CN105824117A - 一种快速反射镜系统中压电陶瓷驱动器的预紧装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种快速反射镜系统中压电陶瓷驱动器的预紧装置和预紧方法，以解决现有技术只能施加单一固定的未知量预紧力的弊端。该装置包括与压电陶瓷驱动器数量一致的多组差动微调锁紧组件和位移传感器；每组差动微调锁紧组件包括差动螺杆、接触块和锁紧顶丝，差动螺杆通过螺纹配合安装在快速反射镜镜座上；接触块位于压电陶瓷驱动器顶部的半球顶尖和差动螺杆之间，接触块的上端与差动螺杆通过螺纹配合连接，由差动螺杆带动接触块上下移动；锁紧顶丝用于锁紧接触块，防止接触块上下窜动；位移传感器设置在靠近接触块和半球顶尖的位置，用于反馈在压电陶瓷驱动器驱动下镜座待测点的位移变化量。本发明可定量控制施加在压电陶瓷驱动器的预紧力。

Description

一种快速反射镜系统中压电陶瓷驱动器的预紧装置及方法

技术领域

本发明涉及一种压电陶瓷驱动器的预紧装置和预紧方法，尤其涉及一种快速反射镜系统中压电陶瓷驱动器的预紧装置和预紧方法。

背景技术

随着医疗和工业等与国民息息相关行业的发展和需求，光束的精确指向、跟踪和稳定技术得到日益广泛的关注和研究，其中，光束稳定技术在精密加工、自适应光学等方向已经成为关键核心技术之一。

快速反射镜针对快速、高精度光束跟踪技术的需求应运而生。不同于传统光束稳定系统，快速反射镜通常采用柔性结构部件代替传统的轴系作为无摩擦、无间隙的精密回转部件，同时采用音圈电机或压电陶瓷驱动器作为驱动源，配合一定口径的反射镜实现高精度、高带宽的光束调整与稳定。

压电陶瓷驱动的快速反射镜相比于其他诸如音圈电机、磁致伸缩材料作为驱动源的快速反射镜，具有更高的加速度和更高的带宽，并且导向精确性更优。然而，以压电陶瓷驱动器作为驱动源的快速反射镜系统，压电陶瓷驱动器的安装和预紧是一大难点，因为剪切力和弯矩对压电陶瓷驱动器极易造成破坏，同时压电陶瓷驱动器不能承受拉力，另外负载和预紧力对压电陶瓷的输出特性有显著的影响。

目前，压电陶瓷驱动器的安装方式主要有球形顶尖接触、柔性铰链顶头接触和具有外部导轨的机械结构安装方式等。上述几种安装方式，虽然在不同程度上减小了剪切力和弯矩对压电陶瓷驱动器的影响，但是将其应用于快速反射镜中，存在两方面的缺陷：一方面，安装时对压电陶瓷驱动器安装位置尺寸有着极高的要求，即对加工和装配要求苛刻；另一方面其只能施加单一固定的未知量预紧力，所施加的预紧力对压电器件的拉力性能和动态推拉特性的影响不能预先判断和控制，且针对固定预紧力需设计独立的系统结构，存在成本高、效率低的显著问题。

发明内容

针对上述背景中提到的以压电陶瓷驱动器作为驱动源的快速反射镜系统，在安装和预紧压电陶瓷驱动器时，只能施加单一固定的未知量预紧力，从而导致所施加的预紧力对压电器件的拉力性能和动态推拉特性的影响不能预先判断和控制的问题，本发明提供了一种压电陶瓷驱动器的预紧装置和预紧方法，能定量控制所施加的预紧力，实现对快速反射镜的快速、精确驱动控制。

本发明的技术方案是：

一种快速反射镜系统中压电陶瓷驱动器的预紧装置，其特殊之处在于：包括多组差动微调锁紧组件和多组位移传感器；差动微调锁紧组件的数量与压电陶瓷驱动器的数量一致。每组差动微调锁紧组件包括差动螺杆、接触块和锁紧顶丝；差动螺杆通过螺纹配合安装在快速反射镜的镜座上；接触块位于压电陶瓷驱动器顶部的半球顶尖和差动螺杆之间，接触块的上端与差动螺杆通过螺纹配合连接，由差动螺杆带动接触块上下移动；锁紧顶丝用于锁紧接触块，防止接触块上下窜动。位移传感器设置在靠近接触块和半球顶尖的位置，用于反馈在压电陶瓷驱动器驱动下镜座待测点的位移变化量。

基于上述基本技术方案，本发明还作出如下优化：

为减小和抑制快速反射镜系统在高频运动下，接触块与压电陶瓷的半球顶尖接触的超调量，即保证接触块与压电陶瓷的半球顶尖始终接触，从而提高压电陶瓷驱动器的动态推拉特性，上述预紧装置还包括多组弹簧预紧组件，且弹簧预紧组件的数量与压电陶瓷驱动器的数量一致。每组弹簧预紧组件包括对称设置在压电陶瓷驱动器两侧的两个拉杆、两个弹簧、两个挂钩、两个挂钩固定座、两组锁紧螺母；其中拉杆安装在快速反射镜镜座上，挂钩固定座安装在快速反射镜系统的基座上；拉杆、弹簧、挂钩和锁紧螺母沿竖直方向从上至下依次串接，挂钩的下端从挂钩固定座穿过，锁紧螺母位于挂钩固定座下方。弹簧预紧组件装配完成后、向压电陶瓷驱动器施加预紧力前，每组弹簧预紧组件中的弹簧均处于自由状态，可通过旋转锁紧螺母向弹簧施加拉力。

上述接触块的下端面设有V槽，V槽的形状与所述半球顶尖的形状相适配，便于实现接触块‐半球顶尖的定心调整，降低装配难度，提高装配精度。

上述锁紧螺母采用双螺母，在调整完弹簧形变量后将两个螺母对顶拧紧，防止高频工作过程中产生松动。

上述位移传感器安装在镜座上。

基于上述基本方案所提供的预紧装置，本发明提供了压电陶瓷驱动器的预紧方法一，其特殊之处在于：包括以下步骤：

(1)安装压电陶瓷驱动器：

①松开锁紧顶丝，旋出差动螺杆使接触块相对于快速反射镜的镜座上移，以增大压电陶瓷驱动器的安装空间；

②将压电陶瓷驱动器放置于接触块与快速反射镜系统的基座之间，调整差动螺杆，使接触块的V槽与压电陶瓷驱动器的半球顶尖接触并实现压电陶瓷驱动器的定心调整；

(2)施加定量预紧力F_p:

①旋转差动螺杆使接触块下移Δl_v后，利用锁紧顶丝锁紧接触块，防止接触块上下微小窜动；

②为保证所施加的预紧力为F_p，在调整过程中，上述步骤(2)①中Δl_v需满足以下关系式：

$\frac{m_{l}g+{\mathrm{\Δl}}_v{k}_f}{n+\frac{k_f}{k}}=F_p;$

其中，m_l为快速反射镜负载质量；k为压电陶瓷驱动器的静态刚度；k_f为快速反射镜系统的柔性铰链的轴向拉压刚度；n为压电陶瓷驱动器的数量；

(3)重复上述步骤(1)和步骤(2)，依次完成所有压电陶瓷驱动器的安装和预紧力F_p的施加。

基于上述优化方案所提供的预紧装置，本发明还提供了压电陶瓷驱动器的预紧方法二，其特殊之处在于：包括以下步骤：

(1)安装压电陶瓷驱动器：

①松开锁紧顶丝，旋出差动螺杆使接触块相对于快速反射镜的镜座上移，以增大压电陶瓷驱动器的安装空间；

②将压电陶瓷驱动器放置于接触块与快速反射镜系统的基座之间，调整差动螺杆，使接触块的V槽与压电陶瓷驱动器的半球顶尖接触并实现压电陶瓷驱动器的定心调整；

③将弹簧预紧组件装配到快速反射镜镜座上，并保证弹簧预紧组件的弹簧处于自由状态；

(2)施加定量预紧力F_p:

①旋转差动螺杆使接触块下移Δl_v后，利用锁紧顶丝锁紧接触块，防止接触块上下微小窜动；

②旋转锁紧螺母使弹簧伸长Δl_s，则弹簧所受拉力F_s＝Δl_sk_s，k_s为弹簧刚度；

③为保证所施加的预紧力为F_p，在调整过程中，上述步骤(2)①②中Δl_v和Δl_s需满足以下关系式：

$\frac{2{\mathrm{n\Δl}}_s{k}_s+m_{l}g+{\mathrm{\Δl}}_v{k}_f}{n+\frac{k_f}{k}}=F_p;$

其中，m_l为快速反射镜负载质量；k为压电陶瓷驱动器的静态刚度；k_f为快速反射镜系统的柔性铰链的轴向拉压刚度；n为压电陶瓷驱动器的数量；

(3)重复上述步骤(1)和步骤(2)，依次完成所有压电陶瓷驱动器的安装和预紧力F_p的施加。

上述预紧方法一和预紧方法二，还包括以下步骤：

(4)重复上述步骤(2)，由位移传感器反馈压电陶瓷驱动器在受到不同大小的预紧力F_p时，压电陶瓷驱动器的位移，从而得到压电陶瓷驱动器在不同预紧力下的动态响应曲线。

(5)：通过上述步骤(4)得到的动态响应曲线，确定F_p、Δl_v和Δl_s的最佳组合值。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过螺纹差动原理对接触块的上下移动进行精确控制，将差动螺纹的旋转运动转换为接触块的直线运动，同时选择适当的螺距，极大地提高了接触块的调整精度，实现压电陶瓷驱动器的安装压紧，从而定量控制所施加的预紧力；

2、本发明同时在压电陶瓷驱动器的两侧对称布置拉伸弹簧，对高频高加速度响应的超调具有显著的抑制作用，以保证接触块与半球顶尖不分离接触，有效改善了压电陶瓷驱动器应用于快速反射镜系统的动态推拉性能。

3、本发明的差动微调锁紧组件为压电陶瓷驱动器提供可变的安装空间，即通过差动螺杆的旋转实现压电陶瓷驱动器安装空间的尺寸变化，进而实现对压电陶瓷驱动器预紧力的在线调整，结合位移传感器的实时反馈，为得到压电陶瓷驱动器的预紧力-输出位移(即压电陶瓷驱动器在不同预紧力下的动态响应曲线)提供了便利的实现手段。

4、本发明采用V槽-半球顶尖的接触方式，减小了切向力和弯矩对压电陶瓷驱动器的不利影响。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为差动微调锁紧机构原理图；

图3所示为预紧弹簧组件示意图；

图4a为采用本发明时压电陶瓷驱动器的动态响应曲线(无弹簧预紧组件；输入阶跃电压V_d＝150V)；

图4b为采用本发明时压电陶瓷驱动器的动态响应曲线(有弹簧预紧组件，F_s＝12.5N；输入阶跃电压V_d＝150V)；

图5a为采用本发明时压电陶瓷驱动器的动态响应曲线(无弹簧预紧组件；输入300H_Z、峰峰值V_pp＝30V的正弦驱动电压)；

图5b为采用本发明时压电陶瓷驱动器的动态响应曲线(有弹簧预紧组件，F_s＝20N；输入300H_Z、峰峰值V_pp＝30V的正弦驱动电压)；

其中，1-镜座，2-差动螺杆，3-锁紧顶丝，4-接触块，5-压电陶瓷驱动器顶部半球顶尖，6-柔性铰链，7-基座，8-压电陶瓷驱动器，9-锁紧螺母，10-挂钩，11-弹簧，12-拉杆，13-挂钩固定座，14-位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的阐述。

图1为本发明安装在快速反射镜系统后的结构示意图，图1所示的快速反射镜具有4个压电陶瓷驱动器。

如图1所示，本发明所提供的快速反射镜系统中压电陶瓷驱动器的预紧装置，包括4组差动微调锁紧组件、4组弹簧预紧组件和4组位移传感器14。

每组差动微调锁紧组件包括差动螺杆2、接触块4和锁紧顶丝3；差动螺杆2通过螺纹配合安装在快速反射镜的镜座1上；接触块4位于压电陶瓷驱动器顶部的半球顶尖5和差动螺杆2之间，接触块4的上端与差动螺杆2通过螺纹配合连接，由差动螺杆2带动接触块4上下移动；接触块4的下端面设有V槽(如图2所示)，V槽的形状与所述半球顶尖的形状相适配；锁紧顶丝3用于锁紧接触块4，防止接触块4上下窜动。位移传感器14设置在镜座1上靠近接触块和半球顶尖的位置，用于反馈压电陶瓷驱动器8驱动下镜座1待测点的位移变化量。

结合图1和图3所示，每组弹簧预紧组件包括对称设置在压电陶瓷驱动器8两侧的两个拉杆12、两个弹簧11、两个挂钩10、两个挂钩固定座13、两组锁紧螺母9；其中拉杆12安装在快速反射镜的镜座1上，挂钩固定座13安装在快速反射镜系统的基座7上；拉杆12、弹簧11、挂钩10和锁紧螺母9沿竖直方向从上至下依次串接，挂钩10的下端从挂钩固定座13穿过，锁紧螺母9位于挂钩固定座13下方。弹簧预紧组件装配完成后、向压电陶瓷驱动器8施加预紧力前，每组弹簧预紧组件中的弹簧11均处于自由状态，可通过旋转锁紧螺母9(可采用双螺母防松)向弹簧施加拉力。

本发明还提供了两种压电陶瓷驱动器的预紧方法，具体如下：

预紧方法一(预紧装置仅包括差动微调锁紧组件时)包括以下步骤：

步骤(1)：安装压电陶瓷驱动器8：

①松开锁紧顶丝3，旋出差动螺杆2使接触块4相对于快速反射镜的镜座1上移，以增大压电陶瓷驱动器8的安装空间；

②将压电陶瓷驱动器8放置于接触块4与快速反射镜系统的基座7之间，调整差动螺杆2，使接触块4的V槽与压电陶瓷驱动器8顶部的半球顶尖5接触并实现压电陶瓷驱动器8的定心调整；

步骤(2)：施加定量预紧力F_p:

①旋转差动螺杆2使接触块4下移Δl_v后，利用锁紧顶丝3锁紧接触块4，防止接触块4上下微小窜动；

②为保证所施加的预紧力为F_p，在调整过程中，上述步骤(2)①中Δl_v需满足以下关系式：

$\frac{m_{l}g+{\mathrm{\Δl}}_v{k}_f}{n+\frac{k_f}{k}}=F_p;$

其中，m_l为快速反射镜负载质量；k为压电陶瓷驱动器的静态刚度；k_f为快速反射镜系统的柔性铰链的轴向拉压刚度；n为压电陶瓷驱动器的数量，本实施例中n＝4；

步骤(3)：重复上述步骤(1)和步骤(2)，依次完成所有压电陶瓷驱动器的安装和预紧力F_p的施加。

预紧方法二(预紧装置包括差动微调锁紧组件和弹簧预紧组件)包括以下步骤：

步骤(1)：安装压电陶瓷驱动器：

①松开锁紧顶丝3，旋出差动螺杆2使接触块4相对于快速反射镜的镜座1上移，以增大压电陶瓷驱动器8的安装空间；

②将压电陶瓷驱动器8放置于接触块4与快速反射镜系统的基座7之间，调整差动螺杆2，使接触块4的V槽与压电陶瓷驱动器8的半球顶尖5接触并实现压电陶瓷驱动器的定心调整；

③将弹簧预紧组件装配到快速反射镜的镜座1上，并保证弹簧预紧组件的弹簧11处于自由状态；

步骤(2)：施加定量预紧力F_p:

①旋转差动螺杆2使接触块4下移Δl_v后，利用锁紧顶丝3锁紧接触块4，防止接触块4上下微小窜动；

②旋转锁紧螺母9使弹簧11伸长Δl_s，则弹簧11所受拉力F_s＝Δl_sk_s，k_s为弹簧刚度；

③为保证所施加的预紧力为F_p，在调整过程中，上述步骤(2)①②中Δl_v和Δl_s需满足以下关系式：

$\frac{2{\mathrm{n\Δl}}_s{k}_s+m_{l}g+{\mathrm{\Δl}}_v{k}_f}{n+\frac{k_f}{k}}=F_p;$

其中，m_l为快速反射镜负载质量；k为压电陶瓷驱动器8的静态刚度；k_f为快速反射镜系统的柔性铰链6的轴向拉压刚度；n为压电陶瓷驱动器8的数量，本实施例中n＝4；

步骤(3)：重复上述步骤(1)和步骤(2)，依次完成所有压电陶瓷驱动器8的安装和预紧力F_p的施加。

作为优化，上述预紧方法一和预紧方法二，还包括以下步骤：

步骤(4)：重复上述步骤(2)，由位移传感器14反馈压电陶瓷驱动器在受到不同大小的预紧力F_p时，压电陶瓷驱动器的位移，从而得到压电陶瓷驱动器在不同预紧力下的动态响应曲线。

步骤(5)：通过上述步骤(4)得到的动态响应曲线，确定F_p、Δl_v和Δl_s的最佳组合值。

图4a～图5b为采用本发明对压电陶瓷驱动器进行安装预紧，压电陶瓷驱动器在不同激励下的动态响应曲线。

如图4a所示，对于阶跃电压V_d＝150V的输入信号：仅在差动微调锁紧组件的调整预紧下，快速反射镜系统具有显著地超调量M_p＝0.64μm；在加入优化的弹簧预紧组件后，在弹簧预紧力F_s＝12.5N条件下，超调量被抑制并消失(如图4b所示)，快速反射镜系统对此阶跃信号的响应得到改善。

对于输入300H_Z、峰峰值V_pp＝30V的正弦驱动电压：仅在差动微调锁紧组件的调整预紧下，快速反射镜系统的反馈信号表现出明显的失真(如图5a所示)；在加入优化的预紧弹簧组件后，在弹簧预紧力F_s＝20N条件下，系统输出反馈波形质量得到显著提高(如图5b所示)。

综上所述，本发明对高频高加速度响应的超调具有显著的抑制作用，同时有效改善了压电陶瓷驱动器应用于快速反射镜系统的动态推拉性能。

Claims (9)

1.一种快速反射镜系统中压电陶瓷驱动器的预紧装置，其特征在于：包括多组差动微调锁紧组件和多组位移传感器；

差动微调锁紧组件的数量与压电陶瓷驱动器的数量一致；每组差动微调锁紧组件包括差动螺杆、接触块和锁紧顶丝；所述差动螺杆通过螺纹配合安装在快速反射镜的镜座上；所述接触块位于压电陶瓷驱动器顶部的半球顶尖和差动螺杆之间，接触块的上端与差动螺杆通过螺纹配合连接，由差动螺杆带动接触块上下移动；所述锁紧顶丝用于锁紧接触块，防止接触块上下窜动；

所述位移传感器设置在靠近接触块和半球顶尖的位置，用于反馈在压电陶瓷驱动器的驱动下镜座待测点的位移变化量。

2.根据权利要求1所述的一种快速反射镜系统中压电陶瓷驱动器的预紧装置，其特征在于：所述预紧装置还包括多组弹簧预紧组件，弹簧预紧组件的数量与压电陶瓷驱动器的数量一致；每组弹簧预紧组件包括对称设置在压电陶瓷驱动器两侧的两个拉杆、两个弹簧、两个挂钩、两个挂钩固定座、两组锁紧螺母；其中拉杆安装在快速反射镜镜座上，挂钩固定座安装在快速反射镜系统的基座上；拉杆、弹簧、挂钩和锁紧螺母沿竖直方向从上至下依次串接，挂钩的下端从挂钩固定座穿过，锁紧螺母位于挂钩固定座下方；

弹簧预紧组件装配完成后、向压电陶瓷驱动器施加预紧力前，每组弹簧预紧组件中的弹簧均处于自由状态；通过旋转锁紧螺母向弹簧施加拉力。

3.根据权利要求2所述的一种快速反射镜系统中压电陶瓷驱动器的预紧装置，其特征在于：所述接触块的下端面设有V槽，V槽的形状与所述半球顶尖的形状相适配。

4.根据权利要求3所述的一种快速反射镜系统中压电陶瓷驱动器的预紧装置，其特征在于：所述锁紧螺母为双螺母。

5.根据权利要求4所述的一种快速反射镜系统中压电陶瓷驱动器的预紧装置，其特征在于：所述位移传感器设置在镜座上。

6.基于权利要求1所述的预紧装置的预紧方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)安装压电陶瓷驱动器：

①松开锁紧顶丝，旋出差动螺杆使接触块相对于快速反射镜的镜座上移，以增大压电陶瓷驱动器的安装空间；

②将压电陶瓷驱动器放置于接触块与快速反射镜系统的基座之间，调整差动螺杆，使接触块的V槽与压电陶瓷驱动器的半球顶尖接触并实现压电陶瓷驱动器的定心调整；

(2)施加定量预紧力F_p:

①旋转差动螺杆使接触块下移Δl_v后，利用锁紧顶丝锁紧接触块，防止接触块上下微小窜动；

②为保证所施加的预紧力为F_p，在调整过程中，上述步骤(2)①中Δl_v需满足以下关系式：

$\frac{m_{l}g+{\mathrm{\Δl}}_v{k}_f}{n+\frac{k_f}{k}}=F_p;$

其中，m_l为快速反射镜负载质量；k为压电陶瓷驱动器的静态刚度；k_f为快速反射镜系统的柔性铰链的轴向拉压刚度；n为压电陶瓷驱动器的数量；

(3)重复上述步骤(1)和步骤(2)，依次完成所有压电陶瓷驱动器的安装和预紧力F_p的施加。

7.基于权利要求5所述的预紧装置的预紧方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)安装压电陶瓷驱动器：

①松开锁紧顶丝，旋出差动螺杆使接触块相对于快速反射镜的镜座上移，以增大压电陶瓷驱动器的安装空间；

②将压电陶瓷驱动器放置于接触块与快速反射镜系统的基座之间，调整差动螺杆，使接触块的V槽与压电陶瓷驱动器的半球顶尖接触并实现压电陶瓷驱动器的定心调整；

③将弹簧预紧组件装配到快速反射镜镜座上，并保证弹簧预紧组件的弹簧处于自由状态；

(2)施加定量预紧力F_p:

①旋转差动螺杆使接触块下移Δl_v后，利用锁紧顶丝锁紧接触块，防止接触块上下微小窜动；

②旋转锁紧螺母使弹簧伸长Δl_s，则弹簧所受拉力F_s＝Δl_sk_s，k_s为弹簧刚度；

③为保证所施加的预紧力为F_p，在调整过程中，上述步骤(2)①②中Δl_v和Δl_s需满足以下关系式：

$\frac{2{\mathrm{n\Δl}}_s{k}_s+m_{l}g+{\mathrm{\Δl}}_v{k}_f}{n+\frac{k_f}{k}}=F_p;$

其中，m_l为快速反射镜负载质量；k为压电陶瓷驱动器的静态刚度；k_f为快速反射镜系统的柔性铰链的轴向拉压刚度；n为压电陶瓷驱动器的数量；

(3)重复上述步骤(1)和步骤(2)，依次完成所有压电陶瓷驱动器的安装和预紧力F_p的施加。

8.根据权利要求6或7所述预紧方法，其特征在于：还包括步骤(4)：重复上述步骤(2)，由位移传感器反馈压电陶瓷驱动器在受到不同大小的预紧力F_p时，压电陶瓷驱动器的位移，从而得到压电陶瓷驱动器在不同预紧力下的动态响应曲线。

9.根据权利要求8所述的预紧方法，其特征在于：还包括步骤(5)：通过步骤(4)得到的动态响应曲线，确定F_p、Δl_v和Δl_s的最佳组合值。