CN110925356A - 一种调压减振致稳光学平台装置 - Google Patents

一种调压减振致稳光学平台装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种调压减振致稳光学平台装置，包括光学平台、减振器、气压控制器和缓冲限位器；光学平台与减振器连接，减振器：用于光学平台的减振；减振器通过内部管路与气压控制器相连，气压控制器用于实时控制减振器内部气体压力；缓冲限位器设置于光学平台四周，缓冲限位器在运动载体突发姿态变化时，对光学平台进行缓冲限位保护。本发明针对现有地面实验室级光学平台不能根据载荷变化动态可调的不足，而提供一种调压减振致稳光学平台装置。本发明有效提高了运动载体光学平台的稳定性，提高了光学系统的全任务周期的环境适应能力，解决了光学系统高频振动的隔离和低频共振峰抑制问题以及运动载体突发姿态变化时的缓冲限位问题。

Description

一种调压减振致稳光学平台装置
技术领域
本发明涉及的是运动载体的精密光学减振致稳技术领域，尤其是精密光学仪器在全任务剖面的高频减振和载体运动突发姿态变化的致稳技术，具体涉及一种调压减振致稳光学平台装置。
背景技术
受限于运动载体平台承载质量、现有设备布局，光学系统需要轻量化、集中式布局才能满足设计要求；光学系统为实验室设备，对运动环境下的振动冲击环境没有考核验证，因此光学平台装置需要保证运动载体运行全过程光学系统的安全性；为保证光学系统视场范围，较重的光学系统尽可能的靠近载体侧舱壁，导致光学平台的载荷质量分布严重不均衡，因此需要按照载荷分布自适应减振器气压控制。为了实现高频振动衰减和低频共振峰抑制，需要有减振器的附加气室，在有限的载荷和安装空间内，将附加气室内置在光学平台内，实现了附加气室与平台一体化设计。
发明内容
本发明的目的，就是针对现有地面实验室级光学平台不能根据载荷变化动态可调的不足，而提供一种调压减振致稳光学平台装置的技术方案。该方案结合了减振器高频减振与缓冲器冲击致稳的设计技术，有效提高运动载体光学平台的稳定性，提高了光学系统的全任务周期的环境适应能力，解决光学系统高频振动的隔离和低频共振峰抑制问题，以及运动载体突发姿态变化时的缓冲限位问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种调压减振致稳光学平台装置，包括光学平台、减振器、气压控制器和缓冲限位器；光学平台与减振器连接，减振器：用于光学平台的减振；减振器通过内部管路与气压控制器相连，气压控制器用于实时控制减振器内部气体压力；缓冲限位器设置于光学平台四周，通过缓冲限位器对光学平台四周进行约束，在运动载体突发姿态变化时，对光学平台进行缓冲限位保护。
作为优选方式，光学平台内部设置若干独立附加气室，独立附加气室作为减振器的附加气室。每个附加气室连接到气源设备上，附加气室的气压由气压控制器进行调节。
作为优选方式，减振器采用下沉式安装方式固定在安装平台上。
作为优选方式，光学平台采用航空铝制作，既保证平台的刚度，又兼顾了经济成本。
作为优选方式，减振器为袖筒式空气弹簧。该减振器本身横向刚度较低，在空气弹簧外部增加防护罩以提供足够的横向刚度。
作为优选方式，减振器采用倾斜50°-70°安装(比如60°安装)。利用减振器轴向刚度构建平台的横向刚度，以提高平台以保证平台稳定性及安全性。根据光学平台工作设计的减振器，通过倾斜50°-70°的安装角度，既可以保证平台的稳定性，又可以隔离运动载体平稳运行时的振动。
作为优选方式，减振器的两端设置第一安装板和第二安装板，第一安装板和第二安装板上均设置倾斜50°-70°的斜撑，袖筒式空气弹簧分别与第一安装板和第二安装板的斜撑固定。
作为优选方式，光学平台截面为矩形，在光学平台的四个顶角上分别设置一对减振器，每对减振器的相应减振器的倾斜方向均朝向减振器对应的光学平台顶角。
作为优选方式，光学平台的高度控制误差控制在±2mm，对应光学系统出口光轴变化约10′，才不会超出光学系统视场角。
作为优选方式，缓冲限位器包括固定座、缓冲垫和调整压块；缓冲限位器的固定座与光学平台相对的面粘贴上缓冲垫，缓冲限位器调整压块与光学平台相对的面粘贴上缓冲垫。
本发明的有益效果是：本发明针对现有地面实验室级光学平台不能根据载荷变化动态可调的不足，而提供一种调压减振致稳光学平台装置的技术方案。该方案结合了减振器高频减振与缓冲器冲击致稳的设计技术，有效提高了运动载体光学平台的稳定性，提高了光学系统的全任务周期的环境适应能力，解决了光学系统高频振动的隔离和低频共振峰抑制问题，以及运动载体突发姿态变化时的缓冲限位问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为光学系统安装结构示意图之一；
图2为光学系统安装结构示意图之二；
图3为光学系统安装结构示意图之三；
图4为光学系统安装结构示意图之四；
图5为减振器的安装示意图；
图6为减振器和附加气室的结构示意图；
图7为光学平台前12阶模特；
图8为光学系统质心分布示意图；
图9为减振器剖视结构示意图；
图10为减振器结构示意图；
图11为减振器分组示意图；
图12为自动调压控制流程示意图；
图13为缓冲限位器布置示意图；
图14为缓冲限位器A结构示意图之一；
图15为缓冲限位器A结构示意图之二；
图16为缓冲限位器A结构示意图之三；
图17为图14的A-A向示意图；
图18为图16的B-B向示意图；
图19为图16的C-C向示意图；
图20为图14的D向示意图；
图21为缓冲限位器B结构示意图之一；
图22为缓冲限位器B结构示意图之二；
图23为图22的B-B向示意图；
图24为缓冲限位器B结构示意图之三；
图中，1-缓冲限位器A，2-减振器，3-光学平台，4-安装平台，5-气压控制器，6-缓冲限位器B，7-光学系统，8-固定座，9-缓冲垫，10-调整压块。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，如果含有术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，如果存在第一特征在第二特征之上或之下，可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。如果存在第一特征在第二特征之下、下方和下面，包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例一
如图1-图5所示，一种调压减振致稳光学平台3装置，包括轻质光学平台3、减振器2、气压控制器5和缓冲限位器；光学平台3与减振器2连接，减振器2：用于光学平台3的减振；减振器2通过内部管路与气压控制器5相连，气压控制器5用于实时控制减振器2内部气体压力；缓冲限位器设置于光学平台3四周，通过缓冲限位器对光学平台3四周进行约束，在运动载体突发姿态变化时，对光学平台3进行缓冲限位保护。
光学平台3内部设置若干独立附加气室，独立附加气室作为减振器2的附加气室(如图6中的B，图6中的A为减振器安装位置)。每个附加气室连接到气源设备上，附加气室的气压由气压控制器5进行调节。轻质光学平台3内部为分组独立附加气室设计，该结构可以保证光学平台3整体具有较好的刚度，而在平台内部设计几组独立附加气室，其分组调压由平台上光学系统7的质量分布决定。光学系统7由四部分组成，质心跟四部分的质量大小和质心位置有关，具体如图8所示。光学平台3内部采用分区优化网格支撑，即将光学平台3内部划分为一个个网格空间；通过网格优化，与实体结构相比减重率可以超过75％。
根据光学平台3及其负载光学系统7质心分布，减振器2(减振器2的结构如图9所示)及其附加气室分成三组控制，如图6的B部分，通过调节每组减振器2压力实现光学平台3的高度控制。左侧的第一减振器2和第二减振器2分为一组，图上的第三减振器2、第四减振器2、第五减振器2、第六减振器2分为一组，剩下的第七减振器和第八减振器2分为一组，具体如图11所示，图中分别标注为I、II和III。三组减振器2工作压力根据光学平台3和光学系统7设定压力范围，试验开始时压力控制器5对三组减振器充气。当每组减振器2压力到各自设定范围后，压力控制器5根据内置的倾角传感器，检测平台的倾斜角度，适时调整每组压力，保证光学平台3的高度差在设计范围(2mm)之内，实现了光路整体倾斜不超出光学系统7视场范围要求。通过自适应调压控制技术，自动调压控制流程示意图如图12所示，既保证减振器2的高频振动隔离(20H在以上衰减20dB)，又实现了减振器2的低频共振峰抑制功能。
系统启动后，手动解除缓冲限位器A和B，气压控制器5监测三组减振器2的的压力情况，同时通过倾角传感器检测光学平台3的水平倾角；根据光学平台3四角高度差换算的光学平台3的倾角大小，气压控制器5判断是否需要对三组减振器2进行充放气；气压控制器5自动调整三组减振器2的压力，使三组减振器2的压力在设定的压力范围之内，同时判断光学平台3的水平倾角，光学平台3是否达到设定的高度；如果光学平台3达到设定高度差范围，即完成自适应调压，可以开展试验；如果光学平台3没有达到设定的高度差，重新进行自动调压流程，直到光学平台3达到设定的高度差，才能开展试验；在试验过程中，气压控制器5一直监测三组减振器2的压力变化，判断三组减振器2是否在压力范围之内，如果没在范围之内，进入自动调压流程；如果三组减振器2的压力一直在设定的压力范围之内，直到试验结束；试验结束后，手动施加缓冲限位器A1和缓冲限位器B6，然后系统停止。
光学平台3截面为矩形，在光学平台3的四个顶角上分别设置一对减振器2，每对减振器2的相应减振器2的倾斜方向均朝向减振器2对应的光学平台3顶角。第一减振器2和第三减振器2为一对，第二减振器2和第六减振器2为一对，第四减振器2和第五减振器2为一对，第七减振器和第八减振器2为一对。
本发明通过减振器2进行减振，再通过设置的缓冲限位器对光学平台3进行限位，起到了很好的调压减振致稳的效果。
实施例二
本实施例与实施例一相似，其不同之处在于：
减振器2采用下沉式安装方式固定在安装平台4上。采用下沉式安装，能够降低光学平台3的重心，可以保证光学系统7光轴中心与可视窗口中心高度尽可能一致。如图6所示的A部分，减振器2主要对光学平台3的四个角进行支撑减振。
光学平台3上的光学系统7皆为地面试验设备，不能改变设备的外形尺寸和设备重量，只能减小光学平台3及减振致稳系统重量。通过综合比较几种适宜的工程应用材料，优选航空铝作为光学平台3材料，既保证平台的刚度，又兼顾了经济成本。
减振器2为袖筒式空气弹簧，该减振器2本身横向刚度较低，在空气弹簧外部增加防护罩以提供足够的横向刚度。
减振器2采用倾斜50°-70°安装(比如60°安装)。利用减振器2轴向刚度构建平台的横向刚度，以提高平台以保证平台稳定性及安全性。根据光学平台3工作高度定制减振器2，通过倾斜60°的安装角度，既可以保证平台的稳定性，又可以隔离运动载体平稳运行时的振动。减振器2的具体尺寸如图8所示。减振器2性能参数如表1所示。
表1减振器2性能参数
项目 减振器2垂向载荷/2.9kN
内压(MPa，±10％) 0.46
垂向静刚度(N/mm，±10％，振幅10mm) 17
垂向频率Hz 1.20
横向静刚度(N/mm，±10％，振幅5mm) 36
横向频率Hz 1.76
减振器2的两端设置第一安装板和第二安装板，如图10所示，第一安装板和第二安装板上均设置倾斜50°-70°的斜撑，袖筒式空气弹簧分别与第一安装板和第二安装板的斜撑固定。
优化设计后光学平台3的刚度(一阶固有频率283Hz)保证了光路一致性。平台四个角点的高度差会产生光学系统7整体倾斜量，不影响光路的整体一致性。但是过大的高度差会引出光学系统7超出视场角问题，因此光学平台3的高度控制误差控制在±2mm，对应光学系统7出口光轴变化约10′，才不会超出光学系统7视场角。高度误差值的计算依据为：图8中光学平台3台面尺寸2000mm×1500mm，平台的高度误差±2mm，假定极限情况下，平台长边一侧为+2mm，另一侧为-2mm，平台的倾斜量角度为(2/750)*57.3*60≈9.2′。因此设定光学系统7出口光轴10′与光学平台3高度控制误差±2mm对应。
光学平台3在运动载体机动转弯过程中，受缓冲限位器约束，平台不会出现失稳。在载体突发姿态变化过程中，缓冲限位器可以有效减缓冲击，保护光学系统7。
缓冲限位器包括固定座8、缓冲垫9和调整压块10；缓冲限位器的固定座8与光学平台3相对的面粘贴上缓冲垫9，缓冲限位器调整压块10与光学平台3相对的面粘贴上缓冲垫9。缓冲限位器包括缓冲限位器A1和缓冲限位器B6，其具体安装结构如图13所示。在光学平台3的三个角外围设置缓冲限位器A1，缓冲限位器A1的结构如图14-图20所示，一个缓冲限位器A1设置三个缓冲面，在另一个角外围的两侧分别设置缓冲限位器B6，缓冲限位器B6的结构如图21-图24所示，一个缓冲限位器B6设置两个缓冲面。
通过以上技术方案提高了光学平台3刚度，光学平台3的前12阶特征频率如图7所示。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种调压减振致稳光学平台装置，其特征在于：包括光学平台、减振器、气压控制器和缓冲限位器；光学平台与减振器连接，减振器：用于光学平台的减振；减振器通过内部管路与气压控制器相连，气压控制器用于实时控制减振器内部气体压力；缓冲限位器设置于光学平台四周，通过缓冲限位器对光学平台四周进行约束，在运动载体突发姿态变化时，对光学平台进行缓冲限位保护。
2.根据权利要求1所述的一种调压减振致稳光学平台装置，其特征在于：光学平台内部设置若干独立附加气室，独立附加气室作为减振器的附加气室。
3.根据权利要求1所述的一种调压减振致稳光学平台装置，其特征在于：减振器采用下沉式安装方式固定在安装平台上。
4.根据权利要求1所述的一种调压减振致稳光学平台装置，其特征在于：光学平台采用航空铝制作。
5.根据权利要求1所述的一种调压减振致稳光学平台装置，其特征在于：减振器为袖筒式空气弹簧。
6.根据权利要求5所述的一种调压减振致稳光学平台装置，其特征在于：减振器采用倾斜50°-70°安装。
7.根据权利要求6所述的一种调压减振致稳光学平台装置，其特征在于：减振器的两端设置第一安装板和第二安装板，第一安装板和第二安装板上均设置倾斜50°-70°的斜撑，袖筒式空气弹簧分别与第一安装板和第二安装板的斜撑固定。
8.根据权利要求6所述的一种调压减振致稳光学平台装置，其特征在于：光学平台截面为矩形，在光学平台的四个顶角上分别设置一对减振器，每对减振器的相应减振器的倾斜方向均朝向减振器对应的光学平台顶角。
9.根据权利要求1所述的一种调压减振致稳光学平台装置，其特征在于：光学平台的高度控制误差控制在±2mm，对应光学系统出口光轴变化约10′，才不会超出光学系统视场角。
10.根据权利要求1所述的一种调压减振致稳光学平台装置，其特征在于：缓冲限位器包括固定座、缓冲垫和调整压块；缓冲限位器的固定座与光学平台相对的面粘贴上缓冲垫，缓冲限位器调整压块与光学平台相对的面粘贴上缓冲垫。
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