CN103592760B - 一种大视场高精度光学扫描机构 - Google Patents

Abstract

一种大视场高精度光学扫描机构属于空间遥感应用技术领域，目的在于解决现有技术中存在的结构稳定性低、可靠性低和转动体重量大的问题。本发明包括镜头、框架、旋转轴、传动机构、右限位传感器和左限位传感器；镜头两端通过旋转轴与框架装配，电机通过传动机构带动旋转轴旋转，进而带动镜头旋转，实现镜头的扫描成像，框架在镜头转动方向的两端设置有右限位传感器和左限位传感器，定位镜头在±70°极限角度处的位置。本发明的转动部分只包括扫描成像必需的镜头减轻转动体重量，降低质心高度，提高结构稳定性；电缆从镜头两端的轴孔中间穿过，方便电缆的连接与排布，最大限度地减小机构转动对电缆造成的损伤，从而提高镜头工作的可靠性。

Description

一种大视场高精度光学扫描机构

技术领域

本发明属于空间遥感应用技术领域，具体涉及一种空间光学遥感器的大视场高精度光学扫描机构。

背景技术

由于位置和环境的特殊性，空间光学遥感器在地球成像、天文观测等方面拥有独特优势，空间光学遥感技术的发展及应用具有重要的科学和军事意义。受成像质量和衍射极限的约束，光学镜头的视场不能做的很大。为了满足使用要求，现有的空间光学遥感器采用视场扫描机构实现大视场内获得高质量的目标图像信息。

目前，现有的空间光学遥感器上应用的视场扫描机构主要有两类，摆镜扫描型和镜头扫描型；摆镜扫描型机构按摆镜类别又可分为45°平面反射镜扫描机构、单面反射镜扫描和双面反射镜扫描机构等，是通过转动反射镜将入射光谱反射进光学系统的视场扫描机构，由于摆镜结构的限制，其视场扫描范围、扫描精度和扫描效率受到影响，难以实现大视场高精度高效率的视场扫描效果；镜头扫描型视场扫描机构，是指将空间光学遥感器的镜头整体安装在转动机构上，通过扫描机构带动光学镜头转动对目标整体推扫成像，实现遥感器大视场高精度光学成像功能的扫描机构，由于转动体重量较大、结构稳定性和可靠性相对较低。镜头整体扫描机构需要将镜头和部分电子学单元安装在转动体上，对结构的布局和轻量化要求较高；且由于其扫描范围较大，给机上电缆的布线和机构的可靠性带来一定的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的结构稳定性低、可靠性低和转动体重量大的问题，提出一种结构紧凑、原理简单、装调便捷的大视场高精度光学扫描机构。

为实现上述目的，本发明的一种大视场高精度光学扫描机构包括镜头、框架、旋转轴、传动机构、右限位传感器和左限位传感器；所述镜头两端通过所述旋转轴与所述框架装配，电机通过传动机构带动旋转轴旋转，进而带动镜头旋转，实现镜头的扫描成像，所述镜头的右侧转轴端面上安装有磁座，所述框架在镜头转动方向的两端设置有右限位传感器和左限位传感器，所述右限位传感器和左限位传感器通过感应磁座的磁性定位镜头在±70°极限角度处的位置。

所述镜头两端通过所述旋转轴与所述框架配合具体为：镜头左端的旋转轴通过第一角接触轴承和第二角接触轴承支撑在框架左侧的轴承孔内；第一角接触轴承和第二角接触轴承采用背对背的安装方式，第一角接触轴承和第二角接触轴承之间通过孔用隔圈隔开，轴承压盖将第一角接触轴承的外环、孔用隔圈和第二角接触轴承的外环压紧后，通过四个第四螺钉固定于框架上，通过锁紧螺母调整第一角接触轴承和第二角接触轴承的轴向预紧量；镜头右端的旋转轴通过第一深沟球轴承和第二深沟球轴承支撑在框架右侧的轴承孔内；第一深沟球轴承的内环和第二深沟球轴承的内环通过轴用隔圈隔开，由挡圈将第一深沟球轴承的内环、第二深沟球轴承的内环和轴用隔圈固定在镜头的右端旋转轴上；第一深沟球轴承和第二深沟球轴承对镜头的右端旋转轴起支撑作用。

所述传动机构包括联轴器、减速器、小齿轮和大齿轮，所述电机的输出轴通过联轴器与所述减速器的输入端连接，所述减速器的输出端固定连接有所述小齿轮，所述大齿轮固定在所述旋转轴上，所述小齿轮和所述大齿轮组成齿轮副。

所述小齿轮和所述大齿轮组成的齿轮副与减速器的总减速比为40:1。

所述镜头的质心位于两端支撑旋转轴的公共轴线上。

所述电缆从所述镜头两端的轴孔中间穿过。

所述电缆为电源线和信号线。

本发明的有益效果为：本发明一种大视场高精度光学扫描机构的转动部分只包括扫描成像必需的镜头减轻转动体重量，降低质心高度，提高结构稳定性；电缆从镜头两端的轴孔中间穿过，方便电缆的连接与排布，最大限度地减小机构转动对电缆造成的损伤，从而提高镜头工作的可靠性；通过锁紧螺母调整第一角接触轴承和第二角接触轴承的轴向预紧量，从而消除轴承转动时的轴向窜动，保证扫描机构运行时的稳定性；镜头右端的第一深沟球轴承和第二深沟球轴承对镜头的右端旋转轴起支撑作用，不限制镜头的轴向位移，当镜头受到温度环境作用时在轴向可以自由变形，从而减小对扫描机构运动精度的影响；减速器通过四个第五螺钉固定在框架的左侧空腔内，有效缩短扫面机构的轴向长度，结构紧凑，小齿轮和所述大齿轮组成的齿轮副与减速器的总减速比为40:1，有效提高扫描机构的传动精度，本发明结构稳定、体积小巧、扫描范围大、精度高、环境适应性强，除了应用于空间遥感领域外，还能应用在航空摄像、天文观测、环境监测等领域。

附图说明

图1为本发明的一种大视场高精度光学扫描机构的主视图；

图2为图1的C-C剖视图；

图3为本发明的一种大视场高精度光学扫描机构的斜视立体图；

其中：1、框架，2、电机，3、联轴器，4、右限位传感器，5、第一螺钉，6、磁座，7、第二螺钉，8、镜头，9、第三螺钉，10、左限位传感器，11、大齿轮，12、第一销钉，13、第四螺钉，14、轴承压盖，15、锁紧螺母，16、第一角接触轴承，17、孔用隔圈，18、第二角接触轴承，19、电缆，20、第一深沟球轴承，21、轴用隔圈，22、第二深沟球轴承，23、挡圈，24、第二销钉，25、小齿轮，26、第五螺钉，27、减速器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1、附图2和附图3，本发明的一种大视场高精度光学扫描机构包括镜头8、框架1、旋转轴、传动机构、右限位传感器4和左限位传感器10；所述镜头8两端通过所述旋转轴与所述框架1装配，电机2通过传动机构带动旋转轴旋转，进而带动镜头8旋转，实现镜头8的扫描成像，所述扫描机构通过右限位传感器4和左限位传感器10限制镜头8的扫描范围；右限位传感器4和左限位传感器10分别通过一个第一螺钉5和一个第三螺钉9固定在框架1上，所述磁座6通过三个第二螺钉7安装在镜头8的右侧转轴端面上，所述右限位传感器4和左限位传感器10通过感应磁座6的磁性，可以准确定位镜头8在±70°极限角度处的位置。

所述传动机构包括联轴器3、减速器27、小齿轮25和大齿轮11，所述减速器27通过四个第五螺钉26固定在框架1的左侧空腔内，所述电机2的输出轴通过联轴器3与所述减速器27的输入端连接，所述减速器27的输出端通过第二销钉24固定连接有所述小齿轮25，所述大齿轮11通过第一销钉12固定在所述旋转轴上，所述小齿轮25和所述大齿轮11组成齿轮副。

所述小齿轮25和所述大齿轮11组成的齿轮副与减速器27的总减速比为40:1。

所述镜头8的质心位于两端支撑旋转轴的公共轴线上。

所述电缆19从所述镜头8两端的轴孔中间穿过。

所述镜头8两端通过所述旋转轴与所述框架1配合具体为：镜头8左端的旋转轴通过第一角接触轴承16和第二角接触轴承18支撑在框架1左侧的轴承孔内；第一角接触轴承16和第二角接触轴承18采用背对背的安装方式，第一角接触轴承16和第二角接触轴承18之间通过孔用隔圈17隔开，以保证两者间的轴向力只能通过外环传递；轴承压盖14将第一角接触轴承16的外环、孔用隔圈17和第二角接触轴承18的外环压紧后，通过四个第四螺钉13固定于框架1上，这样可以保证第一角接触轴承16、孔用隔圈17、第二角接触轴承18和镜头8，与框架1在轴线方向的位置相对固定；通过锁紧螺母15将第一角接触轴承16和第二角接触轴承18的轴向预紧量调整为0.005mm，从而消除轴承转动时的轴向窜动，保证扫描机构运行时的稳定性；镜头8右端的旋转轴通过第一深沟球轴承20和第二深沟球轴承22支撑在框架1右侧的轴承孔内；第一深沟球轴承20的内环和第二深沟球轴承22的内环通过轴用隔圈21隔开，由挡圈23将第一深沟球轴承20的内环、第二深沟球轴承22的内环和轴用隔圈21固定在镜头8的右端旋转轴上；第一深沟球轴承20和第二深沟球轴承22对镜头8的右端旋转轴起支撑作用，不限制镜头8的轴向位移，当镜头8受到温度环境作用时在轴向可以自由变形，从而减小对扫描机构运动精度的影响。

框架1由牌号为7A09的硬质铝合金制成，外形尺寸为：长350mm，宽120mm，高150mm。框架1两侧的轴承安装孔直径均为Φ42mm，与第一角接触轴承16、第二角接触轴承18、第一深沟球轴承20和第二深沟球轴承22的外径尺寸一致。电机2为标准工业产品，型号为42BYG020G，由常州亚美柯宝马公司生产。联轴器3为标准工业产品，型号为SRB-Φ5-Φ5,由天津太敬公司提供。右限位传感器4、左限位传感器10和磁座6为标准工业产品，为南京中旭电子科技有限公司研制的型号为CS3040的霍尔开关集成电路套件。第一螺钉5、第二螺钉7、第三螺钉9和第四螺钉13是标准件，国家标准代号为GB/T70-2000，规格为M3×8mm。第五螺钉26的国家标准代号也为GB/T70-2000，而规格为M4×10mm。镜头8为定制产品，由中国科学院长春光学精密与物理研究所研制，视场范围为140°×10°，外形尺寸为：长360mm，宽120mm，高120mm，两端旋转轴直径为Φ20mm，与第一角接触轴承16、第二角接触轴承18、第一深沟球轴承20和第二深沟球轴承22的内径尺寸一致。大齿轮11的材料为2Cr13，齿数为50，模数为1。小齿轮25的材料为2Cr13，齿数为25，模数为1。第一销钉12和第二销钉24是标准件，国家标准代号为GB/T119-2000，规格分别为A4×20mm和A3×15mm。轴承压盖14的材料为7A09型铝合金，外形尺寸为：Φ56mm×3mm。锁紧螺母15由牌号为65Mn的弹簧钢合金制成，外形尺寸为：Φ30mm×10mm，螺纹类型为M18-1mm。第一角接触轴承16和第二角接触轴承18为国家标准代号为GB/T292-2000的标准件，规格为：Φ20mm×Φ42mm×12mm。第一深沟球轴承20和第二深沟球轴承22为国家标准代号为GB/T276-2000的标准件，规格为：Φ20mm×Φ42mm×12mm。孔用隔圈17和轴用隔圈21的材料选用型号为45的合金钢，两隔圈的外形尺寸分别为：Φ38mm×Φ42mm×2mm和Φ20mm×Φ24mm×2mm。电缆19包括电源线和信号线，电缆总线径为Φ10mm，长1000mm。减速器27的材料为TC4型钛合金，减速比为20:1，外形尺寸为：外形尺寸为：长60mm，宽30mm，高50mm，由中国科学院长春光学精密与物理研究所研制。

以上为本发明的具体实施方式，但绝非对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种大视场高精度光学扫描机构，其特征在于，包括镜头(8)、框架(1)、旋转轴、传动机构、右限位传感器(4)和左限位传感器(10)；所述镜头(8)两端通过所述旋转轴与所述框架(1)装配，电机(2)通过传动机构带动旋转轴旋转，进而带动镜头(8)旋转，实现镜头(8)的扫描成像，所述镜头(8)的右侧转轴端面上安装有磁座(6)，所述框架(1)在镜头(8)转动方向的两端设置有右限位传感器(4)和左限位传感器(10)，所述右限位传感器(4)和左限位传感器(10)通过感应磁座(6)的磁性定位镜头(8)在±70°极限角度处的位置。

2.根据权利要求1所述的一种大视场高精度光学扫描机构，其特征在于，所述镜头(8)两端通过所述旋转轴与所述框架(1)配合具体为：镜头(8)左端的旋转轴通过第一角接触轴承(16)和第二角接触轴承(18)支撑在框架(1)左侧的轴承孔内；第一角接触轴承(16)和第二角接触轴承(18)采用背对背的安装方式，第一角接触轴承(16)和第二角接触轴承(18)之间通过孔用隔圈(17)隔开，轴承压盖(14)将第一角接触轴承(16)的外环、孔用隔圈(17)和第二角接触轴承(18)的外环压紧后，通过四个螺钉固定于框架(1)上，通过锁紧螺母(15)调整第一角接触轴承(16)和第二角接触轴承(18)的轴向预紧量；镜头(8)右端的旋转轴通过第一深沟球轴承(20)和第二深沟球轴承(22)支撑在框架(1)右侧的轴承孔内；第一深沟球轴承(20)的内环和第二深沟球轴承(22)的内环通过轴用隔圈(21)隔开，由挡圈(23)将第一深沟球轴承(20)的内环、第二深沟球轴承(22)的内环和轴用隔圈(21)固定在镜头(8)的右端旋转轴上；第一深沟球轴承(20)和第二深沟球轴承(22)对镜头(8)的右端旋转轴起支撑作用。

3.根据权利要求1所述的一种大视场高精度光学扫描机构，其特征在于，所述传动机构包括联轴器(3)、减速器(27)、小齿轮(25)和大齿轮(11)，所述电机(2)的输出轴通过联轴器(3)与所述减速器(27)的输入端连接，所述减速器(27)的输出端固定连接有所述小齿轮(25)，所述大齿轮(11)固定在所述旋转轴上，所述小齿轮(25)和所述大齿轮(11)组成齿轮副。

4.根据权利要求3所述的一种大视场高精度光学扫描机构，其特征在于，所述小齿轮(25)和所述大齿轮(11)组成的齿轮副与减速器(27)的总减速比为40:1。

5.根据权利要求1所述的一种大视场高精度光学扫描机构，其特征在于，所述镜头(8)的质心位于两端支撑旋转轴的公共轴线上。

6.根据权利要求1所述的一种大视场高精度光学扫描机构，其特征在于，电缆(19)从所述镜头(8)两端的轴孔中间穿过。

7.根据权利要求6所述的一种大视场高精度光学扫描机构，其特征在于，所述电缆(19)为电源线和信号线。