[发明专利]一种快速反射镜系统中压电陶瓷驱动器的预紧装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电陶瓷驱动器的预紧装置和预紧方法，尤其涉及一种快速反射镜系统中压电陶瓷驱动器的预紧装置和预紧方法。

背景技术

随着医疗和工业等与国民息息相关行业的发展和需求，光束的精确指向、跟踪和稳定技术得到日益广泛的关注和研究，其中，光束稳定技术在精密加工、自适应光学等方向已经成为关键核心技术之一。

快速反射镜针对快速、高精度光束跟踪技术的需求应运而生。不同于传统光束稳定系统，快速反射镜通常采用柔性结构部件代替传统的轴系作为无摩擦、无间隙的精密回转部件，同时采用音圈电机或压电陶瓷驱动器作为驱动源，配合一定口径的反射镜实现高精度、高带宽的光束调整与稳定。

压电陶瓷驱动的快速反射镜相比于其他诸如音圈电机、磁致伸缩材料作为驱动源的快速反射镜，具有更高的加速度和更高的带宽，并且导向精确性更优。然而，以压电陶瓷驱动器作为驱动源的快速反射镜系统，压电陶瓷驱动器的安装和预紧是一大难点，因为剪切力和弯矩对压电陶瓷驱动器极易造成破坏，同时压电陶瓷驱动器不能承受拉力，另外负载和预紧力对压电陶瓷的输出特性有显著的影响。

目前，压电陶瓷驱动器的安装方式主要有球形顶尖接触、柔性铰链顶头接触和具有外部导轨的机械结构安装方式等。上述几种安装方式，虽然在不同程度上减小了剪切力和弯矩对压电陶瓷驱动器的影响，但是将其应用于快速反射镜中，存在两方面的缺陷：一方面，安装时对压电陶瓷驱动器安装位置尺寸有着极高的要求，即对加工和装配要求苛刻；另一方面其只能施加单一固定的未知量预紧力，所施加的预紧力对压电器件的拉力性能和动态推拉特性的影响不能预先判断和控制，且针对固定预紧力需设计独立的系统结构，存在成本高、效率低的显著问题。

发明内容

针对上述背景中提到的以压电陶瓷驱动器作为驱动源的快速反射镜系统，在安装和预紧压电陶瓷驱动器时，只能施加单一固定的未知量预紧力，从而导致所施加的预紧力对压电器件的拉力性能和动态推拉特性的影响不能预先判断和控制的问题，本发明提供了一种压电陶瓷驱动器的预紧装置和预紧方法，能定量控制所施加的预紧力，实现对快速反射镜的快速、精确驱动控制。

本发明的技术方案是：

一种快速反射镜系统中压电陶瓷驱动器的预紧装置，其特殊之处在于：包括多组差动微调锁紧组件和多组位移传感器；差动微调锁紧组件的数量与压电陶瓷驱动器的数量一致。每组差动微调锁紧组件包括差动螺杆、接触块和锁紧顶丝；差动螺杆通过螺纹配合安装在快速反射镜的镜座上；接触块位于压电陶瓷驱动器顶部的半球顶尖和差动螺杆之间，接触块的上端与差动螺杆通过螺纹配合连接，由差动螺杆带动接触块上下移动；锁紧顶丝用于锁紧接触块，防止接触块上下窜动。位移传感器设置在靠近接触块和半球顶尖的位置，用于反馈在压电陶瓷驱动器驱动下镜座待测点的位移变化量。

基于上述基本技术方案，本发明还作出如下优化：

为减小和抑制快速反射镜系统在高频运动下，接触块与压电陶瓷的半球顶尖接触的超调量，即保证接触块与压电陶瓷的半球顶尖始终接触，从而提高压电陶瓷驱动器的动态推拉特性，上述预紧装置还包括多组弹簧预紧组件，且弹簧预紧组件的数量与压电陶瓷驱动器的数量一致。每组弹簧预紧组件包括对称设置在压电陶瓷驱动器两侧的两个拉杆、两个弹簧、两个挂钩、两个挂钩固定座、两组锁紧螺母；其中拉杆安装在快速反射镜镜座上，挂钩固定座安装在快速反射镜系统的基座上；拉杆、弹簧、挂钩和锁紧螺母沿竖直方向从上至下依次串接，挂钩的下端从挂钩固定座穿过，锁紧螺母位于挂钩固定座下方。弹簧预紧组件装配完成后、向压电陶瓷驱动器施加预紧力前，每组弹簧预紧组件中的弹簧均处于自由状态，可通过旋转锁紧螺母向弹簧施加拉力。

上述接触块的下端面设有V槽，V槽的形状与所述半球顶尖的形状相适配，便于实现接触块‐半球顶尖的定心调整，降低装配难度，提高装配精度。

上述锁紧螺母采用双螺母，在调整完弹簧形变量后将两个螺母对顶拧紧，防止高频工作过程中产生松动。

上述位移传感器安装在镜座上。

基于上述基本方案所提供的预紧装置，本发明提供了压电陶瓷驱动器的预紧方法一，其特殊之处在于：包括以下步骤：

(1)安装压电陶瓷驱动器：

①松开锁紧顶丝，旋出差动螺杆使接触块相对于快速反射镜的镜座上移，以增大压电陶瓷驱动器的安装空间；

②将压电陶瓷驱动器放置于接触块与快速反射镜系统的基座之间，调整差动螺杆，使接触块的V槽与压电陶瓷驱动器的半球顶尖接触并实现压电陶瓷驱动器的定心调整；

(2)施加定量预紧力F_p: