高精度激光測量和激光通訊的指向調(diào)整機(jī)構(gòu)研究與設(shè)計

河南省電子信息產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院　韓宇星

1.引言

激光測量和通訊是一個新領(lǐng)域。我國在此方面的應(yīng)用，包括激光雷達(dá)和激光通訊等。激光的使用，非常重要的一個環(huán)節(jié)是光線或反射鏡的的方向調(diào)整。由于激光的特性，對激光指向調(diào)整機(jī)構(gòu)的要求往往很高，分辨率常常在5微弧度左右。另外，由于空間限制，要求的機(jī)構(gòu)體積越小越好。星載的系統(tǒng)要求更嚴(yán)格。傳統(tǒng)的調(diào)整機(jī)構(gòu)，很難滿足這些要求。本文介紹一些這方面的設(shè)計和應(yīng)用，著重介紹一種高精度的指向調(diào)整機(jī)構(gòu)。

2.激光的指向調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計分類及要求

激光的指向調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計要求，一般將這種調(diào)整稱作“自準(zhǔn)直”，在作為激光指向，搜索的功能來看，似乎太局限。近幾年，由于激光技術(shù)的發(fā)展，激光測量，如大氣測量、植被測量、云雨測量等，逐漸開始研制使用。激光雷達(dá)的研制應(yīng)用也日漸發(fā)展。激光通訊也從地面，到空中，并向太空延伸。

激光的指向調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計要求，分為調(diào)整的角度范圍和調(diào)整度精度兩個方面。調(diào)整范圍根據(jù)具體的使用環(huán)境，有360°連續(xù)調(diào)整；局調(diào)整如0-90°調(diào)整；和小角度調(diào)整，如±1°等。調(diào)整精度包括定位精度，分辨率，重復(fù)性等。激光作為高精度的測量或通訊設(shè)備，對光線的調(diào)整要求也是很嚴(yán)格的，要求光線調(diào)整角度的分辯率5微弧度以內(nèi)，如果是反射型的反射鏡，折合到鏡的旋轉(zhuǎn)角度為2.5微弧度（約0.5角秒），這是一個相當(dāng)高的數(shù)值。

為了達(dá)到激光光線的調(diào)整要求，現(xiàn)在的設(shè)計采用的方法，大致有三種。第一種是采用高

分辨率電機(jī)。第二種是采用光學(xué)折射鏡的方法。第三種是采用杠桿臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式。前兩種方式的應(yīng)用都有一些局限，高分辯率的電機(jī)可能使用壓電陶瓷旋轉(zhuǎn)電機(jī)，要專門定制，精度、力矩尚存一些技術(shù)問題，光學(xué)折射使用的楔形鏡結(jié)構(gòu)，同樣有設(shè)計復(fù)雜等一系列光學(xué)問題要解決。下面著重介紹第三種即采用杠桿臂式的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式。

這種設(shè)計是利用杠桿的放大原理，實(shí)現(xiàn)位移到角度轉(zhuǎn)化來實(shí)現(xiàn)調(diào)整。這種方案是常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，容易實(shí)現(xiàn)高精度。這種方案一般是有一個旋轉(zhuǎn)中心，然后使用絲桿，楔形面，凸輪，偏心輪等結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)兩個方向的調(diào)整。旋轉(zhuǎn)中心可以由球支撐，柔性支撐等來實(shí)現(xiàn)，還可以用十字軸的形式實(shí)現(xiàn)。下面介紹一個已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)高分辯率調(diào)整的方案，如圖1所示。

圖1　杠桿臂式機(jī)械結(jié)構(gòu)示意

3.旋轉(zhuǎn)中心的設(shè)計和調(diào)整

在激光指向調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計中，旋轉(zhuǎn)中心的設(shè)計是一個難點(diǎn)，理論上要求在調(diào)整的時候旋轉(zhuǎn)支撐中心需要保證：

(1)旋轉(zhuǎn)中心盡量不發(fā)生變化，否則影響調(diào)整精度（變化范圍在0.5μm內(nèi)）；

(2)高度靈敏，不能有變形吃掉調(diào)整量。

(3)兩個調(diào)整軸線相交，這樣才能消除由此引起的阿貝誤差。

(4)兩個方向調(diào)整的時候盡量減少相互干擾。

要達(dá)到上述幾個要求，需要認(rèn)真考慮。在方案設(shè)計的初期曾采用彈性環(huán)節(jié)作為旋轉(zhuǎn)中心。如圖2所示的彈性結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，工藝處理簡單，靈敏度高，可以達(dá)到微小位移，但據(jù)點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)中心是變化的，另外調(diào)整范圍±1°，也非常困難，要達(dá)到就必須增加高度，而高度增加又導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)中心的更不穩(wěn)定。彈性結(jié)構(gòu)變形后軸線的回復(fù)，是無法和滾動軸承類的軸系相比的。采用如圖3所示的球較支撐結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是中心保證好，加工精度高，容易達(dá)到高精度，但缺點(diǎn)是球面面積大，摩擦力偏大，并且需要添加彈性封閉機(jī)構(gòu)，星載使用容易產(chǎn)生真空冷焊。

圖2　彈性支承示意圖

圖3　球鉸支承示意圖

圖4　十字軸結(jié)構(gòu)示意圖

調(diào)整旋轉(zhuǎn)中心最終決定采用十字軸形式的旋轉(zhuǎn)軸布局，調(diào)整和安裝底座分別交叉固定的方式（圖4）。反射鏡結(jié)構(gòu)固定在上端的軸承座上，底座固定在下端的軸承座上，這種結(jié)構(gòu)方位和俯仰存在耦合，但耦合度很小，不影響使用。

4.旋轉(zhuǎn)中心的驅(qū)動原理

旋轉(zhuǎn)中心的驅(qū)動原理是：步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過電氣細(xì)分，輸出到諧波減速器，諧波減速器直接驅(qū)動凸輪轉(zhuǎn)動，凸輪和反射鏡架上的球頭接觸，由彈簧將反射鏡架通過球頭壓緊在凸輪上，方位和俯仰部分相同，十字軸兩個軸分別是方位和俯仰的旋轉(zhuǎn)中心，軸線到球頭的距離就是杠桿臂。杠桿長度不能太大，否則尺寸度太大；也不能太小，會導(dǎo)致放大倍數(shù)不夠。根據(jù)電機(jī)，軸承尺度綜合考慮，杠桿臂取100mm較合適。此種方式幾乎能夠同時滿足對旋轉(zhuǎn)中心的要求，是比較理想的結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)最終的精度嚴(yán)重依賴于各軸上的軸承，所以采用高精度的軸承，同時采用開槽形彈簧施加預(yù)壓力，一方面提供預(yù)應(yīng)力保證旋轉(zhuǎn)精度，另一方面消除溫度交變產(chǎn)生的伸長收縮對支座產(chǎn)生的反力。目前，采用71900系列輕載角接觸的軸承。P2級回轉(zhuǎn)精度。此機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)范圍在±1°區(qū)間。軸承回轉(zhuǎn)精度比整圈回轉(zhuǎn)要小得多，在1um以下。軸承星載環(huán)境還要求作噴濺MOS2處理，以增加摩擦特性，并防止真空冷焊。

圖5　杠桿式調(diào)整機(jī)構(gòu)測試圖

表1　重復(fù)性測試數(shù)據(jù)Table 1. The repeatability test data (part)

5.旋轉(zhuǎn)中心調(diào)整機(jī)構(gòu)的測試

圖5是這種機(jī)構(gòu)的測試圖。表1是測試的部分結(jié)果，需要說明的是測試采用的是偏心輪方式，對應(yīng)鏡面角度接近1°的時候，偏心輪接近旋轉(zhuǎn)70°，線性變差。表中的5組數(shù)據(jù)是偏心軸旋轉(zhuǎn)固定角度所得數(shù)據(jù)。由表1看出，正反轉(zhuǎn)的時候，光線指向重復(fù)性基本在`1urad 范圍，可靠的達(dá)到設(shè)計要求，經(jīng)過最終測試，光線指向調(diào)整全程重復(fù)性優(yōu)于2.5微弧度，折算到球頭處的垂直位移，達(dá)到0.13um以下，也是比較高的。重復(fù)性在5urad充分說明該機(jī)構(gòu)運(yùn)動的穩(wěn)定可靠，精度可以保證。完全可以滿足激光指向的高精度調(diào)整要求。

6.結(jié)語

綜合來看，杠桿臂式機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式的指向調(diào)整精度相對較高。可達(dá)到國外資料中的同種應(yīng)用。隨著激光技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用，更高精度的指向調(diào)整機(jī)構(gòu)會逐漸出現(xiàn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，更好，更能適應(yīng)使用環(huán)境的高精度指向調(diào)整機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)值得期待。

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