高精度物镜波纹管致动器的线性度分析

　　0　引言

　　高精度物镜中主动光学元件的调整准确度对成像质量的优劣具有极大的影响.目前在国内外已使用致动器对大口径反射式望远镜的光学元件进行主动调整[1]，使各子光学元件实现共焦[2]、共相[3]，并使光学元件的波像差得到校正[4-5].而在高精度物镜主动光学元件的致动器选择上，目前广泛采用的有两种方案[6]，一种方案采用压电致动器，优点在于控制准确度高，但其行程短、响应慢，且存在发热问题，给热控带来一定的难度;另一种方案则采用气致动器，优点在于快速响应、无发热问题，缺点是系统实现较为复杂.由于气致动器使用过程中无发热问题，不会因为温度波动对光学元件变形产生影响，而最终影响成像质量.因此比较而言，气致动器更加适合应用于高精度物镜系统.而气致动器在精密机械应用中，通常采用波纹管来代替传统的活塞型气缸，同时使用伺服阀及高分辨传感器形成闭环系统来控制气压，使气致动器达到较高的定位及分辨准确度.但在过去的一些工程应用中[7-9]，通常将波纹管的刚度假设为一个常量项，而实际上波纹管的变形存在一定的几何非线性效应[10-13]，这样，由于其变形的非线性效应导致反馈系统设计的复杂性，从而影响了整个系统的响应效率.因此，在波纹管致动器的初期设计中，需要对波纹管的几何非线性效应作评估，以选取较优的结构形式.本文在考虑波纹管几何非线性效应对波纹管致动器变形影响的基础上，采用有限单元法分别计算了常见几种形式波纹管的变形，得到了气压与位移的关系曲线;并引入气压与位移曲线的线性度来评价各种波纹管的几何非线性效应，得到了各波纹管致动器的线性度优劣对比，为波纹管致动器的设计提供了参考意见.

　　1　波纹管致动器简介

　　1.1　波纹管致动器应用于光学元件的调节

　　高精度物镜主动光学元件的调节原理如图1，计算机(Personal　Computer，PC)通过数模转换装置(Digital-to-analog　convertor，D/A)及信号放大器(Signal　Amplifier，AMP)控制伺服阀，进而控制波纹管致动器内的气压，从而使致动器产生微小变形，以调节光学元件的位置.同时采用微位移传感器 (Linear　Differential　Variable　Transfrmer，LDVT)，气压压力传感器(Pressure　Sensor，P/S)及伺服阀动作传感器通过数字输入/输出单元(Digital　Input/Output　unit，DI，DIO)与计算机形成闭环反馈控制系统，以达到精确控制光学元件位置的目的.

　　1.2　波纹管致动器的结构

　　典型的波纹管致动器结构如图2，波纹管致动器的主体部分由波纹管、法兰盘及气管组成，波纹管的两端与法兰盘采用焊接或胶结的连接方式，并由气管与供气系统连接.通过改变气压的大小，使波纹管产生收缩或者膨胀，从而使法兰盘产生一个微小的位移量。