CN108196363A - 同步带驱动的旋转双棱镜集成机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同步带驱动的旋转双棱镜机构，由棱镜‑镜框总成和电机及传动部分组成。所述旋转双棱镜采用两个伺服电机驱动同步轮，通过同步带传动分别驱动两个楔形棱镜绕中心轴旋转，实现在平面范围内的对准、跟踪及扫描等要求。所述棱镜‑镜框总成由上外壳、深沟球轴承、大同步轮、同步带、轴用弹性卡簧、孔用弹性卡簧、楔形棱镜、楔形块、压紧环、夹固环和下外壳组成。所述电机与传动部分由座上盖、底座侧盖、伺服电机、电机座、小同步轮和底座组成。本发明易于控制光束传播方向，噪音小，运动平稳，控制方便。

Description

同步带驱动的旋转双棱镜集成机构

技术领域

本发明涉及一种同步带轮驱动的旋转棱镜机构，可用于精密工程领域的高精度角度扫描，位置跟踪及目标指向。

背景技术

旋转双棱镜机构在精密光电跟踪领域中具有广泛的用途。可以实现高精度的光学跟踪、扫描、以及相机视场的扩大，光学避障，激光通信等。

在先技术（李安虎等专利，申请号：200510026553.5，申请日2005年6月“双光楔光束偏转机械装置”）中，提出了直线电机直接顶进驱动的方式,运动中属于变负载系统，不仅控制精度难以保证，而且难以克服回位弹簧和顶杆等在运动中产生的摩擦和影响。

在先技术（李安虎等专利，申请号：201310072421.0，申请日2013年3月“同步带驱动旋转棱镜装置”）中，提出了同步带驱动旋转棱镜的结构。其主要描述了单个棱镜的同步带驱动机构，组成双棱镜系统时需要两套装置对中布置。其伺服电机外置，通过联轴器连接小带轮，不仅占用空间大，造型不美观实用，而且十分容易受到外界干扰，造成元件受扰动，影响控制精度。由于双棱镜分体布置，难以保证较高的同心度，会引起一定的对中误差。此外，其轴承通过挡圈固定，造成装置轴向尺寸增大，棱镜中心距增大，棱镜可用径向尺寸减小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同步带轮驱动的旋转双棱镜集成机构，实现对目标的跟踪扫描和相机视场的扩大。同时，采用同步带轮驱动可以提升棱镜转速，减小噪音，以此克服在先技术的不足之处。

本发明提出的同步带驱动的旋转棱镜集成机构，包括第一夹固环1、上外壳2、第二夹固环23、下外壳24、棱镜与镜框总成和电机及传动机构；其中：

所述棱镜与镜框总成有２个，其结构相同，包括轴用弹性卡簧、两个深沟球轴承、压紧环、大同步轮、楔形块、同步带、楔形棱镜、轴用弹性卡簧和孔用弹性卡簧，楔形棱镜安装于大同步轮内部孔内，楔形棱镜的平面与大同步轮的台阶面相接触，通过楔形块对楔形棱镜压紧安装，楔形块与楔形棱镜相互契合，形成楔形块-棱镜对，楔形块-棱镜对的两侧均为平面，方便安装；大同步轮的内部开有螺纹槽，压紧环通过其上的外螺纹拧入大同步轮内，实现对楔形块-棱镜对的压紧，从而使楔形棱镜和楔形块固定安装；大同步轮的外侧两边对称分布有一个深沟球轴承，深沟球轴承的内圈与大同步轮之间为过盈配合，其一侧抵住大同步轮上加工的轴肩，另一侧通过轴用弹性卡簧进行固定；所述轴用弹性卡簧固定于大同步轮两侧的凹槽内；大同步轮的轮齿上套上同步带即完成棱镜总成的安装；下外壳24所开的槽内安装有两个孔用弹性卡簧，其目的是为了挡两个棱镜与镜框总成的靠内安装的深沟球轴承外圈的一侧；一个深沟球轴承外圈的另一侧由上外壳1和第一夹固环2进行固定，另一个深沟球轴承外圈的另一侧由下外壳24和第二夹固环23进行固定；将两个棱镜与镜框总成对称安装入下外壳24内，合上上外壳2；上外壳2和下外壳24两侧通过螺钉安装第一夹固环1、第二夹固环23，上外壳2和下外壳24侧部通过螺钉相互连接，即完成棱镜与镜框总成的装配；

所述电机及传动机构有两个，每个电机及传动机构分别连接相应的棱镜与镜框总成，电机及传动机构包括底座侧盖、底座、电机座、伺服电机、小同步轮、底座上盖和侧向支承；小同步轮通过径向的紧定螺钉固定于伺服电机的电机轴上。伺服电机通过螺栓螺母安装于电机座上；电机座上开孔为腰形孔，这样在省去了张紧轮的情况下可以对大同步轮和小同步轮的中心距进行调整，从而实现对同步带的张紧；电机座通过螺钉固定于底座上；底座上安装有底座上盖和底座侧盖；底座侧盖处留有开孔，用以引出伺服电机的线及其编码器线；将两个棱镜与镜框总成上垂下的同步带套在相应的电机及传动机构的小同步轮内，通过侧向支承安装固定棱镜与镜框总成，完成同步带驱动的旋转棱镜机构的总体装配。

本发明中，如需调整两个大同步轮和小同步轮的中心距，则可以拆卸底座侧盖，对伺服电机的安装位置进行调整，从而实现同步带的调整与张紧。

本发明中，为了方便两个压紧环的旋入和旋出，在压紧环上均匀的开有两个孔。

本发明中，第一夹固环1、第二夹固环23通过螺钉固定在上外壳2上，实现对每个棱镜与镜框总成上下各一个深沟球轴承外圈的压紧。

本发明中，所述第一夹固环1和第二夹固环23可以采用法兰盘代替，用以在法兰盘上安装相机或激光器等设备，实现功能的扩展。

本发明中，由于双棱镜之间距离越短，通光孔径越大，对棱镜的利用率越高。故采用第一轴用弹性卡簧3、第二轴用弹性卡簧11、第三轴用弹性卡簧13、第四轴用弹性卡簧22，第一孔用弹性卡簧12、第二孔用弹性卡簧14来对轴承进行固定，尽可能缩减装置的轴向尺寸，并有效降低棱镜总成的转动惯量，使之获得更好的加速性能。

本发明中，同样考虑到减小棱镜总成轴向尺寸的因素，轴承也应尽可能的薄。综合性能、尺寸及成本分析，考虑到装置轴向负载极小的情况，选用较薄的深沟球轴承。

本发明中，考虑到减小棱镜总成轴向尺寸的因素，同步带也应尽可能窄。在参考同步带选型标准后，可以采用标准内较窄的同步带。

本发明中，为了适应各种实验、工作需求，第一楔形块8、第二楔形块20与第一楔形棱镜9、第二楔形棱镜16的安装位置可以互换，第一楔形块8、第二楔形块20与第一楔形棱镜9、第二楔形棱镜16也可以替换为不同楔角的楔形棱镜对。

本发明中，外壳采用上下布置而非左右布置。这样的设计可以确保双棱镜有更好的同心度，同时也便于安装。

本发明的有益效果在于：

1.本发明将棱镜对封装入一个壳体中，使得装置更紧凑集中，同时也提高了双棱镜之间的同心度。同时伺服电机与棱镜系统封装入一组外壳内，使得装置结构紧凑，空间占用小且不易受外部因素干扰。

2.本发明采用伺服电机29、31驱动，相比步进电机，其精度较高，且集成有编码器，省去了使用步进电机所需的编码器安装空间和部件。此外，使用编码器可以实时监测棱镜的旋转角度，不仅可以观测记录，也可以反馈信息对棱镜偏转角度，角速度进行精确的闭环控制。

3.本发明采用同步带传动驱动。相比蜗轮蜗杆传动形式，在输出转矩满足需求的情况下，其转速提升许多；相比齿轮传动形式，同步带传动噪音极小，传动平稳，易于调整；同时同步带传动的成本远低于力矩电机驱动，具有更强的实用性。

4.本发明采用卡簧和轴肩对轴承进行压紧，最大程度地减小了装置的轴向尺寸从而提升了对楔形棱镜口径的利用率；简化了装配过程，降低了棱镜总成的转动惯量从而提升了棱镜总成的动力性能。相应的，伺服电机也因负载的降低而可以选择合适的型号，从而避免为了带动较大负载选用大功率电机，从而使装置占用更多空间的情况。

5.本发明的夹固环可以替换为安装相机，激光器等其他设备的法兰盘，从而有效地提升了装置的互换性，使其可以适用于各种实验、工作需求。

6.本发明可以采用两套不同楔角的旋转双棱镜集成机构前后同心布置，构成两组旋转双棱镜机构，即四棱镜的模式，从而进行粗精耦合，实现对平面范围内的对准，跟踪及扫描要求。

附图说明

图1为本发明一种同步带驱动的旋转棱镜机构的总体结构图。

图2为本发明电机与传动机构结构图。

图3为本发明电机与传动机构封装结构图。

图4为本发明一种同步带驱动的旋转棱镜机构的半剖视图。

图中标号：1为第一夹固环，2为上外壳，3为轴用弹性卡簧，4为第一深沟球轴承，5为第一压紧环，6为第一大同步轮，7为第一楔形块，8为第一同步带，9为第一楔形棱镜，10为第二深沟球轴承，11为第二轴用弹性卡簧，12为第一孔用弹性卡簧，13为第一轴用弹性卡簧，14为第二孔用弹性卡簧，15为第三深沟球轴承，16为第二楔形棱镜，17为第二大同步轮，18为第二楔形块，19为第二同步带，20为第二压紧环，21为第四深沟球轴承，22为第二轴用弹性卡簧，23为第二夹固环，24为下外壳，25为第一底座侧盖，26为底座，27为第二底座侧盖，28为第一电机座，29为第一伺服电机，30为第二电机座，31为第二伺服电机，32为第一小同步轮，33为第二小同步轮，34为第一底座上盖，35为第二底座上盖，36为第一侧向支承，37为第二侧向支承。

具体实施方式

下面通过各附图对本发明同步带驱动的旋转棱镜机构作进一步的详述，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为本发明同步带驱动的旋转棱镜机构的总体结构图，图2为本发明电机与传动机构结构图，图3为本发明电机与传动机构封装结构图，图4为本发明一种同步带驱动的旋转棱镜机构的半剖视图。

参见图1，所述棱镜与镜框总成的制作，选定第一楔形棱镜9的楔角，再选配与之对应的第一楔形块7，在第一楔形棱镜9与第一楔形块7之间安装橡胶垫，将二者一同装入第一大同步轮6内。此处为了使双棱镜间距尽可能的小以提高棱镜利用率，楔形块-棱镜对的布置以棱镜的平面侧在内，平面相对的方式进行布置。在安装完第一楔形棱镜9与第一楔形块7之后，通过第一压紧环5上的两个孔，将第一压紧环5旋入第一大同步轮6，实现对第一楔形棱镜9和第一楔形块7的压紧固定。在完成了棱镜的固定安装后，进行第一深沟球轴承4和第二深沟球轴承10的安装。由于第一深沟球轴承4和第二深沟球轴承10内圈为过盈配合，可以先对第一深沟球轴承4和第二深沟球轴承10进行加热，或借助工具将第一深沟球轴承4和第二深沟球轴承10压入第一大同步轮6上的指定位置处。将轴用弹性卡簧装入第一大同步轮6上所开的槽内，实现对第一深沟球轴承4和第二深沟球轴承10内圈的固定。将第一同步带8套入第一大同步轮6上的齿槽内，将两个大同步轮总体装入下外壳24内，使第一同步带8通过下外壳的槽垂下，安装孔用弹性卡簧12固定第一深沟球轴承4和第二深沟球轴承10的外圈，合上上外壳2,两侧安装第一夹固环1对第一深沟球轴承4和第二深沟球轴承10另一侧外圈进行固定，上外壳2和下外壳24连接处通过螺钉进行固定。另一组也采用相同装配方式，即选定第二楔形棱镜16的楔角，再选配与之对应的第二楔形块18，在第二楔形棱镜16与第二楔形块18之间安装橡胶垫，将二者一同装入第二大同步轮17内。此处为了使双棱镜间距尽可能的小以提高棱镜利用率，楔形块-棱镜对的布置以棱镜的平面侧在内，平面相对的方式进行布置。在安装完第二楔形棱镜16与第二楔形块18之后，通过第二压紧环20上的两个孔，将第二压紧环20旋入第二大同步轮17，实现对第二楔形棱镜16和第二楔形块18的压紧固定。在完成了棱镜的固定安装后，进行第三深沟球轴承15和第四深沟球轴承21的安装。由于第三深沟球轴承15或第四深沟球轴承21内圈为过盈配合，可以先对第三深沟球轴承15和第四深沟球轴承21进行加热，或借助工具将轴承压入第二大同步轮17上的指定位置处。将第二轴用弹性卡簧22装入第二大同步轮17上所开的槽内，实现对第三深沟球轴承15和第四深沟球轴承21内圈的固定。将第二同步带19套入第二大同步轮17上的齿槽内，将两个大同步轮总体装入下外壳24内，使第二同步带19通过下外壳的槽垂下，安装第二孔用弹性卡簧22固定第三深沟球轴承15和第四深沟球轴承21的外圈，合上上外壳2，两侧安装第二夹固环1对第二深沟球轴承4另一侧外圈进行固定，上外壳2和下外壳24连接处通过螺钉进行固定。最终完成棱镜-镜框总成的装配。

参见图2，第一伺服电机29、第二伺服电机31通过四组螺栓螺母分别固定在第一电机座28、第二电机座30上。第一电机座28、第二电机座30上开腰形孔，使得第一电机座28、第二电机座30与第一小同步轮32、第二小同步轮33的安装位置可以在竖直方向上进行调节，从而使得整套装置同步轮间的中心距可调，实现在不使用张紧轮的情况下对同步带进行张紧，简化了结构，节省了空间。由于底座26内部空间的限制，第一伺服电机29、第二伺服电机31需要侧向安装以避免电机后部的编码器与第一底座上盖34、第二底座上盖35产生干涉。第一底座侧板25、第二底座侧板27两边留有开孔，用以引出电机线和编码器线与电机驱动器进行连接。

参见图3，第一侧向支承36、第二侧向支承37分别与第一底座上盖34、第二底座上盖35及上外壳２和下外壳24通过四个螺钉进行连接。而第一底座上盖34、第二底座上盖35则通过螺钉与第一底座侧盖25、第二底座侧盖27相连接，第一底座侧盖25、第二底座侧盖27的下侧则与底座26相连接，其螺钉安装孔位于底座的底板上。

参见图4，通过办剖视图可以清晰地看到棱镜-镜框总成与电机与传动机构的布置。

结合图1-图4,本实施例的旋转棱镜的具体转动过程为：伺服电机通过同轴小同步轮驱动传动带，将扭矩传递到大同步轮上。两个第一大同步轮6和第二大同步轮17独立转动，实现旋转双棱镜机构的功能。

所述的同步带驱动的旋转双棱镜机构可以采用两套前后布置的形式，即四棱镜同心布置。第一个旋转双棱镜机构实现粗扫描，第二个旋转双棱镜实现精扫描，从而实现二者粗精耦合，完成平面范围内的对准、跟踪及扫描等要求。两套装置之间距离可调。

Claims (5)

1.同步带驱动的旋转棱镜集成机构，包括第一夹固环（1）、上外壳（2）、第二夹固环（23）、下外壳（24）、棱镜与镜框总成和电机及传动机构；其特征在于：

所述棱镜与镜框总成有２个，其结构相同，包括轴用弹性卡簧、两个深沟球轴承、压紧环、大同步轮、楔形块、同步带、楔形棱镜、轴用弹性卡簧和孔用弹性卡簧，楔形棱镜安装于大同步轮内部孔内，楔形棱镜的平面与大同步轮的台阶面相接触，通过楔形块对楔形棱镜压紧安装，楔形块与楔形棱镜相互契合，形成楔形块-棱镜对，楔形块-棱镜对的两侧均为平面，方便安装；大同步轮的内部开有螺纹槽，压紧环通过其上的外螺纹拧入大同步轮内，实现对楔形块-棱镜对的压紧，从而使楔形棱镜和楔形块固定安装；大同步轮的外侧两边对称分布有一个深沟球轴承，深沟球轴承的内圈与大同步轮之间为过盈配合，其一侧抵住大同步轮上加工的轴肩，另一侧通过轴用弹性卡簧进行固定；所述轴用弹性卡簧固定于大同步轮两侧的凹槽内；大同步轮的轮齿上套上同步带即完成棱镜总成的安装；下外壳（24）所开的槽内安装有两个孔用弹性卡簧，其目的是为了挡两个棱镜与镜框总成的靠内安装的深沟球轴承外圈的一侧；一个深沟球轴承外圈的另一侧由上外壳（1）和第一夹固环（2）进行固定，另一个深沟球轴承外圈的另一侧由下外壳（24）和第二夹固环（23）进行固定；将两个棱镜与镜框总成对称安装入下外壳（24）内，合上上外壳2；上外壳（2）和下外壳（24）两侧通过螺钉安装第一夹固环（1）、第二夹固环（23），上外壳（2）和下外壳（24）侧部通过螺钉相互连接，即完成棱镜与镜框总成的装配；

所述电机及传动机构有两个，每个电机及传动机构分别连接相应的棱镜与镜框总成，电机及传动机构包括底座侧盖、底座、电机座、伺服电机、小同步轮、底座上盖和侧向支承；小同步轮通过径向的紧定螺钉固定于伺服电机的电机轴上；伺服电机通过螺栓螺母安装于电机座上；电机座上开孔为腰形孔，这样在省去了张紧轮的情况下可以对大同步轮和小同步轮的中心距进行调整，从而实现对同步带的张紧；电机座通过螺钉固定于底座上；底座上安装有底座上盖和底座侧盖；底座侧盖处留有开孔，用以引出伺服电机的线及其编码器线；将两个棱镜与镜框总成上垂下的同步带套在相应的电机及传动机构的小同步轮内，通过侧向支承安装固定棱镜与镜框总成，完成同步带驱动的旋转棱镜机构的总体装配。

2.根据权利要求1所述的同步带驱动的旋转棱镜集成机构，其特征在于当需调整两个大同步轮和小同步轮的中心距时，则可以拆卸底座侧盖，对伺服电机的安装位置进行调整，从而实现同步带的调整与张紧。

3.根据权利要求1所述的同步带驱动的旋转棱镜集成机构，其特征在于在压紧环上均匀的开有两个孔，以方便两个压紧环的旋入和旋出。

4.根据权利要求1所述的同步带驱动的旋转棱镜集成机构，其特征在于所述第一夹固环（1）和第二夹固环（23）采用法兰盘代替。

5.根据权利要求1所述的同步带驱动的旋转棱镜集成机构，其特征在于双棱镜之间距离越短，通光孔径越大，对棱镜的利用率越高；故采用第一轴用弹性卡簧（3）、第二轴用弹性卡簧（11）、第三轴用弹性卡簧（13）、第四轴用弹性卡簧（22），第一孔用弹性卡簧（12）、第二孔用弹性卡簧（14）来对轴承进行固定，尽可能缩减装置的轴向尺寸。