二維快速偏轉(zhuǎn)反射鏡作動(dòng)機(jī)構(gòu)及其作動(dòng)方法
【專利摘要】一種二維快速偏轉(zhuǎn)反射鏡作動(dòng)機(jī)構(gòu)及其作動(dòng)方法，該作動(dòng)機(jī)構(gòu)包括位于X偏轉(zhuǎn)軸并關(guān)于Y偏轉(zhuǎn)軸對(duì)稱的第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和第三驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，位于Y偏轉(zhuǎn)軸并關(guān)于X偏轉(zhuǎn)軸對(duì)稱的第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和第四驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，X偏轉(zhuǎn)軸和Y偏轉(zhuǎn)軸垂直并位于同一平面內(nèi)，第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括伸縮驅(qū)動(dòng)器及其外部約束結(jié)構(gòu)和桿式位移放大機(jī)構(gòu)，第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、第三驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和第四驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及尺寸與第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相同并分別通過(guò)其桿式位移放大機(jī)構(gòu)與鏡面支撐結(jié)構(gòu)相連；本發(fā)明還提供該作動(dòng)機(jī)構(gòu)的作動(dòng)方法：該控制機(jī)構(gòu)具有高的角分d辨率的同時(shí)，還具備響應(yīng)速度快，體積小，重量輕的特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】二維快速偏轉(zhuǎn)反射鏡作動(dòng)機(jī)構(gòu)及其作動(dòng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光束控制【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種二維快速偏轉(zhuǎn)反射鏡作動(dòng)機(jī)構(gòu)及其作動(dòng)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)隨著微電子技術(shù)、生物工程、航天工程等學(xué)科的迅速發(fā)展，二維快速偏轉(zhuǎn)反射鏡在天文望遠(yuǎn)鏡、圖像穩(wěn)定、復(fù)合軸精密跟蹤、瞄準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)中有著日益重要而廣泛的應(yīng)用。在上述應(yīng)用系統(tǒng)中，為了獲得良好的補(bǔ)償、跟蹤和控制效果，要求光束的快速偏轉(zhuǎn)控制機(jī)構(gòu)必須具有較高的角偏轉(zhuǎn)靈敏度及快速響應(yīng)能力。目前所廣泛采用的基于柔性鉸鏈的偏轉(zhuǎn)控制機(jī)構(gòu)具備結(jié)構(gòu)緊湊、無(wú)摩擦損耗等特點(diǎn)，但是由于結(jié)構(gòu)自身諧振頻率的限制，偏轉(zhuǎn)控制機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度往往較低，從而影響到所應(yīng)用光學(xué)系統(tǒng)的整體性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種二維快速偏轉(zhuǎn)反射鏡作動(dòng)機(jī)構(gòu)及其作動(dòng)方法，該作動(dòng)機(jī)構(gòu)具有高的角分辨率的同時(shí)，還具備響應(yīng)速度快，體積小，重量輕的特點(diǎn)。
[0004]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0005]二維快速偏轉(zhuǎn)反射鏡作動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括位于X偏轉(zhuǎn)軸并關(guān)于Y偏轉(zhuǎn)軸對(duì)稱的第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)I和第三驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3，位于Y偏轉(zhuǎn)軸并關(guān)于X偏轉(zhuǎn)軸對(duì)稱的第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)2和第四驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4，所述X偏轉(zhuǎn)軸和Y偏轉(zhuǎn)軸垂直并位于同一平面內(nèi)，所述第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)I包括伸縮驅(qū)動(dòng)器6及其外部約束結(jié)構(gòu)7和桿式位移放大機(jī)構(gòu)8，所述第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)2、第三驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3和第四驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4的結(jié)構(gòu)及尺寸與第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)I相同并分別通過(guò)其桿式位移放大機(jī)構(gòu)與鏡面支撐結(jié)構(gòu)5采用柔性鉸鏈相連接。
[0006]所述伸縮驅(qū)動(dòng)器6為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器。
[0007]所述伸縮驅(qū)動(dòng)器6為電致伸縮驅(qū)動(dòng)器或者磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器。
[0008]上述所述二維快速偏轉(zhuǎn)反射鏡作動(dòng)機(jī)構(gòu)的作動(dòng)方法，外部約束結(jié)構(gòu)7對(duì)伸縮驅(qū)動(dòng)器6施加預(yù)壓力，其軸向長(zhǎng)度隨伸縮驅(qū)動(dòng)器6長(zhǎng)度而變化，當(dāng)伸縮驅(qū)動(dòng)器6伸長(zhǎng)δ時(shí)，外部約束結(jié)構(gòu)7對(duì)桿式位移放大機(jī)構(gòu)8輸出向上推力，并向上輸出位移K δ，其中K為桿式位移放大機(jī)構(gòu)的放大比；當(dāng)伸縮驅(qū)動(dòng)器6縮短-δ時(shí)，外部約束結(jié)構(gòu)7依靠其自身彈性回復(fù)力對(duì)桿式位移放大機(jī)構(gòu)8輸出向下拉力，并向下輸出位移-K δ，使得第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)I沿上下兩個(gè)方向輸出位移；當(dāng)?shù)谝或?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)I中的伸縮驅(qū)動(dòng)器6伸長(zhǎng)δ后,第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)I輸出位移K δ，第三驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3中的伸縮驅(qū)動(dòng)器6縮短δ后，第三驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3輸出反向位移-K δ，因
此鏡面沿X軸產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角為0 = arctan￥_，其中，L為鏡面支撐結(jié)構(gòu)5的長(zhǎng)度；同樣可控制
鏡面沿Y軸產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角。
[0009]本發(fā)明和現(xiàn)U有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):[0010]1.本發(fā)明中，充分發(fā)揮了電致伸縮驅(qū)動(dòng)器的軸向剛度，即驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)1，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)2，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4沿電致伸縮驅(qū)動(dòng)器軸向方向具有較大剛度，并通過(guò)柔性鉸鏈與反射鏡支撐機(jī)構(gòu)連接為一體，總體結(jié)構(gòu)一階諧振頻率較高，因此該偏轉(zhuǎn)控制機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度較快。
[0011]2.本發(fā)明中每個(gè)偏轉(zhuǎn)軸采用兩組對(duì)稱分布的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分別沿正負(fù)方向進(jìn)行差分驅(qū)動(dòng)，并由兩個(gè)偏轉(zhuǎn)軸共四個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使反射鏡實(shí)現(xiàn)二維正交方向的微角度偏轉(zhuǎn)且在兩個(gè)偏轉(zhuǎn)方向上不產(chǎn)生角度耦合和干擾，可產(chǎn)生準(zhǔn)確的微角位移。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為本發(fā)明控制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)I結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖3為X偏轉(zhuǎn)軸控制原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0016]如圖1所示，本發(fā)明一種二維快速偏轉(zhuǎn)反射鏡作動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括位于X偏轉(zhuǎn)軸并關(guān)于Y偏轉(zhuǎn)軸對(duì)稱的第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)I和第三驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3，位于Y偏轉(zhuǎn)軸并關(guān)于X偏轉(zhuǎn)軸對(duì)稱的第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)2和第四驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4，所述X偏轉(zhuǎn)軸和Y偏轉(zhuǎn)軸垂直并位于同一平面內(nèi)，所述第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)I包括伸縮驅(qū)動(dòng)器6及其外部約束結(jié)構(gòu)7和桿式位移放大機(jī)構(gòu)8，所述第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)2、第三驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3和第四驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4的結(jié)構(gòu)及尺寸與第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)I相同并分別通過(guò)其桿式位移放大機(jī)構(gòu)與鏡面支撐結(jié)構(gòu)5采用柔性鉸鏈相連接。
[0017]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述伸縮驅(qū)動(dòng)器6為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，也可以為其他電致伸縮驅(qū)動(dòng)器或者磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器。
[0018]如圖2所示，第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)I包括伸縮驅(qū)動(dòng)器6及其外部約束結(jié)構(gòu)7和桿式位移放大機(jī)構(gòu)8。外部約束結(jié)構(gòu)7對(duì)伸縮驅(qū)動(dòng)器6施加預(yù)壓力，其軸向長(zhǎng)度隨伸縮驅(qū)動(dòng)器6長(zhǎng)度而變化，當(dāng)伸縮驅(qū)動(dòng)器6伸長(zhǎng)δ時(shí),外部約束結(jié)構(gòu)7對(duì)桿式位移放大機(jī)構(gòu)8輸出向上推力，并向上輸出位移Κδ。其中K為桿式位移放大機(jī)構(gòu)放大比。當(dāng)伸縮驅(qū)動(dòng)器6縮短-δ時(shí)，外部約束結(jié)構(gòu)7依靠其自身彈性回復(fù)力對(duì)桿式位移放大機(jī)構(gòu)8輸出向下拉力，并向下輸出位移-K δ。使得第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)I可沿上下兩個(gè)方向輸出位移。
[0019]本發(fā)明的控制方法如圖3所示，位于X偏轉(zhuǎn)軸的第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)I和第三驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3為對(duì)稱分布于旋轉(zhuǎn)中心兩側(cè)，第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)I中的伸縮驅(qū)動(dòng)器6伸長(zhǎng)δ后第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)I輸出位移K δ，第三驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3中的伸縮驅(qū)動(dòng)器6縮短δ后第三驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3輸出反向位






移-K δ。支撐結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為L(zhǎng)，因此鏡面沿X軸產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角為θ= arctan2kδ/l。使用與圖3所






述相同原理可控制鏡面沿Y軸產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角。
【權(quán)利要求】
1.一種二維快速偏轉(zhuǎn)反射鏡作動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于:包括位于X偏轉(zhuǎn)軸并關(guān)于Y偏轉(zhuǎn)軸對(duì)稱的第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(I)和第三驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(3)，位于Y偏轉(zhuǎn)軸并關(guān)于X偏轉(zhuǎn)軸對(duì)稱的第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)和第四驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(4)，所述X偏轉(zhuǎn)軸和Y偏轉(zhuǎn)軸垂直并位于同一平面內(nèi)，所述第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(I)包括伸縮驅(qū)動(dòng)器(6)及其外部約束結(jié)構(gòu)(7)和桿式位移放大機(jī)構(gòu)(8)，所述第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)、第三驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(3)和第四驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(4)的結(jié)構(gòu)及尺寸與第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(I)相同并分別通過(guò)其桿式位移放大機(jī)構(gòu)與鏡面支撐結(jié)構(gòu)(5)采用柔性鉸鏈相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維快速偏轉(zhuǎn)反射鏡作動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述伸縮驅(qū)動(dòng)器(6)為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維快速偏轉(zhuǎn)反射鏡作動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述伸縮驅(qū)動(dòng)器(6)為電致伸縮驅(qū)動(dòng)器或者磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器。
4.權(quán)利要求1所述二維快速偏轉(zhuǎn)反射鏡作動(dòng)機(jī)構(gòu)的作動(dòng)方法，其特征在于:外部約束結(jié)構(gòu)(7)對(duì)伸縮驅(qū)動(dòng)器(6)施加預(yù)壓力，其軸向長(zhǎng)度隨伸縮驅(qū)動(dòng)器(6)長(zhǎng)度而變化，當(dāng)伸縮驅(qū)動(dòng)器(6)伸長(zhǎng)δ時(shí),夕卜部約束結(jié)構(gòu)(7)對(duì)桿式位移放大機(jī)構(gòu)(8)輸出向上推力，并向上輸出位移K δ，其中K為桿式位移放大機(jī)構(gòu)的放大比；當(dāng)伸縮驅(qū)動(dòng)器(6)縮短-δ時(shí)，外部約束結(jié)構(gòu)(7)依靠其自身彈性回復(fù)力對(duì)桿式位移放大機(jī)構(gòu)(8)輸出向下拉力，并向下輸出位移-K δ，使得第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(I)沿上下兩個(gè)方向輸出位移；當(dāng)?shù)谝或?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(I)中的伸縮驅(qū)動(dòng)器(6)伸長(zhǎng)δ后，第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(I)輸出位移Κδ，第三驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(3)中的伸縮驅(qū)動(dòng)器(6)縮短δ后，第三驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(3)輸出反向位移-Κδ，因此鏡面沿X軸產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角為Θ = arctan ，其中，L為鏡面支撐結(jié)構(gòu)(5)的長(zhǎng)度；同樣可控制鏡面沿Y軸產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角。
【文檔編號(hào)】G02B26/08GK103913838SQ201410060324
【公開(kāi)日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年2月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月21日
【發(fā)明者】敬子建, 徐明龍, 張文會(huì), 梁云 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué), 西安空間無(wú)線電技術(shù)研究所