CN113595434B - 贴片式压电驱动二自由度星载激光指向驱动系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种贴片式压电驱动二自由度星载激光指向驱动系统及方法，系统包含压电驱动单元、两个导轨和连接两个导轨的四个预紧单元，压电驱动单元包含金属基体和十二个压电陶瓷片；每个预紧单元包含双头螺杆、四个预紧螺母、八个橡胶垫圈和两个压簧。工作时，通过对十二个压电陶瓷片施加不同的信号，产生摩擦使压电驱动单元在两个导轨上实现上下、左右转动，实现压电驱动的两个旋转自由度空间指向。本发明结构简单，无密封装置和复杂传动结构，采用压电驱动技术直接驱动，易于实现小型化、轻量化。

Description

贴片式压电驱动二自由度星载激光指向驱动系统及方法

技术领域

本发明涉及压电作动和激光指向驱动系统领域，尤其涉及一种贴片式压电驱动二自由度星载激光指向驱动系统及方法。

背景技术

近些年，激光通信技术取得长足进步，成为空间无线通信的一种新的选择。相比于微波通信，激光通信除了终端设备体积小、功耗低，还具有高传输速率、保密性及抗干扰能力强、测量精度高、作用距离远等优点，是代替微波通信的极佳选择，许多国家已经在空间激光通信领域展开了激烈的竞争。为了快速顺利建立起激光通信通道和保证高通信传输速率的稳定，需要星载激光通信端机具有结构简单、轻质低耗以及高的指向精度。

空间指向调整机构承担激光通信终端指向的调整和协调，其驱动方式、传动结构决定了可靠性、可控性的上限，构建结构简单的驱动、传动机构是实现高可靠、高精度的基础工作。压电驱动是一种利用压电材料逆压电效应激发弹性体微幅振动，并通过摩擦作用将振动转换成宏观运动的直接驱动方式。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种贴片式压电驱动二自由度星载激光指向驱动系统及方法，以精简机构为主要目标，考虑到压电驱动的高精度、快响应特点以及对空间环境的良好适应性，尤其结构简单、紧凑且可直接驱动，构建压电驱动的两个旋转自由度空间指向调整机构，实现激光指向机构的小型化和轻量化。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

贴片式压电驱动二自由度星载激光指向驱动系统，包含压电驱动单元，第一至第二导轨、以及预紧模块；

所述压电驱动单元包含金属基体、以及第一至第十二压电陶瓷片；

所述金属基体包含基座、以及第一至第二作动头；

所述基座为关于中心轴线对称的八棱柱，包含第一至第二端面、以及依次相连的第一至第八侧壁；

所述第一作动头、第二作动头结构相同，均为半圆柱；第一作动头、第二作动头的底面分别固定在基座的第一端面、第二端面上，且第一作动头、第二作动头的底面中心均位于基座的轴线上；第一作动头的两个端面分别和基座的第一侧壁、第五侧壁位于同一平面，第二作动头的两个端面分别和基座的第三侧壁、第七侧壁位于同一平面，即第一驱动头、第二驱动头正交设置；

所述金属基体在所述基座轴线上设有贯穿第一作动头、基座、第二作动头的通孔，用于放置激光设备，使得激光设备发出激光并沿通孔射出进行指向；

所述第一至第十二压电陶瓷片结构相同，其中，第一、第五、第九压电陶瓷片设置在基座的第一侧壁上，第二、第六、第十压电陶瓷片设置在基座的第三侧壁上，第三、第七、第十一压电陶瓷片设置在基座的第五侧壁上，第四、第八、第十二压电陶瓷片设置在基座的第七侧壁上；第一至第四压电陶瓷片的中心位于同一平面，第五至第八压电陶瓷片的中心位于同一平面，第九至第十二压电陶瓷片的中心位于同一平面，且第一至第十二压电陶瓷片关于基座的中心呈中心对称、均沿其厚度方向同时朝外或同时朝内极化；

所述第一导轨、第二导轨均为弧形长条板，四角均设有预紧通孔，内壁中心沿其长度方向设有弧形凹槽，且凹槽内沿其长度方向设有弧形通槽；所述第一导轨、第二导轨上还均匀设有若干用于和外界固定的固定螺纹孔；

所述第一导轨、第二导轨朝向相对且正交设置，第一导轨弧形凹槽所在平面和第二导轨弧形凹槽所在平面将空间分割为第一至第四区域；

所述第一作动头的弧面和第一导轨上的弧形通槽相抵，第二作动头的弧面和第二导轨上的弧形通槽相抵；

所述预紧模块包含第一至第四预紧单元；

所述第一至第四预紧单元结构相同，均包含双头螺杆、第一至第四预紧螺母、第一至第八橡胶垫圈、以及第一至第二压簧，其中，第一、第二预紧螺母和双头螺杆的一端螺纹相连，第三、第四预紧螺母和双头螺杆的另一端螺纹相连，第二、第三预紧螺母位于第一、第四预紧螺母之间；所述第一压簧套在第一、第二预紧螺母之间的双头螺杆上，第一、第二橡胶垫圈依次设置在第一压簧和第一预紧螺母之间，第三、第四橡胶垫圈依次设置在第一压簧和第二预紧螺母之间；所述第二压簧套在第三、第四预紧螺母之间的双头螺杆上，第四、第五橡胶垫圈依次设置在第二压簧和第三预紧螺母之间，第七、第八橡胶垫圈依次设置在第二压簧和第四预紧螺母之间；

所述第一至第四预紧单元一一对应设置在所述第一至第四区域中，其双头螺杆依次穿过第一导轨、第二导轨在其对应区域中的限位通孔，使得第一导轨两侧分别和其第一压簧、第三橡胶垫圈相抵，第二导轨两侧分别和其第六橡胶垫圈、第二压簧相抵，且第一压簧、第二压簧均呈压缩状态。

作为本发明贴片式压电驱动二自由度星载激光指向驱动系统进一步的优化方案，所述第一导轨、第二导轨上均匀设有4个用于和外界固定的固定螺纹孔。

本发明还公开了一种该贴片式压电驱动二自由度星载激光指向驱动系统的驱动方法，包含如下步骤：

如果需要压电驱动单元沿第一导轨的弧形通槽滑动，对第一、第三、第九、第十一压电陶瓷片施加第一信号，对第二、第四、第十、第十二压电陶瓷片施加第二信号；所述第一、第二信号均为交流谐波信号；调整第一与第二信号使其相位差为π/2；在电信号激励下，压电驱动单元金属基体上同时产生一阶纵振模态和三阶弯振模态，通过一阶纵振和三阶弯振的复合，使得第一、第二作动头表面质点产生平行于基座第一侧壁的微幅椭圆运动，通过摩擦作用使得压电驱动单元上的第一作动头在第一导轨的弧形通槽上滑动，第二作动头在第二导轨的弧形通槽上转动；如果需要压电驱动单元沿第一导轨的弧形通槽反向滑动，调整第一与第二信号在时间使其相位差为-π/2即可；

如果需要压电驱动单元沿第二导轨的弧形通槽滑动，对第一、第三、第九、第十一压电陶瓷片施加第一信号，对第五、第六、第七、第八压电陶瓷片施加第三信号；所述第三信号为交流谐波信号；调整第一与第三信号使其相位差为π/2；在电信号激励下，压电驱动单元金属基体上同时产生一阶纵振模态和三阶弯振模态，通过一阶纵振和三阶弯振的复合，使得第一、第二作动头表面质点产生平行于基座第三侧壁的微幅椭圆运动，通过摩擦作用使得压电驱动单元上的第二作动头在第二导轨的弧形通槽上滑动，第一作动头在第一导轨的弧形通槽上转动；如果需要压电驱动单元沿第二导轨的弧形通槽反向滑动，调整第一与第三信号在时间使其相位差为-π/2即可。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 结构简单，无密封装置和复杂传动结构；

2. 采用压电驱动技术直接驱动，易于实现小型化、轻量化和抗干扰性；

3. 采用导轨结构实现俩个维度的转向。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中压电驱动单元的结构示意图；

图3是本发明中第一至第四压电陶瓷片分布和极化方向的示意图；

图4是本发明中第二导轨的结构示意图；

图5是本发明中第一预紧单元一端的结构示意图；

图6是本发明中转动时压电驱动单元的驱动头表面质点椭圆运动示意图；

图7是本发明中工作状态时压电驱动单元的运动示意图。

图中，1-预紧模块，2-压电驱动单元，3-第一导轨，4-第二导轨，1.1-第一作动头，1.2-第二作动头，1.3-基座，1.4-第一压电陶瓷片，1.5-第二压电陶瓷片，1.6-第五压电陶瓷片，1.7-第六压电陶瓷片，1.8-第九压电陶瓷片，1.9-第十压电陶瓷片，2.1-预紧通孔，2.2-固定螺纹孔，2.3-弧形凹槽，2.4-弧形通槽，3.1-双头螺杆，3.2-第一预紧螺母，3.3-第一橡胶垫圈，3.4-第二橡胶垫圈，3.5-第一压簧，3.6-第三橡胶垫圈，3.7-第四橡胶垫圈，3.8-第二预紧螺母。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明公开了一种贴片式压电驱动二自由度星载激光指向驱动系统，包含压电驱动单元，第一至第二导轨、以及预紧模块；

如图2所示，所述压电驱动单元包含金属基体、以及第一至第十二压电陶瓷片；

所述金属基体包含基座、以及第一至第二作动头；

所述基座为关于中心轴线对称的八棱柱，包含第一至第二端面、以及依次相连的第一至第八侧壁；

所述第一作动头、第二作动头结构相同，均为半圆柱；第一作动头、第二作动头的底面分别固定在基座的第一端面、第二端面上，且第一作动头、第二作动头的底面中心均位于基座的轴线上；第一作动头的两个端面分别和基座的第一侧壁、第五侧壁位于同一平面，第二作动头的两个端面分别和基座的第三侧壁、第七侧壁位于同一平面，即第一驱动头、第二驱动头正交设置；

所述金属基体在所述基座轴线上设有贯穿第一作动头、基座、第二作动头的通孔，用于放置激光设备，使得激光设备发出激光并沿通孔射出进行指向；

所述第一至第十二压电陶瓷片结构相同，其中，第一、第五、第九压电陶瓷片设置在基座的第一侧壁上，第二、第六、第十压电陶瓷片设置在基座的第三侧壁上，第三、第七、第十一压电陶瓷片设置在基座的第五侧壁上，第四、第八、第十二压电陶瓷片设置在基座的第七侧壁上；第一至第四压电陶瓷片的中心位于同一平面，第五至第八压电陶瓷片的中心位于同一平面，第九至第十二压电陶瓷片的中心位于同一平面，且第一至第十二压电陶瓷片关于基座的中心呈中心对称、均沿其厚度方向同时朝外或同时朝内极化，如图3所示；

如图4所示，所述第一导轨、第二导轨均为弧形长条板，四角均设有预紧通孔，内壁中心沿其长度方向设有弧形凹槽，且凹槽内沿其长度方向设有弧形通槽；所述第一导轨、第二导轨上还均匀设有若干用于和外界固定的固定螺纹孔；

所述第一导轨、第二导轨朝向相对且正交设置，第一导轨弧形凹槽所在平面和第二导轨弧形凹槽所在平面将空间分割为第一至第四区域；

所述第一作动头的弧面和第一导轨上的弧形通槽相抵，第二作动头的弧面和第二导轨上的弧形通槽相抵；

所述预紧模块包含第一至第四预紧单元；

如图5所示，所述第一至第四预紧单元结构相同，均包含双头螺杆、第一至第四预紧螺母、第一至第八橡胶垫圈、以及第一至第二压簧，其中，第一、第二预紧螺母和双头螺杆的一端螺纹相连，第三、第四预紧螺母和双头螺杆的另一端螺纹相连，第二、第三预紧螺母位于第一、第四预紧螺母之间；所述第一压簧套在第一、第二预紧螺母之间的双头螺杆上，第一、第二橡胶垫圈依次设置在第一压簧和第一预紧螺母之间，第三、第四橡胶垫圈依次设置在第一压簧和第二预紧螺母之间；所述第二压簧套在第三、第四预紧螺母之间的双头螺杆上，第四、第五橡胶垫圈依次设置在第二压簧和第三预紧螺母之间，第七、第八橡胶垫圈依次设置在第二压簧和第四预紧螺母之间；

所述第一至第四预紧单元一一对应设置在所述第一至第四区域中，其双头螺杆依次穿过第一导轨、第二导轨在其对应区域中的限位通孔，使得第一导轨两侧分别和其第一压簧、第三橡胶垫圈相抵，第二导轨两侧分别和其第六橡胶垫圈、第二压簧相抵，且第一压簧、第二压簧均呈压缩状态。

作为本发明贴片式压电驱动二自由度星载激光指向驱动系统进一步的优化方案，所述第一导轨、第二导轨上均匀设有4个用于和外界固定的固定螺纹孔。

本发明还公开了一种该贴片式压电驱动二自由度星载激光指向驱动系统的驱动方法，包含如下步骤：

如果需要压电驱动单元沿第一导轨的弧形通槽滑动，对第一、第三、第九、第十一压电陶瓷片施加第一信号，对第二、第四、第十、第十二压电陶瓷片施加第二信号；所述第一、第二信号均为交流谐波信号；调整第一与第二信号使其相位差为π/2；在电信号激励下，压电驱动单元金属基体上同时产生一阶纵振模态和三阶弯振模态，通过一阶纵振和三阶弯振的复合，使得第一、第二作动头表面质点产生平行于基座第一侧壁的微幅椭圆运动，通过摩擦作用使得压电驱动单元上的第一作动头在第一导轨的弧形通槽上滑动，第二作动头在第二导轨的弧形通槽上转动；如果需要压电驱动单元沿第一导轨的弧形通槽反向滑动，调整第一与第二信号在时间使其相位差为-π/2即可；

如果需要压电驱动单元沿第二导轨的弧形通槽滑动，对第一、第三、第九、第十一压电陶瓷片施加第一信号，对第五、第六、第七、第八压电陶瓷片施加第三信号；所述第三信号为交流谐波信号；调整第一与第三信号使其相位差为π/2；如图6所示，在电信号激励下，压电驱动单元金属基体上同时产生一阶纵振模态和三阶弯振模态，通过一阶纵振和三阶弯振的复合，使得第一、第二作动头表面质点产生平行于基座第三侧壁的微幅椭圆运动，如图7所示，通过摩擦作用使得压电驱动单元上的第二作动头在第二导轨的弧形通槽上滑动，第一作动头在第一导轨的弧形通槽上转动；如果需要压电驱动单元沿第二导轨的弧形通槽反向滑动，调整第一与第三信号在时间使其相位差为-π/2即可。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.贴片式压电驱动二自由度星载激光指向驱动系统，其特征在于，包含压电驱动单元，第一至第二导轨、以及预紧模块；

所述压电驱动单元包含金属基体、以及第一至第十二压电陶瓷片；

所述金属基体包含基座、以及第一至第二作动头；

所述基座为关于中心轴线对称的八棱柱，包含第一至第二端面、以及依次相连的第一至第八侧壁；

所述第一作动头、第二作动头结构相同，均为半圆柱；第一作动头、第二作动头的底面分别固定在基座的第一端面、第二端面上，且第一作动头、第二作动头的底面中心均位于基座的轴线上；第一作动头的两个端面分别和基座的第一侧壁、第五侧壁位于同一平面，第二作动头的两个端面分别和基座的第三侧壁、第七侧壁位于同一平面，即第一驱动头、第二驱动头正交设置；

所述金属基体在所述基座轴线上设有贯穿第一作动头、基座、第二作动头的通孔，用于放置激光设备，使得激光设备发出激光并沿通孔射出进行指向；

所述第一至第十二压电陶瓷片结构相同，其中，第一、第五、第九压电陶瓷片设置在基座的第一侧壁上，第二、第六、第十压电陶瓷片设置在基座的第三侧壁上，第三、第七、第十一压电陶瓷片设置在基座的第五侧壁上，第四、第八、第十二压电陶瓷片设置在基座的第七侧壁上；第一至第四压电陶瓷片的中心位于同一平面，第五至第八压电陶瓷片的中心位于同一平面，第九至第十二压电陶瓷片的中心位于同一平面，且第一至第十二压电陶瓷片关于基座的中心呈中心对称、均沿其厚度方向同时朝外或同时朝内极化；

所述第一导轨、第二导轨均为弧形长条板，四角均设有预紧通孔，内壁中心沿其长度方向设有弧形凹槽，且凹槽内沿其长度方向设有弧形通槽；所述第一导轨、第二导轨上还均匀设有若干用于和外界固定的固定螺纹孔；

所述第一导轨、第二导轨朝向相对且正交设置，第一导轨弧形凹槽所在平面和第二导轨弧形凹槽所在平面将空间分割为第一至第四区域；

所述第一作动头的弧面和第一导轨上的弧形通槽相抵，第二作动头的弧面和第二导轨上的弧形通槽相抵；

所述预紧模块包含第一至第四预紧单元；

所述第一至第四预紧单元结构相同，均包含双头螺杆、第一至第四预紧螺母、第一至第八橡胶垫圈、以及第一至第二压簧，其中，第一、第二预紧螺母和双头螺杆的一端螺纹相连，第三、第四预紧螺母和双头螺杆的另一端螺纹相连，第二、第三预紧螺母位于第一、第四预紧螺母之间；所述第一压簧套在第一、第二预紧螺母之间的双头螺杆上，第一、第二橡胶垫圈依次设置在第一压簧和第一预紧螺母之间，第三、第四橡胶垫圈依次设置在第一压簧和第二预紧螺母之间；所述第二压簧套在第三、第四预紧螺母之间的双头螺杆上，第四、第五橡胶垫圈依次设置在第二压簧和第三预紧螺母之间，第七、第八橡胶垫圈依次设置在第二压簧和第四预紧螺母之间；

所述第一至第四预紧单元一一对应设置在所述第一至第四区域中，其双头螺杆依次穿过第一导轨、第二导轨在其对应区域中的限位通孔，使得第一导轨两侧分别和其第一压簧、第三橡胶垫圈相抵，第二导轨两侧分别和其第六橡胶垫圈、第二压簧相抵，且第一压簧、第二压簧均呈压缩状态。

2.根据权利要求1所述的贴片式压电驱动二自由度星载激光指向驱动系统，其特征在于，所述第一导轨、第二导轨上均匀设有4个用于和外界固定的固定螺纹孔。

3.基于权利要求1所述的贴片式压电驱动二自由度星载激光指向驱动系统的驱动方法，其特征在于，包含如下步骤：

如果需要压电驱动单元沿第一导轨的弧形通槽滑动，对第一、第三、第九、第十一压电陶瓷片施加第一信号，对第二、第四、第十、第十二压电陶瓷片施加第二信号；所述第一、第二信号均为交流谐波信号；调整第一与第二信号使其相位差为π/2；在电信号激励下，压电驱动单元金属基体上同时产生一阶纵振模态和三阶弯振模态，通过一阶纵振和三阶弯振的复合，使得第一、第二作动头表面质点产生平行于基座第一侧壁的微幅椭圆运动，通过摩擦作用使得压电驱动单元上的第一作动头在第一导轨的弧形通槽上滑动，第二作动头在第二导轨的弧形通槽上转动；如果需要压电驱动单元沿第一导轨的弧形通槽反向滑动，调整第一与第二信号在时间使其相位差为-π/2即可；

如果需要压电驱动单元沿第二导轨的弧形通槽滑动，对第一、第三、第九、第十一压电陶瓷片施加第一信号，对第五、第六、第七、第八压电陶瓷片施加第三信号；所述第三信号为交流谐波信号；调整第一与第三信号使其相位差为π/2；在电信号激励下，压电驱动单元金属基体上同时产生一阶纵振模态和三阶弯振模态，通过一阶纵振和三阶弯振的复合，使得第一、第二作动头表面质点产生平行于基座第三侧壁的微幅椭圆运动，通过摩擦作用使得压电驱动单元上的第二作动头在第二导轨的弧形通槽上滑动，第一作动头在第一导轨的弧形通槽上转动；如果需要压电驱动单元沿第二导轨的弧形通槽反向滑动，调整第一与第三信号在时间使其相位差为-π/2即可。

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