一種光機(jī)潔凈精密裝校設(shè)備設(shè)計(jì)與研究

劉小波 謝志江 劉 楠 李夢奇 張 林

1.重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶,400041

2.中國工程物理研究院激光聚變研究中心,綿陽,621900

0 引言

大型激光器裝置如美國勞倫斯˙利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的點(diǎn)火裝置(其功率可達(dá)500×1012W)所需的大口徑光學(xué)元件數(shù)目數(shù)以百計(jì),且種類繁多、規(guī)格不一[1]。根據(jù)這些光學(xué)元件的不同功能、結(jié)構(gòu)、裝校及維護(hù)特性,需將其與一定機(jī)械件組合構(gòu)成各類模塊形成在線可替換單元。根據(jù)模塊在光路中的不同位置、安裝方式和基于光機(jī)潔凈精密裝校的考慮,模塊主要分為下裝模塊(即模塊從下往上安裝到大型激光器裝置中)和側(cè)裝模塊。兩種模塊均是大型激光器裝置中的重要關(guān)鍵件。能否高精度、高潔凈度、高效率地安裝和拆卸模塊,均直接影響激光系統(tǒng)準(zhǔn)直度、元件損傷風(fēng)險(xiǎn)程度、輸出光束質(zhì)量和大型激光器裝置的工作效率。

本文以下裝模塊裝校流程分析和功能分析為基礎(chǔ),提出一種用于下裝模塊光機(jī)潔凈精密裝校設(shè)備的基本方案,并進(jìn)行了樣機(jī)設(shè)計(jì),解決了光機(jī)裝校過程中下裝模塊的裝校精度、潔凈閉環(huán)、裝校效率等方面的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 流程分析

從系統(tǒng)工程理論出發(fā),明確研究目標(biāo),重點(diǎn)分析研究對象的工作流程,對新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)尤為重要[2]。如圖1所示,將經(jīng)過前期處理(如光學(xué)元件鍍膜、機(jī)械元件超聲波清洗)的光學(xué)元件、機(jī)械元件在空氣潔凈度等級為百級的裝配間組裝成下裝模塊,然后將其轉(zhuǎn)運(yùn)到空氣潔凈度等級為十萬級的激光大廳光路(距地平數(shù)米高)的正下方,由下而上地把下裝模塊精確裝校在潔凈廂里。圖2所示為下裝模塊裝校示意圖。裝校過程具有如下特點(diǎn):下裝模塊垂直提升行程大、潔凈環(huán)境特殊、多級定位基準(zhǔn)累積誤差高、全過程潔凈閉環(huán)、模塊姿態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整、到位模塊自動(dòng)定位需滿足裝置工作效率等,這對模塊裝校流程提出了嚴(yán)格的要求,因此,功能和結(jié)構(gòu)須優(yōu)化組合。

2 功能分析

圖3所示是經(jīng)優(yōu)化裝校流程后得到的功能分解圖。下裝模塊裝校的三大功能是轉(zhuǎn)運(yùn)、對接和潔凈閉環(huán)。國外類似的光機(jī)潔凈精密裝校設(shè)備結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜龐大,且裝校大廳內(nèi)的激光裝置布置與我國相比有很大不同,其光路下方即剪力墻周圍操作空間特別大[3]。根據(jù)我國裝置的特點(diǎn),基于流程、功能分析,確定下裝模塊裝校設(shè)備的基本方案是:裝校設(shè)備=轉(zhuǎn)運(yùn)小車1+對接平臺3+潔凈保持廂6,裝校設(shè)備示意如圖4所示。安全轉(zhuǎn)運(yùn)和潔凈閉環(huán)是保證下裝模塊從百級裝配間潔凈閉環(huán)地轉(zhuǎn)運(yùn)到激光大廳模塊裝校位置的兩個(gè)環(huán)節(jié)。潔凈保持廂6的密閉和微正壓保障模塊的潔凈閉環(huán),具有氣墊2移動(dòng)功能的轉(zhuǎn)運(yùn)小車1完成轉(zhuǎn)運(yùn)工作[4]。對接流程需保證裝在潔凈保持廂內(nèi)的下裝模塊精確潔凈裝校到光路位置上的潔凈廂內(nèi)。到達(dá)激光大廳下裝模塊裝校位置下方的裝有下裝模塊7的潔凈保持廂6放置在對接平臺3(與轉(zhuǎn)運(yùn)小車1設(shè)計(jì)成一體)上,先由轉(zhuǎn)運(yùn)小車1的氣墊2的移動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)下裝模塊7的初定位,然后由轉(zhuǎn)運(yùn)小車1和對接平臺3的模塊位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模塊精定位,最后由對接平臺3的柔性裝校機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模塊柔性裝校,至此完成對接功能。在柔性裝校過程中,潔凈保持廂內(nèi)的升降臺4實(shí)現(xiàn)模塊的大行程提升;當(dāng)模塊在潔凈廂中到位后,潔凈保持廂中的內(nèi)置機(jī)構(gòu)自動(dòng)完成模塊在潔凈廂中的自動(dòng)鎖定。模塊的拆卸過程與上述安裝過程相反。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 裝校精度

下裝模塊裝校精度主要是通過自動(dòng)實(shí)時(shí)精密調(diào)整模塊位姿來保證的。下裝模塊不同,其裝校精度也略為不同。位于空間的模塊有6個(gè)自由度,即 3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)(φx、φy、φz)自由度和 3 個(gè)移動(dòng)(Sx、Sy、Sz)自由度,要把模塊精確地裝校在離地平數(shù)米高的潔凈廂內(nèi),需對其自由度(即位置和姿態(tài))進(jìn)行調(diào)整,以確保模塊最終就位精度,該任務(wù)由對接平臺完成。模塊位姿調(diào)整包括模塊調(diào)平和模塊對準(zhǔn)兩個(gè)方面。

3.1.1 模塊調(diào)平

模塊調(diào)平由一套置于對接平臺下部的調(diào)平裝置來實(shí)現(xiàn)。調(diào)平裝置由平臺及升降機(jī)構(gòu)A、B、C、D組成,升降機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸器、螺旋升降器和支撐座等組成,調(diào)平裝置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖如圖5所示。

由圖5可知,調(diào)平裝置主要由4個(gè)分支組成。每個(gè)分支由1個(gè)球副S、1個(gè)螺旋副H和1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副R組成,3個(gè)副組成一條SHR運(yùn)動(dòng)鏈,由于每個(gè)分支的轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線過球副中心時(shí)形成1個(gè)局部自由度,這樣機(jī)構(gòu)共有4個(gè)局部自由度。由螺旋理論[5]很容易求出每個(gè)分支的2個(gè)約束力,且其都經(jīng)過球鉸中心,4個(gè)分支的8個(gè)約束力共面,且都加載于平臺上,由螺旋相關(guān)性理論可知,共面下最大線性無關(guān)的線矢數(shù)為3,由于所施加的約束力不共線,因此在公共約束數(shù)為零時(shí),形成3系螺旋,據(jù)此可求出冗余約束數(shù)為5。由機(jī)構(gòu)的名義自由度公式:

式中,M為機(jī)構(gòu)的自由度;n為含機(jī)架的構(gòu)件數(shù);g為運(yùn)動(dòng)副數(shù)目;fi為第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副的自由度;ν為多環(huán)并聯(lián)機(jī)構(gòu)去除公共約束后的冗余約束數(shù);ζ為機(jī)構(gòu)存在的局部自由度。

計(jì)算的調(diào)平裝置自由度為3,可實(shí)現(xiàn) φx、φy2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和1個(gè)Sz移動(dòng)。調(diào)整φx和φy,可實(shí)現(xiàn)模塊調(diào)平,調(diào)整Sz,可實(shí)現(xiàn)模塊小量提升。

模塊調(diào)平采用4點(diǎn)調(diào)平。圖6所示為模塊調(diào)平控制框圖。在對接平臺相互垂直的x、y方向各安裝一個(gè)傾角傳感器檢測水平傾角,以升降機(jī)構(gòu)的絲杠升降為調(diào)平的執(zhí)行部件,以平臺高點(diǎn)位為目標(biāo),其余各低點(diǎn)位在傾斜信號的控制下向高點(diǎn)位趨近,由于各點(diǎn)位的耦合,高點(diǎn)位發(fā)生變化,從而進(jìn)行再次趨近,直至各點(diǎn)位同時(shí)處于水平面時(shí),信號消失,調(diào)平過程結(jié)束。設(shè)對接平臺x向的傾角為α,y向的傾角為β,平臺坐標(biāo)為(i,j,k),水平坐標(biāo)為(i0,j0,k0),由坐標(biāo)變換可得到水平坐標(biāo)為

坐標(biāo)變換關(guān)系矩陣H0R中,由于平臺傾角α、β是小量,有 cosα=cosβ≈1,sinα≈α,sinβ≈β,設(shè)平臺各支撐點(diǎn)在平臺坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(xi,yi,0)(i=a,b,c,d),可得各支撐點(diǎn)的水平坐標(biāo):

即

由式(1)進(jìn)行比較,可找出最高點(diǎn),按照“追逐式”原則進(jìn)行調(diào)整,直至模塊調(diào)平為止[6]。調(diào)試中需借助精度較高的機(jī)械水準(zhǔn)儀和標(biāo)準(zhǔn)工作臺進(jìn)行標(biāo)定。

3.1.2 模塊對準(zhǔn)

模塊對準(zhǔn)由一套置于對接平臺上部的對準(zhǔn)裝置來實(shí)現(xiàn),如圖7所示。圖7a是對準(zhǔn)裝置簡化后的空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖,圖7b為對準(zhǔn)裝置等效的平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖。對準(zhǔn)裝置由平臺1及十字移動(dòng)機(jī)構(gòu)A、B、C組成。十字移動(dòng)機(jī)構(gòu)由十字導(dǎo)軌2、交叉滾子軸承、連接板、絲桿副和伺服電機(jī)等組成。由圖7b等效機(jī)構(gòu)簡圖很容易計(jì)算出該機(jī)構(gòu)的自由度為3個(gè),即2個(gè)移動(dòng)(Sx、Sy)自由度和1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)(φz)自由度(三者均位于一個(gè)平面內(nèi))。調(diào)整Sx、Sy和φz可實(shí)現(xiàn)模塊對準(zhǔn)。

模塊對準(zhǔn)主要由3個(gè)獨(dú)立動(dòng)力源來驅(qū)動(dòng)。圖8a是模塊對準(zhǔn)裝置驅(qū)動(dòng)模型。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)連接板與十字導(dǎo)軌、絲桿螺母做軸向移動(dòng),根據(jù)模塊的實(shí)際位姿由控制系統(tǒng)計(jì)算出移動(dòng)量,并反饋成伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖來實(shí)現(xiàn)對準(zhǔn)功能?；鶞?zhǔn)位置的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑設(shè)為R,x1軸機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)中心的基準(zhǔn)角為θx1,x2軸機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)中心的基準(zhǔn)角為θx2,y軸機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)中心的基準(zhǔn)角為θy。具體控制過程[7]如下:

(1)下裝模塊沿 x方向運(yùn)動(dòng)Δx時(shí),電機(jī)M1、M2驅(qū)動(dòng),電機(jī) M3靜止,其中 Δx=δ x1=δ x2;

(2)下裝模塊沿y方向運(yùn)動(dòng)Δy時(shí),電機(jī)M1、M2 靜止,電機(jī) M3 驅(qū)動(dòng),其中 Δ y=δ y;

(3)下裝模塊作平動(dòng)時(shí),即x方向運(yùn)動(dòng)Δx,y方向運(yùn)動(dòng)Δ y時(shí),電機(jī)M1、M2先驅(qū)動(dòng)Δx=δ x1=δ x2,電機(jī)M3后驅(qū)動(dòng) ,其中Δy=δ y;

(4)下裝模塊轉(zhuǎn)動(dòng) Δθ時(shí),電機(jī)M1、M2和M3驅(qū)動(dòng),其各自移動(dòng)距離滿足:

(5)下裝模塊作復(fù)合運(yùn)動(dòng)(平動(dòng)Δx、Δy+轉(zhuǎn)動(dòng)Δθ)時(shí),電機(jī)M1、M2和 M3驅(qū)動(dòng),其各自移動(dòng)距離滿足:

式中,θ0為對接平臺的初始轉(zhuǎn)角。

圖8b為模塊繞基準(zhǔn)點(diǎn)o旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度Δθ時(shí)的簡單運(yùn)動(dòng)模型圖。采用機(jī)械對正方式確定基準(zhǔn)位置,即確定對接平臺與潔凈保持廂(含下裝模塊)初始相對位置,對接平臺運(yùn)動(dòng)控制以此為基準(zhǔn)。

3.2 柔性裝校

由于潔凈要求無法人工觀察模塊進(jìn)廂后的姿態(tài),采用柔性裝校技術(shù)并在CCD圖像監(jiān)控幫助下,完成模塊進(jìn)廂后的裝校工作。柔性裝校是保證進(jìn)廂后的模塊在上升過程中自動(dòng)調(diào)整模塊姿態(tài)的裝校,在承受許可外力作用下,盡可能地解除模塊所受的大部分約束以防止模塊損傷。柔性裝校主要采用氣墊方式[4],其工作原理如圖9所示。充氣前,潔凈保持廂(含模塊)重量由對接平臺施加于地面,環(huán)形氣囊不工作,如圖9a所示。在下裝模塊進(jìn)入潔凈廂定位導(dǎo)軌約50mm時(shí),壓縮空氣泵入環(huán)形氣囊,環(huán)形氣囊充氣后與地面緊密接觸形成環(huán)形氣腔。當(dāng)氣腔內(nèi)的空氣作用力等于潔凈保持廂(含模塊)重力時(shí),若繼續(xù)泵入壓縮空氣,環(huán)形氣囊及其以上的重物可完全脫離地面,壓縮空氣便從環(huán)形氣囊四周溢出,如圖9b所示。這使得潔凈保持廂(含模塊)可懸浮在空氣中,解除了地面對它的約束。在潔凈保持廂四角設(shè)計(jì)安裝了壓力傳感器,一旦模塊發(fā)生與廂內(nèi)零件干涉且超出柔性裝校的使用要求,壓力傳感器便會把壓力變化值以電信號方式傳送至控制電腦并進(jìn)行緊急處理,此時(shí)須重新檢視模塊姿態(tài)并作調(diào)整,方能繼續(xù)操作。

3.3 潔凈閉環(huán)

潔凈保持廂的潔凈閉環(huán)主要是基于廂體內(nèi)的潔凈空氣壓力略大于廂外空氣壓力,廂外污染物不能進(jìn)入廂內(nèi)這一原理實(shí)現(xiàn)的。模塊轉(zhuǎn)運(yùn)至光路模塊安裝位置的正下方時(shí),其頂上潔凈廂里的(廂內(nèi)空氣潔凈度為百級)潔凈空氣壓力比廂外空氣壓力略大,且潔凈空氣由上而下形成層流,當(dāng)潔凈保持廂的頂門即模塊出口與潔凈廂底門對齊,停留幾分鐘后,潔凈空氣吹走附著在模塊出口的污染微粒并形成潔凈空氣立方柱,此時(shí)打開潔凈保持廂頂門(潔凈保持廂內(nèi)空氣經(jīng)過高效過濾處理,在模塊裝校過程中廂內(nèi)空氣潔凈度始終保證為百級),模塊由下而上精密裝校便不會受到污染,從而形成潔凈閉環(huán)。

3.4 裝校設(shè)備試驗(yàn)系統(tǒng)

裝校設(shè)備試驗(yàn)系統(tǒng)如圖10所示,包括機(jī)械、控制和監(jiān)視3個(gè)部分。樣機(jī)制作完畢后進(jìn)行了裝校試驗(yàn),在線潔凈假負(fù)載、潔凈真負(fù)載兩輪裝校的實(shí)際檢驗(yàn)表明,裝校質(zhì)量達(dá)到了下裝模塊潔凈精密裝校的要求。

4 結(jié)束語

大型激光器下裝模塊潔凈精密裝校設(shè)備的設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)措施均正確無誤,但這種裝校設(shè)備目前屬于操縱型的,人工干預(yù)較多,離自動(dòng)化程度較高的裝校設(shè)備,如在線裝配機(jī)器人還有一定的距離。因此,提高這種裝校設(shè)備的自動(dòng)化程度是今后設(shè)計(jì)研究的一個(gè)重要方向。

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