大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大行程快速移动装置

1.大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大行程快速移动装置，其特征在于，该装置包括X轴运动单元、龙门架、Y轴运动单元和承载框体(9)；
X轴运动单元包括X轴伺服电机(1)、X轴移动导轨(2)、气浮垫(3)和承重板(4)；
X轴伺服电机(1)固定在带动X轴移动导轨(2)框架的一端，X轴伺服电机(1)带动X轴移动导轨(2)在X轴方向直线移动，X轴移动导轨(2)上设有导轨滑台，承重板(4)固定在所述导轨滑台上，X轴移动导轨(2)带动导轨滑台移动，多个气浮垫(3)均匀设置在承重板(4)的下侧，用于卸载承重板(4)的向下的压力；承重板(4)的材料为2Cr13；龙门架包括两根立柱(10)、Y轴伺服电机(12)、顶盖(13)、龙门竖板(14)、龙门横板(15)和龙门肋板(18)；
两根立柱(10)和龙门横板(15)构成龙门架结构，龙门横板(15)的两个长边的上表面固定有两块龙门竖板(14)，所述龙门竖板(14)为梯形板，龙门肋板(18)为下侧开口的U型框，两块龙门竖板(14)、龙门肋板(18)和龙门横板(15)围成密闭结构；
Y轴运动单元包括两根Y轴运动导轨(11)和Y轴伺服电机(12)；
两根Y轴运动导轨(11)分别固定在两根立柱(10)的内侧，两根Y轴运动导轨(11)的内侧均固定有导轨滑台，Y轴伺服电机(12)带动其中一根Y轴运动导轨(11)上下移动，承载框体(9)的左右两个边框均固定在两根Y轴运动导轨(11)的导轨滑台上，承载框体(9)的左右两个侧板的内侧均固定有一个夹具锁紧块(16)；
利用公式(1)：

计算X轴移动导轨(2)运动所需最大驱动扭矩的具体数值；式中M为驱动扭矩(N·m)，m为负载质量(kg)，f为直线导轨动摩擦因数，v为匀速运动速度(m/s)，s为加速距离(m)，P为丝杠导程(m)，η为驱动效率，MBA为最大阻力矩(N·m)。
2.利用权利要求1所述的大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大行程快速移动装置，其特征在于，X轴运动单元还包括钣金箱体上盖(5)、钣金箱体下槽(6)和出线箱(7)；
钣金箱体下槽(6)固定在X轴移动导轨(2)的两侧，钣金箱体上盖(5)扣在X轴移动导轨(2)和钣金箱体下槽(6)上，钣金箱体上盖(5)与钣金箱体下槽(6)之间为走线槽，出线箱(7)设置在钣金箱体下槽(6)的外侧，出线箱(7)的出线口对准所述走线槽。
3.根据权利要求1或2所述的大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大行程快速移动装置，其特征在于，承载框体(9)上设有两个限位块(17)，所述两个限位块(17)均固定在承载框体(9)下框板的上侧，所述两个限位块(17)用于限定待修复器件的位置。
4.根据权利要求1或2所述的大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大行程快速移动装置，其特征在于，承载框体(9)下侧固定有肋板(19)。
5.根据权利要求1所述的大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大行程快速移动装置，其特征在于，X轴移动导轨(2)的行程为1500mm。
6.根据权利要求1所述的大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大行程快速移动装置，其特征在于，Y轴运动导轨(11)的行程为500mm。

大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大行程\n快速移动装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种二维大行程快速移动装置。\n背景技术\n[0002] 随着化石能源的日益枯竭，核聚变能以其取之不尽又清洁的优点，成为人类最理想的未来能源。具有优良光学特性的熔石英作为强激光输出的核心光学元件，在惯性约束核聚变装置中起着重要作用。然而，在超精密加工及激光打靶过程中，熔石英表面易产生微裂纹或烧蚀等形式的微缺陷点。若不采取措施及时处理，这些微缺陷点会在后续的激光打靶过程中不断增长，最终导致整个光学元件的损坏。为了提高熔石英光学元件的使用寿命，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)采用“循环策略”：当光学元件发生初始损伤时，即进行激光修复处理，经过处理后的微缺陷轮廓相对光滑，能够显著延缓微缺陷尺寸的增长，大幅度的提高元件的使用寿命。\n[0003] 在对光学元件进行激光修复过程中，也面临到许多问题：\n[0004] 首先，修复三工位的集成。LLNL实验室的光学元件表面微缺陷修复是在于缺陷检测分析、紫外激光预处理、红外激光修复等三部分是分开实现的，它成本较高，且分开实现时需要多次装夹该光学元件，带来了零件的多次装夹误差等问题。因此需要一种多工位集成的二维大行程移动装置，以实现光学元件在一台设备上三个工位的全口径处理；\n[0005] 第二，修复效率。LLNL提出，国家点火设施(NIF)单次点火所产生的能量足够全美国使用30秒，即每个光学元件至少每30秒被激光照射一次。根据修复实验的数据，进行修复后的缺陷点平均能再承受500次的点火之后又需要再次修复，故需要在四个小时内完成光学元件从光路中卸下进行扫描、分析、修复，并重新安装到光路的过程。因此，需要一套二维大行程快速移动装置，以实现光学元件的快速扫描和修复；\n[0006] 第三，激光装置水平出光要求。由于三工位的集成，紫外激光和红外激光两套激光器及其光学组件较为庞大，激光系统理想的工作状态是将其水平安置在精密光学平台上，因此，二维移动平台需要垂直放置。\n[0007] 基于以上三种条件要求，本发明设计了一套垂直放置的二维大行程快速移动装置，用于实现光学元件的扫描检测、紫外激光预处理和红外激光处理三工位的集成，并且能实现垂直放置的二维运动平台对光学元件的全口径快速处理。\n发明内容\n[0008] 本发明是为了解决现有光学元件进行激光修复过程中二维大行程快速移动装置三工位的移动速度慢和多次装夹带来的安装误差等问题，提出了一种大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大行程快速移动装置。\n[0009] 本发明所述的大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大行程快速移动装置，该装置包括X轴运动单元、龙门架、Y轴运动单元和承载框体；\n[0010] X轴运动单元包括X轴伺服电机、X轴移动导轨、气浮垫和承重板；X轴伺服电机固定在带动X轴移动导轨框架的一端，X轴伺服电机带动X轴移动导轨在X轴方向直线移动，X轴移动导轨上设有导轨滑台，承重板固定在所述导轨滑台上，X轴移动导轨带动导轨滑台移动，多个气浮垫均匀设置在承重板的下侧，用于卸载承重板的向下的压力；\n[0011] 龙门架包括两根立柱、Y轴伺服电机、顶盖、龙门竖板、龙门横板和龙门肋板；\n[0012] 两根立柱和龙门横板构成龙门架结构，龙门横板的两个长边的上表面固定有两块龙门竖板，所述龙门竖板为梯形板，龙门肋板为下侧开口的U型框，两块龙门竖板、龙门肋板和龙门横板围成密闭结构；\n[0013] Y轴运动单元包括两根Y轴运动导轨和Y轴伺服电机；\n[0014] 两根Y轴运动导轨分别固定在两根立柱的内侧，两根Y轴运动导轨的内侧均固定有导轨滑台，Y轴伺服电机带动其中一根Y轴运动导轨上下移动，承载框体的左右两个边框均固定在两根Y轴运动导轨的导轨滑台上，承载框体的左右两个侧板的内侧均固定有一个夹具锁紧块。\n[0015] 该装置为大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大行程快速移动装置，X轴运动单元为高精度直线移动轴，在水平方向移动，Y轴运动单元也为高精度直线移动轴，在竖直方向上移动。这样组成垂直放置的二维直线移动平台，进行闭环补偿后，在多轴控制器、驱动器和光栅构成的控制系统下进行联动，可实现高精度运动，每个方向上的定位精度均优于20μm。同时为了减小X轴负载，在龙门架下均匀分布四个气浮垫，用于卸荷，用调节螺杆可调节卸荷力。安装于Y轴导轨上的承载框体，用于安装装载大口径光学元件的夹具，从而实现光学元件在竖直方向的高精度快速移动，以提升光学元件表面缺陷检测和修复的效率和自动化水平，推动修复实验快速转化为工程应用。\n[0016] 优点：\n[0017] (1)该装置为实现大口径光学元件表面微缺陷扫描检测、紫外预处理和红外激光修复的三工位集成提供了高精度二维运动平台；\n[0018] (2)该装置实现大口径光学元件的垂直放置，有利于激光器的水平出光要求；\n[0019] (3)该装置采用四个对称分布的气浮垫，在0.4MPa气压下可卸荷600Kg；\n[0020] (4)该装置对龙门架承重板的结构进行了优化设计，采用2Cr13，在气路系统失效的条件下，Z向形变17.9μm，仍能满足精度要求；\n[0021] (5)该装置为高精度二维大行程快速移动装置，X方向行程1500mm，Y方向行程\n500mm，闭环补偿后精度均优于20μm。\n附图说明\n[0022] 图1为具体实施方式一所述的X轴运动单元的结构示意图；\n[0023] 图2为本发明所述大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大行程快速移动装置的结构示意图；\n[0024] 图3为图1的侧视图；\n[0025] 图4为X轴运动单元的安装结构示意图；\n[0026] 图5为重力作用下滑块受力情况；\n[0027] 图6为加速度下滑块受力情况示意图；\n[0028] 图7为导轨寿命估计曲线图；\n[0029] 图8为7075铝合金材质的承重板形变仿真图；\n[0030] 图9为2Cr13材质的承重板形变仿真图；\n[0031] 图10为经减重的2Cr13材质的承重板形变仿真图；\n[0032] 图11为上侧或下侧单侧增加加强筋形变的承重板形变仿真图；\n[0033] 图12为上下双侧增加加强筋的承重板形变仿真图；\n[0034] 图13为承重板双侧增加加强筋的情况下龙门结构静态应力仿真图；\n[0035] 图14为承重板双侧增加加强筋的情况下龙门结构在加速状态的应力仿真图。\n具体实施方式\n[0036] 具体实施方式一、结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述的大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大行程快速移动装置,该装置包括X轴运动单元、龙门架、Y轴运动单元和承载框体9；\n[0037] X轴运动单元包括X轴伺服电机1、X轴移动导轨2、气浮垫3和承重板4；X轴伺服电机\n1固定在带动X轴移动导轨2框架的一端，X轴伺服电机1带动X轴移动导轨2在X轴方向直线移动，X轴移动导轨2上设有导轨滑台，承重板4固定在所述导轨滑台上，X轴移动导轨2带动导轨滑台移动，多个气浮垫3均匀设置在承重板4的下侧，用于卸载承重板4的向下的压力；\n[0038] 龙门架包括两根立柱10、Y轴伺服电机12、顶盖13、龙门竖板14、龙门横板15和龙门肋板18；\n[0039] 两根立柱10和龙门横板15构成龙门架结构，龙门横板15的两个长边的上表面固定有两块龙门竖板14，所述龙门竖板14为梯形板，龙门肋板18为下侧开口的U型框，两块龙门竖板14、龙门肋板18和龙门横板15围成密闭结构；\n[0040] Y轴运动单元包括两根Y轴运动导轨11和Y轴伺服电机12；\n[0041] 两根Y轴运动导轨11分别固定在两根立柱10的内侧，两根Y轴运动导轨11的内侧均固定有导轨滑台，Y轴伺服电机12带动其中一根Y轴运动导轨11上下移动，承载框体9的左右两个边框均固定在两根Y轴运动导轨11的导轨滑台上，承载框体9的左右两个侧板的内侧均固定有一个夹具锁紧块16。\n[0042] 本实施方式所述的二维大行程快速移动装置主要由五个部分组成：X轴运动单元，龙门架，Y轴运动单元，承载框体，气浮模块；X轴运动单元包括X轴伺服电机、X轴移动导轨和承重板，实现X轴方向的高精度直线运动，其行程为1500mm，闭环补偿后定位精度优于20μm；\n龙门架包括两根大理石立柱、龙门横板、两块龙门竖板和龙门肋板，龙门架立于X轴运动单元的承重板上，使用内六角圆柱头螺钉进行紧固连接，龙门架为Y轴运动提供了一个稳定的基座；Y轴运动单元包块两根Y轴移动导轨和一个Y轴伺服电机，其中一根导轨装有伺服电机，做主动轴，另一根导轨做被动轴，分别安装于两根大理石立柱上，实现Y轴垂直运动，其行程为500mm，闭环补偿后定位精度优于20μm；承载框体分左右两个安装面，分别安装于Y轴运动单元的主动轴和被动轴上，其包括框体上板、框体下板、框体左侧板、框体右侧板和夹具锁紧块，其作用是安装光学元件夹具，从而实现光学元件的二维大行程快速移动；4个气浮模块分布于承重板的四角，对称安装，用于X轴运动的卸荷，提高X轴导轨的使用寿命。\n[0043] 为了保证整个装置的精度，Y轴立柱采用大理石材料，吸收在运动过程中的振动，但同时却大大地增加了X轴的负载，鉴于此种情况给出了如下解决方案：首先是增加气浮模块，理论上4个气浮块在0.4MPa的高压气体下可提供600Kg的支持力，达到卸荷目的；由于供压不稳，可能会导致卸荷失效，因此通过优化承重板，来保证即使气路出现故障，整个装置也能正常工作满足精度要求，因此通过采用2Cr13材料，并加入加强筋，使得Z向形变为17.9μm，达到精度要求。\n[0044] 具体实施方式二、结合图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大行程快速移动装置的进一步说明，X轴运动单元还包括钣金箱体上盖5、钣金箱体下槽6和出线箱7；\n[0045] 钣金箱体下槽6固定在X轴移动导轨2的两侧，钣金箱体上盖5扣在X轴移动导轨2和钣金箱体下槽6上，钣金箱体上盖5与钣金箱体下槽6之间为走线槽，出线箱7设置在钣金箱体下槽6的外侧，出线箱7的出线口对准所述走线槽。\n[0046] 本实施方式所述的钣金箱体上盖5、钣金箱体下槽6和出线箱7用于进行机电一体化操作放置电子设备和布线使用。\n[0047] 具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一或二所述的大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大行程快速移动装置的进一步说明，承载框体9上设有两个限位块17，所述两个限位块17均固定在承载框体9下框板的上侧，所述个限位块17用于限定待修复器件的位置。\n[0048] 本实施方式所述的限位块用于调节、固定光学器件的位置。\n[0049] 具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一所述的大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大行程快速移动装置的进一步说明，承载框体9下侧固定有肋板19。\n[0050] 本实施方式所述的肋板用于增啊驾承重框体的稳定性。\n[0051] 具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式一所述的大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大行程快速移动装置的进一步说明，承重板4的材料为\n2Cr13。\n[0052] 具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式一所述的大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大行程快速移动装置的进一步说明，X轴移动导轨2的行程为\n1500mm。\n[0053] 具体实施方式七、本实施方式是对具体实施方式一所述的大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大行程快速移动装置的进一步说明，Y轴运动导轨11的行程为500mm。\n[0054] 本发明所述装置中包括X轴导轨和龙门架两个关键部件，均需要对其进行校核。\n[0055] (1)X轴驱动力及承载校核：\n[0056] X轴平台为10mm导程的滚珠丝杠，其最大线速度为300mm/s，在该装置中只要求其能够达到150mm/s即可，所能承受的最大轴向力为200kgf，可以算出其所能承受的最大扭矩为3.539N·m。在光学元件按一定扫描速度匀速运动的前后，都有一个加减速过程，且加减速的行程越小越好。但是加速行程越小，匀速速度越高，其加速度越大，轴向驱动力越大。由于X轴承载600kg的负载，提供如此大的加速度，极有可能超过滚珠丝杠所能承受的最大扭矩，故需要对合理的加速行程及匀速速度进行计算。\n[0057] 推导公式如(1)所示：\n[0058]\n[0059] 式中M——驱动扭矩(N·m)\n[0060] m——负载质量(kg)\n[0061] f——直线导轨动摩擦因数\n[0062] v——匀速运动速度(m/s)\n[0063] s——加速距离(m)\n[0064] P——丝杠导程(m)\n[0065] η——驱动效率\n[0066] MBA——最大阻力矩(N·m)\n[0067] 根据公式(1)在合理范围内离散选取数组加速距离与匀速速度值进行组合，计算运动所需最大驱动扭矩的具体数值。代入加速位移分别为5mm、10mm、20mm、30mm、50mm，匀速速度分别为50mm/s、100mm/s、150mm/s，由此建立起滚珠丝杠扭矩与加速距离和运动速度之间的数值关系，如表1所示。\n[0068] 表1滚珠丝杠扭矩与加速距离和运动速度关系(单位N·m)\n[0069]\n[0070] 由表可以看出，当滚珠丝杠线速度为150mm/s，加速行程为5mm时，扭矩已超出额定值，在此状态下工作会对滚珠丝杠的性能及寿命产生不良影响，甚至引发安全事故，应极力避免。采用工作状态下的匀速运动速度为150mm/s，加减速行程为10mm，以下对该状态下滚珠丝杠及伺服电机进行校核，结果如下：\n[0071] a承载力：未加气浮支撑时，X轴实际承载600kg重量，小于其额定承载重量1470kg；\n[0072] b)加速度：实际平均加速度为1.125m/s2，小于额定最大加速度3m/s2；\n[0073] c)速度：实际最大运行速度150mm/s，小于额定最大速度300mm/s；\n[0074] d)扭矩：实际工作扭矩为2.87N·m，小于滚珠丝杠最大扭矩3.54N·m，远小于伺服电机最大输出扭矩。\n[0075] 同时，导轨寿命与滑块工作载荷有关，通过构建如图7所示的寿命估计模型对X轴滚珠丝杠的寿命进行了估计：\n[0076] 当X轴处于静止或者匀速运动阶段，承重板仅受重力作用，图5为重力作用下滑块受力情况示意图和图6为加速度下滑块受力情况示意图所示，在重力作用下每个滑块受力情况可根据式(2)算出：\n[0077]\n[0078] 式中L——集中载荷的质量(kg)；\n[0079] d1——每根导轨上两轴承间的跨距(mm)；\n[0080] d2——两根导轨的间距(mm)；\n[0081] d3——平行于导轨方向载荷距离载物台中心的距离(mm)；\n[0082] d4——垂直于导轨方向载荷距离载物台中心的距离(mm)。\n[0083] 可得重力施加时，各滑块受力情况为：\n[0084] P1′＝P2′＝P3′＝P4′＝150kg\n[0085] 当X轴在加速或减速过程，导轨还将承受由载荷惯性力作用所产生的扭矩，如图6所示。惯性力作用下每个滑块受力情况可通过构建转矩平衡方程得到：\n[0086] P1″＝P3″＝125kg；P2″＝P4″＝-125kg\n[0087] 最后将两种情况每个滑块的受力进行矢量合成，得到每个滑块所受合力为：\n[0088] P1＝P3＝P'1+P″1＝P'3+P″3＝150+125＝275kg\n[0089] P2＝P4＝P'2+P″2＝P'4+P″4＝150-125＝25kg\n[0090] 加速阶段1号和3号轴承受力最大，由于运动过程加速度的对称性可知，减速阶段2号和4号滑块受力最大，因此以四个滑块的最大受力来估计其寿命。\n[0091] 如图7导轨寿命估计曲线，若滑块始终在最大载荷下运行，可连续工作40万km。实际上，仅在加减速阶段达到最大载荷，故其寿命会增长。此处需要说明的是，由于考虑到若气动系统出线故障不能正常提供支撑时，X轴能够独立承受负载自重，以上分析均未施加四角的气浮支撑。正常工作中采用气浮支撑，起到卸载作用，其寿命会显著增长。\n[0092] 2龙门结构校核及优化：\n[0093] 龙门结构是整个平台体积、质量最大，且运动速度要求最快的部件，为了保证其稳定安全地工作，对其进行校核及优化是十分必要的。\n[0094] 通过直观判断，两侧立柱刚度较大，且所受载荷较小，而承重板承受载荷较大，变形主要发生在承重板上，故以下将对承重板进行分析。在设计初期，承重板选用40mm厚7075铝合金，采用有限元分析软件ANSYS Workbench对其进行形变分析。对承重板与导轨滑台接触面施加六自由度位移约束，对两侧立柱接触面各施加150kg的法向压力，获得Z向位移云图，其最大位移处于两端，为72.5μm，形变较大。后采用2Cr13材质，通过分析发现，其Z向最大位移为34.5μm，形变得到显著降低。由于结构限制，承重板不能做得很厚，因此在相同厚度下选择2Cr13较7075合适。但是材料的改变导致承重板自重增加了一倍多，需进行减重处理。经减重的承重板其Z向最大位移为40.8μm，属于可接受范围。采用Ansys Workbench有限元分析软件仿真结果如图8、9和10所示的不同材料的承重板形变仿真图。\n[0095] 承重板的上方和下方两侧均有可利用空间，因此通过在适当位置布置合理走向的加强筋的方式对承重板进行进一步结构优化。在下面两侧增加宽20mm厚40mm的加强筋后，其Z向变形为21.6μm。在上下面两侧均增加加强筋后，其Z向变形为17.9μm。考虑变形可接受程度以及加工成本，最终选择只在下面两侧增加加强筋。如图11单侧增加加强筋形变的承重板形变仿真和图12双侧增加加强筋形的承重板形变仿真变所示。\n[0096] 承重板的设计与优化之后，将龙门结构进行组装。对龙门结构静止状态只受重力作用下的应力和额定加速度下的状态下的应力进行仿真，两种情况的最大应力均产生在承重板上，分别为13.5MPa和18.4MPa，如图13和14所示，远小于2Cr13的应力极限。以上仿真分析均未施加四角的气浮支撑，若气动系统出现故障不能正常提供支撑时，承重板能承受龙门结构的自重。正常工作中采用气浮支撑，其Z向最大位移及最大应力可以进一步降低。