一种大径厚比光学元件的多功能夹持系统的制作方法

本发明涉及一种大径厚比光学元件的多功能夹持系统，属于机械设计及力学分析技术领域。

背景技术：

大型和超大型光学系统中，使用了大量的大口径光学元件，一般径厚比大于40，容易发生变形，影响到系统的光学性能。传统的夹持方式针对这种大口径光学元件通常采用密封胶条等非金属柔性材料作为与光学元件的直接接触元件。然而，该类非金属材料在高功率密度激光光路中极易产生分解，分解产生的大量微小颗粒将造成光路的严重污染，破坏光路系统的高洁净环境。

高功率密度光学系统对其光路中的巨量大径厚比光学元件具有高面型精度以及高洁净度的严格要求。由于夹持元件导致的应力集中对面型和稳定性的威胁是该领域的巨大挑战。

因此，为解决高功率密度光学系统中大径厚比大径厚比光学元件面型精度与洁净度之间的矛盾，亟需设计一种基于金属材料且满足夹持要求的大径厚比大径厚比光学元件多功能夹持系统。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种大径厚比光学元件的多功能夹持系统，系统采用简单易行的结构以弹性夹持、多自由度自适应调节以及压紧力测量相结合的方式，实现对大径厚比光学元件高面型质量的多功能夹持。

一种大径厚比光学元件的多功能夹持系统，该夹持系统包括元件框、光学元件、夹持模块和压紧螺钉；

所述光学元件通过夹持模块的固定在元件框内，夹持模块通过压紧螺钉固定在元件框上，所述夹持模块通过夹持模块安装面与元件框固定连接，所述夹持模块的光学元件接触面与光学元件的表面接触并传递压力，夹持模块能够实现光学元件接触面相对于夹持模块安装面在x轴方向转动、y轴方向转动以及z轴方向平动三个自由度的自适应调节，进而保证夹持模块的光学元件接触面与光学元件时刻处于面接触的状态。

进一步地，所述夹持模块为一体化的立体三维结构，令夹持模块的长、宽和高三个方向分别为x、y和z；主体包括浮动基块、外y轴变形梁、内y轴变形梁、z字浮动块、两个夹持模块支撑块、x轴弹性转轴和z向变形梁；

所述z向变形梁位于所述夹持模块支撑块的上部，通过接受所述x轴弹性转轴上的z方向载荷可以使得所述z向变形梁与所述x轴弹性转轴接触的部分产生z方向上的位移；夹持模块安装面位于所述夹持模块支撑块的下表面，压紧螺钉安装面位于所述z向变形梁的上表面，压紧螺钉连接孔位于所述压紧螺钉安装面上且对称的位于所述x轴弹性转轴的两侧；所述浮动基块通过所述x轴弹性转轴与所述z向变形梁进行连接；所述x轴弹性转轴通过接受来自于所述浮动基块绕x轴的转矩可以实现所述浮动基块相对于z向变形梁在x方向的转动；上平面位于所述浮动基块的上表面；两个压紧螺钉通过孔沿y轴方向对称的布置于上平面上，其主要作用是在压紧螺钉安装的过程中能够通过所述浮动基块；线缆导出孔为贯穿于所述浮动基块的通孔，主要用于所述电阻应变片的电桥电路连续及其配套电源线的走线；所述z字浮动块通过所述外y轴变形梁和所述内y轴变形梁与所述浮动基块进行连接，电阻应变片分别位于所述外y轴变形梁和所述内y轴变形梁的内侧，主要用于感测所述外y轴变形梁和所述内y轴变形梁由于受到所述z字浮动块传递过来的外力而产生的变形，并将其转化为电信号供配套的测量系统进行分析、处理和测量；所述外y轴变形梁和所述内y轴变形梁用于感测来自所述z字浮动块的外力并产生绕y轴的形变，其合成的变形结果则是造成所述z字浮动块沿着光学元件法向方向平动而自适应的减少其沿着y轴方向的转动，并且由于此变形的中心对称性可以使得所述电阻应变片的数值一致，进而有效的保证测量电路的稳定性；所述z字浮动块为一个实心的z字形块体，用于将所述夹持模块与所述光学元件之间的相互作用力刚性的传递给所述外y轴变形梁和所述内y轴变形梁；所述光学元件接触面位于所述z字浮动块的下表面，该光学元件接触面为具有高平面度要求的小平面，用于所述夹持模块和所述光学元件进行接触安装。

有益效果：

1、在本发明采用的夹持模块支撑块和z向变形梁相结合的夹持模块固定方式，采用金属材料制造弹性结构替换了常规的无机非金属弹性元件，解决了这部分结构在高功率激光光路中实际应用过程中所遇到的高洁净度要求的难题。与此同时，通过本夹持模块固定方式的设计可以使得压紧螺钉在压紧过程的一定范围内压紧力与压紧的位移呈可控的线性关系，有效的避免了常规压紧方式中压紧力随压紧位移突变的现象，有利于实现对光学元件压紧力的有效控制。

2、在本发明采用的z向变形梁、x轴弹性转轴、外y轴变形梁和内y轴变形梁相结合的方式，能够实现光学元件接触面相对于夹持模块安装面在x轴方向的转动、y轴方向的转动以及z轴方向的平动等三个自由度的自适应调节，进而保证夹持模块的光学元件接触面与光学元件压紧面时刻处于面接触的状态，有效的避免常规安装方式中存在的线接触甚至点接触的现象发生，有利于控制光学元件面型。

3、在本发明采用的外y轴变形梁、内y轴变形梁、电阻应变片及其配套测量系统，能够实现夹持模块对光学元件压紧过程中压紧力的实时测量，可以实现对光学元件各个压紧点上压紧力的定量控制。并且，由于外y轴变形梁和内y轴变形梁在变形过程中呈中心对称的特点，可以有效保证四个电阻应变片所采集到的应变值绝对值的一致性，有利于提高压紧力测量系统的稳定性

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的整体结构爆炸图；

图3为本发明的一个夹持模块结构示意图。

其中，1、压紧螺钉，2、夹持模块，3、元件框，4、光学元件，5、夹持模块安装螺纹孔，6、元件安装凹槽面，7、光学元件压紧面，8、夹持模块接触面，9、光学元件安装面，10、上平面，11、压紧螺钉通过孔，12、线缆导出孔，13、电阻应变片，14、外y轴变形梁，15、z字浮动块，16、内y轴变形梁，17、光学元件接触面，18、夹持模块支撑块，19、x轴弹性转轴，20、z向变形梁，21、压紧螺钉安装面，22、压紧螺钉连接孔，23、夹持模块安装面，24、浮动基块。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1所示，本发明提供了大径厚比光学元件的多功能夹持系统，该夹持系统包括一个元件框3、一个光学元件4、八个夹持模块2以及十六个压紧螺钉1。

如附图2所示的整体结构爆炸图，所述元件框3为一个外形为矩形的环状块体类零件，其上有一个夹持模块接触面8。所述夹持模块接触面8上四个边每边布置两对共八对夹持模块安装螺纹孔5，其中每一对夹持模块安装螺纹孔5对应一个夹持模块2。所述元件框3的内侧有一个元件安装凹槽面6，该元件安装凹槽面6为一个方形环状平面，用于安装光学元件4。所述光学元件4为一个矩形块状透明的薄板类零件，其包括一个光学元件安装面9和一个光学元件压紧面7。

如附图3所示的一个夹持模块结构示意图，所述一个夹持模块2为一个外形为t字形且在z轴方向上呈对称结构分布的三维块体类零件，其包括一个浮动基块24，一个上平面10，两个压紧螺钉通过孔11，一个线缆导出孔12，四个电阻应变片13，一个外y轴变形梁14，一个内y轴变形梁16，一个z字浮动块15，一个光学元件接触面17，两个夹持模块支撑块18，一个x轴弹性转轴19，一个z向变形梁20，两个压紧螺钉安装面21，两个压紧螺钉连接孔22以及两个夹持模块安装面23。所述z向变形梁20位于所述夹持模块支撑块18的上部，通过接受所述x轴弹性转轴19上的z方向载荷可以使得所述z向变形梁20与所述x轴弹性转轴19接触的部分产生z方向上的位移。所述夹持模块安装面23位于所述夹持模块支撑块18的下表面。所述压紧螺钉安装面21位于所述z向变形梁20的上表面。所述压紧螺钉连接孔22位于所述压紧螺钉安装面21上且对称的位于所述x轴弹性转轴19的两侧。所述浮动基块24通过所述x轴弹性转轴19与所述z向变形梁20进行连接。所述x轴弹性转轴19通过接受来自于所述浮动基块24绕x轴的转矩可以实现所述浮动基块24相对于所述z向变形梁20在x方向的转动。所述上平面10位于所述浮动基块24的上表面。所述两个压紧螺钉通过孔11沿y轴方向对称的布置于所述上平面10上，其主要作用是在压紧螺钉1安装的过程中能够通过所述浮动基块24。所述线缆导出孔12为贯穿于所述浮动基块24的通孔，主要用于所述电阻应变片13的电桥电路连续及其配套电源线的走线。所述z字浮动块15通过所述外y轴变形梁14和所述内y轴变形梁16与所述浮动基块24进行连接安装。所述电阻应变片13分别位于所述外y轴变形梁14和所述内y轴变形梁16的内侧，主要用于感测所述外y轴变形梁14和所述内y轴变形梁16由于受到所述z字浮动块15传递过来的外力而产生的变形，并将其转化为电信号供配套的测量系统进行分析、处理和测量。所述外y轴变形梁14和所述内y轴变形梁16主要用于感测来自所述z字浮动块15的外力并产生绕y轴的形变，其合成的变形结果则是造成所述z字浮动块15沿着光学元件4法向方向平动而自适应的减少其沿着y轴方向的转动，并且由于此变形的中心对称性可以使得所述电阻应变片13的数值一致，进而有效的保证测量电路的稳定性。所述z字浮动块15为一个实心的z字形块体，主要同于将所述夹持模块2与所述光学元件4之间的相互作用力刚性的传递给所述外y轴变形梁14和所述内y轴变形梁16。所述光学元件接触面17位于所述z字浮动块15的下表面，该光学元件接触面17为具有高平面度要求的小平面，主要用于所述夹持模块2和所述光学元件4进行接触安装。

所述光学元件4通过其光学元件安装面9与所述元件框3上的元件安装凹槽面6进行接触安装。所述每一个夹持模块2都是采用两个所述压紧螺钉1通过所述压紧螺钉连接孔22与所述元件框3上的夹持模块安装螺纹孔5进行螺纹连接安装的，所述夹持模块安装面23与所述夹持模块接触面8进行接触安装。所述夹持模块2通过其光学元件接触面17与所述光学元件4上的光学元件压紧面7进行接触安装。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。