CN115326804A - 一种熔石英元件表面损伤发起与损伤增长自动评价装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种熔石英元件表面损伤发起与损伤增长自动评价装置和方法，涉及光学元件技术领域，为解决现有技术在激光损伤阈值以及损伤增长测试过程中，需要频繁地装夹和拆卸熔石英元件对损伤进行检测，不但检测效率低，且重复安装元件的将导致误差的问题。该装置包括：X轴运动模组、Y轴运动模组、光学元件夹具组、相机及光源组和基座；X轴运动模组安装在基座上，Y轴运动模组垂直安装于X轴运动模组上，光学元件夹具组安装于Y轴运动模组上，相机及光源组的相机和背光源安装于X轴运动模组的相对两侧，相机、环形光源与背光源位于同一轴线上。本发明可实现熔石英元件表面损伤发起与损伤增长评价全流程自动化，具有较高的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件技术领域，具体而言，涉及一种熔石英元件表面损伤发起与损伤增长自动评价装置与方法。
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、用之不竭、无污染的优点，成为人类最理想的未来能源。激光惯性约束核聚变装置作为实现核聚变能的重要手段之一，其内部使用了大量的熔石英光学元件。然而，熔石英元件作为典型的硬脆材料，其不仅制造困难，而且在超精密加工过程中熔石英元件表面易引入杂质、以及产生微裂纹等加工缺陷，从而在激光打靶过程中诱导产生烧蚀等形式的表面损伤。而惯性约束激光核聚变装置的稳定运行对光路中熔石英元件的损伤阈值提出了较高要求，因此需要研究熔石英元件表面激光诱导损伤以及后续激光辐照下的损伤增长行为，为熔石英元件在强激光辐照下的安全运行提供技术支撑。在激光损伤阈值以及损伤增长测试过程中，需要监测损伤的发起以及每发次脉冲作用后的损伤尺寸增长，现有的装置需要实验人员频繁地装夹和拆卸熔石英元件，在高倍显微镜下对损伤进行检测，因而存在重复安装元件的误差，并由此导致实现效率低下和检测精度较低，无法准确的将损伤点的产生、增长情况与激光参数相互对应。
亟需针对上述熔石英元件表面损伤发起与损伤增长评价需求，设计一种熔石英元件表面损伤发起与损伤增长自动评价装置与方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：
现有技术在激光损伤阈值以及损伤增长测试过程中，需要实验人员频繁地装夹和拆卸熔石英元件，在高倍显微镜下对损伤进行检测，不但检测效率低，且重复安装元件的将导致误差，使检测精度降低，无法得到准确的损伤发起、损伤增长与激光参数的对应关系。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案：
本发明提供了一种熔石英元件表面损伤发起与损伤增长自动评价装置，所述装置设置于激光器的前端，与激光器配合使用，它包括：X轴运动模组、Y轴运动模组、光学元件夹具组、相机及光源组和基座；
所述X轴运动模组安装在基座上表面，所述X轴运动模组包括：X轴直线电机、X轴运动拖板拖链和X/Y轴转接板，所述X轴直线电机驱动X轴运动拖链和X/Y轴转接板沿X轴方向运动，X轴方向为一个水平方向；
所述Y轴运动模组垂直安装于X/Y轴转接板上，通过X轴运动模组的驱动可实现Y轴运动模组沿X方向的直线运动，所述Y轴运动模组包括：Y轴直线电机和Y轴承载平台，所述Y轴直线电机驱动Y轴承载平台沿Y轴方向运动，Y轴方向为竖直方向；
所述光学元件夹具组安装于Y轴承载平台上，通过Y轴运动模组的驱动可实现光学元件夹具组沿Y方向的直线运动，所述光学元件夹具组与所述X轴和Y轴方向所在平面平行；
所述光学元件夹具组包括光学元件固定座、光学元件保护板以及光学元件夹具移动盖板，所述光学元件固定座设有L型凸台，所述L型凸台形成的空间用于放置光学元件，所述光学元件固定座开设有激光照射口，所述激光照射口尺寸小于光学元件尺寸；所述光学元件夹具移动盖板与所述光学元件固定座的L型凸台相适应，所述光学元件夹具移动盖板与所述光学元件固定座通过多个可调节弹性件连接；所述光学元件保护板包括光学元件保护板一和光学元件保护板二，所述光学元件保护板一设置于光学元件固定座及其L型凸台靠近光学元件的一侧，所述光学元件保护板二设置于光学元件夹具移动盖板的边缘处，且所述光学元件保护板二设有凸台，所述凸台可随所述光学元件夹具移动盖板的带动对光学元件进行固定；所述光学元件保护板为柔性板；
所述相机及光源组包括相机、环形光源、同轴光源和背光源，所述环形光源安装于相机镜头处并环设于镜头外壁，所述同轴光源安装于相机镜头下方，所述相机与背光源均安装于基座上表面并位于X轴运动模组的相对两侧，且所述相机、环形光源与背光源位于同一轴线上；
所述装置还包括控制系统，所述控制系统包括X轴运动模块、Y轴运动模块、相机及光源模块、图像处理模块和激光器控制模块；
所述X轴运动模块用于控制X轴直线电机的启停、驱动方向和驱动速度；所述Y轴运动模块用于控制Y轴直线电机的启停，驱动方向和驱动速度；所述相机及光源模块用于控制相机的启停、图像采集、图像保存及参数设置，及各光源的启停和参数设置；图像处理模块用于对相机采集图像的优化处理；所述激光器控制模块用于控制激光器的启停、参数设置及控制激光的发射。
进一步地，所述可调节弹性件的设置数量为3个，分别设置于光学元件夹具移动盖板的两端部和中部。
进一步地，所述可调节弹性件包括弹簧和螺纹件，所述弹簧设于所述光学元件固定座和光学元件夹具移动盖板之间，所述螺纹件包括杆件和限位帽，所述杆件的一端与限位帽连接，所述杆件的另一端设有螺纹，所述光学元件固定座设有与杆件螺纹相适应的螺纹孔，所述光学元件夹具移动盖板设有与所述杆件相适应的通孔，所述螺纹件从光学元件夹具移动盖板外侧依次穿过所述通孔和弹簧与所述螺孔纹连接，通过旋转螺纹件可调节光学元件夹具移动盖板向光学元件固定座方向移动，或者调节光学元件夹具移动盖板向远离光学元件固定座方向移动，也可通过旋转各螺纹件至不同的位置对光学元件的角度进行调节。
进一步地，所述光学元件保护板由聚四氟乙烯制成。
进一步地，所述装置的X轴运动模组和Y轴运动模组装配前需根据需求计算各部件所需的性能参数，以选择合适的部件，针对电机需要计算电机转矩，计算方法为：
式中，T——负载匀速运动所需的转矩(N·m)；
F——载荷(N)；
v——负载速度(m/s)；
n——电机转速(r/min)。
电机最大启动转矩的计算方法为：
TMax＝Ta+TK+Tt (2)
式中，TMax——负载达到指定速度所需的转矩(N·m)；
Ta——电机启动所需的加速力矩(N·m)；
TK——运动模组的最大启动扭矩(N·m)；
Tt——电机克服切向力的转矩(N·m)；
Jm——负载的等效转动惯量(kg·m2)；
m——负载的质量(kg)；
Jz——电机转子的转动惯量(kg·m2)；
n——电机转速(r/min)；
t——电机到达给定速度所需的时间(s)；
Ft——启动时所需克服的切向力(N)；
s——滚珠丝杠导程(m)。
进一步地，所述X轴运动模组和Y轴运动模组还包括线性滑轨和滚珠丝杠，其中线性滑轨额定寿命的计算方法为：
式中，L1——线性滑轨的额定寿命(km)；
ft——接触系数(根据滑座的形式以及滑座的数量，取接触系数为1.0)；
fw——负荷系数(根据负荷状况和速度，取负荷系数为1.5)；
C——基本动额定负荷(N)；
Pn——工作负荷(N)；
滚珠丝杠额定寿命的计算方法为：
L2——滚珠丝杠及轴承的额定寿命(旋转数)；
fw——负荷系数(根据负荷状况和速度，取负荷系数为1.5)；
Ca——基本动额定负荷(N)；
Pa，n——轴向工作负荷(N)。
进一步地，一种熔石英元件表面损伤发起与损伤增长自动评价方法，它包括如下步骤：
将所述熔石英元件表面损伤发起与损伤增长自动评价装置安装于激光器的前端，使X轴方向与激光器激光光路方向垂直，调节X轴运动模组和Y轴运动模组使光学元件与激光器激光位于同一轴线上；
S1、将装置初始化；
S11、二维运动平台初始化设置，通过X、Y轴运动模组调节光学元件夹具组位置，使光学元件位于激光光路上；
S12、相机初始化设置，启动相机，进行相机参数初始化设置；
S13、光源初始化设置，启动背光源、环形光源和同轴光源；
S14、激光器参数初始化，启动激光器，进行激光器参数初始化设置；
S2、损伤发起检测；
S21、元件损伤发起：调节激光参数，使激光能量密度从较小值开始逐步增大，至激光能量密度达到光学元件损伤阈值；
S22、元件损伤检测：通过相机采集每次激光照射后熔石英元件表面损伤图像，并对图像进行优化处理，以得到准确的损伤尺寸和位置；
S23、激光参数记录：记录熔石英元件表面出现损伤时的激光参数；
S3、损伤增长检测；
S31、元件损伤增长检测：采用S23中记录的损伤发起时激光参数，继续照射熔石英元件；
S32、损伤增长记录：通过相机采集每次激光照射后熔石英元件表面损伤尺寸；将采集到的图像进行优化处理，以得到准确的损伤尺寸和位置；
S33、绘制损伤增长曲线：统计损伤尺寸及对应的相关激光参数，绘制损伤增长与激光参数的曲线。
进一步地，所述的图像进行优化处理包括降噪处理、二值化处理、边缘提取、形态学运算和外接圆运算。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：
一、本发明一种熔石英元件表面损伤发起与损伤增长自动评价装置与方法，可实现熔石英元件表面损伤发起与损伤增长评价全流程自动化，实现了熔石英元件激光损伤发起及增长自动评价，检测系统通过图像的优化处理可以有效获取损伤尺寸和位置信息，有效提高了工作效率减少误差，可以获得光学元件激光诱导损伤阈值与元件损伤增长与激光各参数之间的准确对应关系，绘制损伤增长曲线；
二、本发明装置具有较好的光学元件尺寸、形状兼容性，不受光学元件本身尺寸、形状约束，光学元件均可通过光学元件保护板进行固定；
三、光学元件夹具安装便捷性，本装置采用独特的夹紧结构，使得装卸操作可以不借助其他任何工具，在旋松螺纹件后轻松取出光学元件，在损伤检测过程中可通过可调节弹性件调节光学元件角度使得激光辐照效果更好及相机采集角度更佳。光学元件夹具组在光学元件移动盖板与光学元件固定座之间设置保护板，对光学元件有保护作用。
附图说明
图1为本发明实施例中熔石英元件表面损伤发起与损伤增长自动评价装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中光学元件夹具组的结构示意图；
图3为本发明实施例中熔石英元件表面损伤发起与损伤增长自动评价方法的流程图；
图4为本发明实施例中的熔石英元件损伤及处理图像。
附图标记说明：
1-背光源，2-X轴直线电机，3-激光，4-光学元件夹具组，5-光学元件夹具组，6-X轴运动模组，7-Y轴运动模组，8-Y轴直线电机，9-环形光源，10-同轴光源，11-相机，12-相机支撑板，4-1-弹簧，4-2-螺纹件，4-3-光学元件，4-4-光学元件固定座，4-5-光学元件保护板二，4-6-光学元件保护板一，4-7-螺钉，4-8-光学元件夹具移动盖板。
具体实施方式
在本发明的描述中，应当说明的是，各实施例中的术语名词例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示方位的词语，只是为了简化描述基于说明书附图的位置关系，并不代表所指的元件和装置等必须按照说明书中特定的方位和限定的操作及方法、构造进行操作，该类方位名词不构成对本发明的限制。
在本发明的描述中，应当说明的是，在本发明的实施例中所提到的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，并不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
具体实施方案一：结合图1和图2所示，本发明提供一种熔石英元件表面损伤发起与损伤增长自动评价装置，所述装置设置于激光器的前端，与激光器配合使用，它包括：X轴运动模组6、Y轴运动模组7、光学元件夹具组5、相机及光源组和基座；
所述X轴运动模组6安装在基座上表面，所述X轴运动模组6包括：X轴直线电机2、X轴运动拖板拖链和X/Y轴转接板，所述X轴直线电机2驱动X轴运动拖链和X/Y轴转接板沿X轴方向运动，X轴方向为一个水平方向；
所述Y轴运动模组7垂直安装于X/Y轴转接板上，通过X轴运动模组6的驱动可实现Y轴运动模组7沿X方向的直线运动，所述Y轴运动模组7包括：Y轴直线电机8和Y轴承载平台，所述Y轴直线电机8驱动Y轴承载平台沿Y轴方向运动，Y轴方向为竖直方向；
所述光学元件夹具组4安装于Y轴承载平台上，通过Y轴运动模组7的驱动可实现光学元件夹具组4沿Y方向的直线运动，所述光学元件夹具组4与所述X轴和Y轴方向所在平面平行；
所述光学元件夹具组5包括光学元件固定座4-4、光学元件保护板以及光学元件夹具移动盖板4-8，所述光学元件固定座4-4设有L型凸台，所述L型凸台形成的空间用于放置光学元件，所述光学元件固定座4-4开设有激光照射口，所述激光照射口尺寸小于光学元件尺寸；所述光学元件夹具移动盖板4-8与所述光学元件固定座4-4的L型凸台相适应，所述光学元件夹具移动盖板4-8与所述光学元件固定座4-4通过多个可调节弹性件连接；所述光学元件保护板包括光学元件保护板一4-6和光学元件保护板一4-5，所述光学元件保护板一4-6设置于光学元件固定座4-4及其L型凸台靠近光学元件的一侧，所述光学元件保护板一4-5设置于光学元件夹具移动盖板4-8的边缘处，且所述光学元件保护板一4-5设有凸台，所述凸台可随所述光学元件夹具移动盖板4-8的带动对光学元件进行固定；所述光学元件保护板为柔性板；
所述相机及光源组包括相机11、环形光源9、同轴光源10和背光源1，所述环形光源9安装于相机镜头处并环设于镜头外壁，所述同轴光源10安装于相机镜头下方，所述相机11与背光源1均安装于基座上表面并位于X轴运动模组6的相对两侧，且所述相机11、环形光源9与背光源1位于同一轴线上；
所述装置还包括控制系统，所述控制系统包括X轴运动模块、Y轴运动模块、相机及光源模块、图像处理模块和激光器控制模块；
所述X轴运动模块用于控制X轴直线电机2的启停、驱动方向和驱动速度；所述Y轴运动模块用于控制Y轴直线电机8的启停，驱动方向和驱动速度；所述相机及光源模块用于控制相机11的启停、图像采集、图像保存及参数设置，及各光源的启停和参数设置；图像处理模块用于对相机11采集图像的优化处理；所述激光器控制模块用于控制激光器的启停、参数设置及控制激光的发射。
具体实施方案二：所述可调节弹性件的设置数量为3个，分别设置于光学元件夹具移动盖板4-8的两端部和中部。本实施方案其他与具体实施方案一相同。
具体实施方案三：如图2所示，所述可调节弹性件包括弹簧4-1和螺纹件4-2，所述弹簧4-1设于所述光学元件固定座4-4和光学元件夹具移动盖板4-8之间，所述螺纹件4-2包括杆件和限位帽，所述杆件的一端与限位帽连接，所述杆件的另一端设有螺纹，所述光学元件固定座4-4设有与杆件螺纹相适应的螺纹孔，所述光学元件夹具移动盖板4-8设有与所述杆件相适应的通孔，所述螺纹件4-2从光学元件夹具移动盖板4-8外侧依次穿过所述通孔和弹簧4-1与所述螺孔纹连接，通过旋转螺纹件4-2可调节光学元件夹具移动盖板4-8向光学元件固定座4-4方向移动，或者调节光学元件夹具移动盖板4-8向远离光学元件固定座4-4方向移动，也可通过旋转各螺纹件4-2至不同的位置对光学元件的角度进行调节。本实施方案其他与具体实施方案二相同。
本实施方案光学元件夹具组5利用三点来进行定位和夹紧，需要保证光学元件4-3和激光3呈垂直照射，弹簧4-1和螺纹件4-2构成放松和夹紧装置，旋松螺纹件4-2时，弹簧4-1推动光学元件夹具移动盖板4-8与光学元件固定座4-4分离，便于轻松取出和更换熔石英光学元件4-3。旋紧螺纹件4-2时，光学元件夹具移动盖板4-8带动光学元件保护板一4-5靠近光学元件固定座4-4，通过光学元件保护板一4-5固定熔石英光学元件4-3。
具体实施方案四：所述光学元件保护板由聚四氟乙烯制成。本实施方案其他与具体实施方案一相同。
具体实施方案五：所述装置的X轴运动模组6和Y轴运动模组7装配前需根据需求计算各部件所需的性能参数，以选择合适的部件，需要对电机转矩进行计算，方法为：
式中，T——负载匀速运动所需的转矩(N·m)；
F——载荷(N)；
v——负载速度(m/s)；
n——电机转速(r/min)。
电机最大启动转矩的计算方法为：
TMax＝Ta+TK+Tt (2)
式中，TMax——负载达到指定速度所需的转矩(N·m)；
Ta——电机启动所需的加速力矩(N·m)；
TK——运动模组的最大启动扭矩(N·m)；
Tt——电机克服切向力的转矩(N·m)；
Jm——负载的等效转动惯量(kg·m2)；
m——负载的质量(kg)；
Jz——电机转子的转动惯量(kg·m2)；
n——电机转速(r/min)；
t——电机到达给定速度所需的时间(s)；
Ft——启动时所需克服的切向力(N)；
s——滚珠丝杠导程(m)。本实施方案其他与具体实施方案一相同。
在实际操作中要求的光学元件4-3最大移动速度为10mm/s，X轴、Y轴运动模组的导程为5mm，通过本实施方案计算得到T＝0.020N·m，根据设计要求，本实施方案选用电机转矩为1.98N·m，远大于匀速运动需求的电机转矩。
在实际操作中要求光学元件在0.5s内最大达到10mm/s的速度，装置承载的光学元件质量最大为2.5kg，通过本实施方案的方法求得负载达到指定速度最大启动转矩TMax＝0.17N·m。本实施方案所选用的电机转矩远大于负载时达到指定速度所需的最大启动转矩。
具体实施方案六：所述X轴运动模组6和Y轴运动模组7还包括线性滑轨和滚珠丝杠，其中线性滑轨额定寿命的计算方法为：
式中，L1——线性滑轨的额定寿命(km)；
ft——接触系数(根据滑座的形式以及滑座的数量，取接触系数为1.0)；
fw——负荷系数(根据负荷状况和速度，取负荷系数为1.5)；
C——基本动额定负荷(N)；
Pn——工作负荷(N)；
滚珠丝杠额定寿命的计算方法为：
L2——滚珠丝杠及轴承的额定寿命(旋转数)；
fw——负荷系数(根据负荷状况和速度，取负荷系数为1.5)；
Ca——基本动额定负荷(N)；
Pa,n——轴向工作负荷(N)。本实施方案其他与具体实施方案五相同。
实际操作中针对的光学元件尺寸最大为100mm×100mm×10mm，通常为熔石英方形透镜，根据光学元件规格，选取X轴、Y轴导轨行程为200mm，负载重量最大不超过2.5kg；通过本实施方案方法求得线性滑轨额定寿命L1＝2.3280×109km；滚珠丝杠的导程为5mm，所以L2＝2.8145×1011rev＝1.41×106km，即为X轴、Y轴运动模组的额定寿命。本实施方案所选用的线性滑轨和滚珠丝杠远大于使用寿命要求。
具体实施方案七：如图3和图4所示，一种熔石英元件表面损伤发起与损伤增长自动评价方法，它包括如下步骤：
将所述装置安装于激光器的前端，使X轴方向与激光器激光光路方向垂直，调节X轴运动模组6和Y轴运动模组7使光学元件与激光器激光位于同一轴线上；
S1、将装置初始化；
S11、二维运动平台初始化设置，通过X、Y轴运动模组7调节光学元件夹具组5位置，使光学元件位于激光光路上；
S12、相机11初始化设置，启动相机11，进行相机11参数初始化设置；
S13、光源初始化设置，启动背光源1、环形光源9和同轴光源10；
S14、激光器参数初始化，启动激光器，进行激光器参数初始化设置；
S2、损伤发起检测；
S21、元件损伤发起：调节激光参数，使激光能量密度从较小值开始逐步增大，至激光能量密度达到光学元件损伤阈值；
S22、元件损伤检测：通过相机11采集每次激光照射后熔石英元件表面损伤图像，并对图像进行优化处理，以得到准确的损伤尺寸和位置；
S23、激光参数记录：记录熔石英元件表面出现损伤时的激光参数；
S3、损伤增长检测；
S31、元件损伤增长检测：采用S23中记录的损伤发起时激光参数，继续照射熔石英元件；
S32、损伤增长记录：通过相机11采集每次激光照射后熔石英元件表面损伤尺寸；将采集到的图像进行优化处理，以得到准确的损伤尺寸和位置；
S33、绘制损伤增长曲线：统计损伤尺寸及对应的相关激光参数，绘制损伤增长与激光参数的曲线。
具体实施方案八：如图4所示，所述的图像进行优化处理包括降噪处理、二值化处理、边缘提取、形态学运算和外接圆运算。本实施方案其他与具体实施方案七相同。
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本发明领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
本发明装置的工作原理：本发明装置中显微镜头选用连续电动变倍镜头，成像系统配备同轴、环形和背照三种辐照光源，在各个单一光源的辐照下可获得损伤的不同特征信息，以实现损伤后信息的准确获取。环形光源9检测原理为散射光成像，当环形光源9以一定角度照射在光学元件表面时，若光学元件表面无微缺陷点，反射光以同样角度反射，不会进入相机11视野，成像为黑色区域，若光学元件4-3表面存在微缺陷点，入射光产生散色光进入到相机11视野，成像为灰色或白色区域。这种利用环形光源9以一定角度照射光学元件4-3表面的成像方法为暗场成像。同轴光源10检测原理为反射光成像，同轴光源,10发出的与镜头轴线方向垂直的光线经镜头内的反射镜反射后，光线的方向与镜头轴线平行。光线照射在光学元件4-3表面时，若光学元件4-3表面无微缺陷点，反射光垂直反射，进入相机11视野，成像为灰色或白色区域，若光学元件4-3表面存在微缺陷点，入射光一部分被吸收一部分产生散射光也进入相机11视野，成像为黑色区域。这是因为进入相机11视野的散射光光强远小于反射光的光强。这种利用同轴光源10垂直照射光学元件4-3表面的成像方法为明场成像。背光源1检测原理为透射成像。背光源1以一定的角度发出光线，光线经散射板散射成为均匀的光。当光照射在光学元件4-3背面时，若光学元件4-3表面无微缺陷点，光透射过光学元件，进入相机11视野，成像为灰色或白色区域。若光学元件4-3表面存在微缺陷点，光线一部分被反射一部分被吸收，不会进入相机11视野，成像为黑色区域。这种利用背光源1照射光学元件背面的成像方法为明场成像。
本发明装置X、Y轴运动模组带动光学元件夹具组4在激光辐照范围和相机11视野内以一定速度匀速移动。光学元件4-3利用三点进行定位和夹紧，需要保证光学元件和激光是成垂直照射，弹簧4-1和螺纹件4-2构成放松和夹紧装置，旋松螺纹件4-2时，弹簧4-1推动光学元件夹具移动盖板4-8与光学元件固定座4-4分离。将熔石英光学元件4-3固定好后通过表面损伤增长评价方法可以获得熔石英光学元件4-3的损伤发起、损伤增长与激光参数间的关系曲线。
Claims (8)
1.一种熔石英元件表面损伤发起与损伤增长自动评价装置，所述装置设置于激光器的前端，与激光器配合使用，其特征在于它包括：X轴运动模组(6)、Y轴运动模组(7)、光学元件夹具组(4)、相机及光源组和基座；
所述X轴运动模组(6)安装在基座上表面，所述X轴运动模组(6)包括：X轴直线电机(2)、X轴运动拖板拖链和X/Y轴转接板，所述X轴直线电机(2)驱动X轴运动拖链和X/Y轴转接板沿X轴方向运动，X轴方向为一个水平方向；
所述Y轴运动模组(7)垂直安装于X/Y轴转接板上，通过X轴运动模组(6)的驱动可实现Y轴运动模组(7)沿X方向的直线运动，所述Y轴运动模组(7)包括：Y轴直线电机(8)和Y轴承载平台，所述Y轴直线电机(8)驱动Y轴承载平台沿Y轴方向运动，Y轴方向为竖直方向；
所述光学元件夹具组(4)安装于Y轴承载平台上，通过Y轴运动模组(7)的驱动可实现光学元件夹具组(4)沿Y方向的直线运动，所述光学元件夹具组(4)与所述X轴和Y轴方向所在平面平行；
所述光学元件夹具组(4)包括光学元件固定座(4-4)、光学元件保护板以及光学元件夹具移动盖板(4-8)，所述光学元件固定座(4-4)设有L型凸台，所述L型凸台形成的空间用于放置光学元件，所述光学元件固定座(4-4)开设有激光照射口，所述激光照射口尺寸小于光学元件尺寸；所述光学元件夹具移动盖板(4-8)与所述光学元件固定座(4-4)的L型凸台相适应，所述光学元件夹具移动盖板(4-8)与所述光学元件固定座(4-4)通过多个可调节弹性件连接；所述光学元件保护板包括光学元件保护板一(4-6)和光学元件保护板二(4-5)，所述光学元件保护板一(4-6)设置于光学元件固定座(4-4)及其L型凸台靠近光学元件的一侧，所述光学元件保护板二(4-5)设置于光学元件夹具移动盖板(4-8)的边缘处，且所述光学元件保护板二(4-5)设有凸台，所述凸台可随所述光学元件夹具移动盖板(4-8)的带动对光学元件进行固定；所述光学元件保护板为柔性板；
所述相机及光源组包括相机(11)、环形光源(9)、同轴光源(10)和背光源(1)，所述环形光源(9)安装于相机镜头处并环设于镜头外壁，所述同轴光源(10)安装于相机镜头下方，所述相机(11)与背光源(1)均安装于基座上表面并位于X轴运动模组(6)的相对两侧，且所述相机(11)、环形光源(9)与背光源(1)位于同一轴线上；
所述装置还包括控制系统，所述控制系统包括X轴运动模块、Y轴运动模块、相机及光源模块、图像处理模块和激光器控制模块；
所述X轴运动模块用于控制X轴直线电机(2)的启停、驱动方向和驱动速度；所述Y轴运动模块用于控制Y轴直线电机(8)的启停，驱动方向和驱动速度；所述相机及光源模块用于控制相机(11)的启停、图像采集、图像保存及参数设置，及各光源的启停和参数设置；图像处理模块用于对相机(11)采集图像的优化处理；所述激光器控制模块用于控制激光器的启停、参数设置及控制激光的发射。
2.根据权利要求1所述的一种熔石英元件表面损伤发起与损伤增长自动评价装置，其特征在于所述可调节弹性件的设置数量为3个，分别设置于光学元件夹具移动盖板(4-8)的两端部和中部。
3.根据权利要求2所述的一种熔石英元件表面损伤发起与损伤增长自动评价装置，其特征在于所述可调节弹性件包括弹簧(4-1)和螺纹件(4-2)，所述弹簧(4-1)设于所述光学元件固定座(4-4)和光学元件夹具移动盖板(4-8)之间，所述螺纹件(4-2)包括杆件和限位帽，所述杆件的一端与限位帽连接，所述杆件的另一端设有螺纹，所述光学元件固定座(4-4)设有与杆件螺纹相适应的螺纹孔，所述光学元件夹具移动盖板(4-8)设有与所述杆件相适应的通孔，所述螺纹件(4-2)从光学元件夹具移动盖板(4-8)外侧依次穿过所述通孔和弹簧(4-1)与所述螺孔纹连接，通过旋转螺纹件(4-2)可调节光学元件夹具移动盖板(4-8)向光学元件固定座(4-4)方向移动，或者调节光学元件夹具移动盖板(4-8)向远离光学元件固定座(4-4)方向移动，也可通过旋转各螺纹件(4-2)至不同的位置对光学元件的角度进行调节。
4.根据权利要求1所述的一种熔石英元件表面损伤发起与损伤增长自动评价装置，其特征在于所述光学元件保护板由聚四氟乙烯制成。
5.根据权利要求1所述的一种熔石英元件表面损伤发起与损伤增长自动评价装置，其特征在于所述装置的X轴运动模组(6)和Y轴运动模组(7)装配前需根据需求计算各部件所需的性能参数，以选择合适的部件，针对电机需要计算电机转矩，计算方法为：
式中，T——负载匀速运动所需的转矩(N·m)；
F——载荷(N)；
v——负载速度(m/s)；
n——电机转速(r/min)。
电机最大启动转矩的计算方法为：
TMax＝Ta+TK+Tt (2)
式中，TMax——负载达到指定速度所需的转矩(N·m)；
Ta——电机启动所需的加速力矩(N·m)；
TK——运动模组的最大启动扭矩(N·m)；
Tt——电机克服切向力的转矩(N·m)；
Jm——负载的等效转动惯量(kg·m2)；
m——负载的质量(kg)；
Jz——电机转子的转动惯量(kg·m2)；
n——电机转速(r/min)；
t——电机到达给定速度所需的时间(s)；
Ft——启动时所需克服的切向力(N)；
s——滚珠丝杠导程(m)。
6.根据权利要求5所述的一种熔石英元件表面损伤发起与损伤增长自动评价装置，其特征在于所述X轴运动模组(6)和Y轴运动模组(7)还包括线性滑轨和滚珠丝杠，其中线性滑轨额定寿命的计算方法为：
式中，L1——线性滑轨的额定寿命(km)；
ft——接触系数(根据滑座的形式以及滑座的数量，取接触系数为1.0)；
fw——负荷系数(根据负荷状况和速度，取负荷系数为1.5)；
C——基本动额定负荷(N)；
Pn——工作负荷(N)；
滚珠丝杠额定寿命的计算方法为：
L2——滚珠丝杠及轴承的额定寿命(旋转数)；
fw——负荷系数(根据负荷状况和速度，取负荷系数为1.5)；
Ca——基本动额定负荷(N)；
Pa,n——轴向工作负荷(N)。
7.一种熔石英元件表面损伤发起与损伤增长自动评价方法，其特征在于它包括如下步骤：
将权利要求1所述装置安装于激光器的前端，使X轴方向与激光器激光光路方向垂直，调节X轴运动模组(6)和Y轴运动模组(7)使光学元件与激光器激光位于同一轴线上；
S1、将装置初始化；
S11、二维运动平台初始化设置，通过X、Y轴运动模组(7)调节光学元件夹具组(4)位置，使光学元件位于激光光路上；
S12、相机(11)初始化设置，启动相机(11)，进行相机(11)参数初始化设置；
S13、光源初始化设置，启动背光源(1)、环形光源(9)和同轴光源(10)；
S14、激光器参数初始化，启动激光器，进行激光器参数初始化设置；
S2、损伤发起检测；
S21、元件损伤发起：调节激光参数，使激光能量密度从较小值开始逐步增大，至激光能量密度达到光学元件损伤阈值；
S22、元件损伤检测：通过相机(11)采集每次激光照射后熔石英元件表面损伤图像，并对图像进行优化处理，以得到准确的损伤尺寸和位置；
S23、激光参数记录：记录熔石英元件表面出现损伤时的激光参数；
S3、损伤增长检测；
S31、元件损伤增长检测：采用S23中记录的损伤发起时激光参数，继续照射熔石英元件；
S32、损伤增长记录：通过相机(11)采集每次激光照射后熔石英元件表面损伤尺寸；将采集到的图像进行优化处理，以得到准确的损伤尺寸和位置；
S33、绘制损伤增长曲线：统计损伤尺寸及对应的相关激光参数，绘制损伤增长与激光参数的曲线。
8.根据权利要求7所述的一种熔石英元件表面损伤发起与损伤增长自动评价方法，其特征在于所述的图像进行优化处理包括降噪处理、二值化处理、边缘提取、形态学运算和外接圆运算。
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