CN203350530U - 两自由度高速并联扫描平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种两自由度高速并联扫描平台，包括机壳和安装于机壳内的直线驱动机构、反射镜轴机构、关节轴承和PSD位置传感器。本实用新型实施例提供的一种两自由度高速并联扫描平台采用单反射镜结构，只需一次反射即可完成扫描工作，避免了双镜反射带来的误差放大效应。同时，本实用新型采用两输入两输出结构，控制上较现有技术容易很多；还采用了关节轴承结构，可以有更大的刚度和偏转角度；又由于采用了二维PSD位置传感器作为反射镜法向位置的反馈装置实现全闭环，可以达到很高的精度。本实用新型提供的一种两自由度高速并联扫描平台具有精度高、刚度大，承载能力强的特点。

Description

两自由度高速并联扫描平台

技术领域

本实用新型涉及精密光学扫描器械领域，具体涉及一种两自由度高速并联扫描平台。 

背景技术

光学扫描机构是先进激光加工领域的伺服执行机构，是激光投影的关键部件之一。 

近年来，少自由度并联机构，尤其是三自由度并联机构，如3RPS型并联机构，在光学扫描领域内越来越受到研究者的重视和青睐。现有的基于并联机构的光学扫描角度调整平台，通过三个驱动器同时驱动联接在动平台和基座之间的三条运动支链，从而实现动平台三个转动自由度方向运动，或者是两个转动自由度和一个附加的平动自由度运动。 

然而，通常情况下，光学扫描机构仅需两个转动自由度，多余的自由度会增加运动学分析的难度，使得系统结构和控制更加复杂。其次，如果运动支链结构过于复杂，加工和装配等环节就可能会导致较大的系统误差。目前大多数光学扫描机构都采用的串联结构形式（常平架形式），这种技术已经很成熟，但由于自身的结构特点（俯仰轴的所有质量完全置于方位轴上，使得动质量相对较大），无法实现高速扫描运动。还有一种由两组单轴组合而成的平台系统，主要应用于激光投影或者增量制造技术（如3D打印机），因为其动质量几乎只有反射镜，惯量很小所以动态性能很好，具有很高的带宽，但由于采用双镜反射会带来一定的误差累计与放大的不良影响，同时承载能力很低。对于两旋转自由度并联机构大多应用于快速反射镜结构中，可以具有很高的扫描速度但扫描范围很小。快速反射镜的主要机械结构分两种，一种是X-Y轴框架式，也称为有轴式结构，其内外框架分别绕两相互正交的轴心转动，实现平面反射镜的二维偏转；另一种是柔性无轴式结构，主要利用弹性元件的挠性工作。第一种结构的优点是结构刚度好、承载能力强，且转角范围大；其缺点是对轴系的精度 要求较高，系统的转动惯量和摩擦力矩偏大，不利于谐振频率的提高，而且此结构的体积偏大，受空间限制严重。第二种结构优势是：结构简单，无摩擦阻力矩，响应速度快；但其缺点是，对弹性元件的要求高，即要求弹性元件在期望运动方向上具有足够的柔性，而在限制运动的方向上具有足够的刚度，这导致系统工作时平面反射镜的运动形式较为复杂（在产生转角运动的同时会产生微量的线位移），不适于在振动、冲击、回转等恶劣的工作条件下使用。另外，上述两种结构为了使结构设计对称，均采用了四组两两正交分布的电机，即采用了四个输入控制两个输出，这就使得控制更复杂化，成本更高。 

实用新型内容

有鉴于此，有必要针对现有技术中存在的缺陷，提供一种具有高速高精度特点的两自由度高速并联扫光学扫描平台，并针对该扫描平台的特殊结构设计一种垂直度误差校准方法；相对于快速反射镜，在实现反射镜较大偏转角的同时，减小扫描平台控制机构的复杂程度，并继续保持原有的反应速度和精度。 

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案： 

一种两自由度高速并联扫描平台，包括机壳和安装于机壳内的直线驱动机构、反射镜轴机构、关节轴承和PSD位置传感器； 

所述反射镜轴机构包括主轴、反射镜、反射镜支架、调平螺钉和激光发射器，所述主轴为一端直径较大一端直径较小的阶梯轴，其轴心处具有一轴向的通孔，所述反射镜固定于反射镜支架上，反射镜支架通过多个调平螺钉固定于主轴大轴端的端面，所述激光发射器固定于主轴轴心处的通孔内，其激光发射方向沿主轴的轴心穿过通孔，指向主轴的小轴端； 

所述主轴的大轴端固定于关节轴承的内圈，关节轴承的外圈固定于机壳上； 

所述PSD位置传感器固定于机壳上，与主轴的小轴端相对设置； 

两个直线驱动机构活动安装于机壳内，分别为第一直线驱动机构和第二直线驱动机构，所述第一直线驱动机构和第二直线驱动机构的运动输出端分别与主轴连接，驱动主轴在关节轴承上绕关节轴承的旋转中心摆动。 

所述直线驱动机构包括音圈电机、活动框架和导轨；所述活动框架旋转连 接于机壳上，所述导轨旋转连接于活动框架上，所述音圈电机固定于导轨内。 

所述直线驱动机构还包括固定于导轨内的光栅尺传感器、光电限位开关，所述光栅尺传感器和光电限位开关与音圈电机的运动输出端相对设置。 

所述音圈电机的运动输出端与主轴通过球铰连接。 

所述反射镜支架与主轴之间设置有橡胶垫片。 

所述反射镜的镜面垂直于主轴的轴心。 

所述关节轴承的旋转中心位于反射镜的镜面上。 

所述反射镜支架通过四个调平螺钉固定于主轴大轴端的端面，所述四个螺钉均匀分布于反射镜支架的边缘。 

所述主轴上凸设有一连接部，所述连接部通过一弹性连接件与机壳或关节轴承的外圈弹性连接。 

所述弹性连接件为弹性系数大于300N/m小于500N/m的弹性绳或软弹簧。 

本实用新型实施例提供的一种两自由度高速并联扫描平台采用单反射镜结构，只需一次反射即可完成扫描工作，避免了双镜反射带来的误差放大效应。同时，本实用新型采用两输入两输出结构，控制上较现有技术容易很多；还采用了关节轴承结构，可以有更大的刚度和偏转角度；又由于采用了二维PSD位置传感器作为反射镜法向位置的反馈装置实现全闭环，可以达到很高的精度。本实用新型提供的一种两自由度高速并联扫描平台具有精度高、刚度大，承载能力强的特点。 

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的两自由度高速并联扫描平台的结构示意图。 

图2为本实用新型实施例提供的两自由度高速并联扫描平台的内部结构示意图。 

图3为本实用新型实施例提供的两自由度高速并联扫描平台中的反射镜轴机构的结构示意图。 

图4为图3中所示的反射镜轴机构的截面图。 

图5为本实用新型实施例提供的两自由度高速并联扫描平台中的直线驱动 机构的结构示意图。 

图6为本实用新型实施例提供的两自由度高速并联扫描平台中的一个侧面结构示意图。 

图7为本实用新型实施例提供的两自由度高速并联扫描平台的另一种连接方式示意图。 

图8为本实用新型实施例提供的两自由度高速并联扫描平台的内部底面结构示意图。 

图9为本实用新型实施例提供的两自由度高速并联扫描平台的垂直度误差校准方法。 

具体实施方式

下面将结合本实用新型说明书中的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。 

仅仅出于方便的原因，在以下的说明中，使用了特定的方向术语，比如“上”、“下”、“左”、“右”等等，是以对应的附图为参照的，并不能认为是对本实用新型的限制，当图面的定义方向发生改变时，这些词语表示的方向应当解释为相应的不同方向。 

如图1和图2所示，本实用新型实施例提供的一种两自由度高速并联扫描平台包括机壳1和安装于机壳1内的直线驱动机构、反射镜轴机构3、关节轴承4和PSD位置传感器5。 

具体地，如图3和图4所示，所述反射镜轴机构3包括主轴31、反射镜33、反射镜支架32、调平螺钉35和激光发射器34。所述主轴31为一端直径较大一端直径较小的阶梯轴，其轴心处具有一轴向的通孔310，所述反射镜33固定于反射镜支架32上，反射镜支架32的边缘具有四个沿圆周均匀分布的固定爪320，反射镜支架32通过固定爪320上的四个调平螺钉35固定于主轴31大轴端的端面。所述激光发射器34固定于主轴31轴心处的通孔310内，并由反射镜支架32封于主轴31内部，其激光发射方向沿主轴31的轴心穿过通孔310，指向主轴31的小轴端。 

作为改进，反射镜支架32与主轴31之间还设置有橡胶垫片36，用于为反射镜支架32提供弹性支撑，通过分别调整四个调平螺钉35的松紧程度，可以对反射镜支架32上反射镜33的镜面朝向进行精细的微调和校准，使其与主轴31的轴心垂直，以满足本实用新型实施例的两自由度高速并联扫描平台的使用要求。 

如图1所示，所述关节轴承4包括内圈42和外圈41，所述外圈41固定于机壳1的上盖板（为便于理解内部结构，图1中的上盖板已去除），主轴31的大轴端固定于关节轴承4的内圈42。 

如图2所示，所述PSD位置传感器5通过一法兰底座51固定于机壳1上，设置于关节轴承4的下方，与主轴31的小轴端相对，用于接收激光发射器34从小轴端通孔310射出的激光光束信号。 

所述直线驱动机构有两个，分别为第一直线驱动机构21和第二直线驱动机构22，所述第一直线驱动机构21和第二直线驱动机构22分别通过一枢转组件20活动安装于机壳1内，可分别绕一竖直方向的轴线旋转。 

具体地，如图5所示，各直线驱动机构包括音圈电机23、活动框架24、导轨25、光栅尺传感器26和光电限位开关27，所述活动框架24通过枢转组件20旋转连接于机壳1上，可绕一竖直方向的轴线旋转。所述导轨25枢轴连接于活动框架24上，可绕一水平方向的轴线旋转。所述音圈电机23、光栅尺传感器26和光电限位开关27固定于导轨25上，其中，音圈电机23沿导轨25延伸方向设置，固定于导轨25底部；光栅尺传感器26和光电限位开关27固定于导轨25的侧壁上，与音圈电机23的运动输出端（即动子230）相对设置。其中，光栅尺传感器26用于对音圈电机23运动输出端的位移和速度信息进行反馈，便于控制系统对音圈电机23运动输出端的伸长量进行控制；光电限位开关27用于限定音圈电机23的最大和最小运动行程。 

音圈电机23的运动输出端即为直线驱动机构的运动输出端。第一直线驱动机构21和第二直线驱动机构22的运动输出端从水平面上两个相互垂直的方向，分别与主轴31的小轴端连接，驱动主轴31在关节轴承4上绕关节轴承4的旋转中心摆动。具体地，第一直线驱动机构21和第二直线驱动机构22的运动输 出端通过球铰与主轴31的小轴端活动连接。在实际应用中，既可以将第一直线驱动机构21和第二直线驱动机构22的运动输出端分别通过一球铰关节，一上一下地分别连接于主轴31上，如图6所示；也可以将第一直线驱动机构21和第二直线驱动机构22的运动输出端连接于主轴31上的同一平面，如图7所示。 

在驱动主轴31摆动的过程中，两直线驱动机构的运动输出端之间是相互制约的，当其中一个直线驱动机构的运动输出端伸长或收缩时，由于受到另一直线驱动机构的运动输出端伸长量的限制，会产生侧向摆动的动能，使自身绕活动框架24的竖直轴线摆动，同时也使另一直线驱动机构摆动。因此，在主轴31的摆动过程中，第一直线驱动机构21和第二直线驱动机构22均会在水平面上摆动，两直线驱动机构的运动输出端并非是保持垂直的。然而，由于受关节轴承4的限制，主轴31只能绕关节轴承4的旋转中心进行三维旋转摆动。 

由于采用了关节轴承4作为主轴31的旋转支撑部件，主轴31在沿关节轴承4的旋转方向上还具有一自由度。又由于激光发射器34的电源线路需要从主轴31外部接入，在两直线驱动机构驱动主轴31进行摆动的过程中，主轴31在旋转方向的这一自由度会影响到电源线路的布置；因此，有必要对主轴31在关节轴承4上的旋转方向自由度进行限制。如图6和图8所示，在本实用新型实施例中，采用一弹性连接件8对主轴31的旋转自由度进行限制。具体地，所述主轴31上具有一凸设的柱状连接部310，所述关节轴承4的外圈41（或机壳1的上盖板）上也相应凸设有固定柱40，所述弹性连接件8一端固定连接于柱状连接部310上，另一端固定连接于固定柱40上，使主轴31与关节轴承4的外圈41建立轴向的弹性连接，以限制主轴31在旋转方向上的自由度。进一步地，为满足使用需求，应选择弹性系数适当的弹性连接件8；在本实用新型实施例中，所述弹性连接件8为弹性系数大于300N/m小于500N/m的弹性绳或软弹簧。 

特别地，在本实用新型实施例中，所述关节轴承4的旋转中心位于反射镜33的镜面上，即反射镜轴机构3的旋转中心位于镜面上。因此，无论反射镜轴机构3摆动到任何位置，位于反射镜33的镜面上的旋转中心的空间位置均是固定不变的。 

运动过程中，第一直线驱动机构21和第二直线驱动机构22的每一组伸长 量数据，均对应了主轴31轴心的一个三维摆动位置，即对应了反射镜33的一个法向角度，相应地，也对应了激光发射器34发射出的激光光束在PSD位置传感器5上的位置。因此，位于反射镜轴机构3下方的PSD位置传感器5可以直接反馈出反射镜33的三维法向方向。 

本实用新型实施例提供的一种两自由度高速并联扫描平台为两输入两输出系统，通过分别控制两个直线音圈电机23的伸长量，进而控制反射镜33的法向方向。由于音圈电机23具有很高的加速度，所以反射镜33的扫描速度可以很快。在现有技术中的一些扫描平台系统中，由于两电机的运动与反射镜法向的运动并不是线性的对应关系，同时两者之间有耦合；又由于反射镜没有固定的旋转中心，旋转中心无法与反射点重合，导致很难通过给定反射光线的运动方程求解出两电机的运动方程。 

然而，在本实用新型实施例中，反射镜轴机构3的旋转中心是固定的，且位于反射镜33的镜面上，即反射点与旋转中心重合，相关的数学模型会简单很多。在运动控制方法上，离散化PSD位置传感器5的信息，使得PSD位置传感器5上的每一个离散点都对应两个音圈电机23唯一的伸长量，并建立数据表。在实际控制中，通过离散化给定的反射光线的运动方程从而找到与其对应的两音圈电机23的每组伸长长度，通过对应的离散点即可拟合出与反射光线运动方程对应的两音圈电机23的运动方程。在本实用新型实施例提供的一种两自由度高速并联扫描平台中，扫描精度主要取决于PSD位置传感器5和光栅尺传感器26的精度、反射镜33的反射面与主轴31的通孔310的垂直度、以及反射镜33的反射面与反射镜旋转中心（即关节轴承4的旋转中心）之间的距离误差。 

由于PSD位置传感器5和光栅尺传感器26的精度可以通过选择不同的产品型号实现改良，反射镜33的反射面与旋转中心之间的距离误差可以通过改进安装工艺进行克服，故在此不再赘述。现有技术中，PSD位置传感器5的误差可以达到几微米，光栅尺传感器26的精度最高可达到纳米级别。 

如图8所示，本实用新型还提供了一种对所述两自由度高速并联扫描平台的垂直度误差进行校准的方法，具体地，所述垂直度指的是反射镜33的反射面与主轴31的通孔310的垂直度。 

所述垂直度误差校准方法具体包括以下步骤： 

S1、沿一直线依次设置投影面61、调整支架62和调整平台63，将主轴31固定在调整支架62上，将一激光发射器7固定于调整平台63上，使激光发射器7发射出的激光光束射向主轴31大轴端的端面；其中，所述调整支架62具有两个旋转方向的调整自由度，分别用于调整主轴31轴心的水平和垂直方向；所述调整平台63具有三个平移方向的调整自由度，分别用于调整激光发射器7在X轴、Y轴和Z轴方向的位移。 

S2、通过调整支架62和调整平台63，分别调整主轴31的轴向方向和激光发射器7的位置，使激光发射器7发射出的激光光束穿过主轴31轴心的通孔310，投射到投影面61上；将主轴31和激光发射器7的位置初步固定；进一步地，通过调整支架62对主轴31的轴向方向进行微调，使激光光束在投影面61上的投影点P亮度达到最大，此时表明激光光束方向与主轴31轴心的通孔310方向重合度最高；调整完毕后，将主轴31锁紧固定在调整支架62上。 

S3、将反射镜33和反射镜支架32通过所述四个调平螺钉35安装在主轴31上，此时激光光束会被反射镜33反射；通过旋紧或放松调平螺钉35，对反射镜33的镜面方向进行微调，使激光发射器7发射出的激光光束沿原路返回。 

采用上述方法进行校正，可以使反射镜33的镜面与主轴31的通孔310具有很高的垂直度。其中，校正过程中，反射镜33的镜面与激光反射器7之间的距离L越大，调整精度就越高，最终校正出的垂直度也越高。 

本实用新型实施例提供的一种两自由度高速并联扫描平台采用单反射镜结构，只需一次反射即可完成扫描工作，避免了双镜反射带来的误差放大效应。同时，本实用新型采用两输入两输出结构，控制上较现有技术容易很多；还采用了关节轴承结构，可以有更大的刚度和偏转角度；又由于采用了二维PSD位置传感器作为反射镜法向位置的反馈装置实现全闭环，可以达到很高的精度。本实用新型提供的一种两自由度高速并联扫描平台具有精度高、刚度大，承载能力强的特点。 

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是， 对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。 

Claims (10)

1.一种两自由度高速并联扫描平台，其特征在于，包括机壳和安装于机壳内的直线驱动机构、反射镜轴机构、关节轴承和PSD位置传感器； 

所述反射镜轴机构包括主轴、反射镜、反射镜支架、调平螺钉和激光发射器，所述主轴为一端直径较大一端直径较小的阶梯轴，其轴心处具有一轴向的通孔，所述反射镜固定于反射镜支架上，反射镜支架通过多个调平螺钉固定于主轴大轴端的端面，所述激光发射器固定于主轴轴心处的通孔内，其激光发射方向沿主轴的轴心穿过通孔，指向主轴的小轴端； 

所述主轴的大轴端固定于关节轴承的内圈，关节轴承的外圈固定于机壳上； 

所述PSD位置传感器固定于机壳上，与主轴的小轴端相对设置； 

两个直线驱动机构活动安装于机壳内，分别为第一直线驱动机构和第二直线驱动机构，所述第一直线驱动机构和第二直线驱动机构的运动输出端分别与主轴连接，驱动主轴在关节轴承上绕关节轴承的旋转中心摆动。 

2.根据权利要求1所述的两自由度高速并联扫描平台，其特征在于，所述直线驱动机构包括音圈电机、活动框架和导轨；所述活动框架旋转连接于机壳上，所述导轨旋转连接于活动框架上，所述音圈电机固定于导轨内。 

3.根据权利要求2所述的两自由度高速并联扫描平台，其特征在于，所述直线驱动机构还包括固定于导轨内的光栅尺传感器、光电限位开关，所述光栅尺传感器和光电限位开关与音圈电机的运动输出端相对设置。 

4.根据权利要求3所述的两自由度高速并联扫描平台，其特征在于，所述音圈电机的运动输出端与主轴通过球铰连接。 

5.根据权利要求1所述的两自由度高速并联扫描平台，其特征在于，所述反射镜支架与主轴之间设置有橡胶垫片。 

6.根据权利要求1所述的两自由度高速并联扫描平台，其特征在于，所述反射镜的镜面垂直于主轴的轴心。 

7.根据权利要求1所述的两自由度高速并联扫描平台，其特征在于，所述关节轴承的旋转中心位于反射镜的镜面上。 

8.根据权利要求1所述的两自由度高速并联扫描平台，其特征在于，所述反射镜支架通过四个调平螺钉固定于主轴大轴端的端面，所述四个螺钉均匀分 布于反射镜支架的边缘。 

9.根据权利要求1所述的两自由度高速并联扫描平台，其特征在于，所述主轴上凸设有一连接部，所述连接部通过一弹性连接件与机壳或关节轴承的外圈弹性连接。 

10.根据权利要求9所述的两自由度高速并联扫描平台，其特征在于，所述弹性连接件为弹性系数大于300N/m小于500N/m的弹性绳或软弹簧。 

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