CN107976802B - 一种二维快速控制反射镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维快速控制反射镜，包括下壳体、上壳体和底板，所述的下壳体内均匀布置有若干驱动器组，所述的驱动器组包括位移放大机构和设于位移放大机构上的压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器的外表面粘接有电阻应变片，所述的位移放大机构上紧固连接有球头，所述的球头位于压电陶瓷驱动器的上表面，位移放大机构通过柔性铰链连接有摇板，所述的摇板上设置有柔性支撑板，所述的摇板顶端通过反射镜粘接块固定有反射镜，所述的反射镜位于柔性支撑板上方；本发明采用压电陶瓷驱动器驱动与两级杠杆式位移放大机构，放大倍数大，可以达到6‑10倍，压电陶瓷驱动器驱动驱动器组出力大、响应快、分辨率高，易于提高装置的控制带宽。

Description

一种二维快速控制反射镜

技术领域

本发明属于光束控制技术领域，具体涉及一种采用压电陶瓷驱动器组驱动的二维快速控制反射镜，可用于大口径激光光束的精确控制。

背景技术

快速控制反射镜是一种高速、高精度光束控制装置，它通过快速调整反射镜的偏转角度以达到对光束指向进行校正的目的。快速控制反射镜系统具有工作带宽高、响应速度快、控制精度高等优点，已成功应用于激光通讯、激光武器、复合轴精密跟踪、自适应光学等领域中。

公开号为CN 103576283A的中国发明专利公开了一种基于柔性支撑的快速反射镜装置，该装置采用音圈电机驱动，音圈电机驱动器组的驱动行程大、出力小，所以该发明的反射镜扫描频率不高，并且角度偏差精度较差。

公开号为CN 105403999A的中国发明专利公开了一种快速控制反射镜装置，该装置采用压电陶瓷驱动器组驱动，经椭圆形弹性外框放大将位移传递给圆弧形柔性铰链，进而驱动反射镜转动。该装置采用椭圆形弹性框作为放大装置，放大倍数有限，并且圆弧形柔性铰链的弯曲偏转能力有限，所以该反射镜的偏摆行程较小；该装置采用3个圆弧形柔性铰链并联的结构形式，当反射镜偏转时，3个柔性铰链之间存在转动干涉，导致柔性铰链存在拉伸变形，损失压电陶瓷驱动器组的行程，影响反射镜的偏摆行程；该装置，反射镜水平方向刚性较差，不适用于有振动冲击的环境。

发明内容

为了克服现有的快速控制反射镜在口径、行程、控制带宽、尤其存在转动干涉等方面的不足，本发明提供了一种压电陶瓷驱动器组驱动、四个驱动器组组并联的二维（X轴、Y轴）快速控制反射镜。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种二维快速控制反射镜，包括下壳体以及连接在下壳体上、下侧的上壳体和底板，所述的下壳体内均匀布置有若干驱动器组，所述的驱动器组包括位移放大机构和设于位移放大机构上的压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器的外表面粘接有电阻应变片，所述的位移放大机构上紧固连接有球头，所述的球头位于压电陶瓷驱动器的上表面，位移放大机构通过柔性铰链连接有摇板，所述的摇板上设置有柔性支撑板，所述的摇板顶端通过反射镜粘接块固定有反射镜，所述的反射镜位于柔性支撑板上方。

所述的一种二维快速控制反射镜，其驱动器组包括第一驱动器组、第二驱动器组、第三驱动器组和第四驱动器组，四个驱动器组并联驱动，并与柔性支撑板构成水平限位的复合连接结构形式。

所述的一种二维快速控制反射镜，其位移放大机构是位移放大倍数达6-10倍的两级杠杆式放大机构，为中空的主体部和两个悬臂构成的“匚”字形结构，所述的压电陶瓷驱动器位于主体部内并通过预紧螺钉与位移放大机构连接，所述的两个悬臂之间连接有预紧弹簧，所述的柔性铰链通过螺纹连接的方式与位于上侧的悬臂连接。

所述的一种二维快速控制反射镜，其柔性铰链为双层直梁形铰链，每层均有两个转动自由度，四个柔性铰链并联支撑，所述的柔性铰链通过螺钉与摇板固连。

所述的一种二维快速控制反射镜，其柔性支撑板上沿X轴、Y轴对称分布有四条切缝，每条切缝均由三条直线缝首尾连接而成，相邻两条直线缝相互垂直，所述的切缝内设置有摇板安装孔，通过螺钉与摇板连接，所述的切缝外对应设有上壳体安装孔，通过螺钉与上壳体连接。

所述的一种二维快速控制反射镜，其反射镜粘接块有四个，分别设置在摇板的四个边角位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明采用四个驱动器组并联的驱动方式，采用四个双层柔性铰链并联支撑、柔性支撑板进行水平限位的复合连接方式，保证了反射镜具有以下特点：

1）反射镜具有绕X轴、绕Y轴的转动自由度；

2）反射镜沿X轴、沿Y轴的平动自由度和绕Z轴的转动自由度被限制；

3）反射镜的转动无摩擦、无间隙；

4）反射镜水平方向刚性好，可适用于振动、冲击环境；

本发明采用压电陶瓷驱动器组驱动与两级杠杆式位移放大机构复合使用；两级杠杆式位移放大机构结构紧凑，放大倍数大，可以达到6-10倍；压电陶瓷驱动器组驱动驱动器组出力大、响应快、分辨率高，易于提高装置的控制带宽；

本发明采用双层直梁形柔性铰链，轴向刚度大，可以有效传递驱动位移；双层直梁形柔性铰链自身允许产生的变形量更大；柔性铰链的变形量越大，反射镜的偏摆行程也越大，可以有效解决常见快速反射镜偏转行程小的问题；

本发明的双层柔性铰链解决了常见的快速控制反射镜装置中，反射镜偏转时存在转动干涉的问题。

附图说明

图1为本发明的剖视图；

图2为本发明的爆炸视图；

图3为本发明驱动器组的结构示意图；

图4为本发明柔性支撑板的结构示意图；

图5为本发明位移放大机构的结构示意图；

图6为本发明柔性铰链的结构示意图。

各附图标记为：1—上壳体，2—下壳体，3—驱动器组，4—底板，5—反射镜，6、6a、6b、6c、6d—反射镜粘接块，7—柔性支撑板，8—摇板，9—防松螺钉，3a—第一驱动器组，3b—第二驱动器组，3c—第三驱动器组，3d—第四驱动器组，31—位移放大机构，311、312、313、314、315、316—孔，32—压电陶瓷驱动器，33—球头，34—电阻应变片，35—预紧螺钉，36—柔性铰链，361、362—螺纹孔，37—预紧弹簧。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施过程作进一步说明。

如图1、2所示，本发明公开了一种二维大口径快速控制反射镜，包括上壳体1、下壳体2、第一驱动器组3a、第二驱动器组3b、第三驱动器组3c、第四驱动器组3d和底板4，下壳体2分别与上壳体1和底板4固连，第一驱动器组3a、第二驱动器组3b、第三驱动器组3c、第四驱动器组3d均通过侧面的螺纹孔均布固连在下壳体2的内壁上。

如图3所示，所述的驱动器组3包括位移放大机构31和设于位移放大机构31上的压电陶瓷驱动器32，压电陶瓷驱动器32起输出位移的作用，压电陶瓷驱动器32的外表面粘接有电阻应变片34，用于间接测量压电陶瓷驱动器32的伸缩量，所述的位移放大机构31上紧固连接有球头33，球头33通过孔311连接在位移放大机构31上，所述的球头33位于压电陶瓷驱动器32的上表面，压电陶瓷驱动器32与位移放大机构31之间通过球头33传递输出位移，四个驱动器组3的输出端均通过柔性铰链36连接有摇板8，所述的摇板8上设置有柔性支撑板7，所述的摇板8四个边角位置通过反射镜粘接块6固定有反射镜5，所述的反射镜5位于柔性支撑板7上方。

所述的位移放大机构31为中空的主体部和两个悬臂构成的“匚”字形结构，所述的压电陶瓷驱动器32位于主体部内并通过预紧螺钉35与位移放大机构31连接，四个防松螺钉9通过底板4上的螺纹孔对预紧螺钉进行锁紧防松，预紧螺钉35通过孔312连结在位移放大机构31上对压电陶瓷驱动器32进行预压紧，保证压电陶瓷驱动器32的上表面与球头33接触，所述的两个悬臂之间连接有预紧弹簧37，预紧弹簧37挂在位移放大机构31两端上，对压电陶瓷驱动器32进行预紧，所述的柔性铰链36通过螺纹连接的方式与位于上侧的悬臂连接。

由于压电陶瓷驱动器32不能承受弯矩和剪切力，所以压电陶瓷驱动器32与位移放大机构31之间通过球头33传递输出位移。柔性铰链36通过螺纹连接的方式将孔361与位移放大机构31的孔313固连。预紧弹簧37挂在悬臂的孔314、孔315上，对压电陶瓷驱动器进行预紧。四个驱动器组3通过柔性铰链36上的螺纹孔362与摇板8固连。

柔性支撑板7通过内圈的四个孔与摇板8固连，通过外圈的四个孔与上壳体1固连。四个反射镜粘接块6通过螺纹固连在摇板8的四个边角位置。反射镜5通过粘接的方式固连在四个反射镜粘接块6上。由于摇板8的刚性比较好，这种反射镜安装方式既有保护反射镜的作用，又有利于反射镜的轻量化设计。四个防松螺钉9通过底板4上的螺纹孔对预紧螺钉35进行锁紧防松。

本装置的反射镜5绕X轴转动的工作过程为：工作时，系统加电后，先同时给四支压电陶瓷驱动器32施加相同的输入电压，四支压电陶瓷驱动器32等幅伸长，通过控制电压值保证伸长量均为该压电陶瓷驱动器标称行程的一半；此时反射镜5沿Z轴方向升高一定的位移量，再分别控制第一驱动器组3a、第三驱动器组3c，并使第一驱动器组3a、第三驱动器组3c的升降位移相同，升降方向相反，此时便实现反射镜5绕X轴转动。然后，由第一、二、三、四驱动器组中的电阻应变片34间接测量得到相应的压电陶瓷驱动器32的伸长量，进而获得第一、二、三、四驱动器组的位移输出量，再通过简单计算即可获得反射镜5绕X轴的转动的角度，并反馈给控制系统，实现对反射镜5绕X轴转动角度的精确闭环控制。

本装置的反射镜5绕Y轴转动的工作过程为：工作时，系统加电后，先同时给四支压电陶瓷驱动器32施加相同的输入电压，使四支压电陶瓷驱动器32等幅伸长，通过控制电压值保证伸长量均为该压电陶瓷驱动器标称行程的一半；此时反射镜5沿Z轴方向升高一定的位移量。再分别控制第二驱动器组3b、第四驱动器组3d，并使第二驱动器组3b、第四驱动器组3d的升降位移相同，升降方向相反，此时便实现反射镜5绕Y轴转动。然后，由第一、二、三、四驱动器组中的电阻应变片34间接测量得到相应的压电陶瓷驱动器32的伸长量，进而获得第一、二、三、四驱动器的位移输出量，再通过简单计算即可获得反射镜5绕Y轴的转动的角度，并反馈给控制系统，实现对反射镜5绕Y轴转动角度的精确闭环控制。

对本发明的原理和效果作进一步说明如下：

如图4所示，所述的柔性支撑板7的板面上分布了四条特殊设计、沿X轴、Y轴对称分布的切缝，每条切缝均由三条直线缝首尾连接而成，相邻两条直线缝相互垂直，每条切缝对应一个驱动器组3，柔性支撑板7切缝内（即柔性支撑板的内圈）对应设有摇板安装孔，通过螺钉与摇板8连接，柔性支撑板7切缝外（即柔性支撑板的外圈）设有上壳体安装孔，通过螺钉与上壳体1连接，所述的摇板8再通过螺钉连接在四个并联支撑的柔性铰链36顶端。

四个反射镜粘接块6a、6b、6c、6d通过螺纹固连在摇板8的四个边角位置，反射镜5通过粘接的方式固连在四个反射镜粘接块上，由于摇板8的刚性比较好，这种反射镜安装方式既有保护反射镜的作用，又有利于反射镜的轻量化设计。

柔性支撑板7具有以下特点：

1）柔性支撑板的转动刚度较小，具有绕X轴、绕Y轴的转动自由度；

2）柔性支撑板的平动刚度和绕Z轴的转动刚度较大，沿X轴、沿Y轴的平动自由度和绕Z轴的转动自由度被限制。

柔性铰链36横向刚度较小，不能限制反射镜3的水平方向的两个平动自由度，柔性铰链36与柔性支撑板7的复合连接保证了反射镜具有以下特点：

1）反射镜具有绕X轴、绕Y轴的转动自由度；

2）反射镜沿X轴、沿Y轴的平动自由度和绕Z轴的转动自由度被限制；

3）反射镜的转动无摩擦、无间隙。

如图5所示，所述的位移放大机构31为两级杠杆式放大机构，结构紧凑，放大倍数大，可以达到6-10倍，工作效率高，行程损失小，能够有效的将压电陶瓷驱动器的输出位移进行放大并传递至位移输出端。

如图6所示，所述的柔性铰链36为双层直梁形铰链，每层均有两个转动自由度，双层直梁形铰链的复合变形使得柔性铰链36自身允许产生的变形量更大，转动范围相对圆弧形柔性铰链较大，因此柔性铰链轴向变形刚度比较大，在受轴向拉压力时，自身的轴向变形小，因此可以有效传递驱动位移。

四个柔性铰链36并联支撑，当反射镜5偏转时，位移放大机构31的位移输出端与摇板8之间相对运动关系比较复杂，不仅有相对转动关系，还有相对平动关系；通过柔性铰链36将位移放大机构31的位移输出端与摇板8连接，能够有效地实现位移放大机构31与摇板8之间的相对运动，不存在转动干涉的现象。

另外，柔性铰链36的变形量直接影响反射镜5的偏摆行程，柔性铰链36的变形量越大，反射镜5的偏摆行程也越大。所以，该结构形式的柔性铰链36，可以有效解决快速反射镜偏转行程小的问题。

本发明采用压电陶瓷驱动器驱动与两级杠杆式位移放大机构复合使用；两级杠杆式位移放大机构结构紧凑，放大倍数大，可以达到6-10倍；采用双层直梁形柔性铰链，轴向刚度大，自身允许的变形量大，反射镜的偏摆行程也越大，可以有效解决常见快速反射镜偏转行程小的问题；四个双层柔性铰链并联支撑解决了常见的快速控制反射镜装置中，反射镜偏转时存在转动干涉的问题。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种二维快速控制反射镜，其特征在于：包括下壳体（2）以及连接在下壳体（2）上、下侧的上壳体（1）和底板（4），所述的下壳体（2）内均匀布置有一驱动器组（3a）、第二驱动器组（3b）、第三驱动器组（3c）和第四驱动器组（3d），四个驱动器组（3）并联驱动，并与柔性支撑板（7）构成水平限位的复合连接结构形式，每个驱动器组（3）均包括位移放大机构（31）和设于位移放大机构（31）上的压电陶瓷驱动器（32），压电陶瓷驱动器（32）的外表面粘接有电阻应变片（34），所述的位移放大机构（31）上紧固连接有球头（33），所述的球头（33）位于压电陶瓷驱动器（32）的上表面，位移放大机构（31）通过柔性铰链（36）连接有摇板（8），所述的摇板（8）上设置有柔性支撑板（7），所述的摇板（8）顶端四个边角处分别通过反射镜粘接块（6）固定有反射镜（5），所述的反射镜（5）位于柔性支撑板（7）上方；所述的位移放大机构（31）是位移放大倍数达6-10倍的两级杠杆式放大机构，为中空的主体部和两个悬臂构成的“匚”字形结构，所述的压电陶瓷驱动器（32）位于主体部内并通过预紧螺钉（35）与位移放大机构（31）连接，所述的两个悬臂之间连接有预紧弹簧（37），所述的柔性铰链（36）通过螺纹连接的方式与位于上侧的悬臂连接；所述的柔性铰链（36）为双层直梁形铰链，每层均有两个转动自由度，四个柔性铰链（36）并联支撑，所述的柔性铰链（36）通过螺钉与摇板（8）固连。

2.根据权利要求1所述的一种二维快速控制反射镜，其特征在于，所述的柔性支撑板（7）上沿X轴、Y轴对称分布有四条切缝，每条切缝均由三条直线缝首尾连接而成，相邻两条直线缝相互垂直，所述的切缝内设置有摇板安装孔，通过螺钉与摇板（8）连接，所述的切缝外对应设有上壳体安装孔，通过螺钉与上壳体（1）连接。

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