指向机构微调平台的结构设计与分析

　　指向机构的应用较为广泛,如激光发射瞄准装置、红外跟踪捕捉装置、天线搜索对准装置中都包含指向机构。指向精度是衡量指向机构性能的重要指标,以毫米波天线为例,其指向分辨率通常为0. 5″左右。这就要求其指向驱动机构具有快速响应、高定位精度和抗干扰的特性。然而,单一的偏转机架结构的转动惯量大、谐振频率低,偏转跟踪架伺服系统使通信天线的指向轴的定位精度达到≤1″是非常困难的。因此,在偏转跟踪架上加装微调平台并实现精密稳定控制可有效提高指向机构的定位精度。

　　压电陶瓷驱动器(PZT)利用压电陶瓷在电场的作用下可产生精细微粒位移的特性,输出力和位移。其分辨率可达纳米级,并且具有响应速度快,不发热,出力大,刚度大,结构简单,控制方便等优点,可内置微位移传感器[1],是微调平台的理想的驱动元件。通过合理的结构设计,使得PZT驱动器输出的微位移转换为微调平台输出的微角度,从而实现指向机构的指向微调,提高其定位精度。

　　1　微调平台的结构与分析

　　1.1　机构形式与工作原理

　　本文拟采用微调平台的机构形式如图1所示,其主要组成部件有:底座、PZT驱动器、柔性铰链、输出动平台等。PZT驱动器安装在底座的支撑导向筒内,其下端与底座固联,并以底座中心为中心呈正方形分布。PZT驱动器的支撑筒采用整体结构与底座相连,从而保证了微进给平台四个方向上支撑刚度的一致性。同时,支撑筒保证了PZT驱动器伸缩的方向性,使PZT驱动器只受轴向载荷,不受剪切力的作用。输出动平台与PZT驱动器之间采用球形柔性铰链联结,使输出动平台能够在PZT驱动器驱动下产生微角度偏转。

　　PZT驱动器作为输出动平台的支撑杆件和驱动元件,类似于移动副的输入。在初始状态,输出动平台平面与底座平面平行。当PZT驱动器1、2同时产生相同的微位移,PZT驱动器3、4保持不动,则输出动平台可绕3、4柔性铰链的连线转动,输出动平台的法向则绕坐标轴X偏转微角度。同理,当42PS并联机构中PZT驱动器2、3同时产生相同的微位移, PZT驱动器1、4保持不动,则输出动平台可绕1、4柔性铰链的连线转动,输出动平台的法向则绕坐标轴Z偏转微角度。因此,当4个PZT驱动器合理配合出合适微位移时,输出动平台则可在微角度范围内实现任意方位的倾斜。

　　1.2　结构设计目标

　　工作空间:

　　分辨率:

　　安全系数:

　　1.3　驱动元件的选择

　　本文采用德国Physik Instrumente公司生产的P2245. 00型压电陶瓷驱动器(PZT),其基本参数为:最大伸长量为80μm,最大推力/拉力为2000N/300N,轴向刚度为20N/μm,最大驱动电压为1000V,尺寸18×93. 4mm,重量102g。与P2245. 50型PZT驱动器一体的专用应变传感器(SGS)的分辨率<0.12 mV(实测),对应的角分辨率约为0. 008″,输出范围为0~10V,灵敏度高,满足了系统分辨率的要求,所以采用应变传感器作为系统的位置传感器。PZT驱动器内部集成应变片式微位移传感器,结构简单,工作可靠,分析方便,实现了机构、驱动、检测一体化,提高了动平台的动态性能,可消除PZT驱动器的非线性、滞后、蠕变等固有缺点。