CN110761668A - 一种自动切换且可自锁的保护窗装置 - Google Patents

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张洪伟
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Abstract

本发明涉及航空航天光学仪器领域，涉及自动切换且可自锁的保护窗装置，解决光学系统保护窗在极端恶劣的环境下，易损坏或污染的问题。包括至少两组可以供切换的保护窗固定在一个保护窗架上。当保护窗架在齿轮齿条驱动机构的驱动下，由导轨导向机构进行导向平移移动时，可实现多组保护窗的移动切换。采用霍尔传感器进行位置反馈，实现有序的切换及切换的正确性。在传动系统中加入了蜗轮蜗杆传动副，使得该保护窗自动移动切换装置具备在恶劣力学环境下的自锁紧功能。在蜗杆的轴系中，采用两个背对背安装的角接触球轴承，使得蜗杆可以承受较大的轴向力，在自锁时不会将所受到的较大的轴向力进一步传递至电机转轴上，对电机的转子形成了有效的保护。

Description

一种自动切换且可自锁的保护窗装置
技术领域
本发明涉及航空航天光学仪器领域，具体涉及一种用于对航空航天光学仪器窗口进行保护的可自动锁紧的保护窗自动移动切换装置。
背景技术
很多航空航天光学仪器在使用中，为防止其裸露的光学系统直接遭受太空辐射、极端高低温冲击、多余物污染、碎片撞击等风险，从而使其无法正常工作或者使用寿命下降，解决措施通常是在光学系统的前端设计一个保护窗装置对光学系统进行有效的防护。
保护窗通常采用透光率较高的光学玻璃材料，但是在有些极端恶劣的环境下，保护窗玻璃也很容易遭到损坏或者污染，从而影响光学系统的正常工作。
发明内容
为了解决光学系统保护窗在极端恶劣的环境下，易损坏或污染的问题，本发明提供了一种自动切换且可自锁的保护窗装置，适用于对各种航空航天光学仪器窗口的保护，且具有较高的可靠性和安全性。
本发明从增加保护窗的数量出发，当当前保护窗损坏或污染时，能够及时更换其它保护窗，对光学系统实现有效的防护。为了实现保护窗玻璃的切换，通常都会采用运动机构。当保护窗切换完成后，在恶劣的力学振动、冲击环境下还必须保证保护窗玻璃不会因运动机构的存在而发生移动。
因此，驱动保护窗切换的运动机构必须具备自动锁紧功能。通常采用电机进行驱动的运动机构，电机不可能一直加电，而不加电时电机的保持力矩过小，远不能实现恶劣力学环境下运动机构的锁紧功能。如果采用锁紧销或者其它锁紧开关类的机构进行锁紧，那么锁紧销或者锁紧开关在恶劣力学环境下的可靠性、安全性又很难保证，且运动机构将变的更加复杂。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是提供一种自动切换且可自锁的保护窗装置，其特殊之处在于：包括光窗组件、保护窗架、导轨导向机构、齿轮齿条驱动机构、蜗轮蜗杆自动锁紧传动机构、霍尔位置反馈机构及支撑壳体；
所述光窗组件包括至少两组保护窗，至少两组保护窗沿保护窗宽度方向依次固定在保护窗架上；
所述导轨导向机构设置在保护窗架与支撑壳体之间；所述齿轮齿条驱动机构与蜗轮蜗杆自动锁紧传动机构位于支撑壳体上；所述齿轮齿条驱动机构与保护窗架固连，在蜗轮蜗杆自动锁紧传动机构的驱动下带动保护窗架沿导轨导向机构的导向方向平移，可实现多组保护窗的移动切换，定义导向方向与保护窗的宽度方向一致；
所述霍尔位置反馈机构包括至少两组霍尔传感器及至少两组磁钢；所述至少两组霍尔传感器固定在支撑壳体上，所述至少两组磁钢设置在保护窗架上；或至少两组霍尔传感器设置在保护窗架上，所述至少两组磁钢固定在支撑壳体上；相邻两组霍尔传感器及相邻两组磁钢之间的间距相等，且与保护窗的宽度相等，霍尔传感器能够感应磁钢的信号。
进一步地，所述导轨导向机构包括大滑块一、大导轨一、大滑块二与大导轨二，其中大导轨一与大导轨二分别固定在支撑壳体的相对两端，大滑块一与大滑块二分别固定在保护窗架相对两端；大滑块一与大滑块二在外力带动下能够分别沿两组大导轨一与大导轨二在同一方向平移。
进一步地，为了确保在恶劣力学环境下保护窗架不会断裂，所述导轨导向机构还包括至少一组小导轨一与小滑块一，所述小导轨一固定在支撑壳体的中部，小滑块一固定在保护窗架的中部；小滑块一在外力带动下能够沿小导轨一导向方向平移，所述小导轨一的方向与大导轨一方向一致。
进一步地，为了调整大导轨一与大导轨二的高度，所述大导轨一与支撑壳体之间设有导轨垫。
进一步地，蜗轮蜗杆自动锁紧传动机构包括电机、蜗轮、蜗杆、齿轮轴及齿轮座；
蜗轮与蜗杆组成蜗杆蜗轮传动副；所述电机通过电机座固定在支撑壳体上，所述蜗杆的一端通过电机轴压板压紧在电机的转轴上，所述蜗杆的另一端通过两个背对背安装的角接触球轴承固定在电机座上；
所述齿轮座固定在电机座上，齿轮轴通过两个深沟球轴承固定在齿轮座上，齿轮轴的一端固定蜗轮，另一端固定齿轮齿条驱动机构中的齿轮。所述传动系统中加入了蜗轮蜗杆传动副，使得该保护窗自动移动切换装置具备了自锁紧功能。当该保护窗自动移动切换装置受到较大的外界加速度、冲击或者振动时，蜗轮蜗杆副都会将传动系统牢牢锁紧，保护窗架不会相对支撑壳体发生任何的移动。
进一步地，为了调整齿轮座与电机座的相对位置，所述齿轮座与电机座的配合面之间设有调整垫。
进一步地，所述齿轮齿条驱动机构包括齿轮、齿条、小滑块二、小导轨二及连接板；所述齿轮与齿条组成齿轮齿条运动副；可以将转动转化为直线移动。
所述小导轨二固定在支撑壳体上，所述小导轨二的方向与大导轨一方向一致；所述齿条的一端与保护窗架连接，另一端通过连接板与小滑块二连接，小滑块二在外力的带动下能够沿小导轨二方向平移。
进一步地，所述霍尔位置反馈机构还包括霍尔座与磁钢座，所述霍尔传感器通过霍尔座固定在支撑壳体上，所述磁钢通过磁钢座固定在保护窗架上。
进一步地，所述保护窗为三组。
进一步地，为了降低功耗，蜗轮蜗杆传动比为1：32。
本发明与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、现有技术通常采用锁紧销或者其它锁紧开关类的机构进行锁紧，而锁紧销或者锁紧开关在恶劣力学环境下的可靠性、安全性又很难保证，且运动机构将变的更加复杂。本发明充分利用了蜗轮蜗杆副的自锁特性，使得传动系统变得简单可靠。与现有技术相比，即便该保护窗自动移动切换装置受到再大的外界加速度、冲击或者振动，蜗轮蜗杆副都会将传动系统牢牢锁紧，保护窗架不会相对支撑壳体发生任何的移动，保护窗则始终在入光口的正上方，不会出现保护窗偏移而挡光的情况。
2、本发明采用霍尔传感器进行位置反馈，能实现保护窗组件的位置定位，从而实现有序准确切换，保证了保护窗切换的正确性。根据工作原理及使用经验知，在恶劣力学环境和热学环境下，霍尔传感器的可靠性和安全性远高于传统位置反馈器件光电开关。因此，本发明在位置反馈功能上比现有技术有更高的可靠性和安全性。
3、蜗轮蜗杆副自身有自锁能力，蜗杆可以驱动蜗轮转动，而蜗轮不能反向驱动蜗杆转动。本发明创新性的在传动系统中加入了蜗轮蜗杆副传动环节，使得该保护窗自动移动切换装置具备了自锁紧功能。
4、本发明在传动系统中增加了蜗轮蜗杆副，其传动比可以达到1：32，较大的传动比使得所需的电机输出力矩大大降低，电机的功耗和体积也得以减小。本发明在蜗杆的轴系中，采用两个背对背安装的角接触球轴承，使得蜗杆可以承受较大的轴向力，而不将此轴向力进一步传递至电机转轴上，对电机的转子形成了有效的保护，提高了电机的可靠性和安全性。
附图说明
图1是本发明一个实施例中可自锁的保护窗移动切换装置示意图；
图2是实施例齿轮齿条驱动机构的构成示意图；
图3a是实施例蜗轮蜗杆自动锁紧传动机构的俯视结构示意图；
图3b是图3a中沿B-B线的剖视图；
图3c是图3a中沿A-A线的剖视图；
图4a是实施例霍尔位置反馈机构的构成示意图；
图4b是实施例霍尔位置反馈机构的剖视示意图；
其中附图标记为：1-导轨导向机构、2-齿轮齿条驱动机构、3-蜗轮蜗杆自动锁紧传动机构、4-霍尔位置反馈机构、5-支撑壳体、6-保护窗架、7-第一组保护窗、8-第二组保护窗、9-第三组保护窗；
11-大滑块一、12-大导轨一、13-大滑块二、14-大导轨二、15-小滑块一、16-小导轨一、17-小滑块二、18-小导轨二、19-小导轨座、110-大导轨垫、21-齿条、22-齿轮、23-齿轮轴、24-连接板；
31-电机座、32-齿轮座、33-深沟球轴承、34-蜗轮、35-蜗杆、36-角接触球轴承、37-电机、38-电机轴压板、39-调整垫；
41-霍尔座、42-霍尔传感器、43-磁钢、44-磁钢压板、45-磁钢座。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
结合图1，本实施例可自锁的保护窗自动移动切换装置结构组成主要有：导轨导向机构1、齿轮齿条驱动机构2、蜗轮蜗杆自动锁紧传动机构3、霍尔位置反馈机构4、支撑壳体5、保护窗架6、第一组保护窗7、第二组保护窗8、第三组保护窗9。在其他实施例中可包括至少两组可以供切换的保护窗，本实施例中第一组保护窗7、第二组保护窗8、第三组保护窗9分别固定在保护窗架6上，且沿保护窗宽度方向依次固定。当保护窗架6在齿轮齿条驱动机构2的驱动下，由导轨导向机构1进行导向平移移动时，导向平移方向与保护窗的宽度方向一致，可实现多组保护窗的移动切换。
同一功能的构件尽量采用同一结构形式，部分采用相同的零件，此种结构形式降低了系统组成的复杂性，减少了零件种类，降低了零件的加工成本。由于所述实施例光学仪器有七个并列的入光口，因此每一组保护窗由七块保护窗玻璃组成。
导轨导向机构1包括大滑块一11、大导轨一12、大滑块二13、大导轨二14、小滑块一15、小导轨一16、大导轨垫110。
大滑块一11和大滑块二13分别通过螺钉固定在保护窗架6的两边，大导轨一12和大导轨二14分别与支撑壳体5通过螺钉固定连接，大滑块一11和大滑块二13可分别在大导轨一12和大导轨二14上沿某一个特定方向平移滑动。保护窗架6的六个自由度中有五个被约束，仅有一个方向的平移移动自由度不受约束。通过大导轨进行导向，保护窗架6可以相对支撑壳体5沿某一个特定方向平移滑动。本实施例在大导轨一12与支撑壳体5之间及大导轨二14与支撑壳体5之间均设计有大导轨垫110。通过修切大导轨垫110的厚度，可以调整大导轨一12与大导轨二14的高度，保证其二者高度差为零，这样保护窗架6不会因两边高度不一致而被拉变形，同时滑块与导轨之间的相互作用力也较小，滑动时有较小的阻力。
由于保护窗架6过长，如果仅在两边通过导轨滑块副进行支撑，保护窗架6的中部强度较差，易发生较大形变，在恶劣力学环境下甚至会断裂。因此，本实施例在保护窗架6的中部增加了一组导轨滑块副(小滑块一15和小导轨一16)进行支撑。小滑块一15通过螺钉固定连接在保护窗架6的中部，小导轨一16与支撑壳体5通过螺钉固定连接，小滑块一15可以在小导轨一16上平移滑动。
结合图2，齿轮齿条驱动机构2包括齿条21、齿轮22、连接板24、小滑块二17、小导轨二18与小导轨座19。小滑块二17通过螺钉固定在连接板24上，连接板24通过螺钉固定在齿条21的一头，小导轨二18与小导轨座19通过螺钉固定连接，小导轨座19通过螺钉固定在支撑壳体5上。小滑块二17可以在小导轨二18上平移滑动。小滑块二17和小导轨二18为齿条21的一头提供了可滑动的支撑。齿轮22与齿条21组成了齿轮齿条运动副，可以将转动转化为直线移动。
当齿轮轴23转动时，齿轮22同步转动，可带动齿条21直线移动。齿条21的一头固定在连接板24上，另一头用螺钉与保护窗架6的中部固定连接，当齿条直线移动时，可推动保护窗架6移动，实现保护窗的平移切换。
结合图3a图3b及图3c，蜗轮蜗杆自动锁紧传动机构3包括电机座31、齿轮座32、齿轮轴23、深沟球轴承33、蜗轮34、蜗杆35、角接触球轴承36、电机37、电机轴压板38、调整垫39。
电机座31通过螺钉固定在支撑壳体5上，电机37固定在电机座31上，齿轮座32固定在电机座31上。齿轮轴23通过两个深沟球轴承33固定在齿轮座32上，齿轮轴23可相对齿轮座32转动。齿轮22固定在齿轮轴23的一头，蜗轮34固定在齿轮轴23的另一头。当蜗轮34转动时，齿轮轴23和齿轮22同步转动。蜗杆35一头通过两个背对背安装的角接触球轴承36固定在电机座31上，另一头通过电机轴压板38压紧在电机37的转轴上。蜗杆35可相对电机座31转动，当电机37的转轴转动时，蜗杆35进行同步转动。蜗轮34与蜗杆35组成蜗杆蜗轮传动副，蜗杆35转动时会驱动蜗轮34转动，传动比为1:32。当蜗杆35不转动时，蜗轮34被锁紧，不能通过外力使蜗轮34转动并反向驱动蜗杆35转动。齿轮座32通过螺钉固定在电机座31上，在齿轮座32与电机座31的配合面之间有调整垫39。通过修切调整垫39的厚度，可以调整齿轮座32与电机座31的相对位置，进一步可以实现对蜗轮34与蜗杆35中心距的调整，保证蜗杆蜗轮副传动时平滑顺畅。
结合图4a及图4b，霍尔座41固定在支撑壳体5上，霍尔传感器42通过螺纹配合固定在霍尔座41内。磁钢座45固定在保护窗架6上，磁钢43被磁钢压板44压紧在磁钢座45内。当保护窗架6相对支撑壳体5移动时，磁钢43也会相对霍尔传感器42移动。当磁钢43刚好移动到霍尔传感器42的正上方时(此时某一组保护窗刚好移动到入光口处)，霍尔传感器42就会有感应信号反馈，即实现位置反馈。由于有三组保护窗，移动过程中需要三个位置反馈，因此有三个霍尔传感器42分别固定在对应的位置上。
具体切换过程如下：
结合图3a、图3b及图3c，当电机37通电并接受到转动输出指令后，电机37的转轴开始转动，带动蜗杆35进行同步转动，蜗杆35转动时同步驱动蜗轮34转动。当蜗轮34转动时，齿轮轴23和齿轮22也同步转动。
结合图2，当齿轮22转动时，可带动齿条21做直线移动。当齿条直线移动时，可推动保护窗架6沿导轨方向做直线移动，实现保护窗的平移。
当保护窗架6相对支撑壳体5移动时，磁钢43也会相对霍尔传感器42移动。根据设计布局，当某一组保护窗刚好移动到入光口处时，磁钢43也刚好移动到某一个对应的霍尔传感器42的正上方。此时霍尔传感器42就会有感应信号向控制系统反馈，该反馈信号即表示新一组的保护窗已经移动到正确位置。
收到反馈信号的控制系统停止向电机供电，电机转轴转动停止。失去驱动力后，保护窗架6相对支撑壳体5的平行移动也停止，此时一次保护窗的自动切换即完成。
蜗轮蜗杆副自身有自锁能力：即当蜗杆35转动时会驱动蜗轮34转动，而反过来当蜗杆35没有受到驱动力而转动时，即便蜗轮34受到再大的转动驱动力，也无法反向驱动蜗杆35转动，此时蜗轮34也不会发生丝毫转动。
本发明创新性的在传动系统中加入了蜗轮蜗杆副传动环节，使得该保护窗自动移动切换装置具备了自锁紧功能。当电机37转轴转动驱动蜗杆35转动时，可以最终驱动保护窗架6相对支撑壳体5进行平行移动。当保护窗不需要进行移动切换时，电机37转轴不转动无驱动输出时，蜗杆35也不发生转动。此时即便该保护窗自动移动切换装置受到再大的外界加速度、冲击或者振动，蜗轮34也无法反向驱动蜗杆35转动。从而所有的运动件都保持不动，保护窗架6不会相对支撑壳体5发生任何的移动，保护窗则始终在入光口的正上方，不会出现保护窗偏移而挡光的情况。即该保护窗自动移动切换装置具备自锁紧功能。
结合图3a图3b及图3c，蜗杆35一头通过两个背对背安装的角接触球轴承36固定在电机座31上，另一头通过电机轴压板38压紧在电机37的转轴上。两个背对背安装的角接触球轴承36使得轴系可以承受较大的轴向力。由受力分析知，当该保护窗自动移动切换装置受到较大的外界加速度、冲击或者振动时，蜗杆将会受到较大的轴向力。采用两个背对背安装的角接触球轴承36，使得蜗杆35可以承受较大的轴向力，而不将此轴向力传递至电机转轴上，对电机转子形成了有效的保护。

Claims (10)

1.一种自动切换且可自锁的保护窗装置，其特征在于：包括光窗组件、保护窗架(6)、导轨导向机构(1)、齿轮齿条驱动机构(2)、蜗轮蜗杆自动锁紧传动机构(3)、霍尔位置反馈机构(4)及支撑壳体(5)；
所述光窗组件包括至少两组保护窗，至少两组保护窗沿保护窗宽度方向依次固定在保护窗架(6)上；
所述导轨导向机构(1)设置在保护窗架(6)与支撑壳体(5)之间；所述齿轮齿条驱动机构(2)与蜗轮蜗杆自动锁紧传动机构(3)位于支撑壳体(5)上；所述齿轮齿条驱动机构(2)与保护窗架(6)固连，在蜗轮蜗杆自动锁紧传动机构(3)的驱动下带动保护窗架(6)沿导轨导向机构(1)的导向方向平移，定义导向方向与保护窗的宽度方向一致；
所述霍尔位置反馈机构(4)包括至少两组霍尔传感器(42)及至少两组磁钢(43)；所述至少两组霍尔传感器(42)固定在支撑壳体(5)上，所述至少两组磁钢(43)设置在保护窗架(6)上；或至少两组霍尔传感器(42)设置在保护窗架(6)上，所述至少两组磁钢(43)固定在支撑壳体(5)上；相邻两组霍尔传感器(42)及相邻两组磁钢(43)之间的间距相等，且与保护窗的宽度相等，霍尔传感器(42)能够感应磁钢(43)的信号。
2.根据权利要求1所述的自动切换且可自锁的保护窗装置，其特征在于：所述导轨导向机构(1)包括大滑块一(11)、大导轨一(12)、大滑块二(13)与大导轨二(14)；其中大导轨一(12)与大导轨二(14)分别固定在支撑壳体(5)的相对两端，大滑块一(11)与大滑块二(13)分别固定在保护窗架(6)相对两端；大滑块一(11)与大滑块二(13)在外力带动下能够分别沿大导轨一(12)与大导轨二(14)在同一方向平移。
3.根据权利要求2所述的自动切换且可自锁的保护窗装置，其特征在于：所述导轨导向机构(1)还包括至少一组小导轨一(16)与小滑块一(15)，所述小导轨一(16)固定在支撑壳体(5)的中部，小滑块一(15)固定在保护窗架(6)的中部；小滑块一(15)在外力带动下能够沿小导轨一(16)导向方向平移，所述小导轨一(16)的方向与大导轨一(12)方向一致。
4.根据权利要求3所述的自动切换且可自锁的保护窗装置，其特征在于：所述大导轨一(12)与支撑壳体(5)之间设有大导轨垫(110)。
5.根据权利要求3所述的自动切换且可自锁的保护窗装置，其特征在于：蜗轮蜗杆自动锁紧传动机构(3)包括电机(37)、蜗轮(34)、蜗杆(35)、齿轮轴(23)及齿轮座(32)；
蜗轮(34)与蜗杆(35)组成蜗杆蜗轮传动副；所述电机(37)通过电机座(31)固定在支撑壳体(5)上，所述蜗杆(35)的一端通过电机轴压板压紧在电机的转轴上，所述蜗杆(35)的另一端通过两个背对背安装的角接触球轴承(36)固定在电机座(31)上；
所述齿轮座(32)固定在电机座(31)上，齿轮轴(23)通过两个深沟球轴承(33)固定在齿轮座(32)上，齿轮轴(23)的一端固定蜗轮(34)，另一端固定齿轮齿条驱动机构(2)中的齿轮(22)。
6.根据权利要求5所述的自动切换且可自锁的保护窗装置，其特征在于：所述齿轮座(32)与电机座(31)的配合面之间设有调整垫(39)。
7.根据权利要求5所述的自动切换且可自锁的保护窗装置，其特征在于：
所述齿轮齿条驱动机构(2)包括齿轮(22)、齿条(21)、小滑块二(17)、小导轨二(18)及连接板(24)；所述齿轮(22)与齿条(21)组成齿轮齿条运动副；
所述小导轨二(18)固定在支撑壳体(5)上，所述小导轨二(18)的方向与大导轨一方向一致；所述齿条(21)的一端与保护窗架(6)连接，另一端通过连接板(24)与小滑块二(17)连接，小滑块二(17)在外力的带动下能够沿小导轨二(18)方向平移。
8.根据权利要求7所述的自动切换且可自锁的保护窗装置，其特征在于：所述霍尔位置反馈机构(4)还包括霍尔座(41)与磁钢座(45)，所述霍尔传感器(42)通过霍尔座(41)固定在支撑壳体(5)上，所述磁钢(43)通过磁钢座(45)固定在保护窗架(6)上。
9.根据权利要求8所述的自动切换且可自锁的保护窗装置，其特征在于：所述保护窗为三组。
10.根据权利要求9所述的自动切换且可自锁的保护窗装置，其特征在于：蜗轮蜗杆传动比为1：32。
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