CN107393599A - 集传感单元和约束元件于一体的二维快速偏转台及方法 - Google Patents
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Abstract
一种集传感单元和约束元件于一体的二维快速偏转台及方法，该偏转台包括置于下表面带有双轴柔性铰链的微角摆平台和底座间的X轴和Y轴角位移传感测量装置、四个直线音圈电机；X轴和Y轴角位移传感测量装置均包括刚性支撑相对两边伸出的一对柔性金属梁及其末端固定连接的质量块；每根柔性金属梁的根部附近上下表面均贴有电阻应变片；第一和第三音圈电机采用相同的规格相对布置，组成第一作动器组；第二和第四音圈电机采用相同的规格相对布置，并与第一作动器组垂直交错分布；本发明采用音圈电机驱动能实现较大的角行程，并通过柔性金属梁增加了偏转台的约束刚度，提高了机构的稳定性；同时又作为传感单元以应变反馈方式进行双轴偏转角度的实时测量。
Description
技术领域
本发明涉及微角位移二维快速偏转作动技术领域，具体涉及一种集传感单元和约束元件于一体的二维快速偏转台、作动方法及微角度传感测量方法。
背景技术
近年来，随着微电子工程、航天工程、生物工程等领域的迅速发展，微角度二维快速偏转台在天文望远镜、图像稳定控制、航天器通讯精确指向以及卫星成像等方面得到了广泛应用，并发挥着日益重要的作用。而目前的压电驱动型微角度作动平台虽然体积小、谐振频率高，但存在驱动电压高、作动行程小等不足，并且作动机构多需要安装额外的电涡流位移传感器等装置来测量双轴偏转角度。而由于其应用环境的特殊性，往往还要求作动平台在较低的驱动电压下具有较大的角行程。
音圈电机具有结构简单、体积小、高精度、力控制精确、急速响应、寿命长以及驱动行程大等卓越特性。因此音圈电机被广泛应用于精密作动领域中。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种集传感单元和约束元件于一体的二维快速偏转台、作动方法及微角度传感测量方法，该偏转台基于音圈电机驱动，在具有体积小、响应快、高的位移分辨率等特点的同时，还能在低电压下实现较大的角行程；并且通过弹性约束元件既增加整个机构的约束刚度，又实现双轴偏转角的传感测量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种集传感单元和约束元件于一体的二维快速偏转台，包括底座2、位于底座2中心处的刚性支撑5、以及通过带有双轴柔性铰链10与刚性支撑5连接的微角摆平台1；还包括与微角摆平台1的下表面四周通过双轴柔性铰链连接的X轴角位移传感测量装置3和Y轴角位移传感测量装置4、分布于X轴角位移传感测量装置3与底座2之间的第一音圈电机6和第二音圈电机8、以及分布于Y轴角位移传感测量装置4与底座2之间的第三音圈电机7和第四音圈电机9。所述第一音圈电机6包括第一磁缸6-2和置于第一磁缸6-2内的第一线圈6-1；所述第二音圈电机8、第三音圈电机7和第四音圈电机9均与第一音圈电机6的组成和规格相同；所述第一音圈电机6和第二音圈电机8相对布置，组成第一作动器组；所述第三音圈电机7和第四音圈电机9与第一作动器组垂直交错分布，组成第二作动器组。
所述X轴角位移传感测量装置3由位于底座2中心处的刚性支撑5、相对两边伸出的第一柔性金属梁3-1和第二柔性金属梁3-2以及分别与第一柔性金属梁3-1和第二柔性金属梁3-2末端固定连接的第一“凸”字形质量块3-3和第二“凸”字形质量块3-4组成；第一柔性金属梁3-1和第二柔性金属梁3-2的根部附近上下表面均贴有四片电阻应变片，接入相应的外部信号处理电路可组成两个全桥电路，且第一柔性金属梁3-1和第二柔性金属梁3-2同一表面上的电阻应变片距离一定；所述Y轴角位移传感测量装置4与X轴角位移传感测量装置3组成相同。
所述的第一音圈电机6、第二音圈电机8、第三音圈电机7和第四音圈电机9顶部的线圈位移输出端和磁缸底部均通过螺钉分别与X轴角位移传感测量装置3、Y轴角位移传感测量装置4以及基座2固定连接。
上述所述的一种集传感单元和约束元件于一体的二维快速偏转台的作动方法，工作时，当对第一作动器组的第一音圈电机6和第二音圈电机8施加方向相反的电压控制信号时，第一音圈电机6中的第一线圈6-1沿Z轴正方向运动，产生正位移；第二音圈电机8中的第二线圈8-1沿Z轴负方向运动，产生与之相等的负位移，从而推动微角摆平台1以双轴柔性铰链10为中心产生绕X轴偏转角；基于相同的控制方法，通过第二作动器组可以推动微角摆平台1以双轴柔性铰链10为中心产生绕Y轴偏转角。
上述所述的一种集传感单元和约束元件于一体的二维快速偏转台的微角度传感测量方法，当第一作动器组的第一音圈电机6和第二音圈电机8以差动方式工作时，推动X轴角位移传感测量装置3的第一“凸”字形质量块3-3和第二“凸”字形质量块3-4产生方向相反的位移，从而带动第一柔性金属梁3-1和第二柔性金属梁3-2在末端产生一定的挠度，同时在根部产生较大的应变；此时，贴在第一柔性金属梁3-1和第二柔性金属梁3-2根部附近的电阻应变片会产生应变，且根部产生的应变与相应端部产生的挠度成线性关系；因此，通过测量第一柔性金属梁3-1和第二柔性金属梁3-2的根部应变信息就能够计算相应的挠度，从而得到绕X轴偏转角度。所述绕Y轴偏转角度测量原理与绕X轴偏转角度测量原理相同；从而实现在增加机构约束刚度的同时，以应变反馈方式传感测量出双轴偏转角的功能。
本发明与现有技术相比较，具有如下优点：
1)本发明通过柔性金属梁的合理设计，既增加了作动平台的约束刚度，提高了机构的稳定性；同时又作为传感单元以应变反馈方式实现了双轴偏转角度的实时测量，避免了其它昂贵传感装置的复杂安装；从而实现了传感单元和约束元件的一体化作动结构设计。
2)相比于压电陶瓷驱动控制，音圈电机驱动具有驱动电压小、驱动行程大等独特优势，故本发明能实现较大的双轴偏转角度。
3)本发明采用了柔性铰链支撑结构，柔性铰链利用弹性材料微小变形及其自回复的特性，消除了传动过程中的空程和机械摩擦，使机构具有位移分辨率高等特点。
附图说明
图1为本发明立体结构示意图。
图2为X轴偏转机构组成示意图。
图3为角位移传感测量装置示意图。
图4为角位移传感测量装置测量原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明一种集传感单元和约束元件于一体的二维快速偏转台，包括底座2、位于底座2中心处的刚性支撑5、以及通过带有双轴柔性铰链10与刚性支撑5连接的微角摆平台1；还包括与微角摆平台1的下表面四周通过双轴柔性铰链连接的X轴角位移传感测量装置3和Y轴角位移传感测量装置4、分布于X轴角位移传感测量装置3与底座2之间的第一音圈电机6和第二音圈电机8、以及分布于Y轴角位移传感测量装置4与底座2之间的第三音圈电机7和第四音圈电机9。所述第一音圈电机6包括第一磁缸6-2和置于第一磁缸6-2内的第一线圈6-1。所述第二音圈电机8、第三音圈电机7和第四音圈电机9均与第一音圈电机6的组成和规格相同。所述第一音圈电机6和第二音圈电机8相对布置，组成第一作动器组。所述第三音圈电机7和第四音圈电机9与第一作动器组垂直交错分布，组成第二作动器组。
如图3所示，所述X轴角位移传感测量装置3由位于底座2中心处的刚性支撑5、相对两边伸出的第一柔性金属梁3-1和第二柔性金属梁3-2以及分别与第一柔性金属梁3-1和第二柔性金属梁3-2末端固定连接的第一“凸”字形质量块3-3和第二“凸”字形质量块3-4组成。第一柔性金属梁3-1和第二柔性金属梁3-2的根部附近上下表面均贴有四片电阻应变片，接入相应的外部信号处理电路可组成两个全桥电路，且柔性金属梁同一表面上的电阻应变片距离一定。所述Y轴角位移传感测量装置4与X轴角位移传感测量装置3组成相同。
作为本发明的优选实施方式，所述的第一音圈电机6、第二音圈电机8、第三音圈电机7和第四音圈电机9顶部的线圈位移输出端和磁缸底部均通过螺钉分别与X轴角位移传感测量装置3、Y轴角位移传感测量装置4以及基座2固定连接。
本发明二维快速偏转台的作动原理为：当对第一作动器组的第一音圈电机6和第二音圈电机8施加方向相反的电压控制信号时，第一音圈电机6中的第一线圈6-1沿Z轴正方向运动，产生正位移；第二音圈电机8中的第二线圈8-1沿Z轴负方向运动，产生与之相等的负位移，从而推动微角摆平台1以双轴柔性铰链10为中心产生绕X轴偏转角。基于相同的控制方法，通过第二作动器组可以推动微角摆平台1以双轴柔性铰链10为中心产生绕Y轴偏转角。
如图4所示，本发明的偏转台的微角度传感测量原理为：当第一作动器组的第一音圈电机6和第二音圈电机8以差动方式工作时，推动X轴角位移传感测量装置3的第一“凸”字形质量块3-3和第二“凸”字形质量块3-4产生方向相反的位移，从而带动第一柔性金属梁3-1和第二柔性金属梁3-2在末端产生一定的挠度，同时在根部产生较大的应变。此时，贴在第一柔性金属梁3-1和第二柔性金属梁3-2根部附近的电阻应变片会产生应变，且根部产生的应变与相应端部产生的挠度成线性关系。因此，通过测量第一柔性金属梁3-1和第二柔性金属梁3-2的根部应变信息就能够计算相应的挠度Δh1和-Δh2，运用公式便可以得到相应轴的偏转角。所述绕Y轴偏转角度测量原理与绕X轴偏转角度测量原理相同。
因此柔性金属梁的设计，既增加了作动平台的约束刚度，提高了机构的稳定性；同时又作为传感单元以应变反馈方式进行双轴偏转角度的实时测量。从而实现了传感单元和约束元件的一体化作动结构设计。
Claims (5)
1.一种集传感单元和约束元件于一体的二维快速偏转台，包括底座(2)、位于底座(2)中心处的刚性支撑(5)、以及通过带有双轴柔性铰链(10)与刚性支撑(5)连接的微角摆平台(1)；其特征在于：还包括与微角摆平台(1)的下表面四周通过双轴柔性铰链连接的X轴角位移传感测量装置(3)和Y轴角位移传感测量装置(4)、分布于X轴角位移传感测量装置(3)与底座(2)之间的第一音圈电机(6)和第二音圈电机(8)、以及分布于Y轴角位移传感测量装置(4)与底座(2)之间的第三音圈电机(7)和第四音圈电机(9)；所述第一音圈电机(6)包括第一磁缸(6-2)和置于第一磁缸(6-2)内的第一线圈(6-1)；所述第二音圈电机(8)、第三音圈电机(7)和第四音圈电机(9)均与第一音圈电机(6)的组成和规格相同；所述第一音圈电机(6)和第二音圈电机(8)相对布置，组成第一作动器组；所述第三音圈电机(7)和第四音圈电机(9)与第一作动器组垂直交错分布，组成第二作动器组。
2.根据权利要求1所述的一种集传感单元和约束元件于一体的二维快速偏转台，其特征在于：所述X轴角位移传感测量装置(3)由位于底座(2)中心处的刚性支撑(5)、相对两边伸出的第一柔性金属梁(3-1)和第二柔性金属梁(3-2)以及分别与第一柔性金属梁(3-1)和第二柔性金属梁(3-2)末端固定连接的第一“凸”字形质量块(3-3)和第二“凸”字形质量块(3-4)组成；第一柔性金属梁(3-1)和第二柔性金属梁(3-2)的根部附近上下表面均贴有四片电阻应变片，接入相应的外部信号处理电路组成两个全桥电路，且第一柔性金属梁(3-1)和第二柔性金属梁(3-2)同一表面上的电阻应变片距离一定；所述Y轴角位移传感测量装置(4)与X轴角位移传感测量装置(3)组成相同。
3.根据权利要求1所述的一种集传感单元和约束元件于一体的二维快速偏转台，其特征在于：所述的第一音圈电机(6)、第二音圈电机(8)、第三音圈电机(7)和第四音圈电机(9)顶部的线圈位移输出端和磁缸底部均通过螺钉分别与X轴角位移传感测量装置(3)、Y轴角位移传感测量装置(4)以及基座(2)固定连接。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种集传感单元和约束元件于一体的二维快速偏转台的作动方法，其特征在于：当对第一作动器组的第一音圈电机(6)和第二音圈电机(8)施加方向相反的电压控制信号时，第一音圈电机(6)中的第一线圈(6-1)沿Z轴正方向运动，产生正位移；第二音圈电机(8)中的第二线圈(8-1)沿Z轴负方向运动，产生与之相等的负位移，从而推动微角摆平台(1)以双轴柔性铰链(10)为中心产生绕X轴偏转角；基于相同的控制方法，通过第二作动器组能够推动微角摆平台(1)以双轴柔性铰链(10)为中心产生绕Y轴偏转角。
5.根据权利要求1至3任一项所述的一种集传感单元和约束元件于一体的二维快速偏转台的微角度传感测量方法，其特征在于：当第一作动器组的第一音圈电机(6)和第二音圈电机(8)以差动方式工作时，推动X轴角位移传感测量装置(3)的第一“凸”字形质量块(3-3)和第二“凸”字形质量块(3-4)产生方向相反的位移，从而带动第一柔性金属梁(3-1)和第二柔性金属梁(3-2)在末端产生一定的挠度，同时在根部产生较大的应变；此时，贴在第一柔性金属梁(3-1)和第二柔性金属梁(3-2)根部附近的电阻应变片会产生应变，且根部产生的应变与相应端部产生的挠度成线性关系；因此，通过测量第一柔性金属梁(3-1)和第二柔性金属梁(3-2)的根部应变信息就能够计算相应的挠度，从而得到绕X轴偏转角度；所述绕Y轴偏转角度测量原理与绕X轴偏转角度测量原理相同；柔性金属梁的设计既增加了作动平台的约束刚度，提高了机构的稳定性；同时又作为传感单元以应变反馈方式进行双轴偏转角度的实时测量；从而实现了传感单元和约束元件的一体化作动结构设计。
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| CN107393599B (zh) | 2018-07-06 |
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