專利名稱：一種兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺及垂直度誤差校準(zhǔn)方法
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)掃描平臺及垂直度誤差校準(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(gè)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)驅(qū)動(dòng)聯(lián)接在動(dòng)平臺和基座之間的三條運(yùn)動(dòng)支鏈，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度方向運(yùn)動(dòng)，或者是兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和一個(gè)附加的平動(dòng)自由度運(yùn)動(dòng)。然而，通常情況下，光學(xué)掃描機(jī)構(gòu)僅需兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，多余的自由度會增加運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(diǎn)(俯仰軸的所有質(zhì)量完全置于方位軸上，使得動(dòng)質(zhì)量相對較大)，無法實(shí)現(xiàn)高速掃描運(yùn)動(dòng)。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)(3D打印機(jī))，因?yàn)槠鋭?dòng)質(zhì)量幾乎只有反射鏡，慣量很小所以動(dòng)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(jì)與放大的不良影響，同時(shí)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(dòng)，實(shí)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)剛度好、承載能力強(qiáng)，且轉(zhuǎn)角范圍大；其缺點(diǎn)是對軸系的精度要求較高，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(diǎn)是，對彈性元件的要求高，即要求彈性元件在期望運(yùn)動(dòng)方向上具有足夠的柔性，而在限制運(yùn)動(dòng)的方向上具有足夠的剛度，這導(dǎo)致系統(tǒng)工作時(shí)平面反射鏡的運(yùn)動(dòng)形式較為復(fù)雜(在產(chǎn)生轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)的同時(shí)會產(chǎn)生微量的線位移)，不適于在振動(dòng)、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(jì)對稱，均采用了四組兩兩正交分布的電機(jī)，即采用了四個(gè)輸入控制兩個(gè)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，提供一種具有聞速聞精度特點(diǎn)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(jì)一種垂直度誤差校準(zhǔn)方法；相對于快速反射鏡在實(shí)現(xiàn)反射鏡較大偏轉(zhuǎn)角的同時(shí)，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(shí)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(dòng)機(jī)構(gòu)、反射鏡軸機(jī)構(gòu)、反射鏡活動(dòng)框架和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(gè)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；所述反射鏡活動(dòng)框架包括內(nèi)框和外框，所述主軸的大軸端繞第一軸線旋轉(zhuǎn)連接于內(nèi)框中部，所述內(nèi)框繞第二軸線旋轉(zhuǎn)連接于外框中部，所述外框固定于機(jī)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(jī)殼底部,與主軸的小軸端相對設(shè)置；兩個(gè)直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)活動(dòng)安裝于機(jī)殼內(nèi)，分別為第一直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和第二直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述第一直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和第二直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)輸出端分別沿第一軸線和第二軸線方向與主軸連接，驅(qū)動(dòng)主軸在反射鏡活動(dòng)框架上相對于機(jī)殼擺動(dòng)。所述直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括音圈電機(jī)、活動(dòng)框架和導(dǎo)軌；所述活動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)輸出端相對設(shè)置。所述音圈電機(jī)的運(yùn)動(dòng)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(gè)調(diào)平螺釘固定于主軸大軸端的端面，所述四個(gè)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(lián)掃描平臺的垂直度誤差的校準(zhǔn)方法，包括以下步驟:S1、沿一直線依次設(shè)置投影面、調(diào)整支架和調(diào)整平臺，將主軸固定在調(diào)整支架上，將激光發(fā)射器固定于調(diào)整平臺上，使激光發(fā)射器發(fā)射出的激光光束射向主軸大軸端的端面；S2、通過調(diào)整支架和調(diào)整平臺，調(diào)整主軸的軸向方向和激光發(fā)射器的位置，使激光發(fā)射器發(fā)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(gè)調(diào)平螺釘安裝在主軸上，通過旋緊或放松調(diào)平螺釘，對反射鏡的鏡面方向進(jìn)行微調(diào)，使激光發(fā)射器發(fā)射出的激光光束沿原路返回。所述S2還包括通過調(diào)整支架對主軸的軸向方向進(jìn)行微調(diào)，使激光光束在投影面上的投影亮度達(dá)到最大。本發(fā)明實(shí)施例提供的一種兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺采用單反射鏡結(jié)構(gòu)，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(yīng)。同時(shí)，本發(fā)明采用兩輸入兩輸出結(jié)構(gòu)，控制上較現(xiàn)有技術(shù)容易很多；還采用了三組X-Y框架式結(jié)構(gòu)，可以有更大的剛度和偏轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)全閉環(huán)，可以達(dá)到很高的精度。本發(fā)明提供的一種兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺具有精度高、剛度大，承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺中的反射鏡軸機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為圖3中所示的反射鏡軸機(jī)構(gòu)的截面圖。圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺中的反射鏡活動(dòng)框架的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺中的直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺中的一個(gè)側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺的另一種連接方式示意圖。圖9為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺的垂直度誤差校準(zhǔn)方法。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明說明書中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案進(jìn)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(shù)語，比如“上”、“下”、“左”、“右”等等，是以對應(yīng)的附圖為參照的，并不能認(rèn)為是對本發(fā)明的限制，當(dāng)圖面的定義方向發(fā)生改變時(shí)，這些詞語表示的方向應(yīng)當(dāng)解釋為相應(yīng)的不同方向。如圖1和圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺包括機(jī)殼I和安裝于機(jī)殼I內(nèi)的直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、反射鏡軸機(jī)構(gòu)3、反射鏡活動(dòng)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(jī)構(gòu)3包括主軸31、反射鏡33、反射鏡支架32、調(diào)平螺釘35和激光發(fā)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，所述反射鏡33固定于反射鏡支架32上，反射鏡支架32的邊緣具有四個(gè)沿圓周均勻分布的固定爪320，反射鏡支架32通過固定爪320上的四個(gè)調(diào)平螺釘35固定于主軸31大軸端的端面。所述激光發(fā)射器34固定于主軸31軸心處的通孔310內(nèi)，并由反射鏡支架32封于主軸31內(nèi)部，其激光發(fā)射方向沿主軸31的軸心穿過通孔310，指向主軸31的小軸端。作為改進(jìn)，反射鏡支架32與主軸31之間還設(shè)置有橡膠墊片36，用于為反射鏡支架32提供彈性支撐，通過分別調(diào)整四個(gè)調(diào)平螺釘35的松緊程度，可以對反射鏡支架32上反射鏡33的鏡面朝向進(jìn)行精細(xì)的微調(diào)和校準(zhǔn)，使其與主軸31的軸心垂直，以滿足本發(fā)明實(shí)施例的兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺的使用要求。如圖2所不,所述PSD位置傳感器5通過一法蘭底座51固定于機(jī)殼I上,并與主軸31的小軸端相對設(shè)置，用于接收激光發(fā)射器34從小軸端通孔310射出的激光光束信號。如圖5所示,所述反射鏡活動(dòng)框架4為XY框架結(jié)構(gòu),包括內(nèi)框42和外框41,所述外框41固定于機(jī)殼I的上蓋板(為便于理解內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖1中的上蓋板已去除)，所述內(nèi)框42樞軸連接于外框41中部，可繞第二軸線420旋轉(zhuǎn)；所述主軸31的大軸端樞軸連接于內(nèi)框42的中部，可繞第一軸線410旋轉(zhuǎn)。其中，第一軸線410與第二軸線420均位于反射鏡33的鏡面所在的平面，且相互正交于反射鏡33的鏡面上。如圖1和圖2所示，所述直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有兩個(gè)，分別為第一直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)21和第二直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)22，所述第一直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)21和第二直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)22分別通過一樞轉(zhuǎn)組件20活動(dòng)安裝于機(jī)殼I內(nèi)，可分別繞一豎直方向的軸線旋轉(zhuǎn)。具體地,如圖6所示,各直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括音圈電機(jī)23、活動(dòng)框架24、導(dǎo)軌25、光柵尺傳感器26和光電限位開關(guān)27，所述活動(dòng)框架24通過樞轉(zhuǎn)組件20旋轉(zhuǎn)連接于機(jī)殼I上，可繞一豎直方向的軸線旋轉(zhuǎn)。所述導(dǎo)軌25樞軸連接于活動(dòng)框架24上，可繞一水平方向的軸線旋轉(zhuǎn)。所述音圈電機(jī)23、光柵尺傳感器26和光電限位開關(guān)27固定于導(dǎo)軌25上,其中，音圈電機(jī)23沿導(dǎo)軌25延伸方向設(shè)置，固定于導(dǎo)軌25底部；光柵尺傳感器26和光電限位開關(guān)27固定于導(dǎo)軌25的側(cè)壁上，與音圈電機(jī)23的運(yùn)動(dòng)輸出端(即動(dòng)子230)相對設(shè)置。其中，光柵尺傳感器26用于對音圈電機(jī)23運(yùn)動(dòng)輸出端的位移和速度信息進(jìn)行反饋，便于控制系統(tǒng)對音圈電機(jī)23運(yùn)動(dòng)輸出端的伸長量進(jìn)行控制；光電限位開關(guān)27用于限定音圈電機(jī)23的最大和最小運(yùn)動(dòng)行程。音圈電機(jī)23的運(yùn)動(dòng)輸出端即為直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)輸出端。第一直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)21和第二直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)22的運(yùn)動(dòng)輸出端分別沿第一軸線410和第二軸線420方向與主軸31的小軸端連接，驅(qū)動(dòng)主軸31在反射鏡活動(dòng)框架4上相對于機(jī)殼I擺動(dòng)。具體地，第一直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)21和第二直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)22的運(yùn)動(dòng)輸出端通過球鉸與主軸31的小軸端活動(dòng)連接。在實(shí)際應(yīng)用中，既可以將第一直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)21和第二直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)22的運(yùn)動(dòng)輸出端分別通過一球鉸關(guān)節(jié)，一上一下地分別連接于主軸31上，如圖7所示；也可以將第一直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)21和第二直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)22的運(yùn)動(dòng)輸出端連接于主軸31上的同一平面，如圖8所示。當(dāng)主軸31處于平衡狀態(tài)時(shí)，即主軸31軸心為豎直方向時(shí)，兩直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)輸出方向正交。第一直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)21的運(yùn)動(dòng)輸出端產(chǎn)生沿第一軸線410方向的推或拉的動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)主軸31在反射鏡活動(dòng)框架4上繞第二軸線420擺動(dòng)；第二直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)22的運(yùn)動(dòng)輸出端產(chǎn)生沿第二軸線420方向的推或拉的動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)主軸31在反射鏡活動(dòng)框架4上繞第一軸線410擺動(dòng)。在驅(qū)動(dòng)主軸31擺動(dòng)的過程中，兩直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)輸出端之間是相互制約的，當(dāng)其中一個(gè)直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)輸出端伸長或收縮時(shí)，由于受到另一直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)輸出端伸長量的限制，會產(chǎn)生側(cè)向擺動(dòng)的動(dòng)能，使自身繞活動(dòng)框架24的豎直軸線擺動(dòng)，同時(shí)也使另一直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)擺動(dòng)。因此，在主軸31的擺動(dòng)過程中，第一直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)21和第二直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)22均會在水平面上擺動(dòng)，其輸出的動(dòng)能并非是保持與第一軸線410和第二軸線420方向一致的，兩直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)輸出端也并非是保持垂直的。然而，由于受反射鏡活動(dòng)框架4的限制，主軸31只能繞第一軸線410和第二軸線420擺動(dòng)，因此，兩直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)共同作用，驅(qū)動(dòng)主軸31在反射鏡活動(dòng)框架4上以第一軸線410和第二軸線420的交點(diǎn)為中心進(jìn)行三維旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)。運(yùn)動(dòng)過程中，第一直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)21和第二直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)22的每一組伸長量數(shù)據(jù)，均對應(yīng)了主軸31軸心的一個(gè)三維擺動(dòng)位置，即對應(yīng)了反射鏡33的一個(gè)法向角度，相應(yīng)地，也對應(yīng)了激光發(fā)射器34發(fā)射出的激光光束在PSD位置傳感器5上的位置。因此，位于反射鏡軸機(jī)構(gòu)3下方的PSD位置傳感器5可以直接反饋出反射鏡33的三維法向方向。本發(fā)明實(shí)施例提供的一種兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺為兩輸入兩輸出系統(tǒng)，通過分別控制兩個(gè)直線音圈電機(jī)23的伸長量，進(jìn)而控制反射鏡33的法向方向。由于音圈電機(jī)23具有很高的加速度，所以反射鏡33的掃描速度可以很快。在現(xiàn)有技術(shù)中的一些掃描平臺系統(tǒng)中，由于兩電機(jī)的運(yùn)動(dòng)與反射鏡法向的運(yùn)動(dòng)并不是線性的對應(yīng)關(guān)系，同時(shí)兩者之間有耦合；又由于反射鏡沒有固定的旋轉(zhuǎn)中心，旋轉(zhuǎn)中心無法與反射點(diǎn)重合，導(dǎo)致很難通過給定反射光線的運(yùn)動(dòng)方程求解出兩電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程。然而，在本發(fā)明實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)中心是固定的，且反射點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)中心重合，相關(guān)的數(shù)學(xué)模型會簡單很多。在運(yùn)動(dòng)控制方法上，離散化PSD位置傳感器5的信息，使得PSD位置傳感器5上的每一個(gè)離散點(diǎn)都對應(yīng)兩個(gè)音圈電機(jī)23唯一的伸長量,并建立數(shù)據(jù)表。在實(shí)際控制中，通過離散化給定的反射光線的運(yùn)動(dòng)方程從而找到與其對應(yīng)的兩音圈電機(jī)23的每組伸長長度，通過對應(yīng)的離散點(diǎn)即可擬合出與反射光線運(yùn)動(dòng)方程對應(yīng)的兩音圈電機(jī)23的運(yùn)動(dòng)方程。在本發(fā)明實(shí)施例提供的一種兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺中，掃描精度主要取決于PSD位置傳感器5和光柵尺傳感器26的精度、反射鏡33的反射面與主軸31的通孔310的垂直度、以及反射鏡33的反射面與反射鏡旋轉(zhuǎn)中心(即第一軸線410和第二軸線420的交點(diǎn))之間的距離誤差。由于PSD位置傳感器5和光柵尺傳感器26的精度可以通過選擇不同的產(chǎn)品型號實(shí)現(xiàn)改良，反射鏡33的反射面與旋轉(zhuǎn)中心之間的距離誤差可以通過使第一軸線410與第二軸線420所在平面與反射面重合進(jìn)行克服，故在此不再贅述。現(xiàn)有技術(shù)中，PSD位置傳感器5的誤差可以達(dá)到幾微米，光柵尺傳感器26的精度最高可達(dá)到納米級別。如圖9所示，本發(fā)明還提供了一種對所述兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺的垂直度誤差進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，具體地，所述垂直度指的是反射鏡33的反射面與主軸31的通孔310的垂直度。所述垂直度誤差校準(zhǔn)方法具體包括以下步驟:S1、沿一直線依次設(shè)置投影面61、調(diào)整支架62和調(diào)整平臺63，將主軸31固定在調(diào)整支架62上，將一激光發(fā)射器7固定于調(diào)整平臺63上，使激光發(fā)射器7發(fā)射出的激光光束射向主軸31大軸端的端面；其中，所述調(diào)整支架62具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向的調(diào)整自由度，分別用于調(diào)整主軸31軸心的水平和垂直方向；所述調(diào)整平臺63具有三個(gè)平移方向的調(diào)整自由度，分別用于調(diào)整激光發(fā)射器7在X軸、Y軸和Z軸方向的位移。S2、通過調(diào)整支架62和調(diào)整平臺63，分別調(diào)整主軸31的軸向方向和激光發(fā)射器7的位置，使激光發(fā)射器7發(fā)射出的激光光束穿過主軸31軸心的通孔310，投射到投影面61上；將主軸31和激光發(fā)射器7的位置初步固定；進(jìn)一步地，通過調(diào)整支架62對主軸31的軸向方向進(jìn)行微調(diào)，使激光光束在投影面61上的投影點(diǎn)P亮度達(dá)到最大，此時(shí)表明激光光束方向與主軸31軸心的通孔310方向重合度最高；調(diào)整完畢后，將主軸31鎖緊固定在調(diào)整支架62上。S3、將反射鏡33和反射鏡支架32通過所述四個(gè)調(diào)平螺釘35安裝在主軸31上，此時(shí)激光光束會被反射鏡33反射；通過旋緊或放松調(diào)平螺釘35，對反射鏡33的鏡面方向進(jìn)行微調(diào)，使激光發(fā)射器7發(fā)射出的激光光束沿原路返回。采用上述方法進(jìn)行校正，可以使反射鏡33的鏡面與主軸31的通孔310具有很高的垂直度。其中，校正過程中，反射鏡33的鏡面與激光反射器7之間的距離L越大，調(diào)整精度就越高，最終校正出的垂直度也越高。本發(fā)明實(shí)施例提供的一種兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺采用單反射鏡結(jié)構(gòu)，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(yīng)。同時(shí)，本發(fā)明采用兩輸入兩輸出結(jié)構(gòu)，控制上較現(xiàn)有技術(shù)容易很多；還采用了三組X-Y框架式結(jié)構(gòu)，可以有更大的剛度和偏轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)全閉環(huán)，可以達(dá)到很高的精度。本發(fā)明提供的一種兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺具有精度高、剛度大，承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺，其特征在于，包括機(jī)殼和安裝于機(jī)殼內(nèi)的直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、反射鏡軸機(jī)構(gòu)、反射鏡活動(dòng)框架和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(gè)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; 所述反射鏡活動(dòng)框架包括內(nèi)框和外框，所述主軸的大軸端繞第一軸線旋轉(zhuǎn)連接于內(nèi)框中部，所述內(nèi)框繞第二軸線旋轉(zhuǎn)連接于外框中部，所述外框固定于機(jī)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(jī)殼上，與主軸的小軸端相對設(shè)置； 兩個(gè)直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)活動(dòng)安裝于機(jī)殼內(nèi)，分別為第一直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和第二直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述第一直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和第二直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)輸出端分別沿第一軸線和第二軸線方向與主軸連接，驅(qū)動(dòng)主軸在反射鏡活動(dòng)框架上相對于機(jī)殼擺動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺，其特征在于，所述直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括音圈電機(jī)、活動(dòng) 框架和導(dǎo)軌；所述活動(dòng)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(dòng)框架上，所述音圈電機(jī)固定于導(dǎo)軌內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺，其特征在于，所述直線驅(qū)動(dòng)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(dòng)輸出端相對設(shè)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺，其特征在于，所述音圈電機(jī)的運(yùn)動(dòng)輸出端與主軸通過球鉸連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺，其特征在于，所述反射鏡支架與主軸之間設(shè)置有橡膠墊片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺，其特征在于，所述反射鏡的鏡面垂直于主軸的軸心。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺，其特征在于，所述第一軸線和第二軸線均位于反射鏡的鏡面上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺，其特征在于，所述反射鏡支架通過四個(gè)調(diào)平螺釘固定于主軸大軸端的端面，所述四個(gè)螺釘均勻分布于反射鏡支架的邊緣。
9.一種如權(quán)利要求1所述的兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺的垂直度誤差的校準(zhǔn)方法，其特征在于，包括以下步驟: S1、沿一直線依次設(shè)置投影面、調(diào)整支架和調(diào)整平臺，將主軸固定在調(diào)整支架上，將激光發(fā)射器固定于調(diào)整平臺上，使激光發(fā)射器發(fā)射出的激光光束射向主軸大軸端的端面； S2、通過調(diào)整支架和調(diào)整平臺，調(diào)整主軸的軸向方向和激光發(fā)射器的位置，使激光發(fā)射器發(fā)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(gè)調(diào)平螺釘安裝在主軸上，通過旋緊或放松調(diào)平螺釘，對反射鏡的鏡面方向進(jìn)行微調(diào)，使激光發(fā)射器發(fā)射出的激光光束沿原路返回。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述S2還包括通過調(diào)整支架對主軸的軸向方向進(jìn)行微調(diào)，使激 光光束在投影面上的投影亮度達(dá)到最大。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺及垂直度誤差校準(zhǔn)方法，包括機(jī)殼和安裝于機(jī)殼內(nèi)的直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、反射鏡軸機(jī)構(gòu)、反射鏡活動(dòng)框架和PSD位置傳感器。本發(fā)明實(shí)施例提供的一種兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺采用單反射鏡結(jié)構(gòu)，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(yīng)。同時(shí)，本發(fā)明采用兩輸入兩輸出結(jié)構(gòu)，控制上較現(xiàn)有技術(shù)容易很多；還采用了三組X-Y框架式結(jié)構(gòu)，可以有更大的剛度和偏轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)全閉環(huán)，可以達(dá)到很高的精度。本發(fā)明提供的一種兩自由度高速并聯(lián)掃描平臺具有精度高、剛度大，承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。
文檔編號G02B26/10GK103197416SQ20131009212
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月21日
發(fā)明者李凱格, 張弓, 陳賢帥, 王映品, 周雪峰, 梁濟(jì)民, 孫克爭 申請人:廣州中國科學(xué)院先進(jìn)技術(shù)研究所