿的精密装调及集成装配提出了更高的要求。因此，设计高精度、高稳定性的六自由度精密调整机构是十分必要的。

申请号为202020002424.2的专利，公开了一种六自由度位移调整平台，从上到下依次串联设置X轴、Y轴、Z轴回转机构以及X轴、Y轴、Z轴平移机构，实现对待装调零件位置的调节。申请号为201510849320.9的专利，公开了一种串联式六自由度精密调整装置，同样采用串联式组合方式，在调整产品位置时，每个轴方向上可以单独移动调整。上述专利公开的六自由度调整装置均采用从上到下依次设置的串联式调整装置，其结构复杂，多个自由度的调节存在耦合关系，给光学元件的精密定位带来极大的不便。

申请号为201510187287.8的专利，公开了一种基于柔性片体的六自由度并联精密调整装置，采用了传统构型的Stewart平台，具有承载能力强、定位精度高等优点，但其存在体积较大、运动部件质量大、横向刚度较低等问题，并且难以与精密加工和装配设备集成。

发明内容

为了解决现有光学组件六自由度位姿调整机构存在的体积大、结构复杂、调整精度低等缺陷，本发明提供了一种光学元件六自由度位姿精密调整装置及其方法，具有结构简单、控制精度高等优点，主要用于光学系统中光学组件六自由度位姿的精密调整。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种光学元件六自由度位姿精密调整装置，包括角度调整模块1、直线位移调整模块2、Z轴回转机构3和旋转工作台4；

角度调整模块1包括底板5、三个水平Z轴滑台、线性导向轴支撑板7、直线位移调整模块安装板8、两个球面轴承安装板、三个具有两侧阶梯结构的线性导向轴、五个球面轴承、球面轴承d16；三个水平Z轴滑台于底板5上呈等边三角形分布；水平Z轴滑台上依次安装线性导向轴支撑板7、线性导向轴和球面轴承；另外两个水平Z轴滑台上依次安装球面轴承安装板、球面轴承、线性导向轴和另一球面轴承；直线位移调整模块安装板8与三个水平Z轴滑台上部的球面轴承固定连接；三个水平Z轴滑台的升降用于实现待调整的光学元件在X方向及Y方向的调整角度；

直线位移调整模块2包括直线位移调整模块安装板8、两个X轴精密位移滑台、Y轴精密位移滑台安装板22、Y轴精密位移滑台24和Z轴精密位移滑台25；两X轴精密位移滑台分别位于直线位移调整模块安装板8的两侧，二者相互平行，构成直线位移调整模块2的X方向调整机构；Y轴精密位移滑台安装板22两端分别垂直安装于两X轴精密位移滑台上，Y轴精密位移滑台24安装于Y轴精密位移滑台安装板22上；Z轴精密位移滑台25一端垂直安装在Y轴精密位移滑台24的安装面上；X方向调整机构、Y轴精密位移滑台24及Z轴精密位移滑台25共同构成XYZ三自由度的直线位移调整模块，用于实现待调整光学元件在X方向、Y方向以及Z方向的直线位移调整；

Z轴回转机构3包括Z轴回转机构安装板26、中空旋转台27、力传感器连接板28、三维力传感器29、压电旋转台安装板30、压电旋转台31和夹钳32；Z轴回转机构安装板26为L型板，其竖直面安装在Z轴精密位移滑台25的安装面上，穿过水平面倒装中空旋转台27；中空旋转台27、力传感器连接板28、三维力传感器29、压电旋转台安装板30、压电旋转台31与夹钳32依次安装；Z轴回转机构3实现待调整光学元件Z方向的角度调整；其中，中空旋转台27用于实现待调整光学元件Z方向快速、大角度的调整；压电旋转台31用于实现待调整光学元件Z方向微小角度的精密调整；三维力传感器29用于实现对待调整光学元件六自由度位姿精密调整过程中受到的作用力的实时检测；避免在调整过程中光学元件受到较大的作用力而导致损坏。

旋转工作台4包括高精度旋转台33和光路组件安装板34；高精度旋转台33安装在底板5上，二者中心重合；光路组件安装板34安装在高精度旋转台33的旋转面上，旋转工作台4实现对光路组件安装板34在Z方向进行大角度的精密调整。

所述球面轴承共5个，包括球面轴承a11、球面轴承b13、球面轴承c15、球面轴承d16和球面轴承e18，其中球面轴承a11和球面轴承b13位于水平Z轴滑台b9上，球面轴承d16和球面轴承e18位于水平Z轴滑台c20上，球面轴承c15位于水平Z轴滑台a6上；三个线性导向轴包括线性导向轴a12、线性导向轴b14和线性导向轴c17，线性导向轴a12位于球面轴承a11和球面轴承b13之间，线性导向轴c17位于球面轴承d16和球面轴承e18之间，线性导向轴b14与球面轴承c15相连；球面轴承a11与线性导向轴a12、球面轴承b13与线性导向轴a12、球面轴承c15与线性导向轴b14、球面轴承d16与线性导向轴c17、球面轴承e18与线性导向轴c17分别构成五个旋转支撑铰链；线性导向轴支撑板7与线性导向轴b14构成一个固定支撑铰链，在保证角度调整模块1稳定性的同时，用于实现待调整光学元件A在X、Y方向角度的精密调整。

一种光学元件六自由度位姿精密调整方法，具体包括步骤如下：

第一步：光学元件A的固定；

通过Z轴回转机构3上的夹钳32拾取并固定典型光学元件A，使得典型光学元件A随着光学元件六自由度位姿精密调整装置的动作而改变自身位姿；

第二步：光学元件A六自由度位姿的精密调整；

通过控制直线位移调整模块2中两X轴精密位移滑台同步运动，实现光学元件A在X方向上的直线位移调整；

通过控制直线位移调整模块2中Y轴精密位移滑台24的精密运动，实现光学元件A在Y方向上的直线位移调整；

通过控制直线位移调整模块2中Z轴精密位移滑台25的精密运动，实现光学元件A在Z方向上的直线位移调整；

在角度调整模块1中，调节三水平Z轴滑台的升降，实现光学元件A在X、Y方向角度的精密调整；

通过控制Z轴回转机构3中的中空旋转台27以及压电旋转台31的转动，实现光学元件A在Z方向角度的精密调整；

第三步：完成光学元件A六自由度位姿精密调整；

完成光学元件A六自由度位姿精密调整后，对光学元件A进行固定，完成调整操作；完成之后释放夹钳32，角度调整模块1、直线位移调整模块2以及Z轴回转机构3均回到初始位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明所述的光学元件六自由度位姿精密调整装置结构简单，电气连接简单，易于与精密加工和装配设备集成，在狭小空间内作业亦不易产生干涉。

(2)本发明采用直线位移滑台与旋转台结合的方式，在角度调整中，将直线位移滑台的直线运动转化为光学元件旋转运动，所需成本较低，并且提高了光学元件角度调整的精度。

(3)本发明集成了三维力传感器，为光学元件的姿态调整过程提供了力觉感知数据，对调整状态进行实时监测，大大增强了调整过程的安全性。

附图说明

图1为光学元件六自由度位姿精密调整装置整体结构示意图。

图2为角度调整模块结构示意图。

图3为角度调整模块主视图。

图4为直线位移调整模块结构示意图。

图5为Z轴回转机构结构示意图。

图6为旋转工作台结构示意图。

图7为典型光学元件A结构示意图。

图中：1角度调整模块；2直线位移调整模块；3Z轴回转机构；4旋转工作台；5底板；6水平Z轴滑台a；7线性导向轴支撑板；8直线位移调整模块安装板；9水平Z轴滑台b；10球面轴承安装板a；11球面轴承a；12线性导向轴a；13球面轴承b；14线性导向轴b；15球面轴承c；16球面轴承d；17线性导向轴c；18球面轴承e；19球面轴承安装板b；20水平Z轴滑台c；21X轴精密位移滑台a；22Y轴精密位移滑台安装板；23X轴精密位移滑台b；24Y轴精密位移滑台；25Z轴精密位移滑台；26Z轴回转机构安装板；27中空旋转台；28力传感器连接板；29三维力传感器；30压电旋转台安装板；31压电旋转台；32夹钳；33高精度旋转台；34光路组件安装板。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图1-7详细叙述本发明的具体实施例。

如图1所示的一种光学元件六自由度位姿精密调整装置，包括角度调整模块1、直线位移调整模块2、Z轴回转机构3以及旋转工作台4。直线位移调整模块2安装在角度调整模块1上；Z轴回转机构3安装在直线位移调整模块2上；角度调整模块1、直线位移调整模块2以及Z轴回转机构3共同构成了光学组件六自由度位姿精密调整机构，可实现对待调整光学元件X方向、Y方向、Z方向以及X方向转角、Y方向转角、Z方向转角共六个自由度的精密调整；旋转工作台4与角度调整模块1共同安装在一个安装板上。

如图2、3所示的角度调整模块1，包括底板5、水平Z轴滑台a 6、线性导向轴支撑板7、直线位移调整模块安装板8、水平Z轴滑台b 9、球面轴承安装板a 10、球面轴承a 11、线性导向轴a 12、球面轴承b 13、线性导向轴b 14、球面轴承c 15、球面轴承d 16、线性导向轴c17、球面轴承e 18、球面轴承安装板b 19、水平Z轴滑台c 20。

水平Z轴滑台a 6、水平Z轴滑台b 9以及水平Z轴滑台c 20安装在底板5上，并呈等边三角形分布，其中心与底板5中心重合；线性导向轴支撑板7安装在水平Z轴滑台a 6上；球面轴承安装板a 10安装在水平Z轴滑台b 9上；球面轴承安装板b 19安装在水平Z轴滑台c20上；球面轴承a 11安装在球面轴承安装板a 10上；球面轴承d 16安装在球面轴承安装板b19上；线性导向轴b 14具有两侧阶梯结构，下端安装在线性导向轴支撑板7上，上端与球面轴承c 15通过过盈配合联接；线性导向轴a 12具有两侧阶梯结构，下端与球面轴承a 11通过过盈配合联接，上端与球面轴承b 13通过过盈配合联接；线性导向轴c 17具有两侧阶梯结构，下端与球面轴承d 16通过过盈配合联接，上端与球面轴承e 18通过过盈配合联接；直线位移调整模块安装板8与球面轴承b 13、球面轴承c 15以及球面轴承e 18通过螺栓连接。角度调整模块1可通过控制水平Z轴滑台a 6、水平Z轴滑台b 9以及水平Z轴滑台c 20的升降实现待调整的光学元件在方向及方向的角度调整，并通过控制三台水平Z轴滑台升降的距离实现待调整的光学元件在方向及Y方向的调整角度大小。

如图4所示的直线位移调整模块2，包括直线位移调整模块安装板8、X轴精密位移滑台a 21、Y轴精密位移滑台安装板22、X轴精密位移滑台b 23、Y轴精密位移滑台24、Z轴精密位移滑台25。

X轴精密位移滑台a 21安装在直线位移调整模块安装板8的一侧；X轴精密位移滑台b 23安装在直线位移调整模块安装板8的另一侧，并于X轴精密位移滑台a 21互相平行，共同构成直线位移调整模块2的X方向调整机构；Y轴精密位移滑台安装板22一端安装在X轴精密位移滑台a 21的安装面上，另一端安装在X轴精密位移滑台b 23的安装面上，Y轴精密位移滑台安装板22与X轴精密位移滑台a 21以及X轴精密位移滑台b 23互相垂直；Y轴精密位移滑台24安装在Y轴精密位移滑台安装板22上，与X轴精密位移滑台a 21以及X轴精密位移滑台b 23互相垂直；Z轴精密位移滑台25底部安装在Y轴精密位移滑台24安装面上；X方向调整机构与Y轴精密位移滑台24及Z轴精密位移滑台25两两垂直，共同构成XYZ三自由度直线位移调整模块，用于实现待调整光学元件在X方向、Y方向以及Z方向的直线位移调整。

如图5所示的Z轴回转机构3，包括Z轴回转机构安装板26、中空旋转台27、力传感器连接板28、三维力传感器29、压电旋转台安装板30、压电旋转台31、夹钳32。

Z轴回转机构安装板26为L型板，竖直面安装在Z轴精密位移滑台25的安装面上，使得Z轴回转机构与直线位移调整模块构成一体；穿过Z轴回转机构安装板26的水平面倒装中空旋转台27；力传感器连接板28上端安装在中空旋转台27的安装面上，下端用来安装三维力传感器29；三维力传感器一端与力传感器连接板28相连，一端与压电旋转台安装板30连接；压电旋转台31倒装在压电旋转台安装板30的下端面；夹钳32安装在压电旋转台31的旋转面上。所述Z轴回转机构可实现待调整光学元件Z方向的角度调整。其中，中空旋转台27可实现待调整光学元件Z方向角度快速、大角度的调整；压电旋转台31可实现待调整光学元件Z方向微小角度的精密调整；三维力传感器29可实现对光学元件六自由度位姿精密调整过程中受到的作用力的实时检测，避免在调整过程中光学元件受到较大的作用力而导致损坏。

如图6所示旋转工作台4，包括底板5、高精度旋转台33、光路组件安装板34。

高精度旋转台33安装在底板5上，其中高精度旋转台33中心与底板5中心重合；光路组件安装板34安装在高精度旋转台33的旋转面上。旋转工作台4可实现对光路组件安装板34在Z方向角度进行大角度的精密调整。

以图7所示的典型光学元件A为例，本发明执行光学元件六自由度精密调整操作的基本流程如下：

第一步：光学元件A的固定

首先通过Z轴回转机构3上的夹钳32拾取并固定典型光学元件A，使得典型光学元件A能随着光学组件六自由度位姿精密调整装置的动作而改变自身位姿。

第二步：光学元件A六自由度位姿的精密调整

其中，通过控制直线位移调整模块2中X轴精密位移滑台a 21及X轴精密位移滑台b23的严格同步运动，可实现光学元件A在X方向上的直线位移调整。

其中，通过控制直线位移调整模块2中Y轴精密位移滑台24的精密运动，可实现光学元件A在Y方向上的直线位移调整。

其中，通过控制直线位移调整模块2中Z轴精密位移滑台25的精密运动，可实现光学元件A在Z方向上的直线位移调整。

其中，在角度调整模块1中，水平Z轴滑台a 6、水平Z轴滑台b 9以及水平Z轴滑台c20在底板5上呈等边三角形分布，球面轴承a 11与线性导向轴a 12、球面轴承b 13与线性导向轴a 12、球面轴承c 15与线性导向轴b 14、球面轴承d 16与线性导向轴c 17、球面轴承e18与线性导向轴c 17构成五个旋转支撑铰链；同时，线性导向轴支撑板7与线性导向轴b 14构成一个固定支撑铰链，在保证角度调整模块1稳定性的同时，可实现光学元件A在X、Y方向角度的精密调整。

例如，在角度调整模块1中，控制水平Z轴滑台b 9升高一段距离，控制水平Z轴滑台c 20下降同样一段距离，同时保持水平Z轴滑台a 6高度不变，可实现光学元件A在X方向角度顺时针调整一定的角度；控制水平Z轴滑台b 9下降一段距离，控制水平Z轴滑台c 20升高同样一段距离，同时保持水平Z轴滑台a 6高度不变，可实现光学元件A在X方向角度逆时针调整一定的角度。

同样的，在角度调整模块1中，控制水平Z轴滑台a 6升高一段距离，同时控制水平Z轴滑台b 9以及水平Z轴滑台c 20下降同样一段距离，可实现光学元件A在Y方向角度顺时针调整一定的角度；控制水平Z轴滑台a 6下降一段距离，同时控制水平Z轴滑台b 9以及水平Z轴滑台c 20升高同样一段距离，可实现光学元件A在Y方向角度逆时针调整一定的角度。

总的来说，光学元件A调整角度的大小与水平Z轴滑台升降的高度以及与旋转中心点的距离有关；光学元件A调整角度的分辨率及精度，与水平Z轴滑台本身的分辨率、精度以及距离旋转中心点的距离有关。

其中，通过控制Z轴回转机构3中的中空旋转台27以及压电旋转台31的转动，可实现光学元件A在Z方向角度的精密调整。其中，中空旋转台27精度较低，可实现360°旋转，因此，通过控制中空旋转台27的转动，可实现待调整光学元件A在Z方向角度快速、大角度的调整；压电旋转台31精度较高，转动范围较小，可实现待调整光学元件A在Z方向微小角度的精密调整。

同时，Z轴回转机构3中的三维力传感器29可实现对光学元件A在位姿精密调整过程中受到的作用力的实时检测，避免在调整过程中光学元件A受到较大的作用力而导致损坏。

第三步：完成光学元件A六自由度位姿精密调整

完成光学元件A六自由度位姿精密调整后，需要对光学元件A进行固定，完成调整操作。完成之后释放夹钳32，角度调整模块1、直线位移调整模块2以及Z轴回转机构3均回到初始位置。

当然，本发明并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (3)

1.一种光学元件六自由度位姿精密调整装置，其特征在于，该光学元件六自由度位姿精密调整装置包括角度调整模块（1）、直线位移调整模块（2）、Z轴回转机构（3）和旋转工作台（4）；

角度调整模块（1）包括底板（5）、三个水平Z轴滑台、线性导向轴支撑板（7）、直线位移调整模块安装板（8）、两个球面轴承安装板、三个具有两侧阶梯结构的线性导向轴、五个球面轴承；三个水平Z轴滑台于底板（5）上呈等边三角形分布；一水平Z轴滑台上依次安装线性导向轴支撑板（7）、线性导向轴和球面轴承；另外两个水平Z轴滑台上依次安装球面轴承安装板、一球面轴承、线性导向轴和另一球面轴承；直线位移调整模块安装板（8）与三个水平Z轴滑台上部的球面轴承固定连接；三个水平Z轴滑台的升降用于实现待调整光学元件A在X方向及Y方向的调整角度；

直线位移调整模块（2）包括直线位移调整模块安装板（8）、两个X轴精密位移滑台、Y轴精密位移滑台安装板（22）、Y轴精密位移滑台（24）和Z轴精密位移滑台（25）；两X轴精密位移滑台分别位于直线位移调整模块安装板（8）的两侧，二者相互平行，构成直线位移调整模块（2）的X方向调整机构；Y轴精密位移滑台安装板（22）两端分别垂直安装于两X轴精密位移滑台上，Y轴精密位移滑台（24）安装于Y轴精密位移滑台安装板（22）上；Z轴精密位移滑台（25）一端垂直安装在Y轴精密位移滑台（24）的安装面上；X方向调整机构、Y轴精密位移滑台（24）及Z轴精密位移滑台（25）共同构成XYZ三自由度的直线位移调整模块，用于实现待调整光学元件A在X方向、Y方向以及Z方向的直线位移调整；

Z轴回转机构（3）包括Z轴回转机构安装板（26）、中空旋转台（27）、力传感器连接板（28）、三维力传感器（29）、压电旋转台安装板（30）、压电旋转台（31）和夹钳（32）；Z轴回转机构安装板（26）为L型板，其竖直面安装在Z轴精密位移滑台（25）的安装面上，穿过水平面倒装中空旋转台（27）；中空旋转台（27）、力传感器连接板（28）、三维力传感器（29）、压电旋转台安装板（30）、压电旋转台（31）与夹钳（32）依次安装；Z轴回转机构（3）实现待调整光学元件A在Z方向的角度调整；其中，中空旋转台（27）用于实现待调整光学元件A在Z方向进行调整；压电旋转台（31）用于实现待调整光学元件A在Z方向微小角度的调整；三维力传感器（29）用于实现对待调整光学元件A六自由度位姿精密调整过程中受到的作用力的实时检测；

旋转工作台（4）包括高精度旋转台（33）和光路组件安装板（34）；高精度旋转台（33）安装在底板（5）上，二者中心重合；光路组件安装板（34）安装在高精度旋转台（33）的旋转面上，旋转工作台（4）实现对光路组件安装板（34）在Z方向进行调整。

2.根据权利要求1所述的一种光学元件六自由度位姿精密调整装置，其特征在于，所述球面轴承共5个，包括球面轴承a（11）、球面轴承b（13）、球面轴承c（15）、球面轴承d（16）和球面轴承e（18），其中球面轴承a（11）和球面轴承b（13）位于水平Z轴滑台b（9）上，球面轴承d（16）和球面轴承e（18）位于水平Z轴滑台c（20）上，球面轴承c（15）位于水平Z轴滑台a（6）上；三个线性导向轴包括线性导向轴a（12）、线性导向轴b（14）和线性导向轴c（17），线性导向轴a（12）位于球面轴承a（11）和球面轴承b（13）之间，线性导向轴c（17）位于球面轴承d（16）和球面轴承e（18）之间，线性导向轴b（14）与球面轴承c（15）相连；球面轴承a（11）与线性导向轴a（12）、球面轴承b（13）与线性导向轴a（12）、球面轴承c（15）与线性导向轴b（14）、球面轴承d（16）与线性导向轴c（17）、球面轴承e（18）与线性导向轴c（17）分别构成五个旋转支撑铰链；线性导向轴支撑板（7）与线性导向轴b（14）构成一个固定支撑铰链，在保证角度调整模块（1）稳定性的同时，用于实现待调整光学元件A在X、Y方向角度的调整。

3.一种光学元件六自由度位姿精密调整方法，其特征在于，具体包括步骤如下：

第一步、待调整光学元件A的固定；

通过Z轴回转机构（3）上的夹钳（32）拾取并固定待调整光学元件A，使得待调整光学元件A随着光学元件六自由度位姿精密调整装置的动作而改变自身位姿；

第二步、待调整光学元件A六自由度位姿的精密调整；

通过控制直线位移调整模块（2）中两X轴精密位移滑台同步运动，实现待调整光学元件A在X方向上的直线位移调整；

通过控制直线位移调整模块（2）中Y轴精密位移滑台（24）的精密运动，实现待调整光学元件A在Y方向上的直线位移调整；

通过控制直线位移调整模块（2）中Z轴精密位移滑台（25）的精密运动，实现待调整光学元件A在Z方向上的直线位移调整；

在角度调整模块1中，调节三水平Z轴滑台的升降，实现待调整光学元件A在X、Y方向角度的精密调整；

通过控制Z轴回转机构（3）中的中空旋转台（27）以及压电旋转台（31）的转动，实现待调整光学元件A在Z方向进行调整；

第三步：完成待调整光学元件A六自由度位姿精密调整；

完成待调整光学元件A六自由度位姿精密调整后，对待调整光学元件A进行固定，完成调整操作；完成之后释放夹钳（32），角度调整模块（1）、直线位移调整模块（2）以及Z轴回转机构（3）均回到初始位置。

Images