CN107290839B - 一种采用定位限位装置的高稳定度主备光路切换机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用了定位限位装置的高稳定性主备光路切换机构。该机构由感应子式步进电机、转轴、角接触球轴承、反射镜组件、定位限位装置组成。由感应子式步进电机带动转轴的转动，实现反射镜切换至主份或备份位置。在主份及备份位置安装有定位限位装置，通过此装置即可以实现反射镜的准确定位，提高反射镜的定位精度，又可以限制反射的运动范围，避免运动过程中出现跑飞的现象。同时，采用了定位限位装置的切换机构，利用步进电机自身的运动精度即可实现机构初步的位置精度控制，无需高精度位置传感器，降低了控制的难度，减少了研制成本。

Description

一种采用定位限位装置的高稳定度主备光路切换机构
技术领域
本发明涉及一种航天光学遥感器技术领域，特别是一种采用定位限位装置的高稳定度主备份光路切换机构。
背景技术
随着光学遥感载荷研制任务涉及范围广，精度要求也越来越高。研制周期短(一般研制周期2到3年)，导致设计分析与验证时间短，可靠性研制试验、鉴定试验的全面性和充分性受到了限制。而用户对遥感载荷设计寿命要求大多提高为5-8年以上，要求在轨高可靠运行、一次成功。因此在光学遥感载荷设计过程中进行冗余设计，部分光学遥感载荷采用冷备份影响系统可靠性的成像器件的设计思路。而为了在尽可能提高可靠性的前提下尽可能降低成本，只需将光学系统中近成像器件的光路进行冷备份，且在主备份光学交叉点位置需共用一套反射镜反射镜，因此需设计一套能够将反射镜反射镜切换到主份光路或备份光路的活动机构，即切换机构。
现有的切换机构采用步进电机作为驱动元件，采用霍尔传感器作为角度传感器的闭环控制方式，当控制系统检测到霍尔传感器反馈的信号后控制系统发生步进电机断电的指令，步进电机停止工作，此时活动部件的位置即为设定的理想位置。此种方式的切换机构结构形式及控制方式虽然简单，但是步进电机的运动分辨率较低，如果不细分，运动分辨率即步距角一般为0.5°～1°，如果细分也只能做到角分级，步距角误差小于10％，但存在较大的随机误差，机构的位置精度低；在轨微振动对位置精度的影响较大，稳定度较差。
如果采用伺服电机作为驱动元件，采用旋转变压器或感应同步器作为角度传感器的闭环控制系统，结构形式相对复杂，控制难度加大，在轨稳定性较差，经济性较差。
发明内容
本发明的技术解决问题为：克服现有技术不足，提出一种采用定位限位装置的高稳定度主备光路切换机构，在能够提高机构可靠性、提高位置精度、提高在轨工作稳定性的前提下，简化机构的结构形式，减少随机误差对位置精度的影响，且使无法消除的随机误差降到最小，采用一种简单的装置，避免受微振动的影响，使其能够长期稳定在工作位置。
本发明是通过如下技术方案予以实现的：一种采用定位限位装置(10)的高稳定度主备光路切换机构，由底座(1)、角接触球轴承1(2)、转轴1(3)、反射镜框(4)、反射镜(5)、角接触球轴承2(6)、转轴2(7)、步进电机(8)、霍尔传感器组件(9)、定位限位装置(10)、磁钢(11)组成。
反射镜(5)通过胶粘的方式安装在反射镜框(4)内，转轴1(3)、转轴2(7)与反射镜框(4)间隙配合，并通过销钉定位，转轴1(3)、转轴2(7)分别通过角接触球轴承1(2)及角接触球轴承2(6)支撑在底座(1)上；步进电机(8)固定安装在底座(1)上，步进电机(8)的输出轴与转轴2(7)间隙配合并采用定位销限位，使步进电机(8)的输出轴与转轴2(7)能够同步转动；步进电机(8)能够直接驱动转轴1(3)、转轴2(7)转动，从而带动反射镜(5)、反射镜框(4)绕转轴1(3)、转轴2(7)转动，实现主份位置、备份位置的切换。定义主份位置为：反射镜(5)的镜面与底座(1)所在的平面呈45°，且反射镜(5)的镜面的背面朝向底座(1)所在的平面；定义备份位置为：反射镜(5)绕转轴1(3)、转轴2(7)顺时针转动90°后的位置；
定位限位装置(10)采用螺栓固定安装在底座(1)上，磁钢(11)通过胶接的形式固定在反射镜框(4)上，定位限位装置(10)能够使反射镜(5)维持在主份位置或备份位置；
霍尔传感器组件(9)能够反馈反射镜(5)所处的位置，即主份位置或备份位置。
定位限位装置(10)由固定座(12)、微调节螺栓(13)、锁紧螺母(14)、钢片(15)、聚酰亚胺限位块(16)组成。微调节螺栓(13)螺帽上设置有沉孔，聚酰亚胺限位块(16)的一部分伸入微调节螺栓(13)的沉孔中，并采用420结构胶粘接在微调节螺栓(13)的沉孔中；固定座(12)为L型，固定座(12)一端固定在底座(1)上，固定座(12)的另一端设置有螺纹孔及方形沉孔，微调节螺栓(13)能够穿过固定座(12)上的螺纹孔并与固定座(12)之间螺纹副连接；锁紧螺母(14)与微调节螺栓(13)之间螺纹副连接；钢片(15)通过420结构胶粘接在固定座(12)另一端的方形沉孔内。
定位限位装置(10)沿微调节螺栓(13)轴向有2mm～4mm的位置调节量，通过调节定位限位装置(10)上的微调节螺栓(13)实现主份位置、备份位置的精确确定，通过锁紧螺母(14)锁紧微调节螺栓(13)，避免微调节螺栓(13)位置发生变动，定位限位装置(10)上的钢片(15)与磁钢(11)的吸力使反射镜(5)稳定维持在主份位置或备份位置。霍尔传感器组件(9)能够反馈反射镜(5)所处的位置，即主份位置或备份位置。
钢片(15)与磁钢(11)的吸力F大小需同时满足以下两个条件：
条件1：吸力F所产生的力矩T需小于步进电机(8)的驱动力矩并留有1～2倍的裕度，
条件2：吸力F所产生的力矩T需大于轴系的负载力矩并留有1～2倍的裕度，轴系的负载力矩为摩擦力矩、偏心力矩、及歩进电机的定位力矩之和；轴系由转轴1(3)和转轴2(7)共同组成，转轴1(3)和转轴2(7)同轴；
钢片(15)与磁钢(11)的吸力F与磁钢(11)的体积，即磁钢(11)的长(L)×宽(W)×高(H)、磁钢(11)的剩磁密度Br、钢片(15)与磁钢(11)表面的距离χ、磁导率μ有关；当磁钢(11)的剩磁密度Br及其体积、磁导率μ固定的情况下，吸力的大小由钢片(15)与磁钢(11)表面的距离χ决定，设计时需预留出2mm～4mm的调节余量。
装配调试过程中根据轴系负载力矩、电机驱动力矩的实际值、磁钢(11)与轴系的距离，调节钢片(15)与磁钢(11)表面的距离,从而调整吸力的大小，同时需调整定位限位装置(10)上的微调节螺栓(13)来调节反射镜(5)在主份及备份位置的位置精度。
定位限位装置(10)能够有实现反射镜(5)的准确定位，又能够限制反射镜(5)的运动范围，同时，采用定位限位装置(10)上钢片(15)与磁钢(11)的吸力能够将反射镜(5)稳定在工作位置，避免由于运输或在轨微振动的影响导致反射镜(5)偏离工作位置。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明中所述的切换机构，通过采用定位限位装置(10)，降低了结构的复杂性，提高了可靠性；减少了影响定位精度的随机误差，提高了定位精度；
(2)本发明中所述的切换机构，采用反射镜框(4)上安装的磁钢(11)与定位限位装置(10)中的钢片(15)的吸力力矩使反射镜(5)能够稳定在主份位置或备份位置，避免了运输或在轨微振动的影响，提高了稳定性；
(3)本发明中所述的切换机构，采用步进电机(8)作为驱动元件，采用霍尔传感器组件(9)作为位置反馈元件，采用开环控制，只需给定步进电机(8)运行的步数即可，运动到位后霍尔传感器组件(9)反馈回位置信号，无需采用高精度测角元件作为闭环控制的位置反馈元件，降低了控制难度，且不会损失控制精度。
(4)本发明中所述的切换机构，除步进电机(8)和霍尔传感器组件(9)外无其他电子元器件，其余零部件都为金属或非金属材料，大大降低了研制成本；
(5)本发明中所述的切换机构，定位限位装置(10)上的聚酰亚胺限位块(16)为非金属材料，具有一定的弹性，对由于反射镜框(4)上安装的磁钢(11)与定位限位装置(10)中的钢片(15)的吸力力矩引起的聚酰亚胺限位块(16)与反射镜框(4)的碰撞起到缓冲的作用，避免碰撞冲击对反射镜(5)造成的影响。
附图说明
图1为本发明切换机构结构示意图；
图2为本发明切换机构A-A剖视图；
图3为定位限位装置结构示意图；
图4为定位限位装置剖视图。
具体实施方式
本发明的基本思路为：提出一种采用了定位限位装置的高稳定性主备光路切换机构，该机构由感应子式步进电机、转轴、角接触球轴承、反射镜组件、定位限位装置组成。由感应子式步进电机带动转轴的转动，实现反射镜切换至主份或备份位置。在主份及备份位置安装有定位限位装置，通过此装置即可以实现反射镜的准确定位，提高反射镜的定位精度，又可以限制反射的运动范围，避免运动过程中出现跑飞的现象。同时，采用了定位限位装置的切换机构，利用步进电机自身的运动精度即可实现机构初步的位置精度控制，无需高精度位置传感器，降低了控制的难度，减少了研制成本。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述。
如图1所示为一种采用了定位限位装置10的高稳定性主备光路切换机构示意图，图2所示为图1的A-A剖视图，A-A剖面为反射镜5的对称中面，垂直于底座1的安装底面。由图1及图2可知一种采用定位限位装置10的高稳定性主备光路切换机构由底座1、角接触球轴承12、转轴13、反射镜框4、反射镜5、角接触球轴承26、转轴27、步进电机8、霍尔传感器组件9、定位限位装置10、磁钢11组成。
反射镜5通过胶粘的方式安装在反射镜框4内，转轴13、转轴27与反射镜框4间隙配合，并通过销钉定位，保证了转轴13、转轴27与反射镜框4之间力的传递，同时也限定了转轴13、转轴27与反射镜框4之间的位置关系；转轴13、转轴27分别通过角接触球轴承12及角接触球轴承26支撑在底座1上，角接触球轴承12及角接触球轴承26能同时承受轴向及径向载荷；步进电机8固定安装在底座1上，步进电机8的输出轴与转轴27间隙配合并采用定位销限位，步进电机8直接驱动轴系转动，从而带动反射镜5、反射镜框4绕转轴13、转轴27转动，实现主份位置、备份位置的反复切换。
定义主份位置为：反射镜5的镜面与底座1所在的平面呈45°，且反射镜5的镜面的背面朝向底座1所在的平面；定义备份位置为：反射镜5绕转轴13、转轴27顺时针转动90°后的位置。
此种结构形式的切换机构传动方式与采用齿轮副传动相比，消除了由齿轮侧隙带来的运动误差，从而提高了系统运动精度；且结构形式简单，系统的随机误差只是轴系的加工及装配误差，加工装配过程中只需尽可能的提高加工精度、控制装配误差。
采用步进电机8作为驱动元件，采用霍尔传感器组件9作为位置反馈元件，采用开环控制，只需给定步进电机8运行的步数即可，运动到位后霍尔传感器组件9反馈回位置信号，无需采用高精度测角元件作为闭环控制的位置反馈元件，降低了控制难度，且不会损失控制精度。
以三相感应子式步进电机8为例，此步进电机8的步距角为1.5°，而切换机构从主份位置运动到备份位置需转动90°，因此理论上步进电机8只需运行60步即可到位，但是由于步进电机8的步距角误差、步进电机8运动起始位置与主份位置或备份位置存在角度偏差，因此如控制系统给步进电机8按60步控制，可能会出现撞击定位限位装置10的情况，如运动速度较快，还会出现撞击后反弹的现象，因此在实际控制时采用实际电机运动步数小于理论运动步数的策略。如按59步进行控制，当从主份位置转动到备份位置的过程中，步进电机8输出轴转过59步后实际还差1.5°左右才到位，此时步进电机8断电，定位限位装置10上的钢片15与反射镜框4上的磁钢11产生的吸力力矩会将反射镜5继续旋转，直到聚酰亚胺限位块16与反射镜框4接触后停止运动，此时反射镜5已经到达工作位置。霍尔传感器组件9触发，反馈回位置信号。
如图3所示为定位限位装置10结构示意图，从图3可知，定位限位装置10为左右对称结构，图4为定位限位装置10的剖视图，剖切面为定位限位装置10的对称中面。由图3及图4可知定位限位装置10由固定座12、微调节螺栓13、锁紧螺母14、钢片15、聚酰亚胺限位块16组成。微调节螺栓13螺帽上设置有沉孔，聚酰亚胺限位块16的一部分伸入微调节螺栓13的沉孔中，并采用420结构胶(优选DP402环氧树脂结构胶)粘接在微调节螺栓13的沉孔中；固定座12为L型，固定座12一端固定在底座1上，固定座12的另一端设置有螺纹孔及方形沉孔，微调节螺栓13能够穿过固定座12上的螺纹孔并与固定座12之间螺纹副连接；锁紧螺母14与微调节螺栓13之间螺纹副连接；钢片15通过结构胶粘接在固定座12另一端的方形沉孔内。
底座1上在反射镜5工作位置主份位置、备份位置对应的位置上各安装一套定位限位装置10，定位限位装置10通过螺栓固定安装在底座1上，磁钢11通过胶接的形式固定在反射镜框4上与定位限位装置10对应的位置上。定位限位装置10上的聚酰亚胺限位块16为非金属材料，具有一定的弹性，对由于反射镜框4上安装的磁钢11与定位限位装置10中的钢片15的吸力力矩引起的聚酰亚胺限位块16与反射镜框4的碰撞起到缓冲的作用，避免碰撞冲击对反射镜5造成的影响。
定位限位装置10的固定座12上与底座1的安装孔位腰形通孔，通过调节定位限位装置10在底座1上的位置调节钢片15与反射镜框4上的磁钢11表面之间的间距，从而调节钢片15与磁钢11的所产生的吸力大小，且靠钢片15与磁钢11的吸力使反射镜5稳定维持在主份位置或备份位置。钢片15与磁钢11的吸力F的大小需同时满足以下两个条件：
条件1：吸力F所产生的力矩T需小于步进电机8的驱动力矩T电并留有1～2倍的裕度；
条件2：吸力F所产生的力矩T需大于轴系的负载力矩T负并留有1～2倍的裕度，轴系的负载力矩T负为摩擦力矩、偏心力矩、及步进电机8的定位力矩之和。摩擦力矩与角接触球轴承型号、负载质量、装配方法有关系，很难消除或降低；偏心力矩可以通过配平的方式消除，装配过程中将活动部件进行配平设计，使活动部件的质心在轴系上。活动部件由反射镜5、反射镜框4、转轴13、转轴27、磁钢11、角接触球轴承12及角接触球轴承26的外圈组成。而电机可以选择无定位力矩的感应子式永磁步进电机8。
根据以上的两个条件可以得到：
式中：T＝F×L——为吸力F所产生的吸力力矩
L——为磁钢11距轴系的距离。
钢片15与磁钢11的吸力力矩由钢片15与磁钢11的吸力F与磁钢11距轴系的距离决定，磁钢11距轴系的距离由切换机构的整体结构尺寸及布局决定。而钢片15与磁钢11的吸力F由磁钢11的体积，即磁钢11的长L×宽W×高H、磁钢11的剩磁磁密Br、钢片15与磁钢11表面的距离χ、磁导率μ决定，优选在距离永磁体表面距离x处磁通密度为：
钢片15与磁钢11的吸力为：
式中：μ0＝4π×107——为真空磁导率；
S＝LW——为磁铁相对面积。
剩磁磁密Br、磁钢11的长L、宽W、高H都为不可调节量，剩磁磁密Br可以通过测试得到，根据结构尺寸及布局情况可设计出磁钢11的长L、宽W、高H，根据公式1、公式2、公式3，可计算出钢片15与磁钢11表面的距离χ。由于吸力F为一个范围，所以距离χ也为一个范围，设计时优选一个距离χ的数值。根据优选距离χ的值设计微调节螺栓13的长度，并预留出2mm～4mm的调节余量，因为剩磁磁密Br的测量误差、结构件的加工与装配误差、电机驱动力矩的实测值与标称值的差值等误差会使钢片15与磁钢11表面的距离χ的计算最优值与实际最优值之间存在一定的偏差，结构装配时可以利用预留出的2mm～4mm调节余量，以备需要时进行微调。
采用了定位限位装置10的切换机构，降低了结构的复杂性；通过调节定位限位装置10上的微调节螺栓13实现主份位置、备份位置的精确确定，提高了反射镜5在主份位置与备份位置的定位精度；通过锁紧螺母14锁紧微调节螺栓13，避免微调节螺栓13位置发生变动，提高了系统的可靠性。
定位限位装置10能够限制反射镜5的运动范围，同时，采用定位限位装置10上钢片15与磁钢11的吸力能够将反射镜5稳定在工作位置，避免由于运输或在轨微振动的影响导致反射镜5偏离工作位置，提高了稳定性。
采用了定位限位装置10的切换机构，除步进电机8和霍尔传感器组件9外无其他电子元器件，其余零部件都为金属或非金属材料，大大降低了研制成本。
本发明所述切换机构经过鉴定级正弦振动及鉴定级随机振动试验，试验前后分别进行位置精度测试。
采用经纬仪对位置精度进行测试，将切换机构固定水平工作台上，反射镜5处于主份位置。依据《经纬仪安全操作规程》架设经纬仪，调整经纬仪使其对准反射镜5镜面，经纬仪调水平，并将光路调整至无穷远，观察十字自准直像，微调经纬仪角度，使自准直像和目镜十字叉丝重合，记录此时经纬仪上水平和垂直方向的角度值。然后采用控制系统将反射镜5旋转到备份位置，再旋转到主份位置，调整经纬仪，并将光路调整至无穷远，观察十字自准直像，微调经纬仪角度，使自准直像和目镜十字叉丝重合，记录此时经纬仪上水平和垂直方向的角度值。重复以上步骤，多次测量并记录，计算水平和垂直方向的角度偏差。最后根据多次测量结果计算反射镜5主份位置的位置精度。采用同样的方法测量备份位置的位置精度。
表1主份位置精度测试结果
表2备份位置精度测试结果
从以上切换机构位置精度测试的数据看，此种形式的切换机构位置精度优于10″，且振动试验前后的精度无明显变化。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种采用定位限位装置的高稳定度主备光路切换机构，其特征在于：包括：底座(1)、角接触球轴承1(2)、转轴1(3)、反射镜框(4)、反射镜(5)、角接触球轴承2(6)、转轴2(7)、步进电机(8)、霍尔传感器组件(9)、定位限位装置(10)、磁钢(11)；
所述反射镜(5)通过胶粘的方式安装在反射镜框(4)内，转轴1(3)、转轴2(7)与反射镜框(4)间隙配合，并通过销钉定位，转轴1(3)、转轴2(7)分别通过角接触球轴承1(2)及角接触球轴承2(6)支撑在底座(1)上；步进电机(8)固定安装在底座(1)上，步进电机(8)的输出轴与转轴2(7)间隙配合并采用定位销限位，使步进电机(8)的输出轴与转轴2(7)能够同步转动；步进电机(8)能够直接驱动转轴1(3)、转轴2(7)转动，从而带动反射镜(5)、反射镜框(4)绕转轴1(3)、转轴2(7)转动，实现主份位置、备份位置的切换；定义主份位置为：反射镜(5)的镜面与底座(1)所在的平面呈45°，且反射镜(5)的镜面的背面朝向底座(1)所在的平面；定义备份位置为：反射镜(5)绕转轴1(3)、转轴2(7)顺时针转动90°后的位置；
定位限位装置(10)采用螺栓固定安装在底座(1)上，磁钢(11)通过胶接的形式固定在反射镜框(4)上，定位限位装置(10)能够使反射镜(5)维持在主份位置或备份位置；
霍尔传感器组件(9)能够反馈反射镜(5)所处的位置，即主份位置或备份位置；
定位限位装置(10)由固定座(12)、微调节螺栓(13)、锁紧螺母(14)、钢片(15)、聚酰亚胺限位块(16)组成；微调节螺栓(13)螺帽上设置有沉孔，聚酰亚胺限位块(16)的一部分伸入微调节螺栓(13)的沉孔中，并采用420结构胶粘接在微调节螺栓(13)的沉孔中；固定座(12)为L型，固定座(12)一端固定在底座(1)上，固定座(12)的另一端设置有螺纹孔及方形沉孔，微调节螺栓(13)能够穿过固定座(12)上的螺纹孔并与固定座(12)之间螺纹副连接；锁紧螺母(14)与微调节螺栓(13)之间螺纹副连接；钢片(15)通过420结构胶粘接在固定座(12)另一端的方形沉孔内；
定位限位装置(10)沿微调节螺栓(13)轴向有2mm～4mm的位置调节量，通过调节定位限位装置(10)上的微调节螺栓(13)实现主份位置、备份位置的精确确定，通过锁紧螺母(14)锁紧微调节螺栓(13)，避免微调节螺栓(13)位置发生变动，定位限位装置(10)上的钢片(15)与磁钢(11)的吸力使反射镜(5)稳定维持在主份位置或备份位置；霍尔传感器组件(9)能够反馈反射镜(5)所处的位置，即主份位置或备份位置。
2.根据权利要求1所述的一种采用定位限位装置的高稳定度主备光路切换机构，其特征在于：钢片(15)与磁钢(11)的吸力大小需同时满足以下两个条件：
条件1：吸力所产生的力矩需小于步进电机(8)的驱动力矩并留有1～2倍的裕度，
条件2：吸力所产生的力矩需大于轴系的负载力矩并留有1～2倍的裕度，轴系的负载力矩为摩擦力矩、偏心力矩、及歩进电机的定位力矩之和；轴系由转轴1(3)和转轴2(7)共同组成，转轴1(3)和转轴2(7)同轴。
3.根据权利要求1所述的一种采用定位限位装置的高稳定度主备光路切换机构，其特征在于：钢片(15)与磁钢(11)的吸力F与磁钢(11)的体积，即磁钢(11)的长L×宽W×高H、磁钢(11)的剩磁密度Br、钢片(15)与磁钢(11)表面的距离χ、磁导率μ有关；当磁钢(11)的剩磁密度Br及其体积、磁导率μ固定的情况下，吸力的大小由钢片(15)与磁钢(11)表面的距离χ决定，设计时需预留出2mm～4mm的调节余量；
装配调试过程中根据轴系负载力矩、电机驱动力矩的实际值、磁钢(11)与轴系的距离，调节钢片(15)与磁钢(11)表面的距离,从而调整吸力的大小，同时需调整定位限位装置(10)上的微调节螺栓(13)来调节反射镜(5)在主份及备份位置的位置精度；轴系的负载力矩为摩擦力矩、偏心力矩、及歩进电机的定位力矩之和；轴系由转轴1(3)和转轴2(7)共同组成，转轴1(3)和转轴2(7)同轴。
4.根据权利要求1所述的一种采用定位限位装置的高稳定度主备光路切换机构，其特征在于：定位限位装置(10)，能够实现反射镜(5)的准确定位，又能够限制反射镜(5)的运动范围，同时，采用定位限位装置(10)上钢片(15)与磁钢(11)的吸力能够将反射镜(5)稳定在工作位置，避免由于运输或在轨微振动的影响导致反射镜(5)偏离工作位置。
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