高速并联光学扫描平台设计.pdf

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1、且应用技术高速并联光学扫描平台设计木李凯格黄丹(广东省自动化研究所广东省现代控制技术重点实验室广东省现代控制与光机电技术公共实验室)摘要：提出一种两自由度球面并联机构，并基于该并联机构模型设计了一种高速光学扫描平台。平台采用直线音圈电机作为驱动实现高速运动，以直线光栅传感器和二维PSD传感器作为反馈元件实现双闭环高精度伺服控制，建立扫描平台的数学模型并进行运动学求解。基于ADAMS对所设计高速扫描平台进行运动学和动力学仿真，验证该设计的可行性。关键词：扫描；并联机构：PSD传感器；音圈电机0引言联结构形式光学扫描设备应

2、用较少，复合轴结构形式望远镜中的快速反射镜是典型的应用，其具有较高高速光学扫描机构作为光学系统的关键器件，广的扫描速度，但扫描范围较小，通常不超过1。。泛应用于精密加工、精密定位、光束传输、激光投影本文提出了一种两旋转自由度并联机构并应用以及增量制造(3D打印)等领域，其主要功能是实于光学扫描平台，较快速反射镜大大提高了扫描范围，现平面反射镜的快速、高频转动以达到快速控制光束同时保证了扫描精度以及较高的扫描速度。方向的目的。反射镜有两个旋转自由度即可实现空间扫描运动。1机械结构设计现有两自由度扫描机构主要有单轴结构、串

3、联结1．1结构模型及自由度计算构和并联结构3种形式。单轴结构形式的扫描平台最两自由度球面并联机构由动平台(反射镜)、机典型的是扫描振镜[1】，由两个独立并正交分布的单轴架、2个主动支链和1个约束支链组成，如图l所示。结构组成，转轴直接与反射镜固定连接，光束通过两次反射实现二维扫描运动，由于反射镜与电机转轴直接刚性连接，转动惯量很小，反射镜可以达到非常高的扫描速度，但不足的是多次反射会使光束在传播时能量衰减变大，使误差放大。串联结构形式的扫描平B台广泛应用于望远镜、雷达等跟踪系统【2】，由偏转轴和俯仰轴正交组成，俯仰轴的

4、所有结构全部置于偏转图l两自由度球面并联机构原理图轴上，所以无法像扫描振镜那样具有很小的转动惯量，无法达到较高的扫描速度，存在扫描盲区，目前这种第1主动支链由虎克铰A、移动副F、球副E组技术非常成熟，是非高速扫描应用的首选。并联机构成，第2主动支链由虎克铰B、移动副G、球副D组目前主要应用在机器人领域，采用并联闭环杆系，动成，第3约束支链上有1个改装型虎克铰C。第1主平台由多杆支撑。运动部件质量轻，惯性小，有效改动支链一端与动平台通过球副E连接，另一端与定平善了伺服控制器的动态性能，适于高速扫描。并联机台(机架)通过虎

5、克铰A连接；第2主动支链与动平构由于结构限制，其运动空间较小，不适用于大范围台通过球副D连接，另一端与定平台通过虎克铰B运动，但扫描平台并不需要移动，同时无需较大的旋连接；第3约束支链一端通过虎克铰C与定平台连接，转运动范围，恰好可以避开并联机构的弱点。现有并另一端分别通过球副E、D与第1主动支链和第2主6+基金项目：广东省科学院优秀青年科技人才基金(rcjj201504)；广东省自动化研究所所长基金(C201401)。动支链连接。根据修正的Kutzbach-Grubler[41机构自由度计算公式口1M=a(n一日一1

6、)-I-‘>-I-一i=一l其中，为机构自由度数；d为机构阶数，d=6一it，it为公共约束数目；为机构构件数目(包括机架)；为运动副数目；为第f个运动副的自由度：v为过约束的数目；为局部自由度的数目。图1所示空间机构无公共约束、过约束和局部自图2高速并联光学扫描平台整体结构由度，即=1，=X=-0；机构阶数d为6；有6个杆件(包括机架)；运动副g为7(包括有2个球副各有3个自由度，3个虎克铰各有2个自由度，2个移动副各有1个自由度)【4]。该并联机构自由度为_=6×(6—7—1)+(2+2+2+3+3+1+1)=21

7、．2整体结构高速并联光学扫描平台整体结构如图2所示，由图3高速并联光学扫描平台正视图驱动部分、主轴结构、反射镜法向位置反馈装置和XY框架结构组成。驱动部分与主轴结构分别通过电驱动部分结构如图4所示，由光电限位开关、直机XY框架结构、主轴XY框架结构与机架(图3)线光栅传感器、微型直线导轨、直线音圈电机组成。固定连接，XY框架结构等效图1中的虎克铰A、B、机构处于平衡位置时，电机部分的重心处在XY框架C。驱动部分通过关节轴承(图3)与主轴连接，等结构的旋转中心，以使电机绕轴和y轴的转动惯量效图l中的球铰E、D，两关节轴承

8、同轴上下分布。最小，使电机输出的推力最大消耗在驱动主轴运动上，电机的直线运动等效图1中的移动副F、G。通过控将消耗在电机之间互相作用的推力降到最低。制两组直线电机的伸缩间接控制反射镜的转动。平衡y状态时两组电机轴向方向相互垂直，反射镜位于主轴上端面，垂直于主轴轴向，反射镜的旋转中心落在反射面上。反射镜法向位置反馈装置位于主轴正下方