[發(fā)明專利]兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺及其垂直度誤差的校準(zhǔn)方法

有效

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• 申請日: 2013-03-21
• 公開（公告）號: CN103176270A
• 公開（公告）日: 2013-06-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李凱格;張弓;陳賢帥;王映品;周雪峰;梁濟(jì)民;孫克爭
• 申請（專利權(quán)）人: 廣州中國科學(xué)院先進(jìn)技術(shù)研究所
• 主分類號: G02B26/10
• 分類號: G02B26/10;G02B7/198;G05D3/12
• 代理公司: 深圳匯智容達(dá)專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 44238
• 代理人: 劉新年

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及精密光學(xué)掃描器械領(lǐng)域，具體涉及一種兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺及其垂直度誤差的校準(zhǔn)方法。

背景技術(shù)

光學(xué)掃描機(jī)構(gòu)是先進(jìn)激光加工領(lǐng)域的伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是激光投影的關(guān)鍵部件之一。

近年來，少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，尤其是三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如3RPS型并聯(lián)機(jī)構(gòu)，在光學(xué)掃描領(lǐng)域內(nèi)越來越受到研究者的重視和青睞。現(xiàn)有的基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的光學(xué)掃描角度調(diào)整平臺，通過三個驅(qū)動器同時驅(qū)動聯(lián)接在動平臺和基座之間的三條運(yùn)動支鏈，從而實現(xiàn)動平臺三個轉(zhuǎn)動自由度方向運(yùn)動，或者是兩個轉(zhuǎn)動自由度和一個附加的平動自由度運(yùn)動。

然而，通常情況下，光學(xué)掃描機(jī)構(gòu)僅需兩個轉(zhuǎn)動自由度，多余的自由度會增加運(yùn)動學(xué)分析的難度，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制更加復(fù)雜。其次，如果運(yùn)動支鏈結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，加工和裝配等環(huán)節(jié)就可能會導(dǎo)致較大的系統(tǒng)誤差。目前大多數(shù)光學(xué)掃描機(jī)構(gòu)都采用的串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式（常平架形式），這種技術(shù)已經(jīng)很成熟，但由于自身的結(jié)構(gòu)特點（俯仰軸的所有質(zhì)量完全置于方位軸上，使得動質(zhì)量相對較大），無法實現(xiàn)高速掃描運(yùn)動。還有一種由兩組單軸組合而成的平臺系統(tǒng)，主要應(yīng)用于激光投影或者增量制造技術(shù)（如3D打印機(jī)），因為其動質(zhì)量幾乎只有反射鏡，慣量很小所以動態(tài)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(zhuǎn)自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)大多應(yīng)用于快速反射鏡結(jié)構(gòu)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(jī)械結(jié)構(gòu)分兩種，一種是X-Y軸框架式，也稱為有軸式結(jié)構(gòu)，其內(nèi)外框架分別繞兩相互正交的軸心轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)平面反射鏡的二維偏轉(zhuǎn)；另一種是柔性無軸式結(jié)構(gòu)，主要利用彈性元件的撓性工作。第一種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)剛度好、承載能力強(qiáng)，且轉(zhuǎn)角范圍大；其缺點是對軸系的精度要求較高，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量和摩擦力矩偏大，不利于諧振頻率的提高，而且此結(jié)構(gòu)的體積偏大，受空間限制嚴(yán)重。第二種結(jié)構(gòu)優(yōu)勢是：結(jié)構(gòu)簡單，無摩擦阻力矩，響應(yīng)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(yùn)動方向上具有足夠的柔性，而在限制運(yùn)動的方向上具有足夠的剛度，這導(dǎo)致系統(tǒng)工作時平面反射鏡的運(yùn)動形式較為復(fù)雜（在產(chǎn)生轉(zhuǎn)角運(yùn)動的同時會產(chǎn)生微量的線位移），不適于在振動、沖擊、回轉(zhuǎn)等惡劣的工作條件下使用。另外，上述兩種結(jié)構(gòu)為了使結(jié)構(gòu)設(shè)計對稱，均采用了四組兩兩正交分布的電機(jī)，即采用了四個輸入控制兩個輸出，這就使得控制更復(fù)雜化，成本更高。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，有必要針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種具有高速高精度特點的兩自由度高速并聯(lián)掃光學(xué)掃描平臺，并針對該掃描平臺的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計一種垂直度誤差校準(zhǔn)方法；相對于快速反射鏡，在實現(xiàn)反射鏡較大偏轉(zhuǎn)角的同時，減小掃描平臺控制機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，并繼續(xù)保持原有的反應(yīng)速度和精度。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺，包括機(jī)殼和安裝于機(jī)殼內(nèi)的直線驅(qū)動機(jī)構(gòu)、反射鏡軸機(jī)構(gòu)、關(guān)節(jié)軸承和PSD位置傳感器；

所述反射鏡軸機(jī)構(gòu)包括主軸、反射鏡、反射鏡支架、調(diào)平螺釘和激光發(fā)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(diào)平螺釘固定于主軸大軸端的端面，所述激光發(fā)射器固定于主軸軸心處的通孔內(nèi)，其激光發(fā)射方向沿主軸的軸心穿過通孔，指向主軸的小軸端；

所述主軸的大軸端固定于關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)圈，關(guān)節(jié)軸承的外圈固定于機(jī)殼上；

所述PSD位置傳感器固定于機(jī)殼底部，與主軸的小軸端相對設(shè)置；

兩個直線驅(qū)動機(jī)構(gòu)活動安裝于機(jī)殼內(nèi)，分別為第一直線驅(qū)動機(jī)構(gòu)和第二直線驅(qū)動機(jī)構(gòu)，所述第一直線驅(qū)動機(jī)構(gòu)和第二直線驅(qū)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動輸出端分別與主軸連接，驅(qū)動主軸在關(guān)節(jié)軸承上繞關(guān)節(jié)軸承的旋轉(zhuǎn)中心擺動。

所述直線驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括音圈電機(jī)、活動框架和導(dǎo)軌；所述活動框架旋轉(zhuǎn)連接于機(jī)殼上，所述導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)連接于活動框架上，所述音圈電機(jī)固定于導(dǎo)軌內(nèi)。

所述直線驅(qū)動機(jī)構(gòu)還包括固定于導(dǎo)軌內(nèi)的光柵尺傳感器、光電限位開關(guān)，所述光柵尺傳感器和光電限位開關(guān)與音圈電機(jī)的運(yùn)動輸出端相對設(shè)置。

所述音圈電機(jī)的運(yùn)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(shè)置有橡膠墊片。

所述反射鏡的鏡面垂直于主軸的軸心。

所述關(guān)節(jié)軸承的旋轉(zhuǎn)中心位于反射鏡的鏡面上。

所述反射鏡支架通過四個調(diào)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。