【正文】 環(huán)，相應(yīng)精瞄系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)的選擇也是非常重要的，因?yàn)?APT 系統(tǒng)要求高分辨率，響應(yīng)速度快，輸出力大，轉(zhuǎn)換能量效率高等，所以對(duì)各種振鏡的驅(qū)動(dòng)方式的分析和研究是非常必要的。可以是擺動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，也可以是音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)，還可采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)?？梢詽M足衛(wèi)星光通信 APT 系統(tǒng)要求。 振鏡平臺(tái)的選取 在精跟蹤系統(tǒng)中，精瞄執(zhí)行器件要求具有響應(yīng)時(shí)間短，跟蹤精度高的特點(diǎn)。 綜上所述，為了提高二維快速振鏡的伺服帶寬，需要重點(diǎn)考慮 : (l)優(yōu)選二維快速振鏡伺服平臺(tái)。為了抑制運(yùn)載平臺(tái)的干擾，獲得預(yù)期的跟瞄精度，我們?cè)O(shè)想把精跟蹤系統(tǒng)的閉環(huán)寬帶做到很高，使平臺(tái)抖動(dòng)的大部分頻率帶包含在系統(tǒng)的有效校正帶寬內(nèi)，從而抑制干擾和提高控制精度。從某種意義上講，精跟蹤回路的帶寬反映了復(fù)合軸跟蹤目標(biāo)的快速能力，粗跟蹤軸的帶寬反映了復(fù)合軸系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)初始捕獲和跟蹤的能力。所以需要從總協(xié)方差曲線中選取最小值為佳。另外一種是隨機(jī)噪聲，其輸出誤差的均方值為 顯然，系統(tǒng)頻帶越寬，隨機(jī)噪聲通過(guò)就越多，因而影響也越大。但對(duì)于較重的穩(wěn)定負(fù)載，會(huì)導(dǎo)致很多各種干擾力矩，同時(shí)使系統(tǒng)的諧振頻率和控制帶寬不能做得很寬。對(duì)應(yīng)的閉環(huán)帶寬為 ，經(jīng)過(guò)這樣選取，既滿足調(diào)節(jié)范圍和機(jī)械強(qiáng)度等要求，又滿足系統(tǒng)控制帶寬的要求。由此可見(jiàn)，光學(xué)發(fā)射鏡在設(shè)計(jì)中的參數(shù)選取十分考究，通常為了增加控制帶寬，需要減小光學(xué)發(fā)射鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，而光學(xué)反射鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量表達(dá)式為 其中， m 為光學(xué)反射鏡的質(zhì)量， R為圓形反射鏡的射鏡的徑， H為發(fā)射鏡的厚度，T為振鏡平臺(tái)特征參數(shù)。 振鏡的諧振頻率 負(fù)載直接影響振鏡系統(tǒng)的諧振頻率，在光束直徑和波束質(zhì)量允許的條件下，盡量減小光學(xué)反射鏡片的直徑和厚度，可以增加系統(tǒng)的諧振頻率，進(jìn)而提高系統(tǒng)閉環(huán)帶寬為滿足粗精匹配的要求和提高精跟蹤系統(tǒng)的控制精度，精跟蹤系統(tǒng)的伺服帶寬需要優(yōu) 于 900Hz。選用 PZT 振鏡，其帶載反射鏡最大尺寸為 25min，最大擺動(dòng)范圍為5 mrad， 因此，卡式系統(tǒng)的放大倍率為 長(zhǎng) 春理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 8 由于系統(tǒng)有一定視場(chǎng)所以取 倍。 APT 系統(tǒng)粗信標(biāo)光接收系統(tǒng)視場(chǎng)角設(shè)計(jì)為 20mrad，卡式系統(tǒng)承擔(dān)不了這樣大的視場(chǎng)角，所以將粗信標(biāo)光接收光路單獨(dú)分離出來(lái)，即不與其它系統(tǒng)共用卡式系統(tǒng)。 振鏡的控制范圍 精跟蹤的視場(chǎng) ， 由公式 ()可知，考慮望遠(yuǎn)系統(tǒng)的放大倍率刀和振鏡置放角度等因素需要振鏡的控制范圍 優(yōu)于 。因?yàn)闇囟鹊淖兓瘍H僅影響平移方向的位置，對(duì)于平臺(tái)角度方向沒(méi)有影響。 (2)為了使振鏡平臺(tái)在寬溫度范圍內(nèi)有很好的熱穩(wěn)定性，需要與鏡片的熱膨脹系數(shù)進(jìn)行匹配， S330 平臺(tái)采用不脹錮鋼材料； (3) S330 的傾斜平臺(tái)配備兩對(duì)低電壓壓電線性驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器空間分布相差 90度，從而組成差分型推拉工作模式。通常將精跟蹤系統(tǒng)的閉 環(huán)帶寬做得很高，使平臺(tái)抖動(dòng)的大部分頻帶都包含在精跟蹤系統(tǒng)的有效 帶寬之內(nèi)，從而達(dá)到抑制干擾和提高精度的目的。有必 要對(duì)其進(jìn)行深入研究。本系統(tǒng)采用基于 PZT技術(shù)實(shí)現(xiàn)二維快速傾斜平臺(tái)，它具有諧振頻率高、系統(tǒng)剛度強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)力矩大等優(yōu)點(diǎn)，非常適合光束的精確對(duì)準(zhǔn)和跟蹤應(yīng)用； 2 負(fù)載直接影響振鏡系統(tǒng)的諧振頻率，在光束直徑和波束質(zhì)量允許的條件下，盡量減小光學(xué)反射鏡片的直徑和厚度 ，可以增加系統(tǒng)的諧振頻率，進(jìn)而提高系統(tǒng)閉環(huán)寬帶；3 影響閉環(huán)寬帶的另一個(gè)主要因素是 PZT 驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電流，因?yàn)?PZT 驅(qū)動(dòng)等效電容，驅(qū)動(dòng)電流越大，系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬越高，所以本系統(tǒng)應(yīng)盡量提高驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力，對(duì)于 100V 的供電電壓實(shí)現(xiàn)高速、大電流的驅(qū)動(dòng)器比較困難，本系統(tǒng)采用平均電流 400Made 平均驅(qū)動(dòng)電流； 4接口控制模式：系統(tǒng)的控制接口模式也是影響系統(tǒng)伺服帶寬的一個(gè)主要因素，為了減小控制數(shù)據(jù)的傳輸延遲時(shí)間，本系統(tǒng)采用 D/A 卡直接控制振鏡。通常將精跟蹤系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬做得很高，是平臺(tái)抖動(dòng)的大部分頻帶都包含在精跟蹤系統(tǒng)的有效帶寬之內(nèi)，從而達(dá)到抑制干擾和提高精度的目的。因此，激光打標(biāo)具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場(chǎng)前景。國(guó)際上一些發(fā)達(dá)國(guó)家已將該技術(shù)作為工業(yè)加工的工藝標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)也非常重視這一技術(shù)，國(guó)家科委已將該技術(shù)列為 “ 八五火炬計(jì)劃 ” 進(jìn)行研制和推廣。而近年來(lái)出現(xiàn)的大功率光纖激光器，其散熱性能好、轉(zhuǎn)換效率高（是半導(dǎo)體激光泵浦的固體激光器的 2倍以上）、激光閾值低、可調(diào)諧范圍寬、光束質(zhì)量好、免維護(hù)和價(jià)格低廉、制作靈活等顯著優(yōu)勢(shì)，更加促進(jìn)了激光打標(biāo)向輕型化、小型化方向發(fā)展。因此，這種激光打標(biāo)機(jī)都配有龐大的冷卻系統(tǒng)，其體積可占整個(gè)系統(tǒng)體積的 40％。 的傳輸速率可達(dá) 480Mbit／ s，完全可以勝任激光打標(biāo)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的要求，而且，它可以支持 1臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)連接 127 臺(tái)設(shè)備，這樣就可以用 1臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)控制幾臺(tái)打標(biāo)機(jī)而不必增加額外的費(fèi)用，而且打標(biāo)機(jī)也可以不帶計(jì)算機(jī)進(jìn)行銷售，從而降低了打標(biāo)機(jī)的價(jià)格。另外，硬件安裝于計(jì)算機(jī)主板上，給整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)影響，降低了打標(biāo)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)也增加了打標(biāo)機(jī)的成本和體積。 目前，在振鏡式掃描激光打標(biāo)系統(tǒng)中，硬件控制電路都是基于計(jì)算機(jī) ISA總線或者 PCI 總線而設(shè)計(jì)的，必須安裝在計(jì)算機(jī)主板的 ISA 總線或 PCI 總線擴(kuò)展槽中。由于材料長(zhǎng) 春理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 5 對(duì)紫外光的吸收大，激光對(duì)材料的作用只發(fā)生在材料的最表層，對(duì)材料幾乎沒(méi)有燒損現(xiàn)象，因此準(zhǔn)分子激光器更適合于材料的標(biāo)記。相比之下，由準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生的紫外光打標(biāo)時(shí)，不加熱物質(zhì)，只蒸發(fā)物質(zhì)的表面，在表面組織產(chǎn)生光化學(xué)效應(yīng)，而在物質(zhì)表層留下標(biāo)記。CO2 激光器產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)為 ，木制品、玻璃、聚合物和多數(shù)透明材料對(duì)其有很好的吸收效果，因而特別適合在非金屬表面上進(jìn)行標(biāo)記。 目前用于打標(biāo)的激光器主要有 Nd:YAG 激光器和 CO2 激光器。近年發(fā)展的射頻激勵(lì) CO2激光器，也被用于振鏡掃描式激光打標(biāo)機(jī)。同時(shí)振鏡式打標(biāo)也可采用點(diǎn)陣式打標(biāo)方 式，采用這種方式對(duì)于在線打標(biāo)很適用，根據(jù)于不同速度的生產(chǎn)線可以采用一個(gè)掃描振鏡或兩個(gè)掃描振鏡，與前面所述的陣列式打標(biāo)相比，可以標(biāo)記更多的點(diǎn)陣信息，對(duì)于標(biāo)記漢字字符具有更大的優(yōu)。其工作原理是將激光束入射到兩反射鏡（振鏡）上，用計(jì)算機(jī)控制反射鏡的反射角度，這兩個(gè)反射鏡可分別沿 X、 Y軸掃描，從而達(dá)到激光束的偏轉(zhuǎn)，使具有一定功率密度的激光聚焦點(diǎn)在打標(biāo)材料上按所需的要求運(yùn)動(dòng)，從而在材料表面上留下永久的標(biāo)記，聚焦的光斑可以是圓形或矩形，其原理如圖 4 所示。同轉(zhuǎn)鏡式掃描系統(tǒng)相同，這種典型的控制系統(tǒng)采用了一對(duì)折返鏡，不同的是，驅(qū)動(dòng)這套鏡片的步進(jìn)電機(jī)被伺服電機(jī)所取代，在這套控制系統(tǒng)中，位置傳感器的使用和負(fù)反饋回路的設(shè)計(jì)思路進(jìn)一步保證了系統(tǒng)的精度，整個(gè)系統(tǒng)的掃描速度和重復(fù)定位精度達(dá)到一個(gè)新的水平。 （ 3） ． 振鏡時(shí)代 長(zhǎng) 春理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 4 1998 年，振鏡式掃描系統(tǒng)在中國(guó)的大規(guī)模應(yīng)用開(kāi)始到來(lái)。這種控制過(guò)程無(wú)論從速度還是定位精度來(lái)說(shuō)都遠(yuǎn)超過(guò)大幅面，因此在很大程度上能滿足工具行業(yè)對(duì)激光控制的要求，雖然同當(dāng)時(shí)國(guó)際上流行的振鏡式掃描系統(tǒng)還有比較明顯的差距，但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)這種設(shè)計(jì)思路的出現(xiàn)和逐步完善代表著中國(guó)激光應(yīng)用的一個(gè)里程碑，是中國(guó)完全能自行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)激光應(yīng)用設(shè)備的典型標(biāo)志。 （ 2） ． 轉(zhuǎn)鏡時(shí)代 由于看到大幅面系統(tǒng)的一系列缺點(diǎn)，在高速振鏡技術(shù)還沒(méi)有在中國(guó)廣泛普及的情況下，一些控制工程師自行開(kāi)發(fā)了由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)鏡式掃描系統(tǒng)，其工作原理是將從諧振腔中導(dǎo)出的激光通過(guò)擴(kuò)束，經(jīng)過(guò)成 90176。直接用繪圖軟件輸出打印命令即可驅(qū)動(dòng)光路的運(yùn)行，這種方式最明顯的優(yōu)勢(shì)是幅面大，而且基本上能滿足精度比較低的標(biāo)刻要求，不需要專用的標(biāo)刻軟件；但是，這種方式存在著打標(biāo)速度慢、控制精度低、筆臂機(jī)械磨損大、可靠性差、體積大等缺點(diǎn)。 （ 1） ． 大幅面時(shí)代 所謂大幅面，剛開(kāi)始是將繪圖儀的控制部分直接用于激光設(shè)備上，將繪圖筆取下，在（ 0， 0）點(diǎn) X軸基點(diǎn)、 Y 軸基點(diǎn)和原繪圖筆的位置上分別安裝 45176。 (4) 可以做到高速自動(dòng)化運(yùn)行，生產(chǎn)成本低 國(guó)內(nèi)激光打標(biāo)的發(fā)展歷程 激光打標(biāo)設(shè)備的核心是激光打標(biāo)控制系統(tǒng)，因此，激光打標(biāo)的發(fā)展歷程就是打標(biāo)控制系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程。 (2) 非接觸式加工，污染小，無(wú)磨損。隨著激光束在材料表面有規(guī)律地移動(dòng)同時(shí)控制激光的開(kāi)斷，激光束也就在材料表面加工成了一個(gè)指定的圖案。 激光打標(biāo)是利用高能量密度的激光束對(duì)目標(biāo)作用 ,使目標(biāo)表面發(fā)生物理或化學(xué)的變化 ,從而獲得可見(jiàn)圖案的標(biāo)記方式。 激光打標(biāo)系統(tǒng) 激光打標(biāo)焊接、激光熱處理、激光切割、激光打孔等應(yīng)用技術(shù)之后 發(fā)展起來(lái)的一門新型加工技術(shù)，是一種非接觸、無(wú)污染、無(wú)磨損的新標(biāo)記工藝。所謂振鏡，又可以稱之為 電流表計(jì)，它的設(shè)計(jì)思路完全沿襲電流表的設(shè)計(jì)方法，鏡片取代了表針，而探頭的信號(hào)由計(jì)算機(jī)控制的 5V— 5V 或 10V－ +10V 的直流信號(hào)取代，以完成預(yù)定的動(dòng)作。被測(cè)參數(shù)可為電流或電壓等電量，或?yàn)橐艳D(zhuǎn)變?yōu)殡娏康母鞣N非電量，例如在機(jī)械工程中與應(yīng)變片配合使用時(shí)，可測(cè)應(yīng)力、應(yīng)變、扭矩和振動(dòng)等。 長(zhǎng) 春理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 2 第一章 .振鏡控制系統(tǒng) 的定義 振鏡是一種優(yōu)良的矢量掃描器件 是一種特殊的擺動(dòng)電機(jī) ,基本原理是 通電 線圈在磁場(chǎng)中產(chǎn)生力矩 ,但與旋轉(zhuǎn)電機(jī)不同 ,其轉(zhuǎn)子上通過(guò)機(jī)械紐簧或電子的方法加有復(fù)位力矩 ,大小與轉(zhuǎn)子偏離平衡位置的角度成正比 ,當(dāng)線圈通以一定的電流而轉(zhuǎn)子發(fā)生偏轉(zhuǎn)到一定的角度時(shí) ,電磁力矩與回復(fù)力矩大小相等 ,故不能象普通電機(jī)一樣旋轉(zhuǎn) ,只能偏轉(zhuǎn) ,偏轉(zhuǎn)角與電流成正比 ,與電流計(jì)一樣 ,故振鏡又叫電流計(jì)掃描器。 如今，世界上振鏡控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，國(guó)外的技術(shù) 的發(fā)展 要超于國(guó)內(nèi)，例如 三維振鏡激光掃描系統(tǒng)長(zhǎng)期以來(lái)只能從國(guó)外進(jìn)口 ,存在著價(jià)格昂貴、維修困難、技術(shù)受限等方面的問(wèn)題 。 從 1995 年到 2021 年短短的 8年時(shí)間，控制系統(tǒng)在激光領(lǐng)域就經(jīng)歷了大幅面時(shí)代、轉(zhuǎn)鏡時(shí)代和 振鏡時(shí)代，控制方式也完成了從軟件直接控制到上下位機(jī)控制到實(shí)時(shí)處理、分時(shí)復(fù)用的一系列演變，如今，半導(dǎo)體激光器、光纖激光器、乃至紫外激光的出現(xiàn)和發(fā)展又對(duì)光學(xué) 電學(xué) 過(guò)程控制提出了新的挑戰(zhàn)。pointing accuracy requirement of very high, galvanometer control technology to bee the key realization space optical munication and problems. Precision view axis stable technology is to realize the whole marking machine core. Therefore, the rally marking machine shipswaying stabilization system study is very necessary. Therefore proposes using PZT galvanometer accurate control of beam. According to fine tracking system for servo platform requirement, from the static control accuracy and the resonant frequency, bring load capacity, control scope, bandwidth aspects of galvanometer are analyzed in detail, and the proper selection of the galvanometer platform and drive mode, and verifies the PZT galvanometer application in quick servo. Keywords: G