CN108761961A - 一种用柔性放大机构实现空间相机调焦的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用柔性放大机构实现空间相机调焦的方法，利用压电驱动元件实现驱动，压电驱动器的位移量目前都在微米量级，通常仅用在高精度的位移驱动上，难以满足毫米量级的调焦需要，因此，在本发明中将其作为位移的输入端；通过杠杆放大作用将其放大，设计合理柔性结构满足结构刚性和柔性，一级放大满足不了放大倍数时，可采用多级放大的方式实现。

Description

一种用柔性放大机构实现空间相机调焦的方法

技术领域

本发明属于机电技术领域，本发明涉及一种用柔性放大机构实现空间相机调焦的方法，即通过一体化柔性放大机构实现将小位移转变为大位移，从而实现在空间环境下，没有运动部件、高可靠的调焦方法。

背景技术

随着遥感技术的快速发展，空间光学载荷在军事和民用领域都得到了广泛应用。为了获取高清晰图像，星下点目标必须准确的成像在感光器件上，但是由于相机装配完成后到在轨应用过程中，经历了力学冲击、振动的发射环境，轨道空间的真空、热等环境后，结构的材料有可能发生变形，装备位置发生微小位移等因素造成相面位置离焦，当前的星载光学相机大都采用调焦机构实现调整焦面至在轨相面位置补偿离焦量，从而实现清晰成像。因此，调焦机构是空间光学相机通用部件，也是关键部件之一。

目前使用的调焦机构，从本质上看，都是通过电机驱动，通过传动机构将旋转运动转化为调焦元件的直线运动，常用的传动系统有螺纹传动、蜗轮蜗杆传动、滚珠丝杠传动以及凸轮传动等，不仅系统复杂，在传动过程中都有不同程度的滚动摩擦和滑动摩擦，由于运动部件在离子辐照、高低温环境下容易发生冷焊，因此，空间载荷尽量少采用运动部件；同时，各个传动零件直接的装配环节在发射环境中容易产生微量的位移，产生应力、误差等不良影响，都会给在轨应用带来隐患；运动部件的采用也大大降低了空间相机的可靠性。

为了实现空间载荷的高可靠性，如何能够在满足应用的前提下实现最少的运动部件，是解决空间光学载荷可靠性的有效途径之一。本专利提出了一种利用压电驱动机构与柔性机构相结合的方法，实现没有运动部件便可实现调焦的方法。

相对于传统的刚性结构而言，柔性结构具有以下优点：①可减少构件数目，无需装配，从而降低了成本；②无需铰链或轴承等运动副，运动和力的传递是利用组成它的的某些或全部构件的变形来实现；③无摩擦，磨损及传动间隙，无效行程小，且不需要润滑，可实现高精度运动，避免污染，提高寿命；④可存储弹性能，自身具有回程反力。⑤易于小型化和大批量生产；⑥易于和其他非机械动力相匹配。由于柔性机构有以上优点，使得它在微机电系统(MEMS),精密定位，无装配设计和仿生机械等领域中得到广泛的应用。作为柔性机构最简单形式之一的柔性铰链具有结构紧凑，体积小，无间隙，无摩擦，无需润滑，运动平滑连续和位移分辨率高(最高可达1nm)等优点，目前已经在航空，宇航，精密测量，光学工程和生物工程领域获得重要的应用。但是由于其反复变形容易引起疲劳破坏，对于具有集中柔性的柔性机构又容易出现应力集中现象，大变形引起的非弹性变形加上其设计和分析的难度，使得它在实际应用中受到一定的限制。

在空间相机中已有的柔性机构设计一般都应用在反射镜的支撑结构上，目的主要是为了减少应力和在振动环境中减振用，未见有在位移放大中的应用报道。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用柔性放大机构实现空间相机调焦的方法。

技术方案

一种用柔性放大机构实现空间相机调焦的方法，其特征在于：所述的柔性放大机构为柔性机构本体上设有第一柔性铰链、第二柔性铰链、第三柔性铰链和第四柔性铰链，其中第四柔性铰链和第二柔性铰链为水平方向设置，第一柔性铰链和第三柔性铰链为垂直方向设置，压电驱动器距离第四柔性铰链为a，距离第三柔性铰链为ma，即一级放大杆长ma；第三柔性铰链位于一级放大杆末端，距离第二柔性铰链的距离为b，距离第一柔性铰链的距离为nb，即二级放大杆长nb，第一柔性铰链连接柔性机构本体的输出端，输出端与焦面组件接触，输出端下与限位块接触，限位块连接弹性元件，弹性元件连接柔性机构本体；步骤如下：

步骤1：需要调焦时，输入电信号，压电驱动器产生竖直方向位移x微米；

步骤2：一级放大杆末端产生竖直方向位移为xm微米；

步骤3：一级放大杆通过第三柔性铰链作用于二级放大杆，在放大xm的基础上，再放大n倍，最后在与焦面机构接触的输出端位移量为xmn微米；

步骤4：断电压电驱动器，限位块对输出端进行限位，使其不回复。

所述的x为5。

有益效果

本发明提出的一种用柔性放大机构实现空间相机调焦的方法，将压电驱动器作为驱动元件，不仅形式简单，而且控制方便。由柔性放大机构将小位移通过多级方法可转变为数百倍放大的位移量。没有运动部件，没有摩擦，没有装配环节，一个零件实现调焦。不仅减少了重量和体积，降低了结构复杂度和成本，更加提高了可靠性。

附图说明

图1柔性调焦机构原理图

1-柔性机构本体，2-压电驱动器，3-限位块，4-弹性元件，5-焦面组件，6-第一柔性铰链，7-第二柔性铰链，8-第三柔性铰链，9-第四柔性铰链。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明利用压电驱动元件实现驱动，压电驱动器的位移量目前都在微米量级，通常仅用在高精度的位移驱动上，难以满足毫米量级的调焦需要，因此，在本发明中将其作为位移的输入端；通过杠杆放大作用将其放大，设计合理柔性结构满足结构刚性和柔性，一级放大满足不了放大倍数时，可采用多级放大的方式实现。

以二级杠杆放大柔性驱动调焦机构为例。柔性机构本体1，采用金属材料一次切割而成；压电驱动器2支撑位置距离第四柔性铰链9的距离为a，距离第三柔性铰链8的距离为ma(即一级放大杆长ma)；考虑到在空间应用中，压电驱动器2一直通电会给增加电系统功耗、产生多余热量、降低可靠性等多种弊端，设计了限位块3和弹性元件4，弹性元件4处于压缩状态，弹性元件4的一端与柔性机构本体1连接，另一端与限位块3连接，限位块3上端面与输出端相接触，用于压电驱动器2产生位移后，卸去驱动(断电)，输出端在限位块的限位下，不会回复，保持焦面组件5的位置不变；为保证结构紧凑，将第二柔性铰链7、第四柔性铰链9分别置于柔性机构本体1左右两端；第三柔性铰链8位于一级放大杆末端，距离第二柔性铰链7的距离为b，距离第一柔性铰链6的距离为nb(即二级放大杆长nb)，沿竖直方向连接二级放大杆；第一柔性铰链6位于二级放大杆末端，连接输出端。其中第一柔性铰链6、第三柔性铰链8的作用为了防止竖直方向偏向力的产生，并起到一种自适应的作用。

工作过程：

过程一：需要调焦时，输入电信号，压电驱动器2产生竖直方向位移，如5微米；

过程二：压电驱动器2支撑位置距离柔性铰链9的距离为a，一级放大杆长ma，则通过一级放大后，一级放大杆末端产生的竖直方向位移为5m微米；

过程三：一级放大杆通过第三柔性铰链8作用于二级放大杆，在放大5m的基础上，再放大n倍，最后在与焦面机构接触的输出端位移量为5mn微米，卸去驱动，输出端在限位块3的限位下，不会回复，保持焦面组件5的位置不变。若m，n均为10，则放大倍数为100倍，位移量为500微米。

Claims (2)

1.一种用柔性放大机构实现空间相机调焦的方法，其特征在于：所述的柔性放大机构为柔性机构本体(1)上设有第一柔性铰链(6)、第二柔性铰链(7)、第三柔性铰链(8)和第四柔性铰链(9)，其中第四柔性铰链(9)和第二柔性铰链(7)为水平方向设置，第一柔性铰链(6)和第三柔性铰链(8)为垂直方向设置，压电驱动器(2)距离第四柔性铰链(9)为a，距离第三柔性铰链(8)为ma，即一级放大杆长ma；第三柔性铰链(8)位于一级放大杆末端，距离第二柔性铰链(7)的距离为b，距离第一柔性铰链(6)的距离为nb，即二级放大杆长nb，第一柔性铰链(6)连接柔性机构本体(1)的输出端，输出端与焦面组件(5)接触，输出端下与限位块(3)接触，限位块(3)连接弹性元件(4)，弹性元件(4)连接柔性机构本体(1)；步骤如下：

步骤1：需要调焦时，输入电信号，压电驱动器(2)产生竖直方向位移x微米；

步骤2：一级放大杆末端产生竖直方向位移为xm微米；

步骤3：一级放大杆通过第三柔性铰链(8)作用于二级放大杆，在放大xm的基础上，再放大n倍，最后在与焦面机构接触的输出端位移量为xmn微米；

步骤4：断电压电驱动器(2)，限位块(3)对输出端进行限位，使其不回复。

2.根据权利要求1所述的一种用柔性放大机构实现空间相机调焦的方法，其特征在于所述的x为5。