CN117075328A - 激光扫描器中的多面体反射镜柔顺消热支撑组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多面体激光扫描器，具体涉及激光扫描器中的多面体反射镜柔顺消热支撑组件，为解决现有技术中存在的玻璃材料反射镜与金属组件的连接可靠性较低，以及两种材料在高能激光热效应下的线胀系数不匹配造成反射面面型畸变的不足之处，激光扫描器中的多面体反射镜柔顺消热支撑组件包括镜座以及连接电机的支撑单元，镜座为薄壁圆筒形结构，与电机主轴同轴设置，一端通过支撑单元与电机主轴固连，其外径与多面体反射镜的内孔直径相匹配；镜座的外周均匀设置有多个柔顺单元，柔顺单元的数量与多面体反射镜的反射面数量相同，通过空间耦合解决了多面体反射镜在高速运动下与金属材料可靠稳定连接的难题。

Description

激光扫描器中的多面体反射镜柔顺消热支撑组件

技术领域

本发明涉及多面体激光扫描器，具体涉及激光扫描器中的多面体反射镜柔顺消热支撑组件。

背景技术

激光自1916年被爱因斯坦发现以来，因其在方向性、亮度、单色性和能量密度等方面优异的性能而被广泛应用于军事、民用的诸多领域，例如，激光制导、激光侦察、激光告警等在军事空天防务方面发挥着不可替代的关键作用，而激光加工、激光通信、水下激光传输等在科学探索和民生方面则有着巨大的社会效益。上述领域和场景对激光的成功应用，均离不开对激光光束方向的精密控制，即激光扫描技术。多面体激光扫描器作为激光光束扫描的重要技术及核心部组件，与传统检流计（振镜）、快速控制反射镜等光束控制部组件具有显著的差异，其特别适用于单向连续、高速、大孔径、高能激光的扫描控制。

基于成本和性能的综合考虑，传统多面体激光扫描器所携带的反射镜通常采用金属材料铝和铍。铝合金作为反射镜基体材料具有高性价比、密度小、质量轻等优点，然而，在一些高速扫描场景，铝反射镜在动态下的反射面面型畸变会超出预期；另一方面，在一些具有高精度要求的场合，铝反射镜的表面光洁度很难达到要求。铍反射镜虽然克服了铝反射镜的上述缺点，然而其造价昂贵，同时加工生产过程会产生有毒粉尘，并非理想的备选材料。玻璃材料（微晶、熔融石英等）较少作为激光扫描器的反射镜材料，高动态运动下玻璃材料与金属组件的可靠连接是其制约因素之一，另一制约因素是两种不同材料在高能激光热效应下的线胀系数不匹配造成的反射面面型畸变。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的玻璃材料反射镜与金属组件的连接可靠性较低，以及两种材料在高能激光热效应下的线胀系数不匹配造成反射面面型畸变的不足之处，而提供一种激光扫描器中的多面体反射镜柔顺消热支撑组件。

发明构思

在高速运动、操纵高能激光光束的多面体激光扫描器中，为保证性能稳定、安装可靠以及使用安全，多面体反射镜需要与电机主轴固连，以进行同步高速旋转。本发明通过电机主轴-支撑组件-多面体反射镜的串联安装链路，为多面体反射镜运动提供核心的支撑，本发明中首先将运动基座与电机主轴进行稳定可靠、高精度的同轴连接，再将多面体反射镜通过胶接形式附着于镜座上，多面体反射镜与挡板、运动基座共同组成扫描器的主运动组件。

为实现上述目的，本发明提供的技术解决方案如下：

一种激光扫描器中的多面体反射镜柔顺消热支撑组件，其特殊之处在于：

包括镜座以及连接电机的支撑单元；所述镜座为薄壁圆筒形结构，与电机主轴同轴设置，一端通过支撑单元与电机主轴固连，其外径与多面体反射镜的内孔直径相匹配；所述镜座的外周均匀设置有多个柔顺单元，柔顺单元的数量与多面体反射镜的反射面数量相同；所述柔顺单元包括镜座侧壁沿轴向设置的开孔结构，开孔结构的外侧壁开设有注胶孔。

进一步地，所述柔顺单元还包括设置在开孔结构外侧壁的凹槽，凹槽延伸至镜座的另一端，注胶孔位于凹槽的底面，与多面体反射镜沿回转轴线方向的中性层位置相对应，且凹槽和注胶孔的位置满足下式：

h=1/2*b，

其中，b为凹槽的底面沿中心轴线方向的高度，h为注胶孔中心与镜座的另一端端面的距离。

进一步地，所述镜座位于凹槽靠近电机的一端开设有与凹槽等长的通孔，连通凹槽与开孔结构；

所述开孔结构为盲孔或通孔，沿镜座周向设置为长孔，且长度大于凹槽沿镜座周向的长度。

进一步地，所述镜座与柔顺单元的尺寸满足以下关系：

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其中，R₁为镜座的内径，R₂为开孔结构的内径，R₃为开孔结构的外径，R₄为凹槽的半径，R₅为镜座外径，为凹槽沿镜座周向的长度。

进一步地，所述支撑单元包括支撑板以及运动基座；支撑板与电机主轴所在端面固连；

所述运动基座包括绕电机主轴设置的环形底座以及套设在电机主轴上的圆筒结构，圆筒结构的一端与环形底座的内侧固连；

所述圆筒结构上设置有穿过中心轴线的轴向缺口以及靠近环形底座一端的径向缺口，圆筒结构的侧壁位于轴向缺口的两侧对应开设螺纹孔，穿过对应的螺纹孔设置螺钉向圆筒结构施加预紧力，使圆筒结构与电机主轴固连；

所述镜座的一端与环形底座同轴固连，环形底座沿径向向外延伸形成延伸平台，多面体反射镜设置在延伸平台上。

进一步地，所述环形底座上设置有多个接口，用于连接质量块进行动平衡调节。

进一步地，还包括挡板，挡板与镜座的一个底面固连，挡板的外径大于多面体反射镜的内径，防止多面体反射镜高速旋转运动时脱离。

所述挡板对应多面体反射镜设置有多个垫块。

进一步地，还包括保护罩，保护罩设置在多面体反射镜外侧，与支撑板固连，用于保护多面体反射镜；

所述保护罩侧面设置开口，用于激光通过。

进一步地，所述多面体反射镜的材质为熔融石英或微晶玻璃；

所述镜座为金属材质。

本发明的有益效果：

1.本发明镜座采用金属材质，通过设置柔顺单元，满足脆性玻璃与金属材料的镜座在静态条件下的粘接需求，使得多个柔顺单元的凹槽中设置的胶层具有均匀性；柔顺单元作为镜座的柔顺构型，其在空间的柔度耦合进一步解决了非金属玻璃在高速运动下与金属材料可靠稳定连接的难题。

2.本发明中通过镜座与柔顺单元的特定尺寸相互配合，通过机械结构为高功率、高能激光应用场景提供了热应力消除环节，为镜座受热可能产生的变形提供足够的膨胀收缩空间，避免不同材料在高能激光热效应下的线胀系数不匹配造成的反射面面型畸变；镜座位于凹槽靠近电机的一端开设有与凹槽等宽的通孔，进一步提高镜座柔性，保证了大温度梯度下，多面体反射镜的反射面面型具有良好精度，得到更优异的扫描系统指标。

3.本发明在环形底座上设置有多个接口，用于连接质量块，实现动平衡调节，可以有效消除高速旋转运动下的不平衡力。

4.本发明设置的挡板和垫块为系统高速运行提供了安全保障措施，增大了残余热释放途径，使得热量可以沿垫块传递至挡板进行散热，提高支撑组件的散热性能。

5.本发明中多面体反射镜为玻璃材料，相比于传统金属铝反射镜，可以获取更高的表面光洁度，进一步可获取更高的反射面面型精度及反射率，相比于铍镜，从经济性和环保性角度而言，其性价比更高。

附图说明

图1是本发明实施例的外部结构示意图；

图2是本发明实施例的剖视结构示意图；

图3为本发明实施例中运动基座和镜座的半剖视图；

图4为本发明实施例中运动基座和镜座的立体结构示意图；

图5为本发明实施例中运动基座的立体结构示意图；

图6为本发明实施例中镜座的立体结构示意图；

图7为图6的主视图；

图8为图6的俯视图；

图9为图8中A处的放大结构示意图；

图10为本发明实施例中运动基座和镜座的剖视图；

图11为图10中B处的放大结构示意图；

图12为本发明实施例中挡板的立体结构示意图。

附图标记说明：

1-多面体反射镜，2-镜座，21-凹槽，22-注胶孔，23-通孔，24-开孔结构，25-胶斑，3-运动基座，31-轴向缺口，32-径向缺口，33-螺纹孔，34-接口，4-挡板，5-垫块，6-保护罩，7-支撑板，8-电机，9-电机主轴，10-开口。

具体实施方式

本发明激光扫描器中的多面体反射镜柔顺消热支撑组件结构如图1所示，包括支撑板7、与电机主轴9连接的运动基座3、设置在运动基座3上的镜座2以及连接支撑板7的保护罩6。

如图2所示，支撑板7与电机主轴9所在端面固连，保证多面体反射镜1在光学系统中相对固定的位置关系；运动基座3结构如图3至图5所示，包括绕电机主轴9设置的环形底座以及套设在电机主轴9上的圆筒结构，圆筒结构的一端与环形底座的内侧固连，圆筒结构上设置有穿过中心轴线的轴向缺口31以及靠近环形底座一端的径向缺口32，圆筒结构的侧壁位于轴向缺口31的两侧对应开设螺纹孔33，穿过对应的螺纹孔33设置螺钉向圆筒结构施加预紧力，使得圆筒结构变形，夹紧电机主轴9，实现与电机主轴9固连。环形底座小于镜座2内径的位置设置有多个接口34，如图5所示，用于连接质量块进行动平衡调节。

镜座2为薄壁圆筒形结构，与电机主轴9同轴设置，且一端与环形底座固连，多面体反射镜1套设在镜座2上。运动基座3的环形底座沿径向向外延伸形成延伸平台，多面体反射镜1设置在延伸平台上，延伸平台对多面体反射镜1具有承托作用，多面体反射镜1为熔融石英、微晶玻璃等非金属材质；镜座2的外周均匀设置有多个柔顺单元，如图6至图8所示，柔顺单元的数量与多面体反射镜1的反射面数量相对应，柔顺单元包括镜座2侧壁沿轴向设置的开孔结构24和设置在开孔结构24外侧壁的凹槽21；开孔结构24为盲孔，沿镜座2周向设置为长孔，且长度大于凹槽21沿镜座2周向的长度，在本发明的其他实施例中，开孔结构24也可以沿轴向设置为通孔。镜座2位于凹槽21靠近环形底座的一端开设有与凹槽21等长的通孔23，通孔23连通开孔结构24及凹槽21，凹槽21的另一端延伸至镜座2的另一端端面，凹槽21的底面开设注胶孔22，注胶孔22用于进行环氧胶的定量控制注射，且凹槽21和注胶孔22的位置满足下式：

h=1/2*b，

其中，b为凹槽21的底面沿中心轴线方向的高度，h为注胶孔22中心与镜座2的另一端端面的距离；

如图10和图11所示，注胶孔22与多面体反射镜1沿回转轴线方向的中性层位置相对应，即为注胶孔22与多面体反射镜1粘接作用处，该位置保证了最小的机械应力传递，如图11所示，多面体反射镜1与镜座2之间为间隙配合，凹槽21与多面体反射镜1之间的空间固定，可有效控制胶斑25大小，同时，如图9所示，与临近区域相比，柔顺单元中镜座2在凹槽21处具有厚度为（）的薄壁特征，其中，R₃为开孔结构24的外径，R₄为凹槽21的半径，通过此收缩量，在镜座2外径与多面体反射镜1的内孔直径相配合的基础上，可以实现对胶接处均匀胶层空间的控制，为均匀、一致的胶层以及良好的多面体反射镜1的反射面面型精度提供基础保障；镜座2与柔顺单元的尺寸满足以下关系：

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其中，R₁为镜座2的内径，R₂为开孔结构24的内径，R₃为开孔结构24的外径，R₄为凹槽21的半径，R₅为镜座2外径，为凹槽21沿镜座2周向的长度。

上述关系使得镜座2沿径向具有最大的柔度，本实施例中，使用八面体反射镜，镜座2上对应设置有8个柔顺单元，8处均布的柔顺单元在空间的柔度耦合保证了高速运动下八面体反射镜的刚性支撑，实现八面体反射镜和镜座2的协同运动。

镜座2的另一端端面上对应设置有挡板4，挡板4与镜座2通过螺钉固连，挡板4的外径大于多面体反射镜1的内径，用于防止多面体反射镜1高速旋转时，沿轴向脱出；如图12所示，挡板4对应多面体反射镜1设置有多个垫块5，垫块5为柔性耐高温材质，与多面体反射镜1接触，建立导热链路，增大多面体反射镜1中残余热的散热通道。

保护罩6设置在多面体反射镜1外侧，与支撑板7通过螺钉固连，用于保护多面体反射镜1，同时抑制杂散光对整个光学系统产生影响；保护罩6侧面设置开口10，与多面体反射镜1的其中一个反射面对应，用于使激光通过。

本发明可以应用于高能激光作用的场景，高功率、高热量累积传递直接作用于多面体反射镜1，过量的热载荷容易造成反射面面型畸变，进一步导致扫描系统性能下降。而本发明中的柔顺构型在温度升高的条件下，反射镜沿半径会产生/>的膨胀变形，而柔顺单元沿径向的柔度为：/>，其中，A为与/>、b及（/>）相关的等效系数，E为镜座2的材料弹性模量，通过上式计算使得柔度匹配适应了/>的膨胀变形，在机械结构上实现消热效果。

支撑组件通过以下步骤进行装调：

S1.将支撑板7用螺钉固连于电机主轴9所在端面的接口上，形成激光扫描器的对外机械接口；

S2.将运动基座3中的圆筒结构套设至电机主轴9上，在圆筒结构侧壁的螺纹孔33中设置螺钉，拧紧螺钉施加预紧力，实现运动基座3与电机主轴9的固连；应力在圆筒结构的轴向缺口31和径向缺口32处释放，不会传递至镜座2其余部位；

S3.将多面体反射镜1套设在镜座2上，实现同轴定位，多面体反射镜1的底面与运动基座3的延伸平台贴合，此时转动多面体反射镜1，使反射面的中心点与柔顺单元的注胶孔22重合；

S4.通过镜座2上的注胶孔22进行点胶操作，凹槽21的尺寸可保证无辅助工装下胶层的均匀性；

S5.将挡板4与垫块5通过耐高温环氧胶粘接成为一体，并通过螺钉将挡板4与运动基座3固连，通过垫块5对多面体反射镜1施加轴向预紧力；

S6.将保护罩6通过螺钉固连于支撑板7上，完成支撑组件的装配。

Claims (9)

1.一种激光扫描器中的多面体反射镜柔顺消热支撑组件，其特征在于：

包括镜座（2）以及连接电机（8）的支撑单元；

所述镜座（2）为薄壁圆筒形结构，与电机主轴（9）同轴设置，一端通过支撑单元与电机主轴（9）固连，其外径与多面体反射镜（1）的内孔直径相匹配；

所述镜座（2）的外周均匀设置有多个柔顺单元，柔顺单元的数量与多面体反射镜（1）的反射面数量相同；

所述柔顺单元包括镜座（2）侧壁沿轴向设置的开孔结构（24），开孔结构（24）的外侧壁开设有注胶孔（22）。

2.根据权利要求1所述的激光扫描器中的多面体反射镜柔顺消热支撑组件，其特征在于：

所述柔顺单元还包括设置在开孔结构（24）外侧壁的凹槽（21），凹槽（21）延伸至镜座（2）的另一端，注胶孔（22）位于凹槽（21）的底面，与多面体反射镜（1）沿回转轴线方向的中性层位置相对应，且凹槽（21）和注胶孔（22）的位置满足下式：

h=1/2*b，

其中，b为凹槽（21）的底面沿中心轴线方向的高度，h为注胶孔（22）中心与镜座（2）的另一端端面的距离。

3.根据权利要求2所述的激光扫描器中的多面体反射镜柔顺消热支撑组件，其特征在于：

所述镜座（2）位于凹槽（21）靠近电机（8）的一端开设有与凹槽（21）等长的通孔（23），连通凹槽（21）与开孔结构（24）；

所述开孔结构（24）为盲孔或通孔，沿镜座（2）周向设置为长孔，且长度大于凹槽（21）沿镜座（2）周向的长度。

4.根据权利要求3所述的激光扫描器中的多面体反射镜柔顺消热支撑组件，其特征在于，所述镜座（2）与柔顺单元的尺寸满足以下关系：

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其中，R₁为镜座（2）的内径，R₂为开孔结构（24）的内径，R₃为开孔结构（24）的外径，R₄为凹槽（21）的半径，R₅为镜座（2）外径，为凹槽（21）沿镜座（2）周向的长度。

5.根据权利要求1至4任一所述的激光扫描器中的多面体反射镜柔顺消热支撑组件，其特征在于：

所述支撑单元包括支撑板（7）以及运动基座（3）；支撑板（7）与电机主轴（9）所在端面固连；

所述运动基座（3）包括绕电机主轴（9）设置的环形底座以及套设在电机主轴（9）上的圆筒结构，圆筒结构的一端与环形底座的内侧固连；

所述圆筒结构上设置有穿过中心轴线的轴向缺口（31）以及靠近环形底座一端的径向缺口（32），圆筒结构的侧壁位于轴向缺口（31）的两侧对应开设螺纹孔（33），穿过对应的螺纹孔（33）设置螺钉向圆筒结构施加预紧力，使圆筒结构与电机主轴（9）固连；

所述镜座（2）的一端与环形底座同轴固连，环形底座沿径向向外延伸形成延伸平台，多面体反射镜（1）设置在延伸平台上。

6.根据权利要求5所述的激光扫描器中的多面体反射镜柔顺消热支撑组件，其特征在于：

所述环形底座上设置有多个接口（34），用于连接质量块进行动平衡调节。

7.根据权利要求6所述的激光扫描器中的多面体反射镜柔顺消热支撑组件，其特征在于：

还包括挡板（4），挡板（4）与镜座（2）的一个底面固连，挡板（4）的外径大于多面体反射镜（1）的内径，防止多面体反射镜（1）高速旋转运动时脱离；

所述挡板（4）对应多面体反射镜（1）设置有多个垫块（5）。

8.根据权利要求7所述的激光扫描器中的多面体反射镜柔顺消热支撑组件，其特征在于：

还包括保护罩（6），保护罩（6）设置在多面体反射镜（1）外侧，与支撑板（7）固连，用于保护多面体反射镜（1）；

所述保护罩（6）侧面设置开口（10），用于激光通过。

9.根据权利要求8所述的激光扫描器中的多面体反射镜柔顺消热支撑组件，其特征在于：

所述多面体反射镜（1）的材质为熔融石英或微晶玻璃；

所述镜座（2）为金属材质。