专利名称：多自由度气动支撑式光学玻璃装框装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种大型玻璃装配的装置及其操作方法，特别是涉及一种气动支撑式玻璃装配的辅助装置及其操作方法。
背景技术：
激光惯性约束核聚变实验是目前国际上最前沿的研究课题之一。在激光惯性约束核聚变实验中，大型光学玻璃是放大器工作物质和核心材料，主要用于主激光系统中作为功率放大器和多路或主放大器使用。大型光学玻璃的质量较重(每块50-100公斤)、造价昂贵(每块几十万元)，并且要求安装过程中不能发生形变和被污损。在光学玻璃装入主激光系统时，由于主激光系统的装配空间有限，使得光学玻璃装配操作不能通过多人共同完成。为了减小光学玻璃装入主激光系统的难度，目前国内的原型系统中，首先将光学玻璃装入的玻璃框架，然后采用悬吊的方式将玻璃搬运到主激光系统中，最后通过人工将带框光学玻璃装入主激光系统。这样，大型光学玻璃的微应力和微形变装框成为整个装配过程的一个关键步骤。现阶段，大型光学玻璃的装框方式是将玻璃框架平放在工作台上，两个技术人员将光学玻璃抬起来，放到玻璃框的上方，然后两个技术人员先将光学玻璃一侧轻轻放入框内，然后逐渐下落玻璃另一侧，同时向着玻璃框架平推玻璃。在此操作过程中，玻璃与框架之间的接触和平移关系，可能导致玻璃框架划伤玻璃； 并且由于人手与光学玻璃的接触增多，会在光学玻璃表面留下污渍。从而，影响光学玻璃的光学性能，甚至导致光学玻璃在实验过程中爆裂，造成破坏性的损失。国外对光学玻璃装入主激光系统的研究中，不是采用光学玻璃装框后再进入主激光系统的方式，而是采用机器人直接将光学玻璃装入主激光系统中。因此，设计一种大型光学玻璃装框的辅助装置，对我国激光惯性约束核聚变实验中提高操作效率和降低意外损失具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于针对大型、易碎光学玻璃的微应力和微形变装配过程中存在的光学玻璃易损伤和易污染的问题，提供一种多自由度气动支撑式光学玻璃装框装置及其操作方法。该装置为光学玻璃和玻璃框架分别提供了气动支撑及移动平台和升降夹持架，可以辅助工人对光学玻璃位置和姿态进行灵活调整和对玻璃框架高度和水平度进行准确调节；该操作方法能够为工人执行光学玻璃装框任务提供指导。利用该装置及方法实现光学玻璃装配能够避免由于碰撞或者局部应力过大而对玻璃造成损伤，同时减小人工接触光学玻璃产生污渍的可能性，提高装配成功率，进而提高生产效率。为达到上述目的，本发明提供了一种多自由度气动支撑式光学玻璃装框装置包括底座，其上表面与水平面平行；气动支撑柱，包括气动储气筒以及气动支撑杆，其中，气动储气筒底部封口，竖直固定在底座上，气动支撑杆紧密配合于其上，与气动储气筒形成密闭的空腔，且此空腔内的气体压力可以自由调节；柔性支撑盘，安装于气动支撑杆之上，随着外界压力变化能够在一定范围内产生柔顺性形变；两自由度平动台，包括固定台和平动台，其中，固定台与柔性支撑盘连接，随柔性支撑盘同步运动；平动台位于固定台上方，与固定台之间通过钢珠连接，可以在固定台上微摩擦滑动；洁净防磨垫，固定在两自由度平动台的上表面；多个自动升降支撑架，对称布置且竖直固定在底座上，每个自动升降支撑架都分别与自动升降支撑台竖直配合；玻璃框架夹具，分别固定于对称布置的自动升降支撑台上面，能够沿着支撑台表面滑动，并能向内锁紧，形成对玻璃框架的夹持固定。优选的是，气动支撑杆能够在气动储气筒内自由转动。优选的是，所述柔性支撑盘可以为天然橡胶、人工橡胶。本发明的另一方面在于提供利用前述多自由度气动支撑式光学玻璃装框装置完成玻璃装框任务的方法，该方法包括以下步骤步骤Sl 将底座水平放置，底座两侧的自动升降支撑台置于相同高度。玻璃框架放置到自由升降支撑台上夹紧固定，降落玻璃框架到低于两自由度平动台一定高度的位置；步骤S2 将玻璃放到水平的洁净防磨垫上，方向尽可能与装入玻璃框架时的方向
一致；步骤S3 上升自由升降支撑台到玻璃框架上表面与玻璃下表面处于同一高度的位置；步骤S4 调整玻璃位置和方向，并在玻璃四周施加下压力，将玻璃装入框内。本发明提供的多自由度气动支撑式光学玻璃装框装置可以辅助工人实现大型、易碎光学玻璃的装框任务，其有益效果在于一方面，克服了光学玻璃装入玻璃框架时，由于自身重量大、表面接触位置受限 (只能接触玻璃的侧面)而难以操作的困难，使得工人能够对玻璃的位置和姿态灵活调节， 从而在光学玻璃操作过程中减少对其产生意外损伤和污染的可能性，提高操作的安全性和可靠性，降低废品率，大大节省生产成本；另一方面，简化了玻璃装入玻璃框时的人工动作，使得技术人员不需要在搬运大型玻璃、视线受阻的条件下进行灵活调节，加快了光学玻璃装框操作的速度，提高了生产效率；同时能够缓解技术人员工作疲劳，有益于技术人员的身体健康；再者，在国内生产工艺水平相对较低，难以生产出能够完成光学玻璃装配的机器人的条件下，多自由度气动支撑式光学玻璃装框装置及方法提供了光学玻璃装框的半自动化解决方案。从人与设备合作的角度，设计了适于人工控制的柔性气动支撑台和光滑平动台，以极其简易的方式，为人对设备的交互性控制提供了有效的解决思路。最后，提供了诸如双自由度平动台灯部件的新的结构设计，使得本发明中的装置工作稳定，使用方便。
图Ia是多自由度气动支撑式光学玻璃装框装置的示意图；图Ib是两自由度平动台的结构分解图；图2a是两自由度平动台的固定台对平动台的钢珠连接支撑结构示意图；图2b是显示两自由度平动台中固定台对平动台的钢珠的配合关系的剖视图；图3是利用多自由度气动支撑式光学玻璃装框装置实现光学玻璃装入玻璃框架的方法流程图；图中主要元件说明底座(1)橡胶支撑盘(4)自动升降支撑架(7)固定台(10)光学玻璃(13)前后两侧滑轨(16)左右直线滑杆(19)
气动储气筒(2) 两自由度平动台(5) 自动升降支撑台(8) 平动台(11) 固定台表面钢珠(14) 左右两侧滑轨(17)
气动支撑杆(3) 洁净防磨垫(6) 玻璃框架夹具(9) 玻璃框架(12) 侧面滑轨钢珠(15) 前后直线滑杆(18)
平动台底部凹槽内壁(20)
具体实施例方式下面将结合附图和实施例详细说明本发明的具体实施方式
。但是本发明不受这里所述实施例的限制，提供这些示例只是为了更充分和完全公开发明，并将本发明的范围告知本领域的一般技术人员。图la、lb是依照本发明的一种实施方式的多自由度气动支撑式光学玻璃装框装置的示意图，其给出了本发明装置的各组成部分以及它们之间的相互位置和连接关系。参照图la、lb，该多自由度气动支撑式光学玻璃装框装置包括底座1，气动储气筒2，气动支撑杆3，橡胶支撑盘4，两自由度平动台5，洁净防磨垫6，多个自动升降支撑架7，与自动升降支撑架7分别配合的自动升降支撑台8，以及玻璃框架夹具9。其中，底座1的上表面为一平面，平面面积略大于待安装的光学玻璃。该平面的中部竖直安装有底部封口的气动储气筒2，两侧安装有对称的竖直安装有多个，在此例中为一侧两个，自动升降支撑架7。气动支撑杆3插于气动储气筒2内，形成密闭的气动支撑柱， 并在气动储气筒2内形成密闭的空腔，且此空腔内的气体压力可以通过安装在气动储气筒 2上的充放气装置(图中未示出)自由调节。还在气动支撑杆与气动储气筒之间提供可转动的气体密封结构，使气动支撑杆能够在气动储气筒内自由转动。气动支撑杆3上安装橡胶支撑盘4，以支撑两自由度平动台5，橡胶支撑盘具有柔性手腕的功能，随着外界压力变化能够在一定范围内产生柔顺性形变。也可采用其它材料制成柔性支撑盘4，例如人工橡胶，硅胶等。两自由度平动台5由固定台10和平动台11组成，固定台与橡胶支撑盘连接，随橡胶支撑盘4同步运动；平动台位于固定台上方，与固定台之间通过钢珠连接，可以在固定台上无摩擦滑动(理想状态)。图2a是两自由度平动台5的固定台10对平动台11的钢珠连接支撑结构，图2b是其局部剖视图，其中，固定台10的平面方向设有通道，通道内穿接有前后平动滑杆18和左右平动滑杆19，通道以及平动滑杆的设置可以为在左右方向设置一条，而在前后方向设置两条。前后平动滑杆18和左右平动滑杆19能够分别沿着前后水平方向和左右水平方向往复运动，对平动台的滑动具有支撑和引导作用。在前后平动滑杆的端部固定有前后两侧滑轨16，在左右平动滑杆的端部固定有左右两侧滑轨17，前后两侧滑轨16、左右两侧滑轨17 与平动台11的底部凹槽内壁20之间配合有钢珠，即侧面滑轨钢珠15，这样，当平动台11在玻璃的作用下受力运动时，其在一个方向，例如前后方向，会沿前后平动滑杆18相对固定台运动，而在另一方向上，即左右方向上，凹槽内壁仅与侧面滑轨钢珠15发生微摩擦，使得平动台11能够沿着固定台10在水平方向之一作微摩擦滑动。此外，还可在固定台10与平动台11之间设置固定台表面钢珠14，在两者之间起支撑作用，以减小仅有滑杆时的平动台沿滑杆运动时的摩擦力。两自由度平动台5上面粘有洁净防磨垫6，在光学玻璃装框操作中用来支撑光学玻璃13 ；洁净防磨垫6表面柔软平整，能够与光学玻璃无缝配合，当光学玻璃放在洁净防磨垫上时，不会被防磨垫磨损，也不会在防磨垫表面随意滑动。当平动台11上安装玻璃后，通过推动玻璃可以调整平动台与固定台间的相对位置关系。自动升降支撑架和自动升降支撑台各分为左右两部分，左右两部分中自动升降支撑台的高度能够分别精确调节。自动升降支撑台8插入自动升降支撑架7中，形成针对玻璃框架夹具的支撑结构，在自动升降支撑台8上安装玻璃框架夹具，在光学玻璃装框操作中用来夹持固定玻璃框架12。玻璃框架夹具9由两部分组成，分别安装于左、右两侧的自动升降支撑台的上面，两部分均呈L形，能够沿着支撑台表面滑动，并能向内锁紧，形成对玻璃框架的夹持固定。夹具的滑动、锁紧等操作可通过手动、气动或机械传动等常规技术实现。图3是利用多自由度气动支撑式光学玻璃装框装置实现光学玻璃装入玻璃框架的方法流程图，其给出了本发明方法的各个步骤，分别用S1-S4进行标注。操作步骤的具体实施过程是首先，将装置底座1放置在水平台上，气动储气筒2中存有一段空气柱，两自由度平动台5在气动支撑杆3和橡胶支撑盘4的支撑作用下，大部分结构悬在空中。此时向下按压两自由度平动台5，平动台能够上下浮动。调整底座1两侧的自动升降支撑架8，使两侧自动升降支撑架在同一高度。其次，打开自动升降支撑架8的玻璃框架夹具9，将玻璃框架12放置到夹具中，闭合夹具。将自动升降支撑架8下落一定高度，保证两自由度平动台5高于自动升降支撑架 8 —段距离，例如2厘米。再次，搬运大型光学玻璃13，轻轻平放在两自由度平动台5上面的洁净防磨垫6 上，保证光学玻璃13的长边方向与两自由度平动台5的长边方向近似平行。调整两自由度平动台5的方向，使得其长边方向与玻璃框架12的长边方向近似平行。控制自动升降支撑架8缓慢上升，直到玻璃框架12的上表面与光学玻璃13的下表面接触。最后，微调两自由度平动台5的平动台10的位置，同时，转动光学玻璃，带动两自由度平动台、橡胶支撑盘2，以及气动支撑杆3转动，调节光学玻璃13的位置和方向，将光学玻璃与玻璃框架内边缘对齐。从光学玻璃四周下压光学玻璃13，同时缓慢上升自动升降支撑架8，将光学玻璃装入框架中。
权利要求
1.一种多自由度气动支撑式光学玻璃装框装置，其特征在于，包括底座，其上表面与水平面平行；气动支撑柱，包括气动储气筒以及气动支撑杆，其中，气动储气筒底部封口，竖直固定在底座上，气动支撑杆紧密配合于其上，与气动储气筒形成密闭的空腔，且此空腔内的气体压力可以自由调节；柔性支撑盘，安装于气动支撑杆之上，随着外界压力变化能够在一定范围内产生柔顺性形变；两自由度平动台，包括固定台和平动台，其中，固定台与柔性支撑盘连接，随柔性支撑盘同步运动；平动台位于固定台上方，与固定台之间通过钢珠连接，从而在固定台上微摩擦滑动；洁净防磨垫，固定在两自由度平动台的上表面；多个自动升降支撑架，对称布置且竖直固定在底座上，每个自动升降支撑架都分别与自动升降支撑台竖直配合；以及玻璃框架夹具，包括两部分，分别固定于对称布置的自动升降支撑台上面，能够沿着支撑台表面滑动，并能向内锁紧，形成对玻璃框架的夹持固定。
2.如权利要求1所述的多自由度气动支撑式光学玻璃装框装置，其特征在于自动升降支撑架和自动升降支撑台各由左右两部分组成，左右两部分中自动升降支撑台的高度能够分别精确调节。自动升降支撑架竖直固定在底座上；自动升降支撑台竖直插入到自动升降支撑架中，能够按照外部控制作用沿竖直方向精确移动。
3.如权利要求1所述的多自由度气动支撑式光学玻璃装框装置，其特征在于固定台的平面方向设有通道，通道内穿接有平动滑杆，平动滑杆能够沿着水平方向往复运动，对平动台的滑动具有支撑和引导作用，在滑杆的端部固定有导轨，导轨与平动台的凹槽的内壁之间配合有钢珠，这样，当平动台在玻璃的作用下受力运动时，其在一个方向会沿滑杆相对固定台运动，而在另一方向上，凹槽内壁仅与钢珠发生微摩擦，使得平动台能够沿着固定台在水平方向之一作微摩擦滑动。
4.如权利要求3所述的多自由度气动支撑式光学玻璃装框装置，其特征在于在固定台与平动台之间设置钢珠，在两者之间起支撑作用，以减小仅有滑杆时的平动台沿滑杆运动时的摩擦力。
5.一种利用前述权利要求任意一项中所述的装置实现光学玻璃装框的安装方法，其包括以下步骤步骤Sl 将底座水平放置，底座两侧的自动升降支撑台置于相同高度，将玻璃框架放置到自由升降支撑台上夹紧固定，降落玻璃框架到低于两自由度移动平台一定高度的位置；步骤S2 将光学玻璃放到水平的两自由度平动台上，方向尽可能与装入玻璃框架时的方向一致；步骤S3 上升自由升降支撑台到玻璃框架上表面与光学玻璃下表面处于同一高度的位置；步骤S4:微调光学玻璃位置和方向，并在光学玻璃四周施加下压力，将光学玻璃装入框内。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于通过调整光学玻璃来调整两自由度平动台的方向，使得其长边方向与玻璃框架的长边方向近似平行。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于微调平动台的位置，同时转动玻璃，带动两自由度平动台、柔性支承座以及气动支撑杆相对固定的气动储气筒转动以调节光学玻璃的位置和方向，从而将光学玻璃与玻璃框架内边缘对齐。
全文摘要
一种多自由度气动支撑式光学玻璃装框装置，其装置包括以下部分底座，气动储气筒，气动支撑杆，橡胶支撑盘，两自由度平动台，洁净防磨垫，自动升降支撑架，自动升降支撑台和玻璃框架夹具。本发明的装置可辅助工人完成大型、易碎光学玻璃的微应力和微变形的装配，克服了光学玻璃装入玻璃框架时难以调节姿态和易被污损的问题，具有结构简单、操作灵活、使用方便的优点。本发明还公开了利用该装置实现光学玻璃装框的安装方法。
文档编号B23P19/027GK102198586SQ201110118160
公开日2011年9月28日 申请日期2011年5月9日 优先权日2011年5月9日
发明者乔红, 刘传凯, 王敏 申请人:无锡引域智能机器人有限公司