一種兩自由度高速并聯掃描平臺及垂直度誤差校準方法技術

本發明專利技術涉及一種兩自由度高速并聯掃描平臺及垂直度誤差校準方法，包括機殼和安裝于機殼內的直線驅動機構、反射鏡軸機構、反射鏡活動框架和PSD位置傳感器。本發明專利技術實施例提供的一種兩自由度高速并聯掃描平臺采用單反射鏡結構，只需一次反射即可完成掃描工作，避免了雙鏡反射帶來的誤差放大效應。同時，本發明專利技術采用兩輸入兩輸出結構，控制上較現有技術容易很多；還采用了三組X-Y框架式結構，可以有更大的剛度和偏轉角度；又由于采用了二維PSD位置傳感器作為反射鏡法向位置的反饋裝置實現全閉環，可以達到很高的精度。本發明專利技術提供的一種兩自由度高速并聯掃描平臺具有精度高、剛度大，承載能力強的特點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及精密光學掃描器械領域，具體涉及。
技術介紹
光學掃描機構是先進激光加工領域的伺服執行機構，是激光投影的關鍵部件之 一。近年來，少自由度并聯機構，尤其是三自由度并聯機構，如3RPS型并聯機構，在光學掃描領域內越來越受到研究者的重視和青睞。現有的基于并聯機構的光學掃描角度調整平臺，通過三個驅動器同時驅動聯接在動平臺和基座之間的三條運動支鏈，從而實現動平臺三個轉動自由度方向運動，或者是兩個轉動自由度和一個附加的平動自由度運動。然而，通常情況下，光學掃描機構僅需兩個轉動自由度，多余的自由度會增加運動學分析的難度，使得系統結構和控制更加復雜。其次，如果運動支鏈結構過于復雜，加工和裝配等環節就可能會導致較大的系統誤差。目前大多數光學掃描機構都采用的串聯結構形式(常平架形式)，這種技術已經很成熟，但由于自身的結構特點(俯仰軸的所有質量完全置于方位軸上，使得動質量相對較大)，無法實現高速掃描運動。還有一種由兩組單軸組合而成的平臺系統，主要應用于激光投影或者增量制造技術(3D打印機)，因為其動質量幾乎只有反射鏡，慣量很小所以動態性能很好，具有很高的帶寬，但由于采用雙鏡反射會帶來一定的誤差累計與放大的不良影響，同時承載能力很低。對于兩旋轉自由度并聯機構大多應用于快速反射鏡結構中，可以具有很高的掃描速度但掃描范圍很小。快速反射鏡的主要機械結構分兩種，一種是X-Y軸框架式，也稱為有軸式結構，其內外框架分別繞兩相互正交的軸心轉動，實現平面反射鏡的二維偏轉；另一種是柔性無軸式結構，主要利用彈性元件的撓性工作。第一種結構的優點是結構剛度好、承載能力強，且轉角范圍大；其缺點是對軸系的精度要求較高，系統的轉動慣量和摩擦力矩偏大，不利于諧振頻率的提高，而且此結構的體積偏大，受空間限制嚴重。第二種結構優勢是:結構簡單，無摩擦阻力矩，響應速度快；但其缺點是，對彈性元件的要求高，即要求彈性元件在期望運動方向上具有足夠的柔性，而在限制運動的方向上具有足夠的剛度，這導致系統工作時平面反射鏡的運動形式較為復雜(在產生轉角運動的同時會產生微量的線位移)，不適于在振動、沖擊、回轉等惡劣的工作條件下使用。另外，上述兩種結構為了使結構設計對稱，均采用了四組兩兩正交分布的電機，即采用了四個輸入控制兩個輸出，這就使得控制更復雜化，成本更高。
技術實現思路
有鑒于此，有必要針對現有技術中存在的缺陷，提供一種具有聞速聞精度特點的兩自由度高速并聯掃光學掃描平臺，并針對該掃描平臺的特殊結構設計一種垂直度誤差校準方法；相對于快速反射鏡在實現反射鏡較大偏轉角的同時，減小掃描平臺控制機構的復雜程度，并繼續保持原有的反應速度和精度。為實現上述目的，本專利技術采用以下技術方案:一種兩自由度高速并聯掃描平臺，包括機殼和安裝于機殼內的直線驅動機構、反射鏡軸機構、反射鏡活動框架和PSD位置傳感器；所述反射鏡軸機構包括主軸、反射鏡、反射鏡支架、調平螺釘和激光發射器，所述主軸為一端直徑較大一端直徑較小的階梯軸，其軸心處具有一軸向的通孔，所述反射鏡固定于反射鏡支架上，反射鏡支架通過多個調平螺釘固定于主軸大軸端的端面，所述激光發射器固定于主軸軸心處的通孔內，其激光發射方向沿主軸的軸心穿過通孔，指向主軸的小軸端；所述反射鏡活動框架包括內框和外框，所述主軸的大軸端繞第一軸線旋轉連接于內框中部，所述內框繞第二軸線旋轉連接于外框中部，所述外框固定于機殼上；其中，第一軸線與第二軸線位于同一平面且相互正交；所述PSD位置傳感器固定于機殼底部,與主軸的小軸端相對設置；兩個直線驅動機構活動安裝于機殼內，分別為第一直線驅動機構和第二直線驅動機構，所述第一直線驅動機構和第二直線驅動機構的運動輸出端分別沿第一軸線和第二軸線方向與主軸連接，驅動主軸在反射鏡活動框架上相對于機殼擺動。所述直線驅動機構包括音圈電機、活動框架和導軌；所述活動框架旋轉連接于機殼上，所述導軌旋轉連接于活動框架上，所述音圈電機固定于導軌內。所述直線驅動機構還包括固定于導軌內的光柵尺傳感器、光電限位開關，所述光柵尺傳感器和光電限位開關與音圈電機的運動輸出端相對設置。所述音圈電機的運動輸出端與主軸通過球鉸連接。所述反射鏡支架與主軸之間設置有橡膠墊片。所述反射鏡的鏡面垂直于主軸的軸心。所述第一軸線和第二軸線均位于反射鏡的鏡面上。所述反射鏡支架通過四個調平螺釘固定于主軸大軸端的端面，所述四個螺釘均勻分布于反射鏡支架的邊緣。一種如上所述的兩自由度高速并聯掃描平臺的垂直度誤差的校準方法，包括以下步驟:S1、沿一直線依次設置投影面、調整支架和調整平臺，將主軸固定在調整支架上，將激光發射器固定于調整平臺上，使激光發射器發射出的激光光束射向主軸大軸端的端面；S2、通過調整支架和調整平臺，調整主軸的軸向方向和激光發射器的位置，使激光發射器發射出的激光光束穿過主軸軸心的通孔，投射到投影面上；S3、將反射鏡和反射鏡支架通過多個調平螺釘安裝在主軸上，通過旋緊或放松調平螺釘，對反射鏡的鏡面方向進行微調，使激光發射器發射出的激光光束沿原路返回。所述S2還包括通過調整支架對主軸的軸向方向進行微調，使激光光束在投影面上的投影亮度達到最大。本專利技術實施例提供的一種兩自由度高速并聯掃描平臺采用單反射鏡結構，只需一次反射即可完成掃描工作，避免了雙鏡反射帶來的誤差放大效應。同時，本專利技術采用兩輸入兩輸出結構，控制上較現有技術容易很多；還采用了三組X-Y框架式結構，可以有更大的剛度和偏轉角度；又由于采用了二維PSD位置傳感器作為反射鏡法向位置的反饋裝置實現全閉環，可以達到很高的精度。本專利技術提供的一種兩自由度高速并聯掃描平臺具有精度高、剛度大，承載能力強的特點。附圖說明圖1為本專利技術實施例提供的一種兩自由度高速并聯掃描平臺的結構示意圖。圖2為本專利技術實施例提供的一種兩自由度高速并聯掃描平臺的內部結構示意圖。圖3為本專利技術實施例提供的一種兩自由度高速并聯掃描平臺中的反射鏡軸機構的結構示意圖。圖4為圖3中所示的反射鏡軸機構的截面圖。圖5為本專利技術實施例提供的一種兩自由度高速并聯掃描平臺中的反射鏡活動框架的結構示意圖。圖6為本專利技術實施例提供的一種兩自由度高速并聯掃描平臺中的直線驅動機構的結構示意圖。圖7為本專利技術實施例提供的一種兩自由度高速并聯掃描平臺中的一個側面結構示意圖。圖8為本專利技術實施例提供的一種兩自由度高速并聯掃描平臺的另一種連接方式示意圖。圖9為本專利技術實施例提供的一種兩自由度高速并聯掃描平臺的垂直度誤差校準方法。具體實施例方式下面將結合本專利技術說明書中的附圖，對本專利技術實施例的技術方案進行清楚、完整的描述。僅僅出于方便的原因，在以下的說明中，使用了特定的方向術語，比如“上”、“下”、“左”、“右”等等，是以對應的附圖為參照的，并不能認為是對本專利技術的限制，當圖面的定義方向發生改變時，這些詞語表示的方向應當解釋為相應的不同方向。如圖1和圖2所示，本專利技術實施例提供的一種兩自由度高速并聯掃描平臺包括機殼I和安裝于機殼I內的直線驅動機構、反射鏡軸機構3、反射鏡活動框架4和PSD位置傳感器5。具體地，如圖3和圖4所示，所述反射鏡軸機構3包括主軸31、反射鏡33、反射鏡支架32、調平螺釘35和激光發射器34。所述主軸31為一端直徑較大一端直徑較小的階梯軸，其軸心處具有一軸向的通孔310，所述反射本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種兩自由度高速并聯掃描平臺，其特征在于，包括機殼和安裝于機殼內的直線驅動機構、反射鏡軸機構、反射鏡活動框架和PSD位置傳感器；所述反射鏡軸機構包括主軸、反射鏡、反射鏡支架、調平螺釘和激光發射器，所述主軸為一端直徑較大一端直徑較小的階梯軸，其軸心處具有一軸向的通孔，所述反射鏡固定于反射鏡支架上，反射鏡支架通過多個調平螺釘固定于主軸大軸端的端面，所述激光發射器固定于主軸軸心處的通孔內，其激光發射方向沿主軸的軸心穿過通孔，指向主軸的小軸端；所述反射鏡活動框架包括內框和外框，所述主軸的大軸端繞第一軸線旋轉連接于內框中部，所述內框繞第二軸線旋轉連接于外框中部，所述外框固定于機殼上；其中，第一軸線與第二軸線位于同一平面且相互正交；所述PSD位置傳感器固定于機殼上，與主軸的小軸端相對設置；兩個直線驅動機構活動安裝于機殼內，分別為第一直線驅動機構和第二直線驅動機構，所述第一直線驅動機構和第二直線驅動機構的運動輸出端分別沿第一軸線和第二軸線方向與主軸連接，驅動主軸在反射鏡活動框架上相對于機殼擺動。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：李凱格，張弓，陳賢帥，王映品，周雪峰，梁濟民，孫克爭，
申請(專利權)人：廣州中國科學院先進技術研究所，
類型：發明
國別省市：