CN113219649A - 一种航天应用的高可靠压电偏摆镜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种航天应用的高可靠压电偏摆镜，包括台面、壳体、底座、铰链机构、两级驱动压电陶瓷组、连接臂和中心立柱，台面包括台体、第一柔性铰链和偏转位移输出座，偏转位移输出座通过第一柔性铰链与台体连接，台体与壳体上端连接；在壳体的中心设有中心立柱，中心立柱通过四个连接臂与壳体连为一体，在壳体内围绕中心立柱开通四个竖直通孔，两级驱动压电陶瓷组安装在四个竖直通孔内，在压电陶瓷与所在的竖直通孔间隙内灌满胶；壳体上端与铰链机构连接，铰链机构的下端面与一级驱动压电陶瓷组接触，上端面与若干钢球点接触，在铰链机构上贴有应变计，壳体的下端与底座固定连接。本发明具有安全冗余性，可靠性高，精度高，结构紧凑。

Description

一种航天应用的高可靠压电偏摆镜
技术领域
本发明属于精密仪器技术领域，尤其是涉及一种航天应用的高可靠压电偏摆镜。
背景技术
压电偏摆镜在光束控制中可以获得良好的补偿、跟踪和控制效果，可以用于实验室的科学研究或者教学设备中，但随着压电偏摆镜在航天工程中得到越来越多的应用，对其的要求已经不仅仅是精度和响应速度，用在航天领域，对整体结构的抗冲击、抗振动能力以及其他力学性能都有更高的要求，振动或冲击很容易对压电陶瓷产生破坏，降低压电陶瓷的使用寿命，影响压电偏摆镜的可靠性。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种航天应用的高可靠压电偏摆镜，具有安全冗余性，提高了使用的可靠性，保证高精度的同时，强化了整个结构的力学性能，且整个台体结构紧凑，闭环定位精度高，具有亚毫秒范围的响应时间。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种航天应用的高可靠压电偏摆镜，包括台面、壳体、底座、铰链机构、一级驱动压电陶瓷组、二级驱动压电陶瓷组、连接臂和中心立柱，所述的台面包括台体、第一柔性铰链和偏转位移输出座，所述的偏转位移输出座通过第一柔性铰链与台体连接，所述台体与壳体上端连接；
在壳体的中心设有中心立柱，所述中心立柱通过四个连接臂与壳体连为一体，在壳体内围绕中心立柱开通四个竖直通孔，所述的一级驱动压电陶瓷组和二级压电陶瓷组分别包括四个压电陶瓷，所述的一级驱动压电陶瓷组和二级驱动压电陶瓷组从上到下依次安装在四个竖直通孔内，在压电陶瓷与所在的竖直通孔间隙内灌满胶；
所述壳体上端与铰链机构连接，铰链机构的下端面与一级驱动压电陶瓷组的四个压电陶瓷的顶端接触，所述的中心立柱的上端设有螺纹孔，在预紧螺钉上套设有碟簧，预紧螺钉穿过偏转位移输出座的中心处的通孔与中心立柱的上端的螺纹孔连接使铰链机构的上端面始终与嵌设在偏转位移输出座内部的若干钢球点接触，在铰链机构上贴有应变计，所述壳体的下端与底座固定连接，在底座下端设有一级出线孔和二级出线孔。
进一步的，所述铰链机构包括四个铰链单元，在每一个铰链单元上面都贴有应变计。
进一步的，每个铰链单元均包括铰链本体，在铰链本体的中部设有铰链机构陶瓷接触凸台，铰链本体的两端各设置一个固定孔，在固定孔与铰链机构陶瓷接触凸台之间的铰链本体上设有第二柔性铰链，在每个铰链单元上对应每个第二柔性铰链处分别设有一个应变计，在每个铰链机构上表面正中间位置上安装一个垫片，所述钢球设置四个，钢球与垫片一一对应点接触布置；四个铰链单元的铰链机构陶瓷接触凸台布置位置与一级驱动压电陶瓷组的四个压电陶瓷端对应。
进一步的，所述一级驱动压电陶瓷组与二级驱动压电陶瓷组单独控制，每一级驱动实现两维运动，通过调节压差来控制偏转的角度。
进一步的，在偏转位移输出座上均匀开设若干负载连接孔。
进一步的，在台体上均匀开设有多个台面固定孔，通过螺栓穿过台面固定孔与壳体上端连接。
进一步的，所述胶为航天胶。
进一步的，所述压电陶瓷为低压叠堆共烧压电陶瓷。
进一步的，所述一级出线孔用于穿设与一级驱动压电陶瓷组连接的电线，所述二级出线孔用于穿设与二级驱动压电陶瓷组连接的电线。
相对于现有技术，本发明所述的一种航天应用的高可靠压电偏摆镜具有以下优势：
(1)压电偏摆镜高精度、分辨率高，壳体内部竖直通孔灌胶，消减外界对陶瓷的振动破坏，吸收振动冲击，并且4个孔之间互不相通，抗干扰性强，提高陶瓷可靠性，进而提高偏摆镜的可靠性。
(2)双极控制具有安全冗余性，提高了使用的安全系数，且整个偏摆镜结构紧凑，铰链闭环定位精度高，驱动源是压电陶瓷，相比较于传统驱动源，压电类产品普遍响应速度快，谐振频率高，具有亚毫秒范围的响应时间；同时应变计贴在铰链机构上，相比较于贴在陶瓷上，避免了破坏陶瓷表面的树脂层，提高陶瓷的可靠性。
(3)两级驱动分开控制，互不干扰，两级驱动压电陶瓷可以一起运动实现更大位移，也可以单独运动，在一级出现问题时，可以启动另外一级；若需要达到与单级驱动器相同的行程，两级陶瓷所需的驱动行程为原单级驱动器的1/2，因此两级驱动陶瓷每一级的电容量为原来的1/2，提高驱动器的响应速度。
(4)整个结构还可以承受一定的侧向力，提高了陶瓷的使用寿命。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种航天应用的高可靠压电偏摆镜的结构示意图；
图2为本发明实施例所述的一种航天应用的高可靠压电偏摆镜的俯视图；
图3为图2的B-B向剖视图；
图4为图1的A-A向剖视图；
图5为台面的结构示意图；
图6为单个铰链单元的结构示意图；
图7为某一级压电陶瓷驱动的控制原理图。
附图标记说明：
1-台面，2-壳体，3-底座，4-一级出线孔，5-预紧螺钉，6-碟簧，7-钢球，8-垫片，9-铰链机构，10-一级驱动压电陶瓷组，11-二级驱动压电陶瓷组，12-连接臂，13-中心立柱，14-胶，15-台面固定孔，16-第一柔性铰链，17-偏转位移输出座，18-负载连接孔，19-台体，20-应变计，21-二级出线孔，22-铰链机构陶瓷接触凸台，23-第二柔性铰链，24-固定孔。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-图7所示，一种航天应用的高可靠压电偏摆镜，包括台面1、壳体2、底座3、铰链机构9、一级驱动压电陶瓷组10、二级驱动压电陶瓷组11、连接臂12和中心立柱13，所述的台面1包括台体19、第一柔性铰链16和偏转位移输出座17，所述的偏转位移输出座17通过第一柔性铰链16与台体19连接，所述台体19与壳体2上端连接；
在壳体2的中心设置中心立柱13，所述中心立柱13通过四个连接臂12与壳体2连为一体，在壳体2内围绕中心立柱13开通四个竖直通孔，所述的一级驱动压电陶瓷组10和二级压电陶瓷组11分别包括四个压电陶瓷，所述的一级驱动压电陶瓷组10和二级驱动压电陶瓷组11从上到下依次安装在四个竖直通孔内，在压电陶瓷与所在的竖直通孔间隙内灌满胶14；
所述壳体2上端与铰链机构9连接，铰链机构9的下端面与一级驱动压电陶瓷组10的四个压电陶瓷的顶端接触，所述的中心立柱13的上端设有螺纹孔，在预紧螺钉5上套设有碟簧6，预紧螺钉5穿过偏转位移输出座17的中心处的通孔与中心立柱13的上端的螺纹孔连接使铰链机构9的上端面始终与嵌设在偏转位移输出座17内部的若干钢球7点接触，在铰链机构9上贴有应变计20，所述壳体2的下端与底座3固定连接，在底座3下端设有一级出线孔4和二级出线孔21，一级出线孔4用于穿设与一级驱动压电陶瓷组10连接的电线，所述二级出线孔21用于穿设与二级驱动压电陶瓷组11连接的电线。第一柔性铰链刚度越低，陶瓷损失位移越少，通过设置第一柔性铰链16将压电陶瓷产生的位移有效的传递出去，若接触的是一个刚度无限大的刚体，则是完全没有位移输出的。
所述铰链机构9包括四个铰链单元，在每一个铰链单元上面都贴有应变计20。
每个铰链单元均包括铰链本体，在铰链本体的中部设有铰链机构陶瓷接触凸台22，铰链本体的两端各设置一个固定孔24，在固定孔与铰链机构陶瓷接触凸台之间的铰链本体上设有第二柔性铰链23，在每个铰链单元上对应每个第二柔性铰链23处分别设有一个应变计20，相比较于应变计贴在陶瓷上，避免了破坏陶瓷表面的树脂层，提高陶瓷的可靠性；在每个铰链机构上表面正中间位置上安装一个垫片8，所述钢球7设置四个，钢球7与垫片8一一对应点接触布置；四个铰链单元的铰链机构陶瓷接触凸台布置位置与一级驱动压电陶瓷组的四个压电陶瓷端对应。
铰链单元通过螺钉穿过固定孔24固定到壳体上，铰链机构陶瓷接触凸台22直接与陶瓷面接触，压电陶瓷输出位移，铰链机构9的若干第二柔性铰链23处会发生形变。
在每个铰链机构陶瓷接触凸台上安装一个垫片8，所述钢球7设置四个，钢球7与垫片8一一对应点接触布置。
一级驱动压电陶瓷组10与二级驱动压电陶瓷组11单独控制，每一级驱动实现两维运动，通过调节压差来控制偏转的角度。两级驱动叠堆压电陶瓷可以一起运动实现更大位移，也可以单独运动，在一级出现问题时，可以启动另外一级。为了达到与单级驱动器相同的行程，两级陶瓷所需的驱动行程为原单级驱动器的1/2，因此两级驱动陶瓷每一级的电容量为原来的1/2，提高驱动器的响应速度。
在偏转位移输出座17上均匀开设若干负载连接孔18，用于安装负载即镜体。在台体19上均匀开设有多个台面固定孔15，通过螺栓穿过台面固定孔15与壳体2上端连接。胶14为航天胶，提高整个结构的稳定性。
所述两级压电陶瓷作为驱动原件，压电陶瓷是一种能够将机械能和电能相互转换的功能陶瓷材料，具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，它频率稳定性好，精度高。本发明专利所述产品选用的是低压叠堆共烧压电陶瓷，该叠堆压电陶瓷可以承受很大的压力，刚度大，绝缘在侧边，陶瓷整个截面积均可致动，出力大，性能完好展现，不存在局部电场变形，不易出现点应力，低压叠堆共烧工艺压电陶瓷具有优异的性能及超长使用寿命，特殊的绝缘材料确保在严苛的条件下动态性能最大输出。
压电陶瓷的工作原理如下：
根据陶瓷的逆压电效应：在对压电陶瓷的极化方向上施加电压，压电陶瓷会随之发生形变位移，形变位移△L有如下关系式：
△L＝d33 n U
其中：
d33：应变系数(m/V)
n：压电陶瓷片个数
U：驱动电压(V)。
通过给定电压使整体结构内部的压电陶瓷进行伸长或者缩短运动，压电陶瓷之间协作运动带动偏转位移输出座进行精密偏转定位运动。每一级驱动都有四支压电陶瓷，四支陶瓷实现两维运动，其中两支为一组，通过调节压差来控制偏转的角度。
两级驱动控制原理一样，以其中一级为例阐述。如图7所示，保持CH3恒压控制，给定CH1电压，Y轴方向布置的陶瓷PZT X1和PZT X2由于各自的压差会有不同程度的伸长或压缩，进而带动偏转位移输出端绕X轴偏转运动。同理，保持CH3恒压控制，给定CH2电压，X轴方向布置的陶瓷PZT Y1和PZT Y2由于各自的压差会有不同程度的伸长或压缩，进而带动偏转位移输出端绕Y轴偏转运动。绕X轴或者Y轴偏转运动的角度依靠调节CH1或者CH2给定的电压。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种航天应用的高可靠压电偏摆镜，其特征在于：包括台面(1)、壳体(2)、底座(3)、铰链机构(9)、一级驱动压电陶瓷组(10)、二级驱动压电陶瓷组(11)、连接臂(12)和中心立柱(13)，所述的台面(1)包括台体(19)、第一柔性铰链(16)和偏转位移输出座(17)，所述的偏转位移输出座(17)通过第一柔性铰链(16)与台体(19)连接，所述台体(19)与壳体(2)上端连接；
在壳体(2)的中心设置中心立柱(13)，所述中心立柱(13)通过四个连接臂(12)与壳体(2)连为一体，在壳体(2)内围绕中心立柱(13)开通四个竖直通孔，所述的一级驱动压电陶瓷组(10)和二级压电陶瓷组(11)分别包括四个压电陶瓷，所述的一级驱动压电陶瓷组(10)和二级驱动压电陶瓷组(11)从上到下依次安装在四个竖直通孔内，在压电陶瓷与所在的竖直通孔间隙内灌满胶(14)；
所述壳体(2)上端与铰链机构(9)连接，铰链机构(9)的下端面与一级驱动压电陶瓷组(10)的四个压电陶瓷的顶端接触，所述的中心立柱(13)的上端设有螺纹孔，在预紧螺钉(5)上套设有碟簧(6)，预紧螺钉(5)穿过偏转位移输出座(17)的中心处的通孔与中心立柱(13)的上端的螺纹孔连接使铰链机构(9)的上端面始终与嵌设在偏转位移输出座(17)内部的若干钢球(7)点接触，在铰链机构(9)上贴有应变计(20)，所述壳体(2)的下端与底座(3)固定连接，在底座(3)下端设有一级出线孔(4)和二级出线孔(21)。
2.根据权利要求1所述的一种航天应用的高可靠压电偏摆镜，其特征在于：所述铰链机构(9)包括四个铰链单元，在每一个铰链单元上面都贴有应变计(20)。
3.根据权利要求2所述的一种航天应用的高可靠压电偏摆镜，其特征在于：每个铰链单元均包括铰链本体，在铰链本体的中部设有铰链机构陶瓷接触凸台(22)，铰链本体的两端各设置一个固定孔(24)，在固定孔与铰链机构陶瓷接触凸台之间的铰链本体上设有第二柔性铰链(23)，在每个铰链单元上对应每个第二柔性铰链(23)处分别设有一个应变计(20)，在每个铰链机构上表面正中间位置上安装一个垫片(8)，所述钢球(7)设置四个，钢球(7)与垫片(8)一一对应点接触布置；四个铰链单元的铰链机构陶瓷接触凸台布置位置与一级驱动压电陶瓷组的四个压电陶瓷端对应。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种航天应用的高可靠压电偏摆镜，其特征在于：所述一级驱动压电陶瓷组(10)与二级驱动压电陶瓷组(11)单独控制，每一级驱动实现两维运动，通过调节压差来控制偏转的角度。
5.根据权利要求4或所述的一种航天应用的高可靠压电偏摆镜，其特征在于：在偏转位移输出座(17)上均匀开设若干负载连接孔(18)。
6.根据权利要求1所述的一种航天应用的高可靠压电偏摆镜，其特征在于：在台体(19)上均匀开设有多个台面固定孔(15)，通过螺栓穿过台面固定孔(15)与壳体(2)上端连接。
7.根据权利要求1所述的一种航天应用的高可靠压电偏摆镜，其特征在于：所述胶(14)为航天胶。
8.根据权利要求1所述的一种航天应用的高可靠压电偏摆镜，其特征在于：所述压电陶瓷为低压叠堆共烧压电陶瓷。
9.根据权利要求1、2、3、5、6、7或8所述的一种航天应用的高可靠压电偏摆镜，其特征在于：所述一级出线孔(4)用于穿设与一级驱动压电陶瓷组(10)连接的电线，所述二级出线孔(21)用于穿设与二级驱动压电陶瓷组(11)连接的电线。
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