CN1595218A - 五自由度激光聚焦透镜调整架 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种五自由度激光聚焦透镜调整架，调整架的中心设置有带有透镜的镜框、过渡框、外框，三框均以Y轴为中心轴线对称设置。以Y轴为轴心，在镜框和过渡框上端设置有Y向的位移与角度复合机构，在对应下端设置有位移与角度调节辅助支撑机构；在X轴心方向，在过渡框和外框一端设置有X向位移与角度复合机构，在对应另一端设置有X位移与角度调节辅助支撑机构；在Z轴方向，在外框的下方设置有Z向位移调节导轨结构。通过作为驱动基座的过渡框及外框，分别驱动镜框相对过渡框作直线及角度运动、驱动过渡框相对外框作直线及角度运动，此过渡框相对镜框固定，从而实现带透镜的镜框作五自由度调节。所有调节结构均为双支撑、无悬臂，不仅能实现激光光束聚焦所需的五自由度调节，且稳定性好，在同样通光口径的情况下整体尺寸更小。
Description
1.技术领域
本发明属于五自由度调节装置领域，具体涉及一种调节结构为双支撑的五自由度激光聚焦透镜调整架。
2.背景技术
为使激光聚焦光斑准确落在指定点上，所用聚焦透镜需作除绕光束轴线旋转外的其余五自由度调节。目前，公知的五自由度激光聚焦透镜调整架中，平行于光束轴线的直线位移由直线导轨实现；垂直于光束轴线的两直线位移一个由直线导轨实现，一个由升降杆实现；垂直于光束轴线的两角度自由度一个通过双支撑孔轴配合实现，另一个通过单线段孔轴配合或推力轴承来实现。在现有的这种五自由度激光聚焦透镜调整架结构中，用升降杆实现垂直于光束轴线方向的直线位移，以及由单线段孔轴配合或推力轴承来实现垂直于光束轴线的角度自由度，其结构均为悬臂状态，为保证有足够的稳定性，只能通过增加孔轴配合长度和推力轴承的支撑面，因而造成调整架整体尺寸的加大，要求的安装空间大，特别是大口径激光聚焦透镜，为避免空气对光路造成影响，均安装在真空腔中，调整架尺寸大将直接导致整个光学系统尺寸的加大。
实用新型专利(专利号CN 1257770A)公开了一种五自由度五轴解藕并联微动机器人，但由于其结构的影响，不能用于真空腔内激光透镜聚焦的调节，且其工作台过小，无法保证较大工件的支撑稳定性。
3.发明内容
为克服现有技术中五自由度激光聚焦透镜调整架稳定性能差，整体尺寸大的不足，本发明提供一种五自由度激光聚焦透镜调整架，不仅能实现激光光束聚焦所需的五自由度调节，且稳定性好，在同样通光口径的情况下整体尺寸小。
本发明五自由度激光聚焦透镜调整架的特点是，所述的调整架含有X向直线位移与角度复合调节机构、Y向直线位移与角度复合调节机构、Z向位移调节机构。调整架的中心设置有矩形镜框，在矩形镜框内设置有透镜，矩形镜框外设置有矩形过渡框，过渡框外设置有矩形外框，三者均为大间隙配合；三框均以Y轴与X轴为中心轴线对称设置；以Y轴为轴心，在矩形镜框和过渡框上端设置有Y向位移与角度复合调节机构，在Y轴对应下端设置有Y向位移与角度调节辅助支撑机构；在X轴心方向，在过渡框和外框左端上设置有X向的位移与角度复合调节机构，在X轴对应右端设置有X位移与角度调节辅助支撑；在Z轴方向，在矩形外框的下方设置有Z向位移调节导轨机构。
本发明五自由度激光聚焦透镜调整架的Y轴向位移与角度复合调节机构含有Y向位移的导向键侧向消隙结构部分，蜗杆结构部分，涡轮蜗杆消隙结构部分，轴承座及导向轴结构部分。导向键侧向消隙结构包含弹簧座、连接螺钉、导向键消隙弹簧等；蜗杆结构部分包含蜗杆、涡轮、轴承、轴承挡圈、联轴器等；涡轮及蜗杆消隙结构部分包含涡轮、销、涡轮蜗杆消隙弹簧等；轴承座、导向轴结构部分包含导向轴、轴承座、旋转轴滑套、丝杆、导向键、衬套、传动键、锁紧螺母、轴承等。Y轴向位移与角度复合调节机构各部分的连接关系是：导向键侧向消隙结构部分的弹簧座固定设置在过渡框上，并与镜框连接；轴承座及导向轴结构部分中的导向轴固定设置在Y轴上，导向轴的圆心与Y轴心重合，导向轴外圆柱下端与镜框固连；导向轴上部的螺纹孔中设置有丝杆，丝杆的顶端与步进电机相连接；导向轴外圆柱段中部开键槽，并通过设置在键槽内的导向键与旋转轴滑套的内孔连接；轴承座与旋转轴滑套外圆通过轴承连接；而轴承座的外圆下端与过渡框紧连接；涡轮及蜗杆消隙结构部分中的涡轮没有中空内孔并与导向轴结构部分中的旋转轴滑套外圆通过键连接，还与蜗杆结构部分的蜗杆连接；蜗杆结构部分中的电机蜗杆座穿过外框与过渡框的端面固定连接。Y轴向的位移与角度复合调节机构通过其轴承座的下端外圆与过渡框为过盈配合且固定连接在过渡框上：
与Y轴向位移与角度复合调节机构对应的Y轴向位移与角度调节辅助支撑机构含有：芯轴、导向键、滑套、锁紧螺块、轴承及轴承座。Y轴向位移与角度调节辅助支撑机构各部分连接关系为：轴向位移在镜框Y方向的轴线下端设置有圆形芯轴，芯轴圆心与Y轴心重合，圆形芯轴的上端圆柱面上设置有Y向导向键槽，并通过设置在导向键槽内的导向键与镜框连接，芯轴下端固定连接的滑套外设置有轴承，固定轴承的轴承座通过过盈配合固定设置在过渡框上，轴承座与外框为大间隙。Y向的位移与角度调节辅助支撑机构通过导向键连接在镜框相应位置的导向键槽内，镜框在作Y向移动时可沿导向键移动而不转动，实现Y方向的两自由度的调节。
在过渡框和外框上设置有与Y轴向的位移与角度复合调节的结构相同的X轴向的位移与角度复合调节机构，还设置有与Y轴向的位移与角度调节辅助支撑的结构相同的X轴向的位移与角度调节辅助支撑机构，实现X方向的两自由度的调节。在X轴向右端，以X轴向的位移与角度调节辅助支撑机构的芯轴为轴心对称设置有X向回程消隙弹簧，并通过销分别固定在过渡框和外框上。
Z向直线位移调节机构，是在外框的下端面设置带丝杆螺母由步进电机驱动的直线导轨副，直线导轨副设置在基座上，实现本发明的调整架在Z向的大幅度移动。
在矩形镜框外设置过渡框，是为Y向的直线位移与角度复合调节机构及辅助支撑提供设置位置，实现无悬臂的双支撑结构，用于驱动镜框作Y向小行程直线位移及Y向小角度旋转；在过渡框外再设置外框，是为X向直线位移与角度复合调节机构及辅助支撑提供设置位置，同样实现无悬臂的双支撑结构，用于驱动镜框作X向小行程直线位移及X向小角度旋转。通过作为驱动基座的过渡框及外框，驱动镜框相对过渡框作直线及角度运动，驱动过渡框相对外框作直线及角度运动，所有调节结构均为双支撑、无悬臂。在作为驱动基座的过渡框及外框上分别通过轴承安装一旋转轴滑套，同时在旋转轴滑套的外圆柱上设置一紧固的蜗轮，与蜗轮相配的蜗杆及蜗杆用步进电机设置在与驱动基座固定的电机蜗杆座上，电机轴通过联轴器与蜗杆紧固连接，可实现角度运动；旋转轴滑套内腔为带导向槽的圆柱孔，内装带导向键的导向轴，导向轴与被驱动件相连，导向轴内有内螺纹与丝杆相配，该丝杆由另一台安装在旋转轴滑套上的步进电机驱动，电机轴通过联轴器与丝杆紧固连接，通过丝杆旋转可产生位移运动。通过旋转轴滑套将基座与被驱动件之间的位移与角度运动集成在同一轴线上，且位移与角度运动互不干扰，当锁紧用于位移运动的步进电机时即可锁住该运动，角度运动不会造成被驱动件与基座间直线位置的变化，同样，当锁紧用于角度运动的步进电机时即可锁住该运动，位移运动不会造成被驱动件与基座间角度位置的变化。
本发明的有益效果是：在提高五自由度激光聚焦透镜调整架稳定性的同时，减小其整体体积。因所有支撑均为双支撑结构，支撑点通过透镜的X、Y轴线均有足够的跨度，每一支撑点仅需很短的一段线段即可实现稳定支撑，同时因X直线位移与角度自由度调节及Y直线位移与角度自由度调节均采用了复合调节机构，可明显减小五自由度激光聚焦透镜调整架的体积。本发明能较好的实现五自由度的调节，在Z方向有10mm级的较大位移调节，在垂直于光束轴线Z的X、Y方向直线位移调节量为mm级的小位移调节，且在X、Y方向有角度调节量为度级的小角度调节，更适用于真空腔内激光透镜聚焦的调节。
4.附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明五自由度激光聚焦透镜调整架的总体结构示意图。
图2为本发明五自由度激光聚焦透镜调整架的局部剖视图A-A，为本发明的Y向位移的导向键侧向消隙结构示意图。
图3为本发明五自由度激光聚焦透镜调整架的局部放大图I，局部放大图I为本发明的Y向的位移与角度复合调节机构的结构示意图。
图4为本发明五自由度激光聚焦透镜调整架的局部剖视图B-B，剖视图B-B为本发明的Y向的位移与角度复合调节机构中蜗杆结构示意图。
图5为本发明五自由度激光聚焦透镜调整架的局部剖视图C-C，剖视图C-C为本发明的Y向的位移与角度复合调节机构中蜗轮蜗杆消隙机构的结构示意图。
图6为本发明五自由度激光聚焦透镜调整架的局部剖视图D-D，剖视图D-D为本发明Y向的位移与角度复合调节机构中轴承座、导向轴的结构示意图。
图7为本发明五自由度激光聚焦透镜调整架的局部放大图II，局部放大图II为本发明Y向的位移与角度调节辅助支撑的结构示意图。
图8为本发明五自由度激光聚焦透镜调整架的局部放大图III，局部放大图III为本发明X向位移的回程消隙机构的结构示意图。
图中1.镜框 2.过渡框 3.外框 4.直线导轨副 5.基座 6.导向键消隙弹簧 8.弹簧座 12.丝杆 13.蜗轮 14.旋转轴滑套 15.导向轴滚动轴承(16a、16b) 20.衬套 21.传动键 24.锁紧螺母 26.轴承挡圈 28.蜗杆 31.电机蜗杆座 33.蜗轮蜗杆消隙弹簧35.紧定螺钉 39.滑套 40.芯轴 42.X向回程消隙弹簧 轴承(22、27、37a、37b) 锁紧螺块(19、23、38、44)销(7、34、41)导向键(18、43)轴承座(17、36)连接螺钉(9、32)联轴器(11、29)步进电机(10、30)。
5.具体实施方式
图中，本发明的调整架含有X向直线位移与角度复合调节机构、Y向直线位移与角度复合调节机构、Z向位移调节机构。调整架的中心设置有矩形镜框1，在矩形镜框1内设置有透镜，矩形镜框1外设置有矩形过渡框2，过渡框2外设置有矩形外框3，三者均为大间隙配合；三框均以Y轴与X轴为中心轴线对称设置；以Y轴为轴心，在矩形镜框1和过渡框2上端设置有Y向位移与角度复合调节机构，在Y轴对应下端设置有Y向位移与角度调节辅助支撑机构；在X轴心方向，在过渡框2和外框3左端上设置有X向的位移与角度复合调节机构，在X轴对应右端设置有X位移与角度调节辅助支撑；在Z轴方向，在矩形外框3的下方设置有Z向位移调节导轨机构。
本发明五自由度激光聚焦透镜调整架的Y轴向位移与角度复合调节机构含有Y向位移的导向键侧向消隙结构部分，蜗杆结构部分，涡轮、蜗杆消隙结构部分，轴承座及导向轴结构部分。Y轴向位移的导向键侧向消隙结构包含有弹簧座8、连接螺钉9、导向键消隙弹簧6等；蜗杆结构部分包含有蜗杆28、涡轮13、轴承27、轴承挡圈26、联轴器11等；涡轮、蜗杆消隙结构部分包含有涡轮13、销34、涡轮蜗杆消隙弹簧33等；轴承座、导向轴结构部分包含有导向轴15、轴承座17、旋转轴滑套14、丝杆12、导向键18、传动键21、锁紧螺母24、紧定螺钉35等。Y轴向位移与角度复合调节机构各部分的连接关系是：在Y轴上端通过弹簧座8连接过渡框2与镜框1，弹簧座8用连接螺钉9固定在过渡框2上，弹簧座8还通过导向键消隙弹簧6用销7与矩形镜框1连接。在矩形镜框1的Y方向的轴线上面固定设置有导向轴15，导向轴圆心与Y轴心重合，导向轴15通过导向键18与旋转轴滑套14连接。而旋转轴滑套14的外圆为两端小中间大的台阶轴，在两台阶处间隔背对安装两滚动轴承16a、16b，两台阶起固定轴承内圈的作用。轴承16a和16b的外圈固定在轴承座17上的内孔内，轴承座17的内孔为台阶孔，滚动轴承16b外圈支撑在该台阶上，在轴承座17的内孔上端设置有螺纹孔，并锁紧螺块19，以锁住滚动轴承16a的外圈。滚动轴承16a的内圈用衬套20的下端固定压紧。轴承座17的下端外圈与过渡框2为过盈配合且固定连接在过渡框上2。设置于Y轴线上端的导向轴15为中空轴，在轴上部设有台阶式螺纹孔，孔中设置有丝杆12，丝杆12通过轴承22设置在旋转轴滑套14上端的台阶孔内，在丝杆12设置轴承22的配合轴段上端设有一段螺纹，锁紧螺母24锁在丝杆12的该段螺纹上通过锁紧螺母24在Y轴向固定轴承22的内圈；轴承22的外圈用锁紧螺块23在轴向锁住，锁紧螺块23在旋转轴滑套14上端的内螺孔内，内螺孔内通过丝杆12的顶端用联轴器11连接在步进电机10的输出轴上，步进电机10固定在旋转轴套14顶端面上。在旋转滑套14的外圆上端的小圆柱段的中间位置设置一段导向键槽，通过设置在导向键槽内的传动键21安装一蜗轮13，蜗轮13与蜗杆28在电机蜗杆座31内连接，电机蜗杆座31为一倒U形框，设置在外框3的左上方，电机蜗杆座31的下端穿过外框3与过渡框2用连接螺钉32固定连接在过渡框2的两端面。蜗杆28的两端通过轴承27及轴承挡圈26分别与电机蜗杆座31的倒U形两边连接，其一端通过联轴器29与固定安装在电机蜗杆座31的一边的步进电机30连接。在蜗轮13与电机蜗杆座31之间用销34固定设置一蜗轮蜗杆消隙弹簧33。Y轴向的位移与角度复合调节机构通过其轴承座17的下端外圆与过渡框2为过盈配合且固定连接在过渡框2上。
Y轴向位移与角度调节辅助支撑机构含有：芯轴40、滑套39、锁紧螺块38、轴承(37a、37b)及轴承座36，其连接关系为：在Y方向的轴线下面的矩形镜框1下方设置有圆形的芯轴40，芯轴40与Y轴心重合，芯轴40的上端圆柱面上开有Y向导向键槽，通过设置在导向键槽内的导向键43连接在镜框1相应位置处的导向键槽内；在芯轴40外圆下端固定安装滑套39，滑套39外圆柱上背对设置轴承(37a、37b)，轴承37a的外圈用锁紧螺块38的外螺纹锁紧在轴承座36下端的内螺纹孔内，内圈用锁紧螺块44的内螺纹锁在滑套39的下端的外螺纹上，轴承37b通过滑套39和轴承座36内孔的台阶固定，并靠自重压紧内、外圈。轴承座36通过过盈配合固定设置在过渡框2上，轴承座36与外框3为大间隙。Y轴向的位移与角度调节辅助支撑机构通过导向键43连接在镜框相应位置的导向键槽内，矩形镜框1在作Y向移动时可沿导向键43移动而不转动。
在过渡框2和外框3上设置有与Y轴向的位移与角度复合调节的结构相同的X轴向的位移与角度复合调节机构，还设置有与Y轴向的位移与角度调节辅助支撑的结构相同的X轴向的位移与角度调节辅助支撑机构。在X轴向右端，以X轴向的位移与角度调节辅助支撑机构的芯轴40为轴心对称设置有X向回程消隙弹簧42，并通过销41分别固定在过渡框2和外框3上。
Z轴向直线位移调节机构，是在外框3的下端面设置带丝杆螺母由步进电机驱动的直线导轨副4，直线导轨副4设置在基座5上，实现本发明的调整架在Z向的大幅度移动。
本发明五自由度激光聚焦透镜调整架，通过在X轴向和Y轴向设置的分别由位移与角度复合调节机构及相应的位移与角度调节辅助支撑机构组成的悬臂的双支撑结构和Z轴向设置的直线导轨副4结构，在X、Y、Z三个轴向实现五个自由度的调节。
Claims (4)
1.一种五自由度激光聚焦透镜调整架，其特征在于：所述的调整架含有X向直线位移与角度复合调节机构、Y向直线位移与角度复合调节机构、Z向位移调节机构；调整架的中心设置有矩形镜框(1)，在矩形镜框(1)内设置有透镜，矩形镜框(1)外设置有矩形过渡框(2)，过渡框(2)外设置有矩形外框(3)，三者均为大间隙配合；三框均以Y轴与X轴为中心轴线对称设置；以Y轴为轴心，在矩形镜框(1)和过渡框(2)上端设置有Y向位移与角度复合调节机构，在Y轴对应下端设置有Y向位移与角度调节辅助支撑机构；在X轴心方向，在过渡框(2)和外框(3)左端上设置有X向的位移与角度复合调节机构，在X轴对应右端设置有X位移与角度调节辅助支撑；在Z轴方向，在矩形外框(3)的下方设置有Z向位移调节导轨机构。
2.根据权利要求1所述的一种五自由度激光聚焦透镜调整架，其特征在于：所述的Y轴向位移与角度复合调节机构含有Y向位移的导向键侧向消隙结构部分，蜗杆结构部分，涡轮、蜗杆消隙结构部分，轴承座及导向轴结构部分；导向键侧向消隙结构含有弹簧座(8)、连接螺钉(9)、导向键消隙弹簧(6)；蜗杆结构部分含有蜗杆(28)、涡轮(13)、轴承(27)、轴承挡圈(26)、联轴器(11)；涡轮、蜗杆消隙结构部分含有涡轮(13)、销(34)、涡轮蜗杆消隙弹簧(33)；轴承座及导向轴结构部分含有导向轴(15)、轴承座(17)、旋转轴滑套(14)、丝杆(12)、导向键(18)、传动键(21)、锁紧螺母(24)；Y轴向位移与角度复合调节机构各部分的连接关系是：导向键侧向消隙结构部分的弹簧座(8)固定设置在过渡框(2)上，并与矩形镜框(1)连接；轴承座及导向轴结构部分中的导向轴(15)固定设置在Y轴上，导向轴(15)的圆心与Y轴心重合，导向轴(15)外圆柱下端与矩形镜框(1)固定连接，导向轴(15)上部的螺纹孔中设置有丝杆(12)，丝杆(12)的顶端与步进电机(10)相连接；导向轴(15)外圆柱段中部开键槽，并通过设置在键槽内的导向键(18)与旋转轴滑套(14)的内孔连接；轴承座(17)与旋转轴滑套(14)外圆通过轴承连接；轴承座(17)的外圆下端与过渡框(2)连接；涡轮及蜗杆消隙结构部分中的涡轮(13)设有中空内孔井与导向轴结构部分中的旋转轴滑套(14)外圆通过键连接，还与蜗杆结构部分的蜗杆(28)连接；蜗杆结构部分中的电机蜗杆座(31)穿过外框(3)与过渡框(2)的端面固定连接；Y轴向的位移与角度复合调节机构通过其轴承座(17)的下端外圆与过渡框(2)为过盈配合且固定连接在过渡框(2)上；Y轴向位移与角度调节辅助支撑机构含有：芯轴(40)、导向键(43)、滑套39、锁紧螺块38、轴承(37a、37b)及轴承座(36)，其连接关系为：在Y方向的轴线下面的矩形镜框(1)下方设置有圆形的芯轴(40)，芯轴(40)与Y轴心重合，芯轴(40)的上端圆柱面上设置有Y向导向键槽，通过设置在导向键槽内的导向键(43)连接在镜框(1)相应位置处的导向键槽内；在芯轴(40)外圆下端固定安装滑套(39)，滑套(39)外圆柱上背对设置两个轴承(37a、37b)，轴承(37a)的外圈用锁紧螺块(38)的外螺纹锁紧在轴承座(36)下端的内螺纹孔内，内圈用锁紧螺块(44)的内螺纹锁在滑套(39)的下端的外螺纹上，轴承(37b)通过滑套(39)和轴承座(36)内孔的台阶固定，并靠自重压紧内、外圈。轴承座(36)通过过盈配合固定设置在过渡框(2)上，轴承座(36)与外框(3)为大间隙；Y轴向的位移与角度调节辅助支撑机构通过导向键(43)连接在矩形镜框(1)相应位置的导向键槽内。
3.根据权利要求1所述的一种五自由度激光聚焦透镜调整架，其特征在于：在过渡框(2)和外框(3)上设置有与Y轴向的位移与角度复合调节的结构相同的X轴向的位移与角度复合调节机构，还设置有与Y轴向的位移与角度调节辅助支撑的结构相同的X轴向的位移与角度调节辅助支撑机构。
4.根据权利要求1所述的一种五自由度激光聚焦透镜调整架，其特征在于：在X轴向右端，以X轴向的位移与角度调节辅助支撑机构的芯轴(40)为轴心对称设置有X向回程消隙弹簧(42)，并通过销(41)分别固定在过渡框(2)和外框(3)上。
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