CN105044872A - 基于精密致动器的卫星光学载荷镜面位姿调节组件及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于精密致动器的卫星光学载荷镜面位姿调节组件及方法，包括：磁致伸缩致动器(101)、组合柔性铰链(102)、底板(103)、顶板(104)以及镜面(105)；底板(103)与顶板(104)之间连接有多组磁致伸缩致动器(101)和组合柔性铰链(102)；镜面(105)安装于顶板(104)的顶端。本发明整个驱动机构结构紧凑、体积小、驱动位移大、精度高，所有传动环节均采用了柔性铰链机构，避免传动间隙对输出位移精度的影响，能够满足卫星光学镜面的精密位置调整要求。

Description

基于精密致动器的卫星光学载荷镜面位姿调节组件及方法

技术领域

本发明涉及镜面位置及角度调节装置，具体涉及基于精密致动器的卫星光学载荷镜面位姿调节组件，尤其是采用了稀土超磁致伸缩材料的精密致动器，该致动器通过位移放大机构以及电流可控的励磁线圈，能够实现毫米级大位移的纳米级位移控制。通过布置3个精密致动器，合理控制致动器的输出位移，实现镜面位置和角度的精密调整。

背景技术

随着卫星技术的而发展，卫星上所使用的高精密载荷越来越多，载荷对热变形、振动以及定位精度等也越来越敏感，因此传统的步进电机或者伺服电机的位置调节方法由于精度低、体积大、可靠性低以及控制复杂等原因难以满足现在需求。

而采用基于智能材料的精密驱动机构，具有精度高、质量轻、可靠性高以及控制简单特点。采用稀土超磁致伸缩材料的精密驱动机构与其他智能材料相比具有刚度大、响应快以及伸缩系数大等特点。

稀土超磁致伸缩材料相比于压电陶瓷等虽然能够实现更大的位移，但依然为数百微米，难以实现毫米级的位移。因此实际应用中一般都采用微位移放大机构，柔性铰链具有无摩擦、无间隙以及响应快等特点，被广泛应用于微驱动领域。

为此，从目前卫星的应用需求，有必要设计了一套结构紧凑、易于装配、输出位移大、定位精度高，基于稀土超磁致材料的精密驱动机构。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明为一种基于精密致动器的卫星光学载荷镜面位姿调节组件，主要由致伸缩棒、励磁线圈、柔性铰链位移放大单元、预压紧弹簧、顶杆以及外壳底座等组成的精密致动器以及组合柔性铰链、上下底板组成。该装置通过控制电流的大小，控制3个致动器的输出位移，实现镜面角度和位移的控制。致动器通过设计柔性铰链机构将伸缩棒输出位移放大，设计预紧装置对伸缩棒进行预紧。由于采用上述设计，该精密驱动机构具有如下优点。

根据本发明提供的一种基于精密致动器的卫星光学载荷镜面位姿调节组件，包括：磁致伸缩致动器、组合柔性铰链、底板、顶板以及镜面；

底板与顶板之间连接有多组磁致伸缩致动器和组合柔性铰链；在每组磁致伸缩致动器和组合柔性铰链中，磁致伸缩致动器的底端连接底板的顶端，磁致伸缩致动器的顶端连接组合柔性铰链的底端，组合柔性铰链的顶端连接顶板的底端；

镜面安装于顶板的顶端。

优选地，磁致伸缩致动器包括：磁致伸缩棒、励磁线圈、柔性铰链位移放大单元、预紧弹簧、旋转螺母、上套筒、下套筒、底座以及顶杆；

依次连接的底座、下套筒、柔性铰链位移放大单元构成下腔体；依次连接的柔性铰链位移放大单元、上套筒构成上腔体；

上腔体中设置有磁致伸缩棒、励磁线圈；

下腔体中设置有顶杆、预紧弹簧；

磁致伸缩棒的周向围绕有励磁线圈；底座、磁致伸缩棒、柔性铰链位移放大单元、顶杆依次连接；其中，底座的底端构成所述磁致伸缩致动器的底端，顶杆的顶端构成所述磁致伸缩致动器的顶端；

旋转螺母、顶杆、预紧弹簧同轴设置；旋转螺母螺接于上套筒顶面的螺纹口，预紧弹簧套于顶杆外，顶杆先后从上套筒顶面的螺纹口、旋转螺母伸出；预紧弹簧的下端连接顶杆的凸肩，预紧弹簧的上端连接预紧弹簧的底端。

优选地，磁致伸缩棒采用稀土超磁致伸缩材料。

优选地，底板与顶板之间连接有3组磁致伸缩致动器和组合柔性铰链。

优选地，依次连接的底座、下套筒、柔性铰链位移放大单元、上套筒之间均通过螺纹紧固件连接。

优选地，所述组合柔性铰链包括相连接的3自由度柔性铰链和单个旋转自由度的柔性铰链。

根据本发明提供的一种上述的基于精密致动器的卫星光学载荷镜面位姿调节组件的使用方法，包括如下步骤：

通过预紧弹簧来实现对磁致伸缩棒的预紧，通过旋转螺母的旋转来调节预紧弹簧的压紧程度以调节预紧力的大小；

通过控制励磁线圈的电流大小来改变磁致伸缩棒的磁场强度，从而实现磁致伸缩棒的伸长和缩短；

通过柔性铰链位移放大单元将磁致伸缩棒的位移放大数倍，位移输出后再经过柔性铰链位移放大单元将位移传到顶板上。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1.致动器输出位移大，能够实现近毫米级的行程；

2.定位精度高，能够实现纳米级精度的定位；

3.整体结构紧凑，质量小、体积小，装配调试容易；

4.通过控制输入电流来控制输出位移，控制简单方便。

5.合理采用了预紧，提高驱动机构的工作性能级整体刚度。

6.镜面能够实现上下直线位移、两个角度位移共3个自由度的精密调节。

7.所有传动环节均使用柔性铰链，实现无机械间隙传动。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的镜面位姿调节组件侧下视图；

图3为一组磁致伸缩致动器和组合柔性铰链的结构示意图；

图4为磁致伸缩致动器的外观图；

图5为磁致伸缩致动器的剖面图；

图6为本发明的多级位移的柔性铰链位移放大单元示意图；

图7为组合柔性铰链的结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明公开了一种基于精密致动器的卫星光学载荷镜面位姿调节组件。其主要由3个磁致伸缩致动器101、3个组合柔性铰链102、底板103、顶板104以及镜面105组成，磁致伸缩致动器101又主要由磁致伸缩棒501、励磁线圈502、柔性铰链位移放大单元503、预紧弹簧504、旋转螺母505、上套筒506、下套筒507、底座508以及顶杆509等组成。它采用稀土超磁致伸缩棒501作为核心驱动单元，磁致伸缩材料是一种在可变磁场作用下其外形尺寸发生相应改变的智能材料。通过控制励磁线圈502的电流大小来改变磁致伸缩棒501的磁场强度，从而实现磁致伸缩棒501的伸长和缩短。同时设计专门的柔性铰链位移放大单元503，能够将磁致伸缩棒501的位移放大数倍，时该驱动机构能够实现大位移的精密驱动。预紧弹簧504用来实现对磁致伸缩棒501的预紧，通过旋转螺母505可以调节预紧力的大小，使磁致伸缩棒501工作在最佳状态。位移输出后再经过柔性铰链位移放大单元503将位移传到顶板104上。整个驱动机构结构紧凑、体积小、驱动位移大、精度高，所有传动环节均采用了柔性铰链机构，避免传动间隙对输出位移精度的影响，能够满足卫星光学镜面的精密位置调整要求。

具体地，在一个优选例中，根据本发明提供的基于精密致动器的卫星光学载荷镜面位姿调节组件，包括：磁致伸缩致动器101、组合柔性铰链102、底板103、顶板104以及镜面105；

底板103与顶板104之间连接有多组磁致伸缩致动器(101)和组合柔性铰链102；在每组磁致伸缩致动器101和组合柔性铰链102中，磁致伸缩致动器101的底端连接底板103的顶端，磁致伸缩致动器101的顶端连接组合柔性铰链102的底端，组合柔性铰链102的顶端连接顶板104的底端；

镜面105安装于顶板104的顶端。

优选地，磁致伸缩致动器101包括：磁致伸缩棒501、励磁线圈502、柔性铰链位移放大单元503、预紧弹簧504、旋转螺母505、上套筒506、下套筒507、底座508以及顶杆509；

依次连接的底座508、下套筒507、柔性铰链位移放大单元503构成下腔体；依次连接的柔性铰链位移放大单元503、上套筒506构成上腔体；

上腔体中设置有磁致伸缩棒501、励磁线圈502；

下腔体中设置有顶杆509、预紧弹簧504；

磁致伸缩棒501的周向围绕有励磁线圈502；底座508、磁致伸缩棒501、柔性铰链位移放大单元503、顶杆509依次连接；其中，底座508的底端构成所述磁致伸缩致动器101的底端，顶杆509的顶端构成所述磁致伸缩致动器101的顶端；

旋转螺母505、顶杆509、预紧弹簧504同轴设置；旋转螺母505螺接于上套筒506顶面的螺纹口，预紧弹簧504套于顶杆509外，顶杆509先后从上套筒506顶面的螺纹口、旋转螺母505伸出；预紧弹簧504的下端连接顶杆509的凸肩，预紧弹簧504的上端连接预紧弹簧504的底端。

优选地，磁致伸缩棒501采用稀土超磁致伸缩材料。

优选地，底板103与顶板104之间连接有3组磁致伸缩致动器101和组合柔性铰链102。

优选地，依次连接的底座508、下套筒507、柔性铰链位移放大单元503、上套筒506之间均通过螺纹紧固件连接。

优选地，所述组合柔性铰链102包括相连接的3自由度柔性铰链701和单个旋转自由度的柔性铰链702。

根据本发明提供的一种上述的基于精密致动器的卫星光学载荷镜面位姿调节组件的使用方法，包括如下步骤：

通过预紧弹簧504来实现对磁致伸缩棒501的预紧，通过旋转螺母505的旋转来调节预紧弹簧504的压紧程度以调节预紧力的大小；

通过控制励磁线圈502的电流大小来改变磁致伸缩棒501的磁场强度，从而实现磁致伸缩棒501的伸长和缩短；

通过柔性铰链位移放大单元503将磁致伸缩棒501的位移放大数倍，位移输出后再经过柔性铰链位移放大单元503将位移传到顶板104上。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种基于精密致动器的卫星光学载荷镜面位姿调节组件，其特征在于，包括：磁致伸缩致动器(101)、组合柔性铰链(102)、底板(103)、顶板(104)以及镜面(105)；

底板(103)与顶板(104)之间连接有多组磁致伸缩致动器(101)和组合柔性铰链(102)；在每组磁致伸缩致动器(101)和组合柔性铰链(102)中，磁致伸缩致动器(101)的底端连接底板(103)的顶端，磁致伸缩致动器(101)的顶端连接组合柔性铰链(102)的底端，组合柔性铰链(102)的顶端连接顶板(104)的底端；

镜面(105)安装于顶板(104)的顶端。

2.根据权利要求1所述的基于精密致动器的卫星光学载荷镜面位姿调节组件，其特征在于，

磁致伸缩致动器(101)包括：磁致伸缩棒(501)、励磁线圈(502)、柔性铰链位移放大单元(503)、预紧弹簧(504)、旋转螺母(505)、上套筒(506)、下套筒(507)、底座(508)以及顶杆(509)；

依次连接的底座(508)、下套筒(507)、柔性铰链位移放大单元(503)构成下腔体；依次连接的柔性铰链位移放大单元(503)、上套筒(506)构成上腔体；

上腔体中设置有磁致伸缩棒(501)、励磁线圈(502)；

下腔体中设置有顶杆(509)、预紧弹簧(504)；

磁致伸缩棒(501)的周向围绕有励磁线圈(502)；底座(508)、磁致伸缩棒(501)、柔性铰链位移放大单元(503)、顶杆(509)依次连接；其中，底座(508)的底端构成所述磁致伸缩致动器(101)的底端，顶杆(509)的顶端构成所述磁致伸缩致动器(101)的顶端；

旋转螺母(505)、顶杆(509)、预紧弹簧(504)同轴设置；旋转螺母(505)螺接于上套筒(506)顶面的螺纹口，预紧弹簧(504)套于顶杆(509)外，顶杆(509)先后从上套筒(506)顶面的螺纹口、旋转螺母(505)伸出；预紧弹簧(504)的下端连接顶杆(509)的凸肩，预紧弹簧(504)的上端连接预紧弹簧(504)的底端。

3.根据权利要求2所述的基于精密致动器的卫星光学载荷镜面位姿调节组件，其特征在于，磁致伸缩棒(501)采用稀土超磁致伸缩材料。

4.根据权利要求1所述的基于精密致动器的卫星光学载荷镜面位姿调节组件，其特征在于，底板(103)与顶板(104)之间连接有3组磁致伸缩致动器(101)和组合柔性铰链(102)。

5.根据权利要求2所述的基于精密致动器的卫星光学载荷镜面位姿调节组件，其特征在于，依次连接的底座(508)、下套筒(507)、柔性铰链位移放大单元(503)、上套筒(506)之间均通过螺纹紧固件连接。

6.根据权利要求1所述的基于精密致动器的卫星光学载荷镜面位姿调节组件，其特征在于，所述组合柔性铰链(102)包括相连接的3自由度柔性铰链(701)和单个旋转自由度的柔性铰链(702)。

7.一种权利要求2所述的基于精密致动器的卫星光学载荷镜面位姿调节组件的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

通过预紧弹簧(504)来实现对磁致伸缩棒(501)的预紧，通过旋转螺母(505)的旋转来调节预紧弹簧(504)的压紧程度以调节预紧力的大小；

通过控制励磁线圈(502)的电流大小来改变磁致伸缩棒(501)的磁场强度，从而实现磁致伸缩棒(501)的伸长和缩短；

通过柔性铰链位移放大单元(503)将磁致伸缩棒(501)的位移放大数倍，位移输出后再经过柔性铰链位移放大单元(503)将位移传到顶板(104)上。