CN113933988B - 一种双镜差动扫描机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双镜差动扫描机构，是由两个高低速永磁直流无刷电机各自带动一个光楔镜绕同一光轴相对转动。包括高速电机驱动光楔镜组件、低速电机驱动光楔镜组件，其功能、原理相同，组成部件相近，生产工艺相同；本发明提供一种双镜差动扫描机构，结构紧凑，转速平稳，尤其在径向空间上占用空间比例小，实现结构小型化的需求；克服激光成像轨迹误差精度较差的缺点，并且通过配动平衡偏心质量，调整整个光楔镜旋转部件的质量偏心，避免高速转动时产生不平衡力矩造成旋转部件偏心抖动的现象。

Description

一种双镜差动扫描机构
技术领域
本发明涉及光-机-电领域，涉及一种用于主动激光扫描成像探测的装置，具体涉及一种双电机双光楔镜扫描执行装置。
背景技术
旋转双光楔镜折射技术，是将激光束垂直投射到光楔镜对的表面，通过控制该绕同一光轴相对转动的光楔镜对，折射出的激光束在一定时间周期和一定视场范围内扫描成特定图案，从而在小尺寸空间实现空域大视场大范围扫描的一种技术。其中，光楔镜是指具有一定小角度楔角的光学平板玻璃，双光楔镜系统是指由两块折射率相同、折射角相同的相互靠近且绕同一光轴相对转动的光楔镜组成的光路系统。光线垂直入射光楔镜的前表面后经过一系列的折射，从后表面射出并产生一定的偏向角，光线的偏转角度与光楔镜的楔角以及两光楔镜的相对偏转角度有关。激光扫描机构，是一种运用激光具有单色性、方向性、相干性和高亮度性等特点的光学距离传感器。
经检索发现，中国专利公告号CN105938246B中的一种基于悬臂梁结构的可调式双光楔激光扫描执行机构，是通过电机驱动通过齿轮一级传动，带动安装于从动齿轮内部的双楔镜进行高速转动，其电机是通过侧边偏置布局，扫描装置除了两楔形镜片外的其他组件在径向空间上占用空间比例大；并且，每个光楔镜与各自的从动齿轮通过胶粘固结，并且从动齿轮与一个轴承的内圈固接，由于轴承内外圈之间存在间隙，所以使得高速旋转过程中，存在齿轮有间隙跳动的问题，在齿轮传动过程中易发生齿轮卡滞堵转现象。同时由于轴承内外圈存在的游隙，使得光楔镜转动时存在位置窜动的问题，使得光楔镜的楔角与入射光的角度在高速转动过程中出现角度波动，实际通过折射出来的扫描光线图像与理论值存在偏差，造成激光成像轨迹误差精度较差；又由于两光楔镜具有楔角，光楔镜存在质量偏心，在高速转动中存在偏心离，使得装置在转动过程中存在偏心抖动现象。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种双镜差动扫描机构，解决了利用两个永磁直流无刷电机直驱的控制双镜差动扫描机构紧凑布局设计，和稳速控制的问题。
本发明的技术方案是：一种双镜差动扫描机构，由一个高速永磁直流无刷电机和一个低速永磁直流无刷电机带动各自的光楔镜绕同一光轴进行差速转动；
高速永磁直流无刷电机的高速电机驱动光楔镜组件包含定子部件、转子部件和高速电机信号转子部件，所述高速电机驱动光楔镜组件的定子部件包括高速电机前端壳体轴承、高速电机霍尔印制板组件、高速电机轴承端盖、高速电机前端壳、高速电机中间壳体、高速电机定子总成；高速电机驱动光楔镜组件的转子部件包括高速电机光楔镜、高速电机转轴、高速电机转子总成、高速电机转子护套、高速电机轴套和高速电机信号转子部件；所述高速电机信号转子部件包含磁钢、磁轭；
低速永磁直流无刷电机的低速电机驱动光楔镜组件的定子部件包括低速电机前端壳体轴承、低速电机霍尔印制板组件、低速电机轴承端盖、低速电机前端壳体、低速电机中间壳体、低速电机定子总成、低速电机驱动光楔镜组件的转子部件包括低速电机光楔镜、低速电机转轴、低速电机转子总成、低速电机转子护套、低速电机轴套和；低速电机信号转子部件，低速电机信号转子部件包含磁钢、磁轭。
所述高速电机转子总成、高速电机转子护套和所述的高速电机信号转子部件都是中空的环形部件，并且都套接在所述转子部件的高速电机转轴的外径上；所述高速电机信号转子部件通过高速电机转子护套以螺纹结构压接在所述高速电机转轴上；并且所述高速电机转轴是个空心轴，所述高速电机光楔镜安装于所述高速电机转轴的内部，并且通过所述高速电机轴套压接，所述高速电机轴套与高速电机转轴之间用胶固接。
低速电机转子总成、低速电机转子护套和所述的信号转子部件都是中空的环形部件，并且都套接在所述转子部件的低速电机转轴上；所述信号转子部件通过转子护套通过螺纹压接在所述低速电机转轴上；并且所述低速电机转轴采用空心轴，所述低速电机光楔镜安装于所述低速电机转轴的内部，并且通过所述轴套压接，所述轴套与低速电机转轴之间用胶固接。
高速电机定子总成的定子冲片选用无槽结构，电枢铁芯上没有齿和槽，用漆包线在铁芯表面编制成杯形绕组，并用胶将它固化、粘牢；电机极槽配合选用8极72槽方案，绕组采用分布式绕组。
所述低速电机定子总成的定子冲片选用无槽结构，电枢铁芯上没有齿和槽，用漆包线在铁芯表面编制成杯形绕组，并用胶将它固化、粘牢；电机极槽配合选用8极72槽方案，绕组采用分布式绕组。
所述高速电机驱动光楔镜组件转子部件的通过所述转轴用两轴承支撑旋转，形成两点支撑的形式，轴承通过轴承压盖固定于各转接壳体内，用于消除轴承游隙对光楔镜夹角的影响；所述转子部件可以实现高精度平稳地高速转动。
所述低速电机驱动光楔镜组件转子部件的通过所述转轴用两轴承支撑旋转，形成两点支撑的形式，轴承通过轴承压盖固定于各转接壳体内，用于消除轴承游隙对光楔镜夹角的影响，所述转子部件可以实现高精度平稳地高速转动。
所述永磁直流无刷电机为星形接法，导通方式是通过所述霍尔印制板组件上的霍尔元件、磁钢按照一定的顺序触发驱动器中的功率开关器件，将电源电流以一定的逻辑关系分配给电机的各相绕组，使电机旋转并产生连续的转矩。
所述高速电机霍尔印制板组件由霍尔元件与印制电路板焊接组成，安装在端盖上和信号转子构成位置反馈和速度反馈系统；位置传感器检测转子的磁极信号，控制器对比此信号进行逻辑处理，并产生相应的开关信号，开关信号以一定的顺序触发驱动器中的功率开关器件，将电源电流以一定的逻辑关系分配给电机的各相绕组，使电机旋转并产生连续的转矩；
所述低速电机霍尔印制板组件由霍尔元件与印制电路板焊接组成，安装在端盖上和信号转子构成位置反馈和速度反馈系统；位置传感器检测转子的磁极信号，控制器对比此信号进行逻辑处理，并产生相应的开关信号，开关信号以一定的顺序触发驱动器中的功率开关器件，将电源电流以一定的逻辑关系分配给电机的各相绕组，使电机旋转并产生连续的转矩。
电机组件采用方波驱动和常用的三相六状态导通驱动方式；双光楔镜的同轴度通过转接壳体的结构精度保证；通过自适应控制方式，驱控两个电机组件转向和转速；所述高速电机光楔镜和低速电机光楔镜均为有效通光口径为30mm的圆柱形光楔镜，其楔形角为1.636度。
本发明的有益效果是：本发明提供一种双镜差动扫描机构，结构紧凑，转速平稳，尤其在径向空间上使得除了双光楔镜镜片外的其他组件在径向空间上占用空间比例小，实现结构小型化的需求；同时克服现有扫描执行机构的齿轮传动机构卡滞堵转问题、光楔镜位置窜动造成的激光成像轨迹误差精度较差的缺点，并且通过配动平衡偏心质量，调整整个光楔镜旋转部件的质量偏心，避免高速转动时产生不平衡力矩造成旋转部件偏心抖动的现象。
附图说明
图1是本发明一种双镜差动扫描机构剖面示意图。
图2是本发明轴套结构示意图。
图3永磁无刷直流电动机原理图
图4霍尔印制板组件霍尔元件布置示意图。
具体实施方式
结合参阅图1-图4，本发明提供一种双镜差动扫描机构，是由两个高低速永磁直流无刷电机各自带动一个光楔镜绕同一光轴相对转动。包括高速电机驱动光楔镜组件1、低速电机驱动光楔镜组件2，转接壳体3，高速电机驱动光楔镜组件转速大于等于12000rpm，低速电机驱动光楔镜组件转速大于等于6000rpm，两款电机组件功能、结构原理相同，主要组成部件相近，生产过程中工艺设计相同；所述高速电机驱动光楔镜组件1、低速电机驱动光楔镜组件2均包含定子部件、转子部件和高速电机信号转子部件109；
其中，所述高速电机驱动光楔镜组件1包含定子部件、转子部件和高速电机信号转子部件109，所述高速电机驱动光楔镜组件1的定子部件包括高速电机前端壳体轴承105、高速电机霍尔印制板组件102、高速电机轴承端盖103、高速电机前端壳101、高速电机中间壳体104、高速电机定子总成106(绕组铁芯)，高速电机驱动光楔镜组件1的转子部件包括高速电机光楔镜1011、高速电机转轴107、高速电机转子总成1010(磁轭、磁钢)、高速电机转子护套108、高速电机轴套1012和高速电机信号转子部件109，高速电机信号转子部件109包含磁钢、磁轭；
所述高速电机驱动光楔镜组件1的转子部件的高速电机转子总成1010(磁轭、磁钢)、高速电机转子护套108和所述的高速电机信号转子部件109都是中空的环形部件，并且都套接在所述转子部件的高速电机转轴107的外径上；所述高速电机信号转子部件109通过高速电机转子护套108以螺纹结构压接在所述高速电机转轴107上；并且所述高速电机转轴107是个空心轴，所述高速电机光楔镜1011安装于所述高速电机转轴107的内部，并且通过所述高速电机轴套1012压接，所述高速电机轴套1012与高速电机转轴107之间用胶固接；
所述高速电机驱动光楔镜组件1在径向空间上去除高速电机光楔镜1011后，是个空心杯电机，该空心杯电机在径向空间上较薄，其特征在于，高速电机定子总成106(绕组铁芯)的定子冲片选用无槽结构，电枢铁芯上没有齿和槽，用漆包线在铁芯表面编制成杯形绕组，并用胶将它固化、粘牢。电机极槽配合选用8极72槽方案，绕组采用分布式绕组。
所述高速电机转轴轴套1012是一侧楔形角与所述高速电机光楔镜1011楔形角角度一致的圆环结构，其平侧端面设置有轴套配重螺纹孔301，用于拧配重螺钉用于转子组件进行配动平衡；
所述高速电机驱动光楔镜组件1转子部件的通过所述转轴107用两轴承105支撑旋转，形成两点支撑的形式，轴承105通过轴承压盖103固定于各转接壳体101、104内，可以消除轴承游隙对光楔镜1011夹角的影响，所述转子部件可以实现高精度平稳地高速转动；
所述的高速电机霍尔印制板组件102，由高速电机霍尔元件与印制板焊接组成，安装在端盖上和信号转子构成位置反馈和速度反馈系统；图4为HALL元件圆周布置示意图。HALL元件选用Honeywell公司SS461A，其工作温度-40～+150℃，最大供电电压30V，27V下输出电流最大可达24mA。该类HALL元件在多种类似产品中使用证明，可满足使用环境和寿命等要求。
所述高速电机光楔镜1011有效通光口径为30mm的圆柱形光楔镜，其楔形角为1.636度。
低速电机驱动光楔镜组件2的定子部件包括低速电机前端壳体轴承205、低速电机霍尔印制板组件202、低速电机轴承端盖203、低速电机前端壳体201、低速电机中间壳体204、低速电机定子总成206(绕组铁芯)、低速电机驱动光楔镜组件2的转子部件包括低速电机光楔镜2011、低速电机转轴207、低速电机转子总成2010(磁轭、磁钢)、低速电机转子护套208、低速电机轴套2012和；低速电机信号转子部件209，低速电机信号转子部件209包含磁钢、磁轭；
所述的低速电机转子总成2010(磁轭、磁钢)、低速电机转子护套208和所述的信号转子部件209都是中空的环形部件，并且都套接在所述转子部件的低速电机转轴207上；所述信号转子部件209通过转子护套208通过螺纹压接在所述低速电机转轴207上；并且所述低速电机转轴207是个空心轴，所述低速电机光楔镜2011安装于所述低速电机转轴207的内部，并且通过所述轴套2012压接，所述轴套2012与低速电机转轴207之间用胶固接；
所述低速电机驱动光楔镜组件2在径向空间上去除低速电机光楔镜2011后，是个空心杯电机，该空心杯电机在径向空间上较薄，其特征在于，低速电机定子总成206(绕组铁芯)的定子冲片选用无槽结构，电枢铁芯上没有齿和槽，用漆包线在铁芯表面编制成杯形绕组，并用胶将它固化、粘牢。电机极槽配合选用8极72槽方案，绕组采用分布式绕组。
所述低速电机转轴轴套2012是一侧楔形角与所述低速电机光楔镜2011楔形角角度一致的圆环结构，其平侧端面设置有轴套配重螺纹孔，用于拧配重螺钉用于转子组件进行配动平衡；
所述低速电机驱动光楔镜组件2转子部件的通过所述转轴207用两轴承205支撑旋转，形成两点支撑的形式，轴承205通过轴承压盖203固定于各转接壳体201、204内，可以消除轴承游隙对光楔镜2011夹角的影响，所述转子部件可以实现高精度平稳地高速转动；
所述的低速电机霍尔印制板组件202，由霍尔元件与印制板焊接组成，安装在端盖上和信号转子构成位置反馈和速度反馈系统；图4为HALL元件圆周布置示意图。HALL元件选用Honeywell公司SS461A，其工作温度-40～+150℃，最大供电电压30V，27V下输出电流最大可达24mA。该类HALL元件在多种类似产品中使用证明，可满足使用环境和寿命等要求。
所述低速电机光楔镜2011均为有效通光口径为30mm的圆柱形光楔镜，其楔形角为1.636度。
如图3所示，所述高速电机驱动光楔镜组件1和低速电机驱动光楔镜组件2，通过永磁直流无刷电机驱动，所述永磁直流无刷电机为星形接法(Y形接法)，导通方式是通过所述霍尔印制板上的霍尔元件、磁钢按照一定的顺序给绕组加电；输出的三根线中的电流每时间段只有两组线圈通电，数值相等，方向相反，一组不通电；即两相导通的三相六状态电子换相加电方式。所述电机组件具有稳速控制功能，所述电机组件的稳速功能通过控制电路控制电机绕组的电压来实现的，速度转子与速度霍尔元件通过霍尔感应产生速度信号，用于检测速度。
所述高速电机驱动光楔镜组件1和低速电机驱动光楔镜组件2，由电机、传感器和驱动器组组成，位置传感器(霍尔传感器)检测转子的磁极信号，控制器对比此信号进行逻辑处理，并产生相应的开关信号，开关信号以一定的顺序(例如导通顺序：V1V2→V2V3→V3V4→V5V6→V6V1→V1V2…循环导通)触发驱动器中的功率开关器件，将电源电流以一定的逻辑关系(前面开关信号导通顺序，则决定了电机3相绕组电流流入顺序，如开关V1V2导通，电源电流流向从A相流入、C相流出；控制B相开关V3不通，所以B相无电流流过；V2V3导通，则电流B相流入、C相流出，控制A相开关V1不通，A相无电流流过；同理后面根据开关导通顺序，A、B、C三相电流流向也跟着改变。)分配给电机的各相绕组，使电机旋转并产生连续的转矩。
所述高速电机驱动光楔镜组件1和低速电机驱动光楔镜组件2均为无刷电机，其的控制方式有方波和正弦波，方波方式的优点是电机位置传感器简单，可简化控制电路，功率管无直通风险，控制电路的可靠性高，缺点是力矩波动较大，低速运行平稳性较差；正弦波驱动位置传感器和控制电路复杂，但力矩波动小，适合于低速平稳性要求较高的场合。有槽电机在普通方波驱动条件下，电流谐波会引起明显的转矩波动，但无槽电机运转平稳，噪音低，调速范围比较宽；本发明采用方波驱动和常用的三相六状态导通驱动方式。
一种双镜差动扫描机构，一侧为高速电机驱动光楔镜组件1，一侧为低速电机驱动光楔镜组件2，两款电机组件功能、结构原理相同，主要组成部件相同，生产过程中工艺设计相同；两款电机经测试合格后，采用螺钉连接于转接壳体3，双光楔镜的同轴度通过转接壳体的结构精度保证，同轴精度高，通过自适应控制方式，驱控两个电机组件转向和转速，如同向差速，异向差速等转动方式成为双光楔镜激光扫描装置。表1为所述电机组件电接口定义。
表1电接口定义
本发明提供一种双镜差动扫描机构，结构紧凑，转速平稳，尤其在径向空间上使得除了双光楔镜镜片外的其他组件在径向空间上占用空间比例小，实现结构小型化的需求；同时克服现有扫描执行机构的齿轮传动机构卡滞堵转问题、光楔镜位置窜动造成的激光成像轨迹误差精度较差的缺点，并且通过配动平衡偏心质量，调整整个光楔镜旋转部件的质量偏心，避免高速转动时产生不平衡力矩造成旋转部件偏心抖动的现象。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种双镜差动扫描机构，其特征在于，由一个高速永磁直流无刷电机和一个低速永磁直流无刷电机带动各自的光楔镜绕同一光轴进行差速转动；
高速永磁直流无刷电机的高速电机驱动光楔镜组件(1)包含定子部件、转子部件和高速电机信号转子部件(109)，所述高速电机驱动光楔镜组件(1)的定子部件包括高速电机前端壳体轴承(105)、高速电机霍尔印制板组件(102)、高速电机轴承端盖(103)、高速电机前端壳(101)、高速电机中间壳体(104)、高速电机定子总成(106)；高速电机驱动光楔镜组件(1)的转子部件包括高速电机光楔镜(1011)、高速电机转轴(107)、高速电机转子总成(1010)、高速电机转子护套(108)、高速电机轴套(1012)和高速电机信号转子部件(109)；所述高速电机信号转子部件(109)包含磁钢、磁轭；
低速永磁直流无刷电机的低速电机驱动光楔镜组件(2)的定子部件包括低速电机前端壳体轴承(205)、低速电机霍尔印制板组件(202)、低速电机轴承端盖(203)、低速电机前端壳体(201)、低速电机中间壳体(204)、低速电机定子总成(206)、低速电机驱动光楔镜组件(2)的转子部件包括低速电机光楔镜(2011)、低速电机转轴(207)、低速电机转子总成(2010)、低速电机转子护套(208)、低速电机轴套(2012)和；低速电机信号转子部件(209)，低速电机信号转子部件(209)包含磁钢、磁轭。
2.如权利要求1所述的一种双镜差动扫描机构，其特征在于，所述高速电机转子总成(1010)、高速电机转子护套(108)和所述的高速电机信号转子部件(109)都是中空的环形部件，并且都套接在所述转子部件的高速电机转轴(107)的外径上；所述高速电机信号转子部件(109)通过高速电机转子护套(108)以螺纹结构压接在所述高速电机转轴(107)上；并且所述高速电机转轴(107)是个空心轴，所述高速电机光楔镜(1011)安装于所述高速电机转轴(107)的内部，并且通过所述高速电机轴套(1012)压接，所述高速电机轴套(1012)与高速电机转轴(107)之间用胶固接。
3.如权利要求1所述的一种双镜差动扫描机构，其特征在于，低速电机转子总成(2010)、低速电机转子护套(208)和所述的信号转子部件(209)都是中空的环形部件，并且都套接在所述转子部件的低速电机转轴(207)上；所述信号转子部件(209)通过转子护套(208)通过螺纹压接在所述低速电机转轴(207)上；并且所述低速电机转轴(207)采用空心轴，所述低速电机光楔镜(2011)安装于所述低速电机转轴(207)的内部，并且通过所述轴套(2012)压接，所述轴套(2012)与低速电机转轴(207)之间用胶固接。
4.如权利要求1所述的一种双镜差动扫描机构，其特征在于，高速电机定子总成(106)的定子冲片选用无槽结构，电枢铁芯上没有齿和槽，用漆包线在铁芯表面编制成杯形绕组，并用胶将它固化、粘牢；电机极槽配合选用8极72槽方案，绕组采用分布式绕组。
5.如权利要求1所述的一种双镜差动扫描机构，其特征在于，所述低速电机定子总成(206)的定子冲片选用无槽结构，电枢铁芯上没有齿和槽，用漆包线在铁芯表面编制成杯形绕组，并用胶将它固化、粘牢；电机极槽配合选用8极72槽方案，绕组采用分布式绕组。
6.如权利要求1所述的一种双镜差动扫描机构，其特征在于：所述高速电机驱动光楔镜组件(1)转子部件的通过所述转轴(107)用两轴承(105)支撑旋转，形成两点支撑的形式，轴承(105)通过轴承压盖(103)固定于各转接壳体内，用于消除轴承游隙对光楔镜(1011)夹角的影响；所述转子部件可以实现高精度平稳地高速转动。
7.如权利要求1所述的一种双镜差动扫描机构，其特征在于：所述低速电机驱动光楔镜组件(2)转子部件的通过所述转轴(207)用两轴承(205)支撑旋转，形成两点支撑的形式，轴承(205)通过轴承压盖(203)固定于各转接壳体内，用于消除轴承游隙对光楔镜(2011)夹角的影响，所述转子部件可以实现高精度平稳地高速转动。
8.如权利要求1所述的一种双镜差动扫描机构，其特征在于，所述永磁直流无刷电机为星形接法，导通方式是通过所述霍尔印制板组件上的霍尔元件、磁钢按照一定的顺序触发驱动器中的功率开关器件，将电源电流以一定的逻辑关系分配给电机的各相绕组，使电机旋转并产生连续的转矩。
9.如权利要求1所述的一种双镜差动扫描机构，其特征在于，所述高速电机霍尔印制板组件(102)由霍尔元件与印制电路板焊接组成，安装在端盖上和信号转子构成位置反馈和速度反馈系统；位置传感器检测转子的磁极信号，控制器对比此信号进行逻辑处理，并产生相应的开关信号，开关信号以一定的顺序触发驱动器中的功率开关器件，将电源电流以一定的逻辑关系分配给电机的各相绕组，使电机旋转并产生连续的转矩；
所述低速电机霍尔印制板组件(202)由霍尔元件与印制电路板焊接组成，安装在端盖上和信号转子构成位置反馈和速度反馈系统；位置传感器检测转子的磁极信号，控制器对比此信号进行逻辑处理，并产生相应的开关信号，开关信号以一定的顺序触发驱动器中的功率开关器件，将电源电流以一定的逻辑关系分配给电机的各相绕组，使电机旋转并产生连续的转矩。
10.如权利要求1-9任一所述的一种双镜差动扫描机构，其特征在于，电机组件采用方波驱动和常用的三相六状态导通驱动方式；双光楔镜的同轴度通过转接壳体的结构精度保证；通过自适应控制方式，驱控两个电机组件转向和转速；所述高速电机光楔镜(1011)和低速电机光楔镜(2011)均为有效通光口径为30mm的圆柱形光楔镜，其楔形角为1.636度。
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