CN102062942B - 偏摆光楔扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种偏摆光楔扫描装置，包括光楔及其镜框总成、角度编码器、水平转动轴、工作台以及驱动控制系统，光楔及其镜框总成由楔形垫块、光楔、弹性块、光楔压板、镜框、O型垫圈组成，水平转动轴分为左、右段，分别位于镜框两侧，水平转动轴右段的右端固定有角度编码器；所述第一模块由直线电机、水平导轨、水平滑块、水平连接块、盖板和光栅尺组成，所述第二模块由双头螺纹柱、关节轴承和单头螺纹柱组成，所述第三模块由竖直导轨、竖直滑块、镜框连接板和L型板组成，所述驱动控制系统由计算机、I/O控制电路、步进电机驱动器、信号处理与控制电路组成。驱动控制系统可以实现开环或闭环控制。本发明通过滑块牵引来实现光楔装置小角度的精密摆动，提高了运动控制精度。本发明可以单套或两套组合使用，以满足不同方位的扫描定位需要。

Description

偏摆光楔扫描装置

技术领域

本发明涉及一种偏摆光楔扫描装置。

背景技术

在精密工程领域，光楔元件广泛应用于各种光束变向传播及光路补偿，尤其在光学动态扫描及对准等光路中，常常通过光楔的连续旋转和偏摆运动而实现光束的高精度定位。 

在光束变角度扫描和对准的机械方法中，如何实现可变角度的精确控制是系统设计的难题，尤其是在动态角度调节时，通常需要光机电协同配合才可以实现预期调整。

常用的实现偏摆运动的方法有:

（1）通过凸轮机构顶进偏摆装置一端的方法实现装置的偏摆运动，在先技术（ 刘峰等专利，申请号：200420069017.4，申请日2004年10月《结鞭机用凸轮摆动机构》）中，通过两个同心凸轮的旋转运动带动上、下摆杆做偏摆运动； 

（2）用连杆推进的方法实现偏摆件的偏摆运动，在先技术（ 王树泽专利，申请号：96235339.6，申请日1996年07月 《一种用于单摆运动的自动驱动装置》）中，对线圈通电或掉电，使驱动杆做轴向直线运动，通过连杆带动被控物体做偏摆运动；

（3）其它方法：通过力矩电机直接耦合转轴等。

在精密工程领域，上述方法结合光楔装置以后，都可以实现光楔的偏摆：

（1）通过旋转步进电机直接耦合转轴实现光楔偏摆，在先技术（孙建锋等专利，申请号：200410024986.2，申请日2004年10月《星间激光通信终端高精度动静态测量装置》）中采用力矩电机直接耦合转动轴而实现光学元件的偏摆，从而实现角度调节，但是该机械系统对步进电机的进给精度和动力性能要求较高，机械误差较大。

（2）通过直线电机螺杆推进光楔装置绕转轴偏摆，在先技术（李安虎等专利，申请号：200510026553.5，申请日2005年6月《双光楔光束偏转机械装置》）中通过直线电机螺杆推进镜框绕旋转轴偏摆，并使用角度编码器控制旋转精度。该发明理论上实现了光束旋转调整目的，但装置需要使用预紧弹簧来保证电机螺杆与镜框连接板紧密接触，对电机产生附加作用力，提高了电机的性能要求。同时在先技术中电机螺杆沿镜框下端的V型槽滑动，产生摩擦和噪音，影响调节精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种偏摆光楔扫描装置。

本发明提出的偏摆光楔扫描装置，包括光楔及其镜框总成、角度编码器、水平转动轴、三个模块、工作台以及驱动控制系统，其中：

光楔及其镜框总成与水平转动轴刚性联结在一起，通过高精度滚动轴承由工作台侧面支撑；三个模块之间通过运动耦合而实现光楔的偏摆；

所述光楔及其镜框总成由楔形垫块28、光楔29、弹性块30、光楔压板31、镜框32、O型垫圈33组成，光楔29位于镜框32内，光楔29的楔面通过楔形垫块28支撑，通过O型垫圈33和镜框32连接，光楔29的平面朝外，通过光楔压板31螺旋旋进压紧，光楔压板31和光楔29间设有弹性块30；

所述水平转动轴3分为左、右段，分别位于镜框32两侧，水平转动轴3左段的右端和水平转动轴3右段的左端与镜框32刚性联结，所述水平转动轴3左段的左端和水平转动轴3右段的右端分别通过滚动轴承6由工作台1的两侧面支撑；水平转动轴3右段的右端固定有角度编码器2；滚动轴承6的内圈由水平转动轴3的轴肩定位，外侧通过轴承端盖5固定；轴承端盖5通过第五螺钉4固定于工作台1一侧；

三个模块分别为第一模块、第二模块和第三模块，第一模块实现水平直线往复运动，第二模块铰接第一模块和第三模块，实现第一模块和第三模块的运动耦合，第三模块通过准竖直方向的直线运动的牵引，引起光楔的小角度偏摆；

所述第一模块由直线电机7、水平导轨9、水平滑块10、水平连接块11、盖板12和光栅尺27组成，直线电机7通过第一螺钉8固定于工作台1的底面；水平导轨9固定于工作台1的底面上，并与直线电机7平行布置；两个水平滑块10保持合适距离位于水平导轨9之上，两个水平滑块10通过相应的水平连接块11分别与盖板12相连；盖板12的左侧与直线电机7的动子固定连接；盖板12的前侧有一螺纹孔，用于连接第二模块中双头螺纹柱25；光栅尺27布置在水平导轨9上，用于测量滑块的直线进给量；

所述第二模块由双头螺纹柱25、关节轴承26和单头螺纹柱24组成，关节轴承26为杆端关节轴承，该关节轴承26的杆端为内螺纹孔，内圈为光孔；双头螺纹柱25的中间段经滚花处理，起防滑作用。双头螺纹柱25的左端与第一模块中的盖板12前侧的螺纹孔相连，双头螺纹柱25的右端与关节轴承26的螺纹孔连接，并通过第一六角薄螺母14和第二六角薄螺母15来锁紧和调整初始装配位置；单头螺纹柱24的上段为螺纹轴，下段为光轴；该单头螺纹柱24的上段与第三模块中的L型板23上的螺纹孔连接，并用第三六角薄螺母16实现锁紧和调节装配位置，单头螺纹柱24的下段与关节轴承26的光孔过盈连接；

所述第三模块由竖直导轨22、竖直滑块21、镜框连接板19和L型板23组成，镜框连接板19较短一侧通过第二螺钉18固定于镜框32下方，实现第二模块与光楔及其镜框总成的运动耦合，竖直导轨22通过第三螺钉20固定在镜框连接板19较长一侧，竖直滑块21位于竖直导轨22之上，该竖直滑块21与L型板23的较长一侧通过第四螺钉17联结在一起。L型板23较短一侧有螺纹孔，用于连接第二模块的单头螺纹柱24；

所述工作台1为上述机构的固定载体；

所述驱动控制系统由计算机34、I/O控制电路35、步进电机驱动器36、信号处理与控制电路37组成,驱动控制系统可以实现开环或闭环控制。

计算机34通过I/O控制电路35控制步进电机驱动器36，驱动直线电机7的动子做直线运动，通过三个模块的运动耦合，实现光楔绕水平转动轴3的偏摆。角度编码器2安装在水平转动轴3上，用来测量实际偏摆角度；

为了进一步提高控制精度，控制系统也可构成闭环系统：角度编码器2所测出的偏摆角度经过信号处理与控制电路37反馈给计算机34，与理论量进行比较得出误差值，闭环实现对水平滑块10的进给量的实时修正，从而控制光楔的偏摆调整。

本发明中，所述水平滑块10为1-3个，视具体情况而定，相应的，水平连接块11为1-3个。

本发明中，所述装置可以单套或多套联合使用。

本发明的技术效果：

1．本发明中的第一模块可以实现水平直线往复运动。

本发明中第一模块的直线电机7和水平导轨9平行布置工作台1的底面上，直线电机的动子通过盖板12、水平连接块11与水平滑块10刚性联结在一起，直线电机7便可带动水平滑块10相对水平导轨9做水平直线往复运动。

2．本发明通过三个模块的运动耦合而实现光楔装置的偏摆运动。

本发明中第一模块的水平滑块10做直线往复运动的同时，通过第二模块牵引第三模块的竖直滑块21沿竖直导轨22做直线往复运动，实现光楔绕水平转动轴3的偏摆运动。

3．本发明驱动控制系统可以实行开环或闭环控制。

本发明中角度编码器2安装在水平转动轴3上，用来测量实际偏摆角度。角度编码器2所测出的偏摆角度既可以直接输出，实行开环控制；角度编码器2所测出的偏摆角度也可以经过信号处理与控制电路37反馈给计算机34，与理论量进行比较得出误差值，闭环实现对水平滑块10的进给量的实时修正，从而控制光楔的偏摆调整。

4． 单套或两套装置的使用。

本发明既可以单独使用，也可以两套联合使用。单套使用可以实现光束在某一方位的高精度动态定位；两套联合使用，通过对扫描运动的合理布置可以实现光束的两维定位。如两套正交布置，可以实现光束在水平方向和俯仰方向的高精度定位。

5．本发明中的光楔及其镜框总成可更以改为其它装置

本发明中光楔及其镜框总成作为装置的偏摆件，可以更改为其它装置，以实现不同的使用效果，如改为平面镜，可以实现反射光束扫描等。只要是利用了本发明中的三个模块耦合原理而实现偏摆运动的装置都属于本发明的保护内容。

本发明的技术优点：

相对于在先技术中通过直线电机螺杆推进镜框绕转轴偏摆，并使用预紧弹簧来保证电机螺杆与镜框连接板紧密接触，本发明中通过三个模块的耦合原理来实现光楔的偏摆运动，克服了弹簧对电机的作用力，提高了电机的进给精度和工作性能。同时克服了在先技术中电机螺杆接触镜框连接板V型槽而产生的摩擦和异响，改善了工作环境。

本发明通过滑块牵引来实现光楔装置小角度的精密摆动，提高了运动控制精度。装置如果配合位移传感器或者角度传感器的闭环反馈，可以进一步提高偏摆精度。本发明的初始装配位置可通过六角薄螺母进行调节。本发明可以单套或两套组合使用，以满足不同方位的扫描定位需要。

附图说明

图1为本发明偏摆光楔扫描装置的总体结构图。其中（a）为主视图，（b）为左视图。

图2为本发明偏摆光楔扫描装置的工作极限位置图。

图3为本发明的三个模块运动耦合原理图。其中：(a)为运动的左极限位置图，(b)为运动的右极限位置图。

图4为本发明的三个模块的结构主视图。 

图5为本发明的三个模块的结构俯视图。

图6为本发明的三个模块的三维立体图。

图7为光楔及镜框总成图。

图8为镜框连接板图。其中（a）为主视图，（b）为左视图。

图9为盖板图。其中（a）为主视图，（b）为左视图。

图10为L型板图。其中（a）为主视图，（b）为左视图。

图11为关节轴承图。其中（a）为结构图，（b）为三维立体图。

图12为运动的开环控制系统。

图13为运动的闭环控制系统。

图14为三个模块的运动关系简化图。

图中标号：1为工作台， 2为角度编码器，3为水平转动轴，4为第五螺钉，        5为轴承端盖，6为滚动轴承， 7为直线电机， 8为第一螺钉， 9为水平导轨， 10为水平滑块， 11为水平连接块， 12为盖板， 13为第六螺钉，14为第一六角薄螺母，15为第二六角薄螺母，16为第三六角薄螺母，17为第四螺钉，18为第二螺钉， 19为镜框连接板， 20为第三螺钉， 21为竖直滑块，22为竖直导轨，23为L型板，24为单头螺纹柱，25为双头螺纹柱，26为关节轴承，27为光栅尺，28为楔形垫块，29为光楔，30为弹性块，31为光楔压块，32为镜框，33为O型垫圈，34为计算机，35为I/O控制电路，36为步进电机驱动器，37为信号处理与控制电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明偏摆光楔扫描装置做进一步说明，但不应该以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1-图7所示。图1为本发明偏摆光楔扫描装置的总体结构图。其中（a）为主视图，（b）为左视图。图2为本发明偏摆光楔扫描装置的工作极限位置图。图3为本发明的三个模块运动耦合原理图。其中：(a)为运动的左极限位置图，(b)为运动的右极限位置图。图4为本发明的三个模块的结构主视图。图5为本发明的三个模块的结构俯视图。图6为本发明的三个模块的三维立体图。图7为光楔及其镜框总成图。由图1-图7可见，本发明偏摆光楔扫描装置包括光楔及其镜框总成、角度编码器、水平转动轴、三个模块、工作台以及驱动控制系统，其中:

光楔及其镜框总成与水平转动轴刚性联结在一起，通过高精度滚动轴承由工作台两侧面支撑；三个模块之间通过运动耦合而实现光楔的偏摆；

所述光楔及其镜框总成由楔形垫块28、光楔29、弹性块30、光楔压板31、镜框32、O型垫块33组成：光楔29胶合在镜框32内，光楔29的楔面由楔形垫块28支撑，通过O型垫圈33和镜框32连接，光楔29的平面朝外，通过光楔压板31螺旋旋进压紧，光楔压板31和光楔29间垫有弹性块30；

所述水平转动轴3分为左段、右段，分别位于镜框32两侧，水平转动轴3的左段的右端和水平转动轴3的右段的左端与镜框32刚性联结，所述的水平转动轴3左段的左端和水平转动轴3右段的右端分别通过滚动轴承6由工作台1两侧面支撑；水平转动轴3右段的右端固定有角度编码器2，用于测量实际偏摆角度；滚动轴承6的内圈由水平转动轴3的轴肩定位，滚动轴承6的外圈通过轴承端盖5固定；轴承端盖5通过第五螺钉4固定在工作台1的一侧；

三个模块分别为第一模块、第二模块和第三模块，第一模块实现水平直线往复运动，第二模块铰接第一模块和第三模块，实现第一模块和第三模块的运动耦合，第三模块通过准竖直方向的直线运动的牵引，引起光楔的小角度偏摆；

所述第一模块由直线电机7、水平导轨9、水平滑块10、水平连接块11、盖板12和光栅尺27组成。直线电机7是第一模块做直线运动的动力源，通过第一螺钉紧8固定在工作台1的底面；水平导轨9固定于工作台1的底面，并与直线电机7平行布置；两个水平滑块10保持合适距离位于水平导轨9之上，两个水平滑块10通过相应的水平连接块11与盖板12相连；盖板12的左侧与直线电机7的动子固定连接，实现直线电机7驱动第一模块做水平直线往复运动；盖板12的前侧有一螺纹孔，用于连接第二模块中双头螺纹柱25；光栅尺27布置在水平导轨9上，用来测量水平滑块10的直线进给量；

所述第二模块由双头螺纹柱25、关节轴承26和单头螺纹柱24组成，关节轴承26为杆端关节轴承，该关节轴承26的杆端为内螺纹孔，内圈为光孔；双头螺纹柱25的中间段经滚花处理，起防滑作用。双头螺纹柱25的左端与第一模块中的盖板12前侧的螺纹孔相连，双头螺纹柱25的右端与关节轴承26的螺纹孔连接，并通过第一六角薄螺母14和第二六角薄螺母15来锁紧和调整初始装配位置；单头螺纹柱24的上段为螺纹轴，下段为光轴；该单头螺纹柱24的上段与第三模块中的L型板23上的螺纹孔连接，并用第三六角薄螺母16实现锁紧和调节装配位置，单头螺纹柱24的下段与关节轴承26的光孔过盈连接；

所述第三模块由竖直导轨22、竖直滑块21、镜框连接板19和L型板23组成，镜框连接板19较短一侧通过第二螺钉18固定在镜框32下方，实现第二模块与光楔及其镜框总成的运动耦合，共同绕水平转动轴3偏摆，竖直导轨22通过第三螺钉20固定在镜框连接板19较长一侧，竖直滑块21位于竖直导轨22之上，该竖直滑块21与L型板23较长一侧用第四螺钉17联结在一起。L型板23的较短一侧有螺纹孔，用于连接第二模块的单头螺纹柱24； 

所述工作台1为上述机构的固定载体。

根据图1-图7，本实施实例偏摆运动过程为：第一模块中直线电机7固定在工作台1底面上，工作时直线电机7的动子带动盖板12做水平直线运动，水平滑块10与盖板12刚性联接，共同沿水平导轨9做直线往复运动；第二模块中双头螺纹柱25与盖板12相连，盖板12将直线进给量传递给双头螺纹柱25；关节轴承26杆端内螺纹孔与双头螺纹柱25联接，关节轴承26光孔与单头螺纹柱24相连，单头螺纹柱24连接第三模块。通过关节轴承26的牵引，第一模块在做水平直线运动的同时，第三模块的竖直滑块21沿着竖直导轨22做直线运动，从而实现光楔及其镜框总成绕水平转动轴3偏摆。图2为本发明装置的一个工作极限位置。

当光楔发生偏转时，折射光束的扫描角度也发生相应变化，实现光束的高精度定位扫描。当两套装置正交布置时，基于上述同样原理，可实现光束在水平方位和俯仰方位的高精度扫描。

图8、图9、图10和图11分别为实施例中的镜框连接板19、盖板12、L型板23和关节轴承26。

图12为运动的开环控制系统。图13为运动的闭环控制系统。

如图12所示，计算机34通过I/O控制电路35控制步进电机驱动器36，驱动直线电机7的动子做直线运动，通过三个模块的运动耦合，实现光楔绕水平转动轴3的偏摆。角度编码器2安装在水平转动轴3上，用于测量实际偏摆角度；

为了进一步提高控制精度，控制系统也可实现闭环控制。如图13所示，角度编码器2所测出的偏摆角度，经过信号处理与控制电路37反馈给计算机34，与理论量进行比较得出误差值，闭环实现对水平滑块10的进给量的实时修正，从而控制光楔的偏摆调整。

图14为本发明三个模块的运动关系简化图，实现的偏摆量还可以做进一步分析，理论计算如下:

如图14所示，将第三模块简化为OAB形状，其中O点为转动轴中心点，A点为关节轴承的内圈中心点，OB和BA分别表示的为转动轴中心点与关节轴承内圈中心点的水平距离和垂直距离。当镜框沿O点旋转θ角度到OA’B’，B’A’如图延长交水平线于A’’, A’’为偏摆后的关节轴承的轴承内圈中心点。如图可知，AA’’为水平滑块的进给量，A’A’’为竖直滑块的滑动位移。现求水平滑块进给量X、光楔偏摆角度θ和竖直滑块位移Y之间的关系：

由图14易知：OB=OB’， BA=B’A’，设OB=OB’=a，BA=B’A’=b，OA=                                                

,

OAB=

；

1.        已知水平滑块进给量X，求垂直滑块位移Y和光楔旋转角度θ。

连接O A’’,在三角形O A’’A和三角形O A’’ A’中分别用余弦定理求

：

利用上式所求出的垂直滑动位移Y求偏转角θ

实例：当X=50mm、a=144mm、b=525mm时，可分别求出Y，θ的值

mm

2．        已知光楔旋转角度θ，求水平滑块进给量X和垂直滑块位移Y

过B’点作垂线B’C 交AA’’于点C

 

  

实例：当θ=10°、a=144、b=525时，可分别求出X、Y的值 

。

Claims (3)

1.一种偏摆光楔扫描装置，包括光楔及其镜框总成、角度编码器、水平转动轴、三个模块、工作台以及驱动控制系统，其特征在于：

所述光楔及其镜框总成由楔形垫块(28)、光楔(29)、弹性块(30)、光楔压板(31)、镜框(32)、O型垫圈(33)组成，光楔(29)位于镜框(32)内，光楔(29)的楔面通过楔形垫块(28)支撑，通过O型垫圈(33)和镜框(32)连接，光楔(29)的平面朝外，通过光楔压板(31)螺旋旋进压紧，光楔压板(31)和光楔(29)间设有弹性块(30)；

所述水平转动轴(3)分为左、右段，分别位于镜框(32)两侧，水平转动轴(3)左段的右端和水平转动轴(3)右段的左端与镜框(32)刚性联结，所述水平转动轴(3)左段的左端和水平转动轴(3)右段的右端分别通过滚动轴承(6)由工作台(1)的两侧面支撑；水平转动轴(3)右段的右端固定有角度编码器(2)；滚动轴承(6)的内圈由水平转动轴(3)的轴肩定位，外侧通过轴承端盖(5)固定；轴承端盖(5)通过第五螺钉(4)固定于工作台(1)一侧；

所述第一模块由直线电机(7)、水平导轨(9)、水平滑块(10)、水平连接块(11)、盖板(12)和光栅尺(27)组成，直线电机(7)通过第一螺钉(8)固定于工作台(1)的底面；水平导轨(9)固定于工作台(1)的底面上，并与直线电机(7)平行布置；水平滑块(10)位于水平导轨(9)之上，水平滑块(10)通过水平连接块(11)与盖板(12)相连；盖板(12)的左侧与直线电机(7)的动子固定连接；盖板(12)的前侧有一螺纹孔，用于连接第二模块中双头螺纹柱(25)；光栅尺(27)布置在水平导轨(9)上，用于测量滑块的直线进给量；

所述第二模块由双头螺纹柱(25)、关节轴承(26)和单头螺纹柱(24)组成，关节轴承(26)为杆端关节轴承，该关节轴承(26)的杆端为内螺纹孔，内圈为光孔；双头螺纹柱(25)的中间段经滚花处理，双头螺纹柱(25)的左端与第一模块中的盖板(12)前侧的螺纹孔相连，双头螺纹柱(25)的右端与关节轴承(26)的螺纹孔连接，并通过第一六角薄螺母(14)和第二六角薄螺母(15)锁紧和调整初始装配位置；单头螺纹柱(24)的上段为螺纹轴，下段为光轴；该单头螺纹柱(24)的上段与第三模块中的L型板(23)上的螺纹孔连接，并用第三六角薄螺母(16)实现锁紧和调节装配位置，单头螺纹柱(24)的下段与关节轴承(26)的光孔过盈连接；

所述第三模块由竖直导轨(22)、竖直滑块(21)、镜框连接板(19)和L型板(23)组成，镜框连接板(19)较短一侧通过第二螺钉(18)固定于镜框(32)下方，实现第二模块与光楔及其镜框总成的运动耦合，竖直导轨(22)通过第三螺钉(20)固定在镜框连接板(19)较长一侧，竖直滑块(21)位于竖直导轨(22)之上，该竖直滑块(21)与L型板(23)的较长一侧通过第四螺钉(17)联结在一起；L型板(23)较短一侧有螺纹孔，用于连接第二模块的单头螺纹柱(24)；

所述驱动控制系统由计算机(34)、I/O控制电路(35)、步进电机驱动器(36)、信号处理与控制电路(37)组成，计算机(34)通过I/O控制电路(35)控制步进电机驱动器(36)，驱动直线电机(7)的动子做直线运动，通过三个模块的运动耦合，实现光楔绕水平转动轴(3)的偏摆。

2.根据权利要求1所述的偏摆光楔扫描装置，其特征在于所述水平滑块(10)为1-3个，相应的，水平连接块(11)为1-3个。

3.根据权利要求1所述的偏摆光楔扫描装置，其特征在于所述装置单套或多套联合使用。

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