CN112433334B - 一种分体式空间光学遥感器调焦结构 - Google Patents

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Abstract

一种分体式空间光学遥感器调焦结构，包括：增加调焦机构的承载能力的至少三个交叉滚柱单元，减小装配内应力和变形的分体式滑块连接件以及提供相应方向柔性的第三级柔节；交叉滚柱单元绕调焦机构运动轴线、沿着周向均匀分布，通过螺钉与固定座连接；分体式滑块连接件的数量与交叉滚柱单元相对应，分别设置在与交叉滚柱单元的滑块相对应的位置，与交叉滚柱单元的滑块紧密贴合；第三级柔节与所述分体式滑块连接件通过螺钉固定连接，第三级柔节由弹性片制成。在满足发射冲击的前提下，实现尽可能轻质、高精度、高稳定性、良好的而加工和装配工艺性的调焦机构对于提高大型空间光学遥感器的成像质量有着重大的现实意义。

Description

一种分体式空间光学遥感器调焦结构
技术领域
本发明属于遥感器调焦技术领域，尤其涉及一种分体式空间光学遥感器调焦结构。
背景技术
为保证空间光学遥感器的在轨成像质量，消除因各种原因引起的离焦现象，需要设置调焦机构。近年来，随着空间探测技术的不断发展，对调焦机构提出了更加苛刻的要求：大型化、轻量化、高精度、高刚度以及高稳定性。
目前，调焦机构的实现方式有多种，其中比较常用的是采用电机驱动，滚珠丝杠传动，直线导轨导向的结构形式，且多为两条导轨导向，对于常规的小尺寸调焦镜，该结构形式的调焦机构可以满足任务要求，但是当调焦镜的尺寸较大时，传统方法很难同时满足轻量化、高精度、高刚度以及高稳定性。例如专利申请号为CN201911062951.0和专利申请号CN201910953664.2的专利公开了两种常规的调焦机构技术方案，这两种调焦机构的机构运动轴线和调焦镜的光轴有一定的偏置距离，将产生很大的阿贝误差，若调焦镜较小，阿贝误差在可接受的范围，若调焦镜尺寸增大，则该方案很难满足高精度的要求。
再如专利申请号为CN201410842983.3的专利公开了一种次镜调焦机构，该专利虽然采用巧妙的结构设计省去了防转机构，提高了调焦机构的可靠性和效率，但是由于次镜较小，只采用了一个直线轴承支撑次镜。该调焦机构的精度和刚度将大大地受到直线轴承的限制，因此该方案不适用于尺寸较大的次镜。此外，还有一些调焦机构采用凸轮或者连杆作为驱动方式，采用蜗轮蜗杆机构作为减速换向方式，该类型的调焦机构结构复杂，部件较多，很难满足轻量化的要求。为满足大尺寸调焦镜对调焦机构更加严苛的性能要求，增加导轨数量是一个行之有效的方案，可以大幅度增加调焦机构的刚度和承载能力。例如专利申请号为CN201820415762.1的专利公开了一种环形布局的高精密空间调焦机构，采用环形分布的三个导轨滑块来代替传统的双导轨滑块，约束了更多的自由度，承载能力和刚度显著提升，但是要同时保证三个导轨滑块运动方向一致且不产生变形和内应力显而易见是不容易的，这会对导轨、滑块的安装面的形状和位置误差要求极其严格，即便导轨、滑块安装面加工精度很高，但是由于导轨本身的加工误差以及温度变化等因素，会导致连接滑块的零件与连接导轨的零件存在一定的装配误差，若该误差较大会引入大的内应力甚至变形，导致调焦机构的精度和运行稳定性受到影响，甚至不能满足指标要求。另外，该机构的运动轴线和调焦镜的光轴不重合，会引入量级较大的阿贝误差，而且三个导轨滑块没有沿着环向均匀分布，运动时有可能会因为受力不均匀而出现卡滞。
为此，针对尺寸较大的调焦镜对调焦机构更加严苛的性能要求，研究一种综合性能优良，即在满足发射冲击的前提下，实现尽可能轻质、高精度、高稳定性、良好的而加工和装配工艺性的调焦机构对于提高大型空间光学遥感器的成像质量有着重大的现实意义。
发明内容
为了克服已有得技术问题，本发明提供一种分体式空间光学遥感器调焦结构，用以解决传统技术方案无法实现综合性能优良的大尺寸调焦机构问题。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
一种分体式空间光学遥感器调焦结构，包括：增加调焦机构的承载能力的至少3个交叉滚柱单元、减小装配内应力和变形的分体式滑块连接件；所述交叉滚柱单元以调焦机构运动轴线为中心轴并沿着所述中心轴周向均匀分布；所述分体式滑块连接件的数量与所述交叉滚柱单元等，分别设置在与交叉滚柱单元的滑块相对应的位置，与所述交叉滚柱单元(的滑块紧密贴合。
优选地，交叉滚柱单元与固定座连接；所述固定座具有与交叉滚柱单元个数相对应的安装面。
优选地，还包括至少由三片弹性片制成的第三级柔节，每个弹性片的两端分别与相邻的两个所述分体式滑块连接件固定连接。
优选地，还包括调焦镜、转接板、第一级柔节、动平台、定位销；所述调焦镜位于整个调焦机构最前端，光轴与调焦机构的运动轴线重合；所述第一级柔节通过环氧胶与所述调焦镜固定；所述第一级柔节通过螺钉固定在所述转接板上，并且通过定位销进行定位；所述转接板通过螺钉固定在所述动平台上；所述动平台是调焦机构的运动部件。
优选地，还包括动平台、第二级柔节、滚珠丝杠、滚珠丝母；所述动平台的中心部位通过螺钉与第二级柔节固定，所述第二级柔节与所述滚珠丝杠的滚珠丝母通过螺钉连接的方式固定，提升机构的运动稳定性。
优选地，还包括：为调焦镜提供位置反馈的光栅尺、读数头和读数头固定座，所述光栅尺通过粘接的方式固定在固定座上；所述读数头通过螺钉固定在所述读数头固定座上，且与所述光栅尺平行设置；所述读数头固定座通过螺钉固定在所述动平台上。
优选地，还包括：给调焦机构提供限位的限位销和限位座；所述限位销通过螺钉固定在所述固定座的侧面，所述限位座通过螺钉固定在所述动平台上；限位座上开设腰孔，距离为调焦机构的最大行程。
本发明能取得以下技术效果：
1、多个交叉滚柱单元不仅可以增加调焦机构的承载能力，还允许调焦镜光轴与机构运动轴线重合，消除了阿贝误差，大幅提升调焦精度。此外，交叉滚柱单元均匀分布的结构形式可以减小因为各个交叉滚柱单元受力不均匀而引起的运动卡滞问题。
2、分体式滑块连接件的设置可以最大限度的减小传统方案中因为加工和装配误差引起的装配内应力甚至变形，保证各个滑块运动方向的一致性，从而提高了机构的精度和运行稳定性。
3、第三级柔节的设置可以在一定程度上弥补分体式结构带来的刚度损失，并且可以提供相应方向的柔性，保证调焦机构的刚度满足发射过载条件的前提下提供最大的柔性，释放因为加工和装配误差带来的内应力和变形。
4、与传统的一体式滑块连接件相比，分体式滑块连接件配合第三级柔节可以大幅度减轻滑块连接件的重量，为整个调焦机构的超轻量化设计提供可能。
附图说明
图1是本发明一种分体式空间光学遥感器调焦结构的侧面剖视结构示意图；
图2是本发明一种分体式空间光学遥感器调焦结构的正面剖视结构示意图；
图3是本发明一种分体式空间光学遥感器调焦结构第三级柔节及相关组件的结构示意图。
其中附图标记为：
1调焦镜、2转接板、3第一级柔节、4动平台、5定位销、6修研垫、7防护座、8分体式滑块连接件、9交叉滚柱单元、10滑块、11交叉滚柱导轨、12第二级柔节、13滚珠丝杠、14滚珠丝母、15固定座、16角接触轴承、17隔圈、18螺纹压圈、19压圈、20锁紧螺母、21减速器座、22电机座、23联轴器A、24谐波减速器、25联轴器B、26电机、27光栅尺、28读数头、29限位座、30读数头固定座、31限位销、32第三级柔节。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
下面将对本发明提供的一种分体式空间光学遥感器调焦结构进行详细说明。
图1-2示出了本发明所述的一种分体式空间光学遥感器调焦结构的侧面剖视图以及正面剖视图结构。
如图1-2所示，为本发明实施例的一个分体式空间光学遥感器调焦结构，包括：至少三个交叉滚柱单元9和至少三个分体式滑块连接件8；交叉滚柱单元9绕调焦机构运动轴线、沿着周向均匀分布，通过螺钉与固定座15连接；固定座15为适应交叉滚柱单元9的安装需求，加工出与之对应的均匀分布的至少三个安装面；分体式滑块连接件8采用分体加工形式，分体式滑块连接件8的数量与交叉滚柱单元9相对应，分别设置在与交叉滚柱单元9的滑块10相对应的位置，与交叉滚柱单元9的滑块紧密贴合，避免了传统方案中一体式滑块连接件因为加工和装配误差引起的滑块连接件与滑块之间不能紧密贴合从而带来的内应力甚至变形。
相比于传统的两条导轨的结构形式，本发明采用至少三个交叉滚柱单元9绕机构运动轴线沿着周向均匀分布的结构形式，不仅可以增加调焦机构的承载能力，还允许调焦镜1光轴与机构运动轴线重合，消除了阿贝误差，可以大幅提升调焦精度。此外，交叉滚柱单元9均匀分布的结构形式可以减小因为各个交叉滚柱单元9受力不均匀而引起的运动卡滞问题。
分体式滑块连接件8的设置可以最大限度的减小传统方案中因为加工和装配误差引起的装配内应力甚至变形，保证各个滑块10运动方向的一致性，从而提高了机构的精度和运行稳定性。
交叉滚柱单元9是一种在高精度加工的工作台与基座之间装入交叉滚柱导轨11的高精度、小型、高刚性的直线运动单元；每个交叉滚柱单元9设置有交叉滚柱导轨11，交叉滚柱导轨11两侧设置有凹槽，滑块10设置在交叉滚柱导轨11两侧，滑块10设置有V型导轨槽，与交叉滚柱导轨11上的凹槽配合使滑块10在两条交叉滚柱导轨11上滑动。
本发明的应用中，交叉滚柱单元9数量至少为三个，以机构运动轴线为中心轴沿着周向均匀分布，固定座15为适应交叉滚柱单元9的安装需求，加工出与之对应的均匀分布的至少三个的安装面。
参见图3，分体式滑块连接件8采用分体加工的形式，安装在截面形状为T型、中间凸起的安装板两侧。分体式滑块连接件8两侧分别设置一排螺钉孔，用来连接滑块10，上方使用螺钉固定第三级柔节32，底部使用螺钉与动平台4垂直固定连接。分体式滑块连接件8的设置数量分别与交叉滚柱单元9中的滑块10相对应；这样，分体式滑块连接件8必然会和滑块10紧密贴合，避免了传统方案中一体式滑块连接件8因为加工和装配误差引起的滑块连接件与滑块10之间不能紧密贴合从而带来的内应力甚至变形。且本发明只需要保证每个分体式滑块连接件8的与滑块10和动平台4的两个安装面的垂直度足够高即可很轻松的保证N个交叉滚柱单元9的运动方向平行。
在本实施例中，交叉滚柱单元9数量具体地为3个，以机构运动轴线为中心轴，呈120度均匀分布，固定座15为适应交叉滚柱单元9的安装需求，加工出呈120度均匀分布的3个安装面。分体式滑块连接件8采用分体加工的形式，共设置有3个，分别设置在与交叉滚柱单元9的滑块10相对应的位置。
图1中调焦镜1是光路折转元件，位于整个调焦机构的最前端，并且调焦镜1的光轴与整个机构的中心轴线重合。调焦镜1采用中心支撑的方式，与第一级柔节3通过环氧胶进行固定，第一级柔节3用来释放因温度变化不均带来的调焦镜1的应力集中，从而保证调焦镜1的面形精度。
第一级柔节3通过螺钉固定在转接板2上，并且通过定位销5进行定位。转接板2通过螺钉固定在动平台4上。所述的动平台4是调焦机构的运动部件，起到连接光学元件和传动元件的作用。动平台4通过螺钉与分体式滑块连接件8固定连接；分体式滑块连接件8通过螺钉固定在交叉滚柱单元9的滑块10上，交叉滚柱单元9的交叉滚柱导轨11通过螺钉与固定座15进行连接。动平台4中心部位通过螺钉与第二级柔节12固定连接，第二级柔节12与滚珠丝杠13的滚珠丝母14通过螺钉固定，用于释放因运动轴系的安装误差及运动晃动量给动平台4带来的应力集中，提升机构的运动稳定性。
滚珠丝杠13通过角接触轴承16固定支撑在固定座15内，两个角接触轴承16采用背对背的方式固定，角接触轴承16之间设置隔圈17；螺纹压圈18用于角接触轴承16的轴向定位，通过螺纹连接的方式固定在固定座15内；锁紧螺母20用于角接触轴承16的轴向预紧，为了方便修调，在角接触轴承16和锁紧螺母20之间增设压圈19。
滚珠丝杠13的末端通过联轴器A23与谐波减速器24的输出轴进行固定，谐波减速器24的输入轴通过联轴器B25与电机26输出轴固定。谐波减速器24通过螺钉固定在减速器座21上，减速器座21通过螺钉连固定在固定座15上；电机26通过螺钉固定在电机座22上，位于调焦机构末端，电机座22通过螺钉与减速器座21进行固定。防护座7通过螺钉固定在所述的固定座15上，位于整个调焦机构的***；防护座7前端设置修研垫6，方便调焦机构在空间相机上的位置修调。为给调焦镜1提供位置反馈，设置了光栅尺27，光栅尺27通过粘接的方式固定在固定座15上，读数头28通过螺钉连接的方式固定在读数头固定座30上，读数头固定座30通过螺钉连接的方式固定在动平台4上，并且与光栅尺27平行设置(如图2)。
值得注意的是，分体式安装方案虽然解决了一体式安装带来的内应力问题，但是却降低了整个机构的刚度。所以为了适当地增加机构的刚度，本发明在分体式滑块连接件8的末端设置了第三级柔节32。
图3示出了本发明实施例的一种分体式空间光学遥感器调焦结构第三级柔节及相关组件的结构示意图。
如图3所示，为给调焦机构提供限位，设置了限位销31，限位销31通过螺钉连接的方式固定在固定座15侧面，限位销31为T型结构，对应每个限位销31安装限位座29，限位座29通过螺钉连接的方式固定在动平台4两侧，通过限位座29和限位销31形成的空间为调焦机构提供限位；限位座29上开设腰孔，距离为调焦机构的最大行程，限位销31的T型尖端安装在限位座29腰孔上。第三级柔节32与分体式滑块连接件8通过螺钉固定连接，本实施例中，第三级柔节32是由三片弹性片连接在分体式滑块连接件8上围成的正六边形，每个弹性片的两端分别与相邻的两个分体式滑块连接件8固定连接，相邻的两个弹性片分别连接分体式滑块连接件8的两个分体。第三级柔节32采用弹性片制作而成，厚度较小，可以提供垂直于光轴的两个方向的柔性，并提供平行于光轴方向的刚性，可以在保证调焦机构的刚度满足发射过载条件的前提下提供最大的柔性，用以释放因为加工和装配误差带来的内应力和变形。其厚度需要根据调焦机构的实际需求进行优化从而获得较好的综合性能。
第三级柔节32的设置可以在一定程度上弥补分体式结构带来的刚度损失，并且可以提供相应方向的柔性，保证调焦机构的刚度满足发射过载条件的前提下提供最大的柔性，用以释放因为加工和装配误差带来的内应力和变形。其厚度需要根据调焦机构的实际需求进行优化从而获得较好的综合性能。
且与传统的一体式滑块连接件相比，分体式滑块连接件8配合第三级柔节32可以大幅度减轻滑块10连接件的重量，为整个调焦机构的超轻量化设计提供可能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种分体式空间光学遥感器调焦结构，其特征在于，包括：增加调焦机构的承载能力的至少3个交叉滚柱单元(9)、减小装配内应力和变形的分体式滑块连接件(8)；所述交叉滚柱单元(9)以调焦机构运动轴线为中心轴并沿着所述中心轴周向均匀分布；所述分体式滑块连接件(8)的数量与所述交叉滚柱单元(9)相等，分别设置在与交叉滚柱单元(9)的滑块(10)相对应的位置并与所述交叉滚柱单元(9)的滑块(10)紧密贴合，所述交叉滚柱单元(9)与固定座(15)连接；所述固定座(15)具有与所述交叉滚柱单元(9)个数相对应的安装面；还包括由至少三片弹性片制成的第三级柔节(32)，每个所述弹性片的两端分别与相邻的两个所述分体式滑块连接件(8)固定连接。
2.如权利要求1所述的一种分体式空间光学遥感器调焦结构，其特征在于，还包括调焦镜(1)、转接板(2)、第一级柔节(3)、动平台(4)、定位销(5)；所述调焦镜(1)位于整个调焦机构最前端，光轴与调焦机构的运动轴线重合；所述第一级柔节(3)通过环氧胶与所述调焦镜(1)固定；所述第一级柔节(3)通过螺钉固定在所述转接板(2)上，并且通过定位销(5)进行定位；所述转接板(2)通过螺钉固定在所述动平台(4)上；所述动平台(4)是调焦机构的运动部件。
3.如权利要求2所述的一种分体式空间光学遥感器调焦结构，其特征在于，还包括：第二级柔节(12)、滚珠丝杠(13)、滚珠丝母(14)；所述动平台(4)的中心部位通过螺钉与第二级柔节(12)固定，所述第二级柔节(12)与所述滚珠丝杠(13)上的滚珠丝母(14)通过螺钉连接的方式固定，提升机构的运动稳定性。
4.如权利要求3所述的一种分体式空间光学遥感器调焦结构，其特征在于，还包括：给调焦镜(1)提供位置反馈的光栅尺(27)、读数头(28)和读数头固定座(30)，所述光栅尺(27)通过粘接的方式固定在所述固定座(15)上；所述读数头(28)通过螺钉固定在所述读数头固定座(30)上，且与所述光栅尺(27)平行设置；所述读数头固定座(30)通过螺钉固定在所述动平台(4)上。
5.如权利要求2所述的一种分体式空间光学遥感器调焦结构，其特征在于，还包括：给调焦机构提供限位的限位销(31)和限位座(29)；所述限位销(31)通过螺钉固定在所述固定座(15)的侧面，所述限位座(29)通过螺钉固定在所述动平台(4)上；限位座(29)上开设腰孔，距离为调焦机构的最大行程。
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