CN105404000B - 柔性驱动体及使用该柔性驱动体的快速控制反射镜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种柔性驱动体及使用该柔性驱动体的快速控制反射镜，该快速控制反射镜包括底座、压电驱动器、柔性驱动体、两块固定板、反射镜片和驱动控制系统；所述反射镜片设置在所述柔性驱动体的镜片承载横板上；所述压电驱动器镶嵌在所述柔性驱动体的八边形框架结构的内部；所述固定板的上部侧面均与所述柔性驱动体的旋转中心杆固定连接，下端面均与底座固定连接；所述柔性驱动体通过其的三角放大第二输入端板与所述底座固定连接；所述柔性驱动体的两块柔性板簧靠近旋转中心杆的一端表面分别粘贴有SGS应变片，所述驱动控制系统与所述压电驱动器和所述应变片输出端电连接，用于实现对反射镜片偏转角度的闭环控制。
Description
技术领域
本发明属于光束控制技术领域，具体的说，涉及了一种柔性驱动体及使用该柔性驱动体的快速控制反射镜。
背景技术
快速控制反射镜是一种控制光束传播方向的精密光学仪器，是现代光机电系统中的一类关键元器件，其主要功能是在输入电信号的控制下实现对镜面角度的实时调整，实现高频率的角度指向、扫描和稳定，具有体积小、速度快、精度高等优点，已被广泛应用于空间激光通信、自适应光学、车载/机载/星载激光系统、图像稳定、复合轴精密跟踪、天文望远镜、激光成像雷达、激光束稳定系统、共焦显微镜实时激光扫描、捕获目标跟踪等领域。
现有的快速控制反射镜主要有音圈电机和压电陶瓷两种驱动方式。一般来说，前者扫描角度较大但谐振频率较低，后者扫描角度较小但是扫描频率高。设计一种扫描角度大且扫描频率高的快速控制反射镜已成为现有设计遇到的难点。
现有的一维压电驱动式快速控制反射镜一般采用单个或者两个压电驱动器来驱动镜面实现偏转动作。采用单个压电驱动器时，快速控制反射镜镜架往往采用杠杆式结构，容易造成结构的不对称，无法充分利用空间，会增加系统的尺寸，不对称结构还会因温度的变化引起微小定位误差。采用两个压电驱动器时，两个驱动器在互为反向的驱动电压作用下，做互为反向的推拉运动，实现反射镜体的转动，这种快速控制反射镜体积一般比较大，在对系统尺寸和重量有着严格要求的空间探测系统、武器系统中难以应用。同时，结构的限制使得同时保证大角度的偏转和高精度的角度控制变得十分困难。两个压电驱动器还会因为自身材料的原因导致相同的输入电压产生的输出不一致，增加控制难度。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种柔性驱动体及使用该柔性驱动体的快速控制反射镜，使用该柔性驱动体的快速控制反射镜具有偏转速度快，控制精度高，偏转角度大，没有机械磨损，机构紧凑，空间利用率高，稳定性好的特点，并且体积小，重量轻，刚度高，能够实现单镜面一维扫描。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种柔性驱动体，该柔性驱动体包括镜片承载横板、旋转中心杆、第一柔性板簧、第二柔性板簧、三角放大第一输入端板、三角放大第二输入端板、三角放大第一输出端板、三角放大第二输出端板、四个相同的三角放大柔性杆、两个固定螺纹孔、第一弧形导向杆和第二弧形导向杆；所述三角放大第一输入端板、所述三角放大第二输入端板、所述三角放大第一输出端板、所述三角放大第二输出端板和四个所述三角放大柔性杆构成一个左右反对称和上下对称的八边形框架结构，四个相同的三角放大柔性杆与竖直方向成锐角设置；所述第一弧形导向杆的一端连接所述三角放大第一输出端板，所述第二弧形导向杆的一端连接所述三角放大第二输出端板，所述镜片承载横板的两端分别连接所述第一弧形导向杆的另一端和所述第二弧形导向杆的另一端，构成偏摆机构框架结构；所述旋转中心杆通过所述第一柔性板簧和所述第二柔性板簧对称设置在所述偏摆机构框架结构内。
基于上述，所述柔性驱动体由线切割工艺一体化设计加工而成。
一种快速控制反射镜，该快速控制反射镜包括所述的柔性驱动体、底座、压电驱动器、第一固定板、第二固定板、反射镜片和驱动控制系统；所述反射镜片设置在所述镜片承载横板上；所述压电驱动器镶嵌在所述八边形框架结构的内部；所述第一固定板和第二固定板的上部侧面均与所述旋转中心杆固定连接，下端面均与底座固定连接；所述柔性驱动体通过所述三角放大第二输入端板与所述底座固定连接；所述第一柔性板簧和所述第二柔性板簧靠近所述旋转中心杆的一端表面分别粘贴有SGS应变片，所述控制驱动系统与所述压电驱动器和所述应变片输出端电连接，用于实现对反射镜片偏转角度的闭环控制。
基于上述，所述八边形框架结构的内部设置一个压电驱动器，所述压电驱动器过盈配合镶嵌在所述八边形框架结构的内部。
基于上述，所述反射镜片胶接在所述镜片承载横板上。
基于上述，所述驱动控制系统包括信号调理电路、A/D转换电路、DSP数字控制器、D/A转换电路和压电驱动电路；所述信号调理电路接受来自所述SGS应变片的信号，进行滤波和放大后提供给所述A/D转换电路，所述A/D转换电路将接收到的模拟信号转换为数字信号，并提供给所述DSP数字控制器；所述DSP 数字控制器对接收到的数字信号进行处理，得到偏转角度误差，根据获得的偏转角度误差进行数字PID 控制得到控制信号，控制信号经所述D/A转换电路提供给所述压电驱动电路；所述压电驱动电路连接所述压电驱动器，以根据控制信号驱动所述压电驱动器产生相应的位移量。
基于上述，所述压电驱动器为压电叠堆PZT驱动器。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著进步，具体的说，本发明的快速控制反射镜，具有以下有益效果：
1、反射镜体从柔性驱动体获得旋转动力驱动反射镜片进行偏转，柔性驱动体转动部分左右对称，使得反射镜整体结构变得紧凑；
2.该反射镜采用了一个压电驱动器驱动，避免了多个驱动器的输出不一致的问题，同时体积较小；
3. 柔性驱动体通过八边形框架结构和偏摆机构框架结构的机构设置，基于三角放大和差分放大实现了对压电驱动器输出位移的放大，使反射镜能够具备大的扫描角度；
4.基于SGS应变片的设置，能够测量偏转输出，构成闭环系统，利于实现反射镜的高精度角度控制；
5.采用柔性设计，采用线切割一体化加工为一个整体，增加了系统的谐振频率，利于实现高速偏转；
6.由于使用了弹性铰链结构，反射镜在偏转运动中无摩擦损耗，使其工作寿命长，无需润滑，可免维护。
附图说明
图1是本发明快速控制反射镜的结构示意图。
图2是本发明快速控制反射镜拆除固定板后的结构示意图。
图3是本发明柔性驱动体的结构示意图。
图4是本发明柔性驱动体的运动动作示意图。
图5是本发明柔性驱动体的另一运动动作示意图。
图6是本发明驱动控制的原理框图。
其中，图4和图5中，表示固定，1表示压电位移输入，2、3为三角放大输出，4、5为偏转角度输出。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1-3所示，一种柔性驱动体4，包括镜片承载横板4-1、旋转中心杆4-2、第一柔性板簧4-31、第二柔性板簧4-32、三角放大第一输入端板4-41、三角放大第二输入端板4-42、螺纹孔4-5、螺纹孔4-6、三角放大第一输出端板4-71、三角放大第二输出端板4-72、四个相同的三角放大柔性杆4-81~4-84、第一弧形导向杆4-91和第二弧形导向杆4-92。
所述三角放大第一输入端板4-41、所述三角放大第二输入端板4-42、所述三角放大第一输出端板 4-71、所述三角放大第二输出端板4-72和四个所述三角放大柔性杆（4-81~4-84）构成一个左右反对称和上下对称的八边形框架结构，用于实现三角放大，也即三角放大机构，其中，四个相同的三角放大柔性杆（4-81~4-84）与竖直方向成锐角设置，该八边形框架结构的输出对输入的放大倍数为；所述第一弧形导向杆4-91的一端连接所述三角放大第一输出端板4-71，所述第二弧形导向杆4-92的一端连接所述三角放大第二输出端板4-72，所述镜片承载横板4-1的两端分别连接所述第一弧形导向杆4-91的另一端和所述第二弧形导向杆4-92的另一端，构成偏摆机构框架结构；所述旋转中心杆4-2通过所述第一柔性板簧4-31和所述第二柔性板簧4-32对称设置在所述偏摆机构框架结构内，构成柔性转动机构。
基于结构紧凑以及谐振频率的考虑，所述柔性驱动体4由线切割工艺一体化设计加工而成，利于实现高速偏转。
一种快速控制反射镜，该快速控制反射镜包括底座1、压电叠堆PZT驱动器2、驱动控制系统、柔性驱动体4、第一固定板51、第二固定板52和反射镜片6。
所述反射镜片6通过胶水胶接在所述镜片承载横板4-1上；所述八边形框架结构的内部设置一个压电叠堆PZT驱动器2，所述压电叠堆PZT驱动器2过盈配合镶嵌在所述八边形框架结构的内部；所述第一固定板51和第二固定板52的上部侧面均通过螺栓与所述旋转中心杆4-2固定连接，下端面均与底座1固定连接；所述柔性驱动体4通过所述三角放大第二输入端板4-42与所述底座1通过螺栓连接；所述第一柔性板簧4-31和所述第二柔性板簧4-32靠近所述旋转中心杆4-2的一端表面分别粘贴有SGS应变片，用于感知偏转角度的输出，所述控制驱动系统与所述压电叠堆PZT驱动器2和所述应变片输出端电连接，用于实现对反射镜片6偏转角度的闭环控制。
为实现闭环控制，在具体设计时，如图6所示，所述驱动控制系统包括信号调理电路、A/D转换电路、DSP数字控制器、D/A转换电路和压电驱动电路；所述信号调理电路接受来自所述SGS应变片的信号，进行滤波和放大后提供给所述A/D转换电路，所述A/D转换电路将接收到的模拟信号转换为数字信号，并提供给所述DSP数字控制器；所述DSP 数字控制器对接收到的数字信号进行处理，得到偏转角度误差，根据获得的偏转角度误差进行数字PID控制得到控制信号，控制信号经所述D/A转换电路提供给所述压电驱动电路；所述压电驱动电路连接所述压电叠堆PZT驱动器2，以根据控制信号驱动所述压电叠堆PZT驱动器2产生相应的位移量。
本发明在使用时，给压电叠堆PZT驱动器2的两端施加驱动电压，如图4-5所示，压电叠堆PZT驱动器2会在竖直方向伸长或者缩短，经由三角放大机构转变为水平方向的向右或向左的放大的输出位移量，进而驱动柔性转动机构绕旋转中心杆4-2实现偏摆动作。
所述SGS应变片因为机械结构变化产生自身电阻量的变化，从而感测到偏转角度的变化量，其中，可以通过其他角度测量仪器对电阻应变量进行标定，从而得到SGS应变片的应变信号和偏转角度真值之间的标定系数。应变信号经由信号调理电路放大和滤波之后，送入A/D转换电路进行模拟信号到数字信号的转换，在DSP数字控制器内部根据所述SGS应变片的标定系数计算出实际的偏转角度，然后与期望的目标偏转角进行对比，基于角度误差进行数字PID控制，再将控制输出信号经D/A转换电路提供给驱动电路施加到压电叠堆PZT驱动器2上，从而实现对反射镜偏转角度的闭环控制。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (7)
1.一种柔性驱动体，其特征在于：该柔性驱动体包括镜片承载横板、旋转中心杆、第一柔性板簧、第二柔性板簧、三角放大第一输入端板、三角放大第二输入端板、三角放大第一输出端板、三角放大第二输出端板、四个相同的三角放大柔性杆、两个固定螺纹孔、第一弧形导向杆和第二弧形导向杆；
所述三角放大第一输入端板、所述三角放大第二输入端板、所述三角放大第一输出端板、所述三角放大第二输出端板和四个所述三角放大柔性杆构成一个左右反对称和上下对称的八边形框架结构，四个相同的三角放大柔性杆与竖直方向均成锐角设置；
所述第一弧形导向杆的一端连接所述三角放大第一输出端板，所述第二弧形导向杆的一端连接所述三角放大第二输出端板，所述镜片承载横板的两端分别连接所述第一弧形导向杆的另一端和所述第二弧形导向杆的另一端，构成偏摆机构框架结构；所述旋转中心杆通过所述第一柔性板簧和所述第二柔性板簧对称设置在所述偏摆机构框架结构内。
2.根据权利要求1所述的柔性驱动体，其特征在于：所述柔性驱动体由线切割工艺一体化设计加工而成。
3.一种快速控制反射镜，其特征在于：该快速控制反射镜包括权利要求1或2所述的柔性驱动体、底座、压电驱动器、第一固定板、第二固定板、反射镜片和驱动控制系统；
所述反射镜片设置在所述镜片承载横板上；所述压电驱动器镶嵌在所述八边形框架结构的内部；所述第一固定板和第二固定板的上部侧面均与所述旋转中心杆固定连接，下端面均与底座固定连接；所述柔性驱动体通过所述三角放大第二输入端板与所述底座固定连接；
所述第一柔性板簧和所述第二柔性板簧靠近所述旋转中心杆的一端表面分别粘贴有SGS应变片，所述驱动控制系统与所述压电驱动器和所述应变片输出端电连接，用于实现对反射镜片偏转角度的闭环控制。
4.根据权利要求3所述的快速控制反射镜，其特征在于：所述八边形框架结构的内部设置一个压电驱动器，所述压电驱动器过盈配合镶嵌在所述八边形框架结构的内部。
5.根据权利要求4所述的快速控制反射镜，其特征在于：所述反射镜片胶接在所述镜片承载横板上。
6.根据权利要求4或5所述的快速控制反射镜，其特征在于：所述驱动控制系统包括信号调理电路、A/D转换电路、DSP数字控制器、D/A转换电路和压电驱动电路；所述信号调理电路接受来自所述SGS应变片的信号，进行滤波和放大后提供给所述A/D转换电路，所述A/D转换电路将接收到的模拟信号转换为数字信号，并提供给所述DSP数字控制器；所述DSP 数字控制器对接收到的数字信号进行处理，得到偏转角度误差，根据获得的偏转角度误差进行数字PID 控制得到控制信号，控制信号经所述D/A转换电路提供给所述压电驱动电路；所述压电驱动电路连接所述压电驱动器，以根据控制信号驱动所述压电驱动器产生相应的位移量。
7.根据权利要求6所述的快速控制反射镜，其特征在于：所述压电驱动器为压电叠堆PZT驱动器。
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