CN111998801B - 一种滚摆式二维成像机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种滚摆式二维成像机构，用于解决现有技术中难以保证高精度位置反馈基础上尽可能减小系统径向和轴向尺寸的缺陷。包括：沿光路方向依次设置的头罩、前镜组、摆动运动机构、滚动运动机构、后镜组以及探测器；摆动运动机构与滚动运动机构的转轴是正交的，且滚动轴系的转轴与头罩的光轴方向一致；摆动运动机构包括锥齿轮，锥齿轮中的第一齿轮与主动轴连接，第二齿轮与摆动驱动电机及编码器连接；锥齿轮用于使摆动驱动电机及编码器沿着头罩的光轴方向横置，以减少所述滚摆式二维成像机构的径向尺寸。本发明适用于红外成像制导系统。

Description

一种滚摆式二维成像机构
技术领域
本发明涉及红外成像制导装置领域，具体涉及一种滚摆式二维成像机构。
背景技术
随着科学技术的高速发展和世界局势的推动，红外成像制导已经成为精确制导领域研究的热点。为满足制导系统中大视场搜索、体积小、重量轻等诸多需求，对比结构复杂、尺寸大、重量大的多轴伺服框架机构，目前一般会采用极坐标形式的二维成像机构(滚摆式)，通过设计合理的光学系统(焦距、口径等)，用于满足作用距离要求。但对于作用距离要求大、体积尺寸要求极小的系统来说，受限于现有测角元件精度与尺寸无法匹配的实际情况，如何在保证高精度位置反馈基础上尽可能减小系统径向和轴向尺寸是制约系统小型化的关键难题。
发明内容
本发明的一个目的是解决现有技术中难以保证高精度位置反馈基础上尽可能减小系统径向和轴向尺寸的缺陷。
根据本发明的第一方面，提供了一种滚摆式二维成像机构，包括沿光路方向依次设置的头罩、前镜组、摆动运动机构、滚动运动机构、后镜组以及探测器；摆动运动机构与滚动运动机构的转轴是正交的，且滚动轴系的转轴与头罩的光轴方向一致；摆动运动机构包括锥齿轮，锥齿轮中的第一齿轮与主动轴连接，第二齿轮与摆动驱动电机及编码器连接；锥齿轮用于使摆动驱动电机及编码器沿着头罩的光轴方向横置，以减少所述滚摆式二维成像机构的径向尺寸。
优选地，摆动运动机构包括：摆动镜筒、摆动从动轴、从动轴承、从动轴承压盖、滚动框架、摆动主动轴、主动轴承、主动轴承压盖、锥齿轮、摆动驱动电机及编码器；其中摆动镜筒用于安装前镜组以及第一折转反射镜；摆动从动轴、从动轴承以及从动轴承压盖作为摆动的一端轴系；滚动框架用于安装摆动镜筒、折转反射镜及后镜组，并连接滚动轴系；摆动主动轴、主动轴承以及主动轴承压盖作为摆动的另一端轴系；锥齿轮中的第一齿轮与主动轴连接，第二齿轮与摆动驱动电机及编码器连接。
优选地，滚动运动机构包括：固定外壳、滚动电机、电机内隔圈、电机外隔圈、旋转变压器、压盖、滚动轴承、轴承外压圈、轴承内压圈、滑环、转子座、滑环内压圈、滑环外压圈；锥齿轮中的第二齿轮与驱动电机及编码器连接；其中固定外壳用于安装头罩以及外接法兰；滚动电机为滚动轴系提供动力来源；电机内隔圈安装在滚动框架上；电机外隔圈用于隔离滚动电机与旋转变压器；旋转变压器用于滚动角度测量，能够反馈位置信息；压盖将旋转变压器和滚动电机的外圈固定；滚动轴承用于支撑滚动电机的主轴；轴承外压圈和轴承内压圈分别用于固定滚动轴承的外圈和内圈；滑环一端连接在滚动电机的旋转轴上，另一端连接在固定端上。
优选地，摆动驱动电机及编码器其中的电机部分为福尔哈贝直流减速电机，减速比为112:1；编码器部分为8位增量式编码器，测角精度为0.1°。
优选地，锥齿轮为30Cr13材料。
优选地，滚动电机位无刷直流电机，连续堵转转矩≥50mNm。
优选地，旋转变压器的测角精度为0.1°。
优选地，所述滚摆式二维成像机构用于设置在Φ60mm×118mm的空间内。
本发明的技术效果是：
1、采用了锥齿轮传动方式，将摆动驱动电机及编码器横置，实现了摆角方向运动，有效地减小了系统径向尺寸；
2、采用关键元器件的定制与结构紧凑化设计等方法，实现了滚动360°连续运动，有效地减小了系统轴向尺寸；
3、本发明可以在满足系统各项指标的情况下，极大的压缩了系统结构尺寸，实现了系统小型化的难题。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1为滚摆式光学成像系统的示意图；
图2为本发明一个实施例的结构图；
图3为本发明一个实施例的摆动运动机构的结构图；
图4为本发明一个实施例的滚动运动机构的结构图。
附图标记说明
1-摆动运动机构 2-滚动运动机构
3-摆动镜筒 4-摆动从动轴
5-从动轴承 6-从动轴承压盖
7-滚动框架 8—摆动主动轴
9-主动轴承 10-主动轴承压盖
11-锥齿轮 12-摆动驱动电机及编码器
13-固定外壳 14-滚动电机
15-电机内隔圈 16-电机外隔圈
17-旋转变压器 18-压盖
19-滚动轴承 20-轴承外压圈
21-轴承内压圈 22-滑环
23-转子座 24-滑环内压圈
25-滑环外压圈
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
本发明的一个实施例如图1至图4所示，包括：包括沿光路方向依次设置的头罩、前镜组、摆动运动机构、滚动运动机构、后镜组以及探测器；摆动运动机构与滚动运动机构的转轴是正交的，且滚动轴系的转轴与头罩的光轴方向一致；其中：摆动运动机构包括锥齿轮11，锥齿轮11中的第一齿轮与主动轴8连接，第二齿轮与摆动驱动电机及编码器12连接；锥齿轮11用于使摆动驱动电机及编码器12沿着头罩的光轴方向横置，以减少所述滚摆式二维成像机构的径向尺寸。
本发明的一个显著进步在于，通过锥齿轮将摆动机构的电机和编码器部分由竖置改为横置，这样能够大大减少径向尺寸，有助于大视场红外光学系统的小型化。横置是指与头罩光轴方向平行，竖直是指与光轴方向正交。
进一步地，摆动运动机构包括：摆动镜筒3、摆动从动轴4、从动轴承5、从动轴承压盖6、滚动框架7、摆动主动轴8、主动轴承9、主动轴承压盖10、锥齿轮11、摆动驱动电机及编码器12；其中摆动镜筒3用于安装前镜组以及第一折转反射镜；摆动从动轴4、从动轴承5以及从动轴承压盖6作为摆动的一端轴系；滚动框架7用于安装摆动镜筒3、折转反射镜及后镜组，并连接滚动轴系；摆动主动轴8、主动轴承9以及主动轴承压盖10作为摆动的另一端轴系；锥齿轮11中的第一齿轮与主动轴8连接，第二齿轮与摆动驱动电机及编码器12连接。
进一步地，滚动运动机构包括：固定外壳13、滚动电机14、电机内隔圈15、电机外隔圈16、旋转变压器17、压盖18、滚动轴承19、轴承外压圈20、轴承内压圈21、滑环22、转子座23、滑环内压圈24、滑环外压圈25；锥齿轮中的第二齿轮与驱动电机及编码器12连接；其中固定外壳13用于安装头罩以及外接法兰；滚动电机14为滚动轴系提供动力来源；电机内隔圈15安装在滚动框架7上；电机外隔圈16用于隔离滚动电机14与旋转变压器17；旋转变压器17用于滚动角度测量，能够反馈位置信息；压盖18将旋转变压器17和滚动电机14的外圈固定；滚动轴承19用于支撑滚动电机的主轴；轴承外压圈20和轴承内压圈21分别用于固定滚动轴承19的外圈和内圈；滑环一端连接在滚动电机14的旋转轴上，另一端连接在固定端上。
<实施例>
本实施例的装置结构图如图1至图4所示，其中红外光学系统采用了F2的二次成像系统结构，由头罩、前镜组、折转反射镜以及后镜组等组成，如图1所示。头罩为保护窗口，并参与系统成像，其球心与摆动轴系、滚动轴系交点重合，整个头罩组件保持固定不动；前镜组主要是获取目标的小视场高分辨率图像；折转反射镜用于折转光路，提供超长工作空间、尽可能压缩轴向尺寸；后镜组用于修正系统像差；探测器部分保持固定不动。其中摆动轴系中光学元件为前组一次成像物镜和第一片折转反射镜，镜片数量少，实现有限角度的摆动，较好的解决了系统前端尺寸空间狭小的问题；滚动轴系中光学元件为前组一次成像物镜、折转反射镜以及后组倒像物镜，实现360°连续运动。
图2所示，本实施例的机构主要由摆动运动机构1与滚动运动机构2组成。本实施例主要是采用锥齿轮传动及紧凑化结构设计，主要是采用锥齿轮传动及紧凑化结构设计，在极为有限的尺寸空间内(整体尺寸Φ60mm×118mm)实现了系统高精度的大视场搜索跟踪要求(摆动视场为±35°，滚动视场为N×360°)，并能够适应宽温度范围要求。
如图3所示，摆动运动机构1主要摆动镜筒3、摆动从动轴4、从动轴承5、从动轴承压盖6、滚动框架7、摆动主动轴8、主动轴承9、主动轴承压盖10、锥齿轮11、摆动驱动电机及编码器12组成。摆动镜筒3用于安装前镜组和第一片折转反射镜，属于摆动轴系中的运动部分；摆动从动轴4、从动轴承5及从动轴承压盖6形成摆动的一端轴系；滚动框架7主要用于安装摆动镜筒3、折转反射镜组及后镜组，连接滚动轴系；摆动主动轴8、主动轴承9及主动轴承压盖10形成摆动的另一端轴系；锥齿轮11提供90°的传动方式，用于将摆动驱动电机及编码器12横置，有效缩短径向尺寸。
如图4所示，滚动运动机构2主要由固定外壳13、滚动电机14、电机内隔圈15、电机外隔圈16、旋转变压器17、压盖18、滚动轴承19、轴承外压圈20、轴承内压圈21、滑环22、转子座23、滑环内压圈24、滑环外压圈25组成。固定外壳13用于安装头罩组件及外接法兰，属于固定不动部分；滚动电机14主要是为滚动轴系提供动力来源，其采用定制化设计，在满足力学性能指标的前提下，尽可能的压缩径向和轴向尺寸；电机内隔圈15安装在滚动框架7上；电机外隔圈16用于隔离滚动电机14与旋转变压器17；旋转变压器17主要用于滚动的角度测量，反馈位置信息，也采用了定制化设计，在满足性能指标的前提下，尽可能的压缩了径向和轴向尺寸；压盖18将旋转变压器17、滚动电机14的外圈固定；滚动轴承19为微型超薄高强度轴承，采用双轴承形式，提供整个滚动轴系支撑；轴承外压圈20、轴承内压圈21分别用于固定轴承得外圈和内圈，并消除轴承间隙；滑环22主要用于实现滚动360°连续旋转，采用定制化设计，再满足性能指标的前提下，尽可能的压缩径向和轴向尺寸；转子座23与滚动框架7连接，组成整个滚动轴系的运动部分；滑环内压圈24、滑环外压圈25分别用于固定滑环的内圈和外圈；整体结构十分紧凑，有效缩短了轴向尺寸。
本例中，通过锥齿轮传动、关键元器件的定制及结构紧凑化设计等方法实现了结构小型化的要求，并满足大视场搜索跟踪的要求。某中波红外光学系统采用F2二次成像光学系统，入瞳直径为20mm；采用极坐标形式实现大视场搜索跟踪，其中摆动扫描视场为±35°，滚动扫描视场为N×360°。摆动驱动电机及编码器选用了体积尺寸小的福尔哈贝直流减速电机，减速比为112:1，编码器为8位增量式编码器，测角精度为0.1°。锥齿轮采用特殊工艺制造，保证啮合精度要求，模数为0.5，材料选用力学性能优异的30Cr13材料，为进一步减小径向尺寸，将主动锥齿轮进行局部去除加工。滚动电机、旋转变压器、滑环等关键元器件根据结构布局与厂家进行定制，保证结构径向及轴向尺寸，其中滚动电机采用无刷直流电机，连续连续堵转转矩≥50mNm；旋转变压器采用上海通慧的定制产品，测角精度为0.1°。滚动轴承采用P4精度的微型超薄高强度轴承，用于支撑整个轴系，并保证回转精度。所有结构件均选用力学性能优异的航空铝7A09材料。利用上述结构，调整好各构件精度，可以在极度有限的空间内(Φ60mm×118mm)实现高精度微小型极坐标二维成像机构(摆动±35°、滚动N×360°)。
由此可见，本实施例第一采用了锥齿轮传动方式，将摆动驱动电机及编码器横置，在保证测角精度的基础上，实现了摆角方向运动，减小了系统径向尺寸；第二采用关键元器件的定制(旋转编码器、滑环)，结合结构紧凑化设计，实现滚动360°连续运动，减小了系统轴向尺寸；最终在满足系统各项指标的情况下，实现了系统结构的小型化，可为实现微小型极坐标二维成像机构提供关键的技术支撑。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种滚摆式二维成像机构，包括沿光路方向依次设置的头罩、前镜组、摆动运动机构、滚动运动机构、后镜组以及探测器；摆动运动机构与滚动运动机构的转轴是正交的，且滚动轴系的转轴与头罩的光轴方向一致；其特征在于：
摆动运动机构包括锥齿轮(11)，锥齿轮(11)中的第一齿轮与主动轴(8)连接，第二齿轮与摆动驱动电机及编码器(12)连接；锥齿轮(11)用于使摆动驱动电机及编码器(12)沿着头罩的光轴方向横置，以减少所述滚摆式二维成像机构的径向尺寸。
2.根据权利要求1所述的滚摆式二维成像机构，其特征在于，
摆动运动机构包括：
摆动镜筒(3)、摆动从动轴(4)、从动轴承(5)、从动轴承压盖(6)、滚动框架(7)、摆动主动轴(8)、主动轴承(9)、主动轴承压盖(10)、锥齿轮(11)、摆动驱动电机及编码器(12)；
其中摆动镜筒(3)用于安装前镜组以及折转反射镜；摆动从动轴(4)、从动轴承(5)以及从动轴承压盖(6)作为摆动的一端轴系；滚动框架(7)用于安装摆动镜筒(3)、折转反射镜及后镜组，并连接滚动轴系；摆动主动轴(8)、主动轴承(9)以及主动轴承压盖(10)作为摆动的另一端轴系。
3.根据权利要求2所述的滚摆式二维成像机构，其特征在于，
滚动运动机构包括：
固定外壳(13)、滚动电机(14)、电机内隔圈(15)、电机外隔圈(16)、旋转变压器(17)、压盖(18)、滚动轴承(19)、轴承外压圈(20)、轴承内压圈(21)、滑环(22)、转子座(23)、滑环内压圈(24)、滑环外压圈(25)；
其中固定外壳(13)用于安装头罩以及外接法兰；滚动电机(14)为滚动轴系提供动力来源；电机内隔圈(15)安装在滚动框架(7)上；电机外隔圈(16)用于隔离滚动电机(14)与旋转变压器(17)；旋转变压器(17)用于滚动角度测量，能够反馈位置信息；压盖(18)将旋转变压器(17)和滚动电机(14)的外圈固定；滚动轴承(19)用于支撑滚动电机的主轴；轴承外压圈(20)和轴承内压圈(21)分别用于固定滚动轴承(19)的外圈和内圈；滑环一端连接在滚动电机(14)的旋转轴上，另一端连接在固定端上。
4.根据权利要求3所述的滚摆式二维成像机构，其特征在于，
摆动驱动电机及编码器(12)其中的电机部分为福尔哈贝直流减速电机，减速比为112:1；编码器部分为8位增量式编码器，测角精度为0.1°。
5.根据权利要求4所述的滚摆式二维成像机构，其特征在于，
锥齿轮(11)为30Cr13材料。
6.根据权利要求5所述的滚摆式二维成像机构，其特征在于，
滚动电机(14)位无刷直流电机，连续堵转转矩≥50mNm。
7.根据权利要求6所述的滚摆式二维成像机构，其特征在于，
旋转变压器的测角精度为0.1°。
8.根据权利要求7所述的滚摆式二维成像机构，其特征在于，
所述滚摆式二维成像机构用于设置在Φ60mm×118mm的空间内。
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