一种两自由度高速并联扫描平台及垂直度误差校准方法技术

本发明专利技术涉及一种两自由度高速并联扫描平台及垂直度误差校准方法，包括机壳和安装于机壳内的直线驱动机构、反射镜轴机构、反射镜活动框架和PSD位置传感器。本发明专利技术实施例提供的一种两自由度高速并联扫描平台采用单反射镜结构，只需一次反射即可完成扫描工作，避免了双镜反射带来的误差放大效应。同时，本发明专利技术采用两输入两输出结构，控制上较现有技术容易很多；还采用了三组X-Y框架式结构，可以有更大的刚度和偏转角度；又由于采用了二维PSD位置传感器作为反射镜法向位置的反馈装置实现全闭环，可以达到很高的精度。本发明专利技术提供的一种两自由度高速并联扫描平台具有精度高、刚度大，承载能力强的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及精密光学扫描器械领域，具体涉及。
技术介绍
光学扫描机构是先进激光加工领域的伺服执行机构，是激光投影的关键部件之 一。近年来，少自由度并联机构，尤其是三自由度并联机构，如3RPS型并联机构，在光学扫描领域内越来越受到研究者的重视和青睐。现有的基于并联机构的光学扫描角度调整平台，通过三个驱动器同时驱动联接在动平台和基座之间的三条运动支链，从而实现动平台三个转动自由度方向运动，或者是两个转动自由度和一个附加的平动自由度运动。然而，通常情况下，光学扫描机构仅需两个转动自由度，多余的自由度会增加运动学分析的难度，使得系统结构和控制更加复杂。其次，如果运动支链结构过于复杂，加工和装配等环节就可能会导致较大的系统误差。目前大多数光学扫描机构都采用的串联结构形式(常平架形式)，这种技术已经很成熟，但由于自身的结构特点(俯仰轴的所有质量完全置于方位轴上，使得动质量相对较大)，无法实现高速扫描运动。还有一种由两组单轴组合而成的平台系统，主要应用于激光投影或者增量制造技术(3D打印机)，因为其动质量几乎只有反射镜，惯量很小所以动态性能很好，具有很高的带宽，但由于采用双镜反射会带来一定的误差累计与放大的不良影响，同时承载能力很低。对于两旋转自由度并联机构大多应用于快速反射镜结构中，可以具有很高的扫描速度但扫描范围很小。快速反射镜的主要机械结构分两种，一种是X-Y轴框架式，也称为有轴式结构，其内外框架分别绕两相互正交的轴心转动，实现平面反射镜的二维偏转；另一种是柔性无轴式结构，主要利用弹性元件的挠性工作。第一种结构的优点是结构刚度好、承载能力强，且转角范围大；其缺点是对轴系的精度要求较高，系统的转动惯量和摩擦力矩偏大，不利于谐振频率的提高，而且此结构的体积偏大，受空间限制严重。第二种结构优势是:结构简单，无摩擦阻力矩，响应速度快；但其缺点是，对弹性元件的要求高，即要求弹性元件在期望运动方向上具有足够的柔性，而在限制运动的方向上具有足够的刚度，这导致系统工作时平面反射镜的运动形式较为复杂(在产生转角运动的同时会产生微量的线位移)，不适于在振动、冲击、回转等恶劣的工作条件下使用。另外，上述两种结构为了使结构设计对称，均采用了四组两两正交分布的电机，即采用了四个输入控制两个输出，这就使得控制更复杂化，成本更高。
技术实现思路
有鉴于此，有必要针对现有技术中存在的缺陷，提供一种具有闻速闻精度特点的两自由度高速并联扫光学扫描平台，并针对该扫描平台的特殊结构设计一种垂直度误差校准方法；相对于快速反射镜在实现反射镜较大偏转角的同时，减小扫描平台控制机构的复杂程度，并继续保持原有的反应速度和精度。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案:一种两自由度高速并联扫描平台，包括机壳和安装于机壳内的直线驱动机构、反射镜轴机构、反射镜活动框架和PSD位置传感器；所述反射镜轴机构包括主轴、反射镜、反射镜支架、调平螺钉和激光发射器，所述主轴为一端直径较大一端直径较小的阶梯轴，其轴心处具有一轴向的通孔，所述反射镜固定于反射镜支架上，反射镜支架通过多个调平螺钉固定于主轴大轴端的端面，所述激光发射器固定于主轴轴心处的通孔内，其激光发射方向沿主轴的轴心穿过通孔，指向主轴的小轴端；所述反射镜活动框架包括内框和外框，所述主轴的大轴端绕第一轴线旋转连接于内框中部，所述内框绕第二轴线旋转连接于外框中部，所述外框固定于机壳上；其中，第一轴线与第二轴线位于同一平面且相互正交；所述PSD位置传感器固定于机壳底部,与主轴的小轴端相对设置；两个直线驱动机构活动安装于机壳内，分别为第一直线驱动机构和第二直线驱动机构，所述第一直线驱动机构和第二直线驱动机构的运动输出端分别沿第一轴线和第二轴线方向与主轴连接，驱动主轴在反射镜活动框架上相对于机壳摆动。所述直线驱动机构包括音圈电机、活动框架和导轨；所述活动框架旋转连接于机壳上，所述导轨旋转连接于活动框架上，所述音圈电机固定于导轨内。所述直线驱动机构还包括固定于导轨内的光栅尺传感器、光电限位开关，所述光栅尺传感器和光电限位开关与音圈电机的运动输出端相对设置。所述音圈电机的运动输出端与主轴通过球铰连接。所述反射镜支架与主轴之间设置有橡胶垫片。所述反射镜的镜面垂直于主轴的轴心。所述第一轴线和第二轴线均位于反射镜的镜面上。所述反射镜支架通过四个调平螺钉固定于主轴大轴端的端面，所述四个螺钉均匀分布于反射镜支架的边缘。一种如上所述的两自由度高速并联扫描平台的垂直度误差的校准方法，包括以下步骤:S1、沿一直线依次设置投影面、调整支架和调整平台，将主轴固定在调整支架上，将激光发射器固定于调整平台上，使激光发射器发射出的激光光束射向主轴大轴端的端面；S2、通过调整支架和调整平台，调整主轴的轴向方向和激光发射器的位置，使激光发射器发射出的激光光束穿过主轴轴心的通孔，投射到投影面上；S3、将反射镜和反射镜支架通过多个调平螺钉安装在主轴上，通过旋紧或放松调平螺钉，对反射镜的镜面方向进行微调，使激光发射器发射出的激光光束沿原路返回。所述S2还包括通过调整支架对主轴的轴向方向进行微调，使激光光束在投影面上的投影亮度达到最大。本专利技术实施例提供的一种两自由度高速并联扫描平台采用单反射镜结构，只需一次反射即可完成扫描工作，避免了双镜反射带来的误差放大效应。同时，本专利技术采用两输入两输出结构，控制上较现有技术容易很多；还采用了三组X-Y框架式结构，可以有更大的刚度和偏转角度；又由于采用了二维PSD位置传感器作为反射镜法向位置的反馈装置实现全闭环，可以达到很高的精度。本专利技术提供的一种两自由度高速并联扫描平台具有精度高、刚度大，承载能力强的特点。附图说明图1为本专利技术实施例提供的一种两自由度高速并联扫描平台的结构示意图。图2为本专利技术实施例提供的一种两自由度高速并联扫描平台的内部结构示意图。图3为本专利技术实施例提供的一种两自由度高速并联扫描平台中的反射镜轴机构的结构示意图。图4为图3中所示的反射镜轴机构的截面图。图5为本专利技术实施例提供的一种两自由度高速并联扫描平台中的反射镜活动框架的结构示意图。图6为本专利技术实施例提供的一种两自由度高速并联扫描平台中的直线驱动机构的结构示意图。图7为本专利技术实施例提供的一种两自由度高速并联扫描平台中的一个侧面结构示意图。图8为本专利技术实施例提供的一种两自由度高速并联扫描平台的另一种连接方式示意图。图9为本专利技术实施例提供的一种两自由度高速并联扫描平台的垂直度误差校准方法。具体实施例方式下面将结合本专利技术说明书中的附图，对本专利技术实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。仅仅出于方便的原因，在以下的说明中，使用了特定的方向术语，比如“上”、“下”、“左”、“右”等等，是以对应的附图为参照的，并不能认为是对本专利技术的限制，当图面的定义方向发生改变时，这些词语表示的方向应当解释为相应的不同方向。如图1和图2所示，本专利技术实施例提供的一种两自由度高速并联扫描平台包括机壳I和安装于机壳I内的直线驱动机构、反射镜轴机构3、反射镜活动框架4和PSD位置传感器5。具体地，如图3和图4所示，所述反射镜轴机构3包括主轴31、反射镜33、反射镜支架32、调平螺钉35和激光发射器34。所述主轴31为一端直径较大一端直径较小的阶梯轴，其轴心处具有一轴向的通孔310，所述反射本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种两自由度高速并联扫描平台，其特征在于，包括机壳和安装于机壳内的直线驱动机构、反射镜轴机构、反射镜活动框架和PSD位置传感器；所述反射镜轴机构包括主轴、反射镜、反射镜支架、调平螺钉和激光发射器，所述主轴为一端直径较大一端直径较小的阶梯轴，其轴心处具有一轴向的通孔，所述反射镜固定于反射镜支架上，反射镜支架通过多个调平螺钉固定于主轴大轴端的端面，所述激光发射器固定于主轴轴心处的通孔内，其激光发射方向沿主轴的轴心穿过通孔，指向主轴的小轴端；所述反射镜活动框架包括内框和外框，所述主轴的大轴端绕第一轴线旋转连接于内框中部，所述内框绕第二轴线旋转连接于外框中部，所述外框固定于机壳上；其中，第一轴线与第二轴线位于同一平面且相互正交；所述PSD位置传感器固定于机壳上，与主轴的小轴端相对设置；两个直线驱动机构活动安装于机壳内，分别为第一直线驱动机构和第二直线驱动机构，所述第一直线驱动机构和第二直线驱动机构的运动输出端分别沿第一轴线和第二轴线方向与主轴连接，驱动主轴在反射镜活动框架上相对于机壳摆动。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李凯格，张弓，陈贤帅，王映品，周雪峰，梁济民，孙克争，
申请(专利权)人：广州中国科学院先进技术研究所，
类型：发明
国别省市：