CN103149686B - 同步带驱动旋转棱镜装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同步带驱动旋转棱镜装置，包括镜框及扫描镜总成、同步带机构、旋转编码器总成和机座组件，所述机座组件包括机座和两个机座镶块，所述镜框及扫描镜总成包括橡胶垫块、棱镜挡圈、镜框、大带轮、楔形挡圈和楔形棱镜，所述同步带机构包括小带轮轴支座、小轴承压块、小带轮轴、电机支架、同步带、联轴器和伺服电机，所述旋转编码器总成为两组，包括编码器旋转环、第一读数头和第二读数头。本发明中，两个同步带轮的中心距在一定范围内可调，可以方便的调整同步带的张紧度，保证传动的可靠性，结构紧凑，布置灵活。

Description

同步带驱动旋转棱镜装置

技术领域

本发明涉及光学传递系统，具体涉及一种同步带驱动旋转棱镜装置。

背景技术

旋转棱镜扫描机构在动态光学跟踪中具有广泛的用途，可以精确实现光路的对准、被测对象的跟踪、光束指向误差的补偿修正等。

常见的旋转驱动方式有：

（1）齿轮传动

在先技术（祖继锋等专利，申请号03129234.8，申请日2003年6月13日“卫星轨迹光学模拟装置”）提出采用电机组配合齿轮传动实现旋转双棱镜的不同运动组合，实现模拟卫星相对运动的要求。但是给出的电机组合驱动方案及控制系统较复杂，存在电机驱动精度相互影响及空间布置困难等问题。

在先技术（云茂金等专利，申请号200310108487.7，申请日2003年11月7日“精密旋转双棱镜光束扫描器及其控制方法”）提到了齿轮传动的方案，但只是着重介绍了旋转的控制方法，对于传动的结构并没有进行细致的设计。

（2）电机直接驱动

在先技术（孙建锋等专利，申请号：200410024986.2，申请日2004年10月“星间激光通信终端高精度动静态测量装置”）中采用力矩电机直接耦合转动轴而实现光学元件的偏摆，从而实现角度调节。但是对于全圆周旋转棱镜来说，采用力矩电机直接驱动双棱镜旋转，存在力矩波动和齿槽效应问题，这将影响直接驱动的精度，而且用于大型棱镜系统的直接驱动电机，一般需要特殊定制，研制成本也比较高。同时，该机械系统没有给出偏摆双棱镜的转动角度的反馈信息，难以实时修正双棱镜的转角误差。

在先技术（Anhu Li, etc., “Laser Coarse-fine Coupling Scanning Method by Steering Double Prisms”, Applied Optics, 2012, 51(3):356-364）提出采用两个力矩电机分别耦合到双棱镜镜筒上，直接驱动双棱镜旋转，实现折射光束的粗扫描；在粗扫描的基础上，设计了嵌套了牵连式偏摆机构，实现了双棱镜正交偏摆运动，可以实现精扫描。采用力矩电机耦合棱镜实现全圆周旋转和采用牵连式机构实现棱镜偏摆，在设计棱镜旋转和偏摆嵌套的机构时，应该尽可能的减少两级运动的误差传递，而该系统在旋转运动的基础上，采用三个模块的牵连式偏摆方法，将会产生更多的机械误差累积，从而影响到棱镜扫描的精度。

（3）蜗轮蜗杆传动

    在先技术（李安虎等专利，“实现粗精两级扫描的棱镜机械装置”）中旋转电机通过蜗轮蜗杆运动机构驱动棱镜及内外镜框总成实现全圆周旋转，具有大传动比、结构简单等优点，但是存在啮合间隙，难以消除回程误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种驱动大口径棱镜旋转的同步带驱动旋转棱镜装置，采用同步带直接驱动的方式，传动比准确，无滑差，并结合旋转编码器实现反馈调节，可完成棱镜旋转角度的精密控制，而且同步带传动平稳，能吸震，噪音小，布置灵活，结构紧凑，以克服在先技术的不足之处。

本发明提出的同步带驱动旋转棱镜装置，包括镜框及扫描镜总成、同步带机构、旋转编码器总成和机座组件，其中：

所述机座组件包括机座1和两个机座镶块2，机座1和两个机座镶块2通过内六角螺钉固定，所述机座组件通过交叉滚子轴承挡圈3和交叉滚子轴承4固定于镜框7外；

所述镜框及扫描镜总成包括橡胶垫块5、棱镜挡圈6、镜框7、大带轮8、楔形挡圈9和楔形棱镜10，楔形棱镜10安放在镜框7内，其平面侧通过O型垫圈19与镜框7的轴肩接触，楔形侧通过橡胶垫块5与楔形挡圈9一侧接触；可成形挡圈9另一侧接触棱镜挡圈6，棱镜挡圈6通过螺纹与镜框7配合；大带轮8通过螺钉与镜框7的外部轴肩进行定位连接；                                                                                                                                                       所述同步带机构包括小带轮轴支座11、小轴承压块12、小带轮轴14、电机支架15、同步带16、联轴器17和伺服电机18，小带轮轴支座11固定在机座1上，小带轮轴14两端通过角接触球轴承支撑在小带轮轴支座11上，位于两端的角接触球轴承通过两个小轴承压块12压紧轴承；同步带16一端套在小带轮轴14上的小带轮上，另一端通过机座1的镂空部分套在大带轮8上；电机支架15固定在机座1上，伺服电机18固定在电机支架15上，伺服电机18通过联轴器17与小带轮轴14连接；小带轮轴支座11和电机支架15可以在机座1的水平方向上小范围内调整，通过旋动内六角螺钉23可以调节小带轮轴支座11的水平位置，以此调整同步带16的张紧度；电机支架15的位置根据小带轮轴支座11的位置确定，需保证电机轴和小带轮轴的同轴度要求。

所述旋转编码器总成为两组，包括编码器旋转环20、第一读数头21和第二读数头22，编码器旋转环20固定在镜框7外，第一读数头21和第二读数头22均固定在交叉滚子轴承挡圈3上。

本发明中，为了便于装置的搬运，在机座1底座面上加工两个对称的螺纹孔，用于安装吊耳13。

本发明的技术优点：

1. 本发明中，所述的楔形棱镜通同步带驱动实现全圆周大范围旋转，满足动态光束的扫描要求，传动精准。

2. 本发明中，传动平稳，减少楔形棱镜在旋转过程中的振动，可以保证光学系统的稳定性的要求。

3. 本发明中，两个同步带轮的中心距在一定范围内可调，可以方便的调整同步带的张紧度，保证传动的可靠性，结构紧凑，布置灵活。

4. 本发明中，采用双读数头的旋转编码器实时检测棱镜的旋转角度，通过计算机处理两个读数头所采集的数据，可以灵活的使用，既可以形成开环控制，实时显示旋转的角度和速度，也可以实现闭环控制，通过旋转编码器的检测信息的反馈控制伺服电机的角速度，能够达到精确控制棱镜旋转角度及角速度的目的。

附图说明

图1 为本发明旋转棱镜装置的总体结构主视图。

图2为图1的A-A剖视结构图。

图3为图1的K向局部视图。

图4为本发明镜框及扫描镜总成结构图。

图5为图4局部视图。

图6为本装置中机座的结构图，（a）为主视图，（b）为机座的结构A-A剖视图。

图7为本装置中机座镶块的结构图，（b）为主视图，（a）为右视全剖视图。

图8为本装置中镜框结构图。

图9为本装置中所使用的楔形棱镜外形图，（a）为主视图，（b）为左视图。

图10为本装置中大带轮的结构图，（a）为主视图，（b）为左视全剖视图。

图11为本装置中小带轮轴的结构图，（a）为主视图，（b）为左视图。

图中标号：1机座、2机座镶块、3交叉滚子轴承挡圈、4交叉滚子轴承、5橡胶垫块、6棱镜挡圈、7镜框、8大带轮、9楔形挡圈、10楔形棱镜、11小带轮轴支座、12小轴承压块、13吊耳、14小带轮轴、15电机支架、16同步带、17联轴器、18伺服电机、19 O型垫圈、20编码器旋转环、21第一读数头、22第二读数头。

具体实施方式

下面通过各附图对本发明采用同步带驱动运动机构的组成及实现旋转扫描的过程作进一步的详述，但是本发明专利保护范围不限于此。

实施例1：

请参阅图1-图4所示，图1 为本发明旋转棱镜装置的总体结构主视图，图2为装置的总体结构的A-A剖视结构图，图3为图1的K向局部视图，图4为本发明镜框及扫描镜总成结构图。如图4所示，先将O型垫圈19安放在镜框7的轴肩上的圆形槽内，镜框7的结构如图8所示，然后放入楔形棱镜10，楔形棱镜10的外形如图9所示，楔形棱镜10的垂直面与镜框7的轴肩并不直接接触，而是通过橡胶材质的O型圈压紧，可以保证楔形棱镜10不被碰伤或者磨损。楔形棱镜10的另一面即楔形面通过同样楔角的楔形挡圈9轴向压紧，楔形挡圈9上加工了8个一定深度的圆柱孔，用于安放橡胶垫块5，通过橡胶垫块5与楔形棱镜10接触，同样起到了保护棱镜的作用。棱镜挡圈6与镜框7之间采用一段螺纹配合，棱镜挡圈6一端通过橡胶垫块5与楔形棱镜10接触，同时每个橡胶垫块5都通过一个螺钉施加预紧力，其局部结构如图5所示。这样就可以很方便地在装配完成后，根据实际需要旋转螺钉来调整棱镜的轴向预紧力。

本装置中大带轮的结构如图10所示，在安装好机框及扫描镜总成之后，再将大带轮8从镜框7的一侧推入，并用8个内六角螺钉固定，即完成了整个旋转部件的装配。

参见图2，将机座1一侧的机座镶块2调整好位置，并用内六角螺钉固定，机座1和机座镶块2的结构分别如图6和图7所示，然后将上述安装好的旋转部件放到预定位置，轻轻敲入交叉滚子轴承4，将同步带16从另一侧放置到机座内部，然后安装这一侧的机座镶块2和交叉滚子轴承4，最后调整好整个旋转部件的位置，转动轴承，保证灵活无卡死，再装上两侧的交叉滚子轴承挡圈3，在镜框7的一侧装上与之相配的旋转编码器旋转环20，在同侧的交叉滚子轴承挡圈3的竖直方向的上下两个位置分别装上第一读数头21和第二读数头22，调整两个读数头的位置，使之对准编码器旋转环20圆周上的刻度线，并通过测试读数正常，即完成大带轮部分的装配。

小带轮部件的局部结构如图3所示，小带轮轴的结构如图11所示。先将小带轮轴支座11装在机座1，然后将小带轮轴14套在同步带16中，装上小带轮轴14两端的角接触球轴承，再将其放置在小带轮轴支座11上的相应位置，调整好两侧角接触球轴承，装上两个小轴承压块12压紧轴承，并转动小带轮轴14，保证轴承灵活无卡死。最后装上内六角螺钉23，通过旋转两个内六角螺钉23，即可调整小带轮轴支座11的水平位置，以此来调节同步带16的张紧程度。最后装上电机支架15、联轴器17和伺服电机18，即完成整个装置的装配。

Claims (2)

1.同步带驱动旋转棱镜装置，包括镜框及扫描镜总成、同步带机构、旋转编码器总成和机座组件，其特征在于：

所述机座组件包括机座(1)和两个机座镶块(2)，机座(1)和两个机座镶块(2)通过内六角螺钉固定，所述机座组件通过交叉滚子轴承挡圈(3)和交叉滚子轴承(4)固定于镜框(7)外；

所述镜框及扫描镜总成包括橡胶垫块(5)、棱镜挡圈(6)、镜框(7)、大带轮(8)、楔形挡圈(9)和楔形棱镜(10)，楔形棱镜(10)安放在镜框(7)内，其平面侧通过O型垫圈(19)与镜框(7)的轴肩接触，楔形侧通过橡胶垫块(5)与楔形挡圈(9)一侧接触；楔形挡圈(9)另一侧接触棱镜挡圈(6)，棱镜挡圈(6)通过螺纹与镜框(7)配合；大带轮(8)通过螺钉与镜框(7)的外部轴肩进行定位连接；

所述同步带机构包括小带轮轴支座(11)、小轴承压块(12)、小带轮轴(14)、电机支架(15)、同步带(16)、联轴器(17)和伺服电机(18)，小带轮轴支座(11)固定在机座(1)上，小带轮轴(14)两端通过角接触球轴承支撑在小带轮轴支座(11)上，位于两端的角接触球轴承通过两个小轴承压块(12)压紧轴承；同步带(16)一端套在小带轮轴(14)上的小带轮上，另一端通过机座(1)的镂空部分套在大带轮(8)上；电机支架(15)固定在机座(1)上，伺服电机(18)固定在电机支架(15)上，伺服电机(18)通过联轴器(17)与小带轮轴(14)连接；小带轮轴支座(11)和电机支架(15)可在机座(1)的水平方向上小范围内调整，通过旋动内六角螺钉(23)调节小带轮轴支座(11)的水平位置，以调整同步带(16)的张紧度；电机支架(15)的位置根据小带轮轴支座(11)的位置确定，使电机轴和小带轮轴同轴度；

所述旋转编码器总成为两组，总共包括编码器旋转环(20)、第一读数头(21)和第二读数头(22)，编码器旋转环(20)固定在镜框(7)外，第一读数头(21)和第二读数头(22)均固定在交叉滚子轴承挡圈(3)上。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述机座(1)底座面上设有两个对称的螺纹孔，用于安装吊耳(13)。