一种用于高能激光束质量测量系统的多自由度装调机构的制作方法

本发明具体涉及一种用于高能激光束质量测量系统的多自由度装调机构，属于光学测量组件。

背景技术：

1、在高能激光束质量测量系统中，装调机构用于准直模块的安装与精密调节，需具备俯仰、偏摆、高度等多自由度调节功能，同时需具备良好的强度、刚度与结构稳定性，以保证准直模块与系统内其他光学模块的相对位置精度，减小测量误差，保障测量结果的准确性；如中国专利授权公告号：cn219714705u，公开的一种激光束质量因子m2测试装置，包括固定块、激光器、调节座、透镜座、光束质量分析仪和移动件，所述激光器连接在所述固定块上，该结构的x轴调节滑块滑动连接在调节座上，y轴支撑杆在x轴调节滑块的带动下进行移动，此结构可实现透镜座在x轴上的调整，使得光束质量分析仪、透镜座和激光器自动调整在同一水平直线上，提高测量精度；但该测试装置无法实现三轴调整；目前行业内常采用多层调节板叠加，并配合若干调节顶丝结构，实现多自由度调整，但该结构存在以下明显缺陷：首先，多层调节板叠加的结构形式导致机构整体刚度与稳定性差，在精密调节完成并静置后，光学模块间的相对位置易发生偏移；其次，调节顶丝尺寸普遍较小，易造成被顶零件应力集中，产生塑性变形；再次，承重能力弱，仅能承载几千克的重量，无法满足重型光学模块的精密装调需求；最后，整体尺寸偏小，无法适配大尺寸光学模块的安装固定要求。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提出了一种用于高能激光束质量测量系统的多自由度装调机构，能够满足高能激光束质量测量系统对装调机构强度、刚度、结构稳定性等力学性能的要求和多自由度精密调节的需求。

2、本发明的用于高能激光束质量测量系统的多自由度装调机构，包括：

3、调整上板，所述调整上板的上表面为光学模块安装面，所述调整上板上开设有用于安装光学模块的孔列；所述调整上板上表面一体制成有三组上凸台；三组所述上凸台呈三角状布置且顶面为共面结构；所述上凸台中心处开设有上限位孔；

4、调整下板，所述调整下板设置于调整上板正下方；所述调整下板的上表面正对上凸台一体制成有三组共面的下凸台；所述调整下板三边开设有长条状的腰孔，所述调整下板通过腰孔固定到光学平台；所述下凸台中心处开设有下限位孔；

5、地脚支撑调节组件；所述地脚支撑调节组件包括三个地脚运动螺母和地脚球头螺钉；所述地脚球头螺钉的下部为球头体，所述地脚球头螺钉的上部一体制成有第一外螺纹段，每个所述地脚运动螺母固定到一个所述上凸台顶面；每个所述下凸台顶面固定有一个地脚底座；所述地脚底座内侧一体制成有45°的底座倒角面，所述第一外螺纹段与地脚运动螺母旋接构成螺纹副；所述地脚球头螺钉的球头体与底座倒角面抵接构成球面副；所述地脚球头螺钉上穿过有地脚锁紧螺母，所述地脚锁紧螺母与地脚底座螺纹配合，用于锁紧或松开所述地脚球头螺钉的球头体；本发明的用于高能激光束质量测量系统的多自由度装调机构，结构简单、操作便捷，整体质量仅为5.9kg，可承载30kg以内、外形尺寸长宽在300mm×300mm以内的光学模块，适配性强；机构通过球面副与螺纹副的配合实现多自由度精密调节，调节范围覆盖俯仰、偏摆与高度方向，满足高能激光束质量测量系统的装调需求；同时机构整体具备良好的强度、刚度与结构稳定性，调节完成锁紧后可长期保持光学模块的相对位置精度，有效减小测量误差，保障测量结果的可靠性。

6、进一步地，所述调整上板由铝合金材料制成，所述孔列为等间距分布的若干个m4螺纹孔，所述m4螺纹孔内镶有钢丝螺套；所述上凸台为矩形凸台，所述上凸台中心处设有直径30mm的限位孔，所述地脚运动螺母下部与所述限位孔嵌合；所述上凸台沿直径40mm圆周均布多个m4的第一螺纹孔，三个所述上凸台中心连线构成内角为45°、67.5°和67.5°的等腰三角形。

7、进一步地，所述调整下板由铝合金材料构成，所述下凸台为矩形凸台，且中心处设有直径40mm的限位孔，所述地脚底座下部与所述限位孔嵌合；所述下凸台沿直径60mm圆周均布多个m4的第二螺纹孔，三个所述下凸台中心连线构成内角为45°、67.5°和67.5°的等腰三角形；所述腰孔的上表面和下表面均一体制成有腰形凸台，所述腰形凸台与下凸台共面；所述腰孔两端内径8mm、中心距100mm，所述腰形凸台外径25mm、中心距100mm。

8、进一步地，所述地脚底座由不锈钢材料制成，所述地脚底座内侧开设有上部中心孔和下部中心孔；所述底座倒角面设置于上部中心孔和下部中心孔之间，所述上部中心孔的孔径为35mm，所述下部中心孔的孔径为13mm，所述底座倒角面内表面粗糙度ra1.6μm；所述地脚底座上部设有m45的外螺纹，螺距1mm，所述地脚底座的外螺纹与所述地脚锁紧螺母的内螺纹配合；所述地脚底座下部外径40mm，并与下限位孔嵌合；所述地脚底座上沿直径60mm圆周均布多个直径4.5mm的通孔，并通过m4螺钉固定于调整下板顶面。

9、地脚底座下部嵌入调整下板的下限位孔，通过m4螺钉穿过通孔固定在下凸台；底座倒角面与地脚球头螺钉的球头抵接构成球面副，为球头提供摆动支撑面；上部外螺纹与地脚锁紧螺母旋合，通过螺纹传动带动锁紧螺母轴向移动；不锈钢材质具备高强度、高耐磨性与高抗变形能力，满足重型载荷与长期使用需求；上下孔径与45°倒角的精准尺寸配合，保证球面副的接触精度与摆动自由度；ra1.6的低粗糙度表面降低球头摆动时的摩擦阻力，减少磨损；m45螺纹副承载能力强，锁紧时受力均匀，保证锁紧可靠性。

10、进一步地，所述地脚锁紧螺母由不锈钢材料构成，所述地脚锁紧螺母外径55mm，上部中心孔径24mm；所述地脚锁紧螺母上端设有三道倒角，分别为45°的第一扩径倒角面、45°的第二缩径倒角面、19.3°的第三缩径倒角面；所述地脚锁紧螺母下部开设有m45的内螺纹，螺距1mm，所述地脚锁紧螺母的内螺纹与地脚底座的外螺纹组成螺纹副；旋动地脚锁紧螺母时，所述第二缩径倒角面与地脚底座的底座倒角面共同抱紧或松开球头螺钉的球头体。

11、地脚锁紧螺母套在脚球头螺钉外侧，通过内螺纹与地脚底座的外螺纹旋合；正向旋动锁紧螺母时，地脚锁紧螺母轴向下行，第二缩径倒角面逐渐贴近底座倒角面，从侧上方挤压球头实现抱紧锁定；反向旋动时螺母上行，倒角面脱离球头解除锁定；不锈钢材质保证锁紧结构的强度与抗滑牙性能；双45°倒角的楔形抱紧结构，可将螺纹的轴向力转化为径向抱紧力，锁紧力大且自锁性好。

12、进一步地，所述地脚运动螺母由不锈钢材料制成，中心开设有m20的内螺纹，螺距1mm；所述地脚运动螺母上部外圆的直径50mm，并沿直径40mm圆周均布多个直径4.5mm的沉头孔，沉头直径8mm、深度5mm，并通过m4沉头螺钉固定于调整上板顶面；所述地脚运动螺母下部外圆直径30mm，并与上限位孔嵌合；

13、地脚运动螺母下部嵌入上板的上限位孔实现径向限位，m4沉头螺钉穿过沉头孔将地脚运动螺母紧固在上凸台顶面；地脚球头螺钉的外螺纹与该内螺纹旋合，转动球头螺钉时，螺纹副将旋转运动转化为轴向直线运动，带动调整上板升降或倾斜；不锈钢材质保证螺纹副的耐磨寿命与承载能力；m20×1mm的细牙螺纹可实现高精度微调，调节分辨率高，适配光学装调的精密性要求。

14、进一步地，所述地脚球头螺钉由不锈钢材料构成，所述地脚球头螺钉上部包括一体制成的第一圆柱段和第二圆柱段；所述第一圆柱段外径18mm、高度10mm，所述第一圆柱段端面开设有内切圆直径5mm的正六边形孔，深度5mm；所述第一圆柱段上部径向设有直径6.5mm的通孔；所述第一外螺纹段开设于第二圆柱段上，所述第一外螺纹段的螺距1mm、高度33mm，所述第一外螺纹段与地脚运动螺母的内螺纹配合；所述球头体直径30mm，表面粗糙度ra1.6µm；调节时，可将内六角扳手插入正六边形孔，或将杆状扳手穿入径向调位通孔，旋动球头螺钉；螺纹副将旋转运动转化为轴向位移，球头在底座倒角面内自适应摆动，支撑调整上板完成高度与角度变化；不锈钢材质保证球头体的表面硬度与耐磨性能，同时具备足够的抗剪强度；操作灵活性强；33mm的第一外螺纹段长度提供了充足的调节行程余量。

15、进一步地，所述调整上板以所述调整下板作为基准面，所述调整上板的调节范围为：俯仰角±2.5°，偏摆角±3°，高度调节量±6mm；同步升降三个地脚球头螺钉时，实现整体高度方向的±6mm调节；单独升降单侧球头螺钉时，配合另外两点的支撑，分别实现绕x轴的±2.5°俯仰调节、绕y轴的±3°偏摆调节；该调节范围能够精确匹配高能激光束质量测量系统中准直模块的常规装调需求，覆盖了光路校准所需的角度与高度调整余量；在满足使用要求的前提下控制了机构的整体尺寸与重量，同时保证三点支撑始终处于稳定受力区间。

16、进一步地，所述球面副与螺纹副的配合面处涂覆有润滑脂；机构试装无误后，在球头体与底座倒角的配合面、螺纹副的啮合面均匀涂抹润滑脂；调节过程中，润滑脂在配合面间形成油膜，能够降低运动副的摩擦系数，调节操作更省力顺滑；减少配合面的磨损，延长机构使用寿命与精度保持性；避免金属干摩擦产生的卡顿、爬行现象。

17、进一步地，所述调整上板内部嵌有均温水冷结构；所述均温水冷结构包括钎焊于孔列间隙之间的蛇形冷却水道，所述蛇形冷却水道两端连接到调整上板侧面的进水口与出水口；所述进水口与出水口接入到外置恒温水冷循环系统。在所述调整上板的内部、且位于光学模块安装面的下方，一体加工有连续的蛇形冷却水道；蛇形冷却水道沿调整上板的矩形轮廓呈回折式布设，完整覆盖光学模块的安装投影区域；蛇形冷却水道截面为矩形，宽6mm、深4mm，蛇形冷却水道外壁距安装面的距离为8mm，保证安装面的结构强度不受影响；调整上板的同一侧侧面加工有进水口与出水口，均为m6内螺纹接口，可配套标准快插接头外接恒温水冷机组（外置恒温水冷循环系统）；蛇形冷却水道内壁做硬质阳极氧化处理，形成防腐耐磨保护层；三组上凸台对应位置的水道做避让设计，沿上凸台外侧绕行，不与上凸台的上限位孔、螺纹孔发生结构干涉；工作过程机构装调完成并接入，高能激光束质量测量系统后，将进水口、出水口通过管路接入外置恒温水冷循环系统，设定与实验室环境一致的基准温度；冷却水在蛇形水道内匀速流动，均匀带走调整上板因吸收高能激光辐射、环境热传导而积聚的热量，使调整上板整体维持均匀的恒定温度，避免因温度梯度产生的板面翘曲与尺寸变形，保证光学模块安装面的平面度与相对位置精度。

18、进一步地，所述调整上板的上表面嵌装有高精度陀螺仪模块；所述陀螺仪模块的检测基准面与光学模块安装面相平行，其测量轴与装调机构的x、y、z轴一一对应；用于实时采集调整上板的俯仰角、偏摆角与振动数据；所述陀螺仪模块接入信号连接器，对外输出姿态数据。

19、与现有技术相比，本发明的用于高能激光束质量测量系统的多自由度装调机构，具有以下优点：

20、1、结构简单、操作便捷，整体质量仅为5.9kg，可承载30kg以内、外形尺寸长宽在300mm×300mm以内的光学模块，适配性强。

21、2、机构通过球面副与螺纹副的配合实现多自由度精密调节，调节范围覆盖俯仰、偏摆与高度方向，满足高能激光束质量测量系统的装调需求。

22、3、机构整体具备良好的强度、刚度与结构稳定性，调节完成锁紧后可长期保持光学模块的相对位置精度，有效减小测量误差，保障测量结果的可靠性。