CN113050250B - 一种利用螺纹并联式结构的高精度微位移促动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用螺纹并联式结构的高精度微位移促动器，包括两套并联式螺纹丝杆结构，即第一螺纹丝杆及与之外配合的第一丝杆螺母、以及空心结构的第二螺纹丝杆及与之外配合的第二丝杆螺母，第一螺纹丝杆和第二螺纹丝杆两者螺旋方向相同、且具有不同螺纹导程，利用两者间的相对导程差实现位移的输出，第一螺纹丝杆通过导向杆与镜面相连，第一丝杆螺母和第二螺纹丝杆均与电机连接，第二丝杆螺母固定于望远镜机架上。本发明主要用于天文望远镜领域对光学镜面位置精确调整，在实现镜面位置调整时镜面位移连续不会出现间隙或空回现象。镜面的位置调整精度可以达到亚微米级甚至纳米级。

Description

一种利用螺纹并联式结构的高精度微位移促动器

技术领域

本发明涉及一种精确镜面位置调整装置，具体涉及一种高精度微位移促动器。主要应用于天文望远镜光学镜面的位置调整中，也适用于对某些结构件的位置需要超高精度控制其他领域，比如光刻机领域。

背景技术

为降低造价和获得良好像质，大型天文望远镜多采用拼接镜面主动光学技术，应用现代传感和控制技术，由较小尺度的子镜拼接成大口径的镜面。微位移促动器是一种精密的位移输出装置，在拼接镜面主动光学技术中完成对子镜进行定位支撑和调节的作用，其必须具有高分辨率、高稳定性、高刚度、高重复精度、大负载性能以及毫米级行程等特点,同时还要克服或减少诸如爬行、摩擦、迟滞、空回和生热等有害缺陷,成为拼接镜面望远镜的关键。在拼接镜面望远镜的设计过程中，每个子镜至少需要三个微位移促动器进行支撑，同时子镜面数目较多，如我国的LAMOST望远镜MB由37块子镜组成，规划中的我国12米红外/光学望远镜则由84块子镜拼接而成。国内尚无专业的生产天文仪器用微位移促动器的厂家，而采用国外的微位移促动器价格极其昂贵。

望远镜副镜的位置的调整、拼接镜面主动光学中各子镜定位支撑及调节，以及普通镜面安装时的位置机械调节等。对于微位移促动器一般要求大行程、高精度和大负载性能。而目前常用的微位移调节结构主要有三种形式：1)宏/微动叠加式。宏/微动叠加式微位移促动器分为宏动部分和微动部分，宏动部分完成大行程微米级定位，微动部分完成小范围的纳米级定位。这种促动器的缺点是机械结构和控制系统都较为复杂；2)移动式驱动系统，常见的移动式驱动结构主要有两大类：一类是基于“尺蠖原理”，另一类是基于“粘滑效应”，理论上这两者都可实现无限大的工作行程，若采用压电马达，其运动分辨率均可达到纳米级，但尺蠖电机的价格极其昂贵；3)缩放系统，在驱动器与执行器之间采用具有运动缩放功能的机构(可通称为运放机构)，这种缩放机构又分两种情况：一种是采用压电类驱动器结合运动放大机构，该形式位移促动器其行程较小，且需持续供电；另一种是采用普通电机结合运动缩小机构，如我国LAMOST望远镜MB子镜的微位移促动器采用的是由步进电机驱动，经谐波减速器及精密滚珠丝杆减速实现微小位移的输出，但是由于齿轮或蜗轮蜗杆传动时存在间隙，使得微位移驱动时存在空回现象，从而影响到位移输出的精度。相对于前两种方式，第三种方式成本最低，控制最为简单，工程上也最容易实现。

由于采用粗、精结合平台式位移促动器结构比较复杂，由压电材料利用“尺蠖原理”所设计的尺蠖电机，行程大，精度高，且可以断电自锁，但是目前市场上的价格较高，国内该类产品技术尚不成熟，而对于利用位移放大机构将压电材料的行程进行放大的微位移促动器机构，通常情况下每1毫米长度的压电材料其最大的伸缩量约为1微米，因此为了提高压电式位移促动器的行程范围虽然借助位移放大机构，但其行程的放大能力非常有限，同时还需对压电材料持续供电。而对于常用的采用减速器加精密丝杆结构实现微位移输出，其因齿轮或蜗轮蜗杆传动存在间隙，不可避免出现位移输出的空回，限制其最终的位移输出精度。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明目的是提供一种利用螺纹并联式结构的高精度微位移促动器，本发明的高精度微位移促动器位移输出的精度可以通过所设计的两丝杠相对导程差进行调节，相对导程差可以达到亚毫米级甚至微米级，同时可以实现断电自锁。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种利用螺纹并联式结构的高精度微位移促动器，包括两套并联式螺纹丝杆结构，即第一螺纹丝杆及与之外配合的第一丝杆螺母、以及空心结构的第二螺纹丝杆及与之外配合的第二丝杆螺母，所述第一螺纹丝杆和第二螺纹丝杆两者螺旋方向相同、且具有不同螺纹导程，利用两者间的相对导程差实现位移的输出，所述第一螺纹丝杆通过导向件与镜面相连，所述第一丝杆螺母和所述第二螺纹丝杆均与电机连接，所述第二丝杆螺母固定于望远镜机架上。

优选的，还包括导轨安装座，所述第二丝杆螺母与导轨安装座相连，导轨安装座上固定安装有导向装置，所述导向装置包括直线导轨，所述直线导轨上安装有滑块，所述电机与所述滑块固定连接。

优选的，所述高精度微位移促动器的位移输出精度为亚微米级或纳米级。

优选的，所述第一丝杆螺母和第二丝杆螺母均为消隙丝杆螺母；所述第一螺纹丝杆与第二螺纹丝杆均为滚珠丝杆。

优选的，所述第一螺纹丝杆与导向件可在第二螺纹丝杆内部自由移动，所述导向件用于第一螺纹丝杆导向。

优选的，所述导向件为滚动花键轴，所述第一螺纹丝杆与滚动花键轴加工成一个零件，即该零件分成两段，一段为螺纹丝杆另一段为滚动花键轴。

优选的，所述滚动花键轴与滚动花键套配合。

优选的，所述高精度微位移促动器结合位移计形成闭环控制的高精度微位移促动器。

优选的，所述高精度微位移促动器所采用的不同导程的双螺纹丝杆同时用于实现滚珠丝杆的自锁。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的高精度微位移促动器采用两套不同导程的滚珠丝杆系统并联结构，利用这两者之间的导程差，大幅提高滚珠丝杆在传动过程中的减速比，替代传动的齿轮或蜗轮蜗杆传动结构，避免传动过程中的间隙带来的空回，有效提高微位移促动器的输出精度，同时具备传统缩放式微位移促动器的结构简单、刚度高、承载力大、行程大等优点，克服传统缩放式微位移促动器由于存在空回而精度受到限制的缺点。同时还具有断电自锁性能，有效节约能耗，即实现类似“尺蠖电机”的自锁能力。该微位移促动器的结构由电机、滚珠丝杆，直线导轨，滚动花键等构成，对环境适应性强，可靠性高，设计加工方便，成本较低。其微位移的输出是线性系统，在射电望远镜反射面板等位置调整精度要求相对较低场合，可以直接采用开环控制，即可满足面板位置控制精度要求。

附图说明

图1为本发明的结构原理图。

图中标记：1.驱动电机；2.联轴节；3.电机安装架；4.导轨滑块；5.转动轴；6.直线导轨；7.导轨安装座；8.第一丝杆螺母1；9.第一螺纹丝杆；10.第二螺纹丝杆；11.第二丝杆螺母；12.滚动花键轴；13.连接座；14.滚动花键套；15.铟钢垫；16.镜面；17.固定座；18.望远镜机架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

在拼接镜面主动光学系统中，为实现主动补偿和提高光学成像质量，实现各子镜面共焦或共相拼接要求，需要对子镜面的位置进行高精度的调整，各子镜间相对位置的调整均需采用高精度微位移促动机构。对望远镜副镜调焦或射电望远镜反射面板的位置调整均可采用该高精度微位移促动器。以下实施例仅以应用于天文望远镜光学镜面的位置调整为例进行说明，但可以理解地，本发明高精度微位移促动器也可应用于其他的工业领域实现对某结构位置进行精确调整。

实施例一

如图1所示，本实施一种利用螺纹并联式结构的高精度微位移促动器包括两套并联式螺纹丝杆结构，即所述并联式螺纹丝杆结构是指第一螺纹丝杆(9)及第一丝杆螺母(8)置于第二螺纹丝杆(10)(空心)内部。具体的，该促动器包括第一螺纹丝杆9和第二螺纹丝杆10(空心)，第一螺纹丝杆9和第二螺纹丝杆10(空心)螺旋方向相同、且具有不同导程，即第一螺纹丝杆(导程P1)和第二螺纹丝杆(导程P2)，利用第一螺纹丝杆和第二螺纹丝杆相对导程差实现位移的输出。第一螺纹丝杆9通过滚动花键轴12与镜面16相连，与第一螺纹丝杆9配合的第一丝杆螺母8通过转动轴5与驱动电机1轴相连。第二螺纹丝杆10(空心)也通过转动轴5与驱动电机1轴相连，与第二螺纹丝杆10(空心)配合的第二丝杆螺母11通过固定座17与望远镜机架18相连。该高精度微位移促动器巧妙地利用了第一螺纹丝杆9与第二丝杆螺母11之间相对运动，在电机轴转动一圈时，第一螺纹丝杆9第二丝杆螺母11两者相对电机的位移行程较大，但第一螺纹丝杆9第二丝杆螺母11两者之间相对运动的行程却非常小。

本实施例的利用螺纹并联式结构的高精度微位移促动器，仍然基于电机加丝杆机构，但是不采用齿轮或蜗轮蜗杆传动，而采用两套不同导程的滚珠丝杆并联，利用两个丝杆的相对导程差实现位移输出的高精度，同时避免空回现象的出现。所述的高精度微位移促动器利用两丝杠的相对导程差可以做到亚毫米甚至微米级从而显著提高微位移促动器输出精度。

本实施例中，该高精度微位移促动器的输出端通过铟钢垫15与镜面16相连(此处可以增加球头转动零件)，而微位移促动器通过固定座17安装于望远镜机架18。

为实现第一螺纹丝杆9第二丝杆螺母11之间的相对平动，本实施例设计了两套导向装置。一是，在第一丝杆螺母8和第二螺纹丝杆10上固定安装导向装置，该导向装置包括直线导轨6，直线导轨6安装于导轨安装座7上，直线导轨6上安装有导轨滑块4，驱动装置与滑块固定连接，本实施例中优选为驱动电机1，第一丝杆螺母8通过联轴节2和转动轴5与驱动电机1轴相连，电机安装架3安装于导轨滑块4上。本实施例在实现微位移驱动过程中，驱动电机1相对于望远镜机架会有相对运动，采用该导向装置后能够实现第一丝杆螺母8和第二螺纹丝杆10在转动的同时沿轴向平动；二是，第一螺纹丝杆9与导向杆(本实施例优选为滚动花键轴12)连接，导向套(本实施例优选为滚动花键套14)通过第二丝杆螺母11和固定座17与望远镜机架相连；滚动花键套14和第二丝杆螺母11相对望远镜机架固定不动，实现第一螺纹丝杆9相对滚动花键套14的轴向平动，即实现第一螺纹丝杆9的轴向直线平动。

作为本实施例的优选，所述第一丝杆螺母8和第二丝杆螺母11为消隙丝杆螺母，所述第一螺纹丝杆9和第二螺纹丝杆(空心)11为滚珠丝杆，利用滚珠丝杠将转动位移转化成直线位移。通过采用的不同导程的双螺纹丝杆可以实现滚珠丝杆的自锁功能。

本实施例中，第二螺纹丝杆10为空心结构，第一螺纹丝杆9与滚动花键轴12可以在其内部自由移动，滚动花键轴12用于第一螺纹丝杆9导向，第一螺纹丝杆9与滚动花键轴12可以加工成一个零件，即该零件分成两段，一段为螺纹丝杆另一段为滚动花键轴。

本实施的微位移促动器采用开环控制即可实现高精度的微位移输出，若结合位移计形成闭环控制的高精度微位移促动器，如所述第一螺纹丝杆螺母8和第二螺纹丝杆螺母11消隙丝杆螺母实现零间隙，也可设计成闭环控制的高精度微位移促动器，此时无需结合位移计开环控制便可实现高精度微位移输出。

本实施例的微位移促动器的工作原理如下：

微位移促动器在工作过程中，当驱动电机1的输出轴的转动方向如图1所示时(此处规定为电机正向转动)，第一丝杆螺母8和第二螺纹丝杆(空心)10也正向转动，假设驱动电机1轴正向转动一圈，则第一丝杆螺母8和第二螺纹丝杆(空心)10也正向转动一圈，由于第二丝杆螺母11相对望远镜机架18固定，因此，第二螺纹丝杆(空心)10转动的同时相对望远镜机架18向右平动位移为导程P2，第一丝杆螺母8也在正向转动一圈的同时相对望远镜机架18向右平动位移为导程P2，而当第一丝杆螺母8正向转动一圈，使得第一螺纹丝杆9相对第一丝杆螺母8向左平动位移为导程P1，所以，此时第一螺纹丝杆9相对于望远镜机架18的向右平移的位移为P2-P1(此处差值为负时表示向左平移)，如果我们设计时使得P1-P2的值为0.1mm，则电机转动一周，该高精度位移促动器的输出端向右平移位移输出量为0.1mm，若设计两者差值为0.01mm，则电机转动一周，该高精度位移促动器的输出端向右平移位移输出量仅为0.01mm，如果控制电机1轴仅转动1度，则此时该高精度位移促动器的输出端向右平移位移输出量仅约为28nm，如果将电机的输出进行细分，精度可以更高。

反之，当电机1的输出轴的转动方向如图1所示相反时，第一丝杆螺母8和第二螺纹丝杆(空心)10也反向转动，假设驱动电机1轴反向转动一圈，则第一丝杆螺母8和第二螺纹丝杆(空心)10也反向转动一圈，由于第二丝杆螺母11相对望远镜机架18固定，因此，第二螺纹丝杆(空心)10转动的同时相对望远镜机架18向左平动位移为导程P2，第一丝杆螺母8也在反向转动一圈的同时相对望远镜机架18向左平动位移为导程P2，而当第一丝杆螺母8反向转动一圈，使得第一螺纹丝杆9相对第一丝杆螺母8向右平动位移为导程P1，所以，此时第一螺纹丝杆9相对于望远镜机架18的向左平移的位移为P2-P1(此处差值为负时表示向右平移)，如果我们设计时使得P1-P2的值为0.1mm，则电机转动一周，该高精度位移促动器的输出端向左平移位移输出量为0.1mm，若设计两者差值为0.01mm，则电机转动一周，该高精度位移促动器的输出端向左平移位移输出量仅为0.01mm，如果控制电机1轴仅转动1度，则此时该高精度位移促动器的输出端向左平移位移输出量仅约为28nm，如果将电机的输出进行细分，精度可以更高。

综上所述，本发明采用两套滚珠丝杆并联结构，这两套丝杠具有不同的导程，利用两者之间相对导程差，放大驱动源与输出位移之间的速比，从而避免采用传统减速机构出现的间隙及空回现象，且实现相同电机轴转角情况下更小的直线位移的输出。从而提高直线位移输出的分辨率及位置驱动的精度。而传统的缩放机构受到丝杆导程很难加工到毫米级以下的限制，不得不再利用齿轮或蜗轮蜗杆机构进行辅助减速，提高减速比，这就无法避免因齿轮或蜗轮蜗杆间的间隙而带来空回现象，从而制约了微位移输出的精度。本发明突破丝杆导程仅能做到毫米级的极限，给设计和加工带来方便，实现镜面的位置调整精度可以达到亚微米级甚至纳米级，同时可以实现滚珠丝杆的自锁功能，而在单导程滚珠丝杆中无法实现自锁。该微位移促动器同时还可以实现在其它领域的应用，如一些结构件安装时位置要求较高场合。

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。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。例如，所采用的两个不同导程的滚珠丝杆，两者导程间的差值大小上述实施例中未作限定，利用两套不同导程的滚珠丝杆串联结构，当设计较小的相对导程差时，可实现结构的自锁功能，只要两者的导程差不同均属于本发明的保护范围；上述实施例仅给出了不同导程的两滚珠丝杆并联机构方案，采用其它方案例如采用普通丝杆加螺母结构(非滚珠丝杆)，也能实现本发明的目的，属于本发明的保护范围；上述实施例仅给出了不同导程的两滚珠丝杆并联机构方案，其螺母为消隙丝杆螺母，若在不同导程的丝杆上采用非消隙丝杆螺母，也能实现本发明的目的，属于本发明的保护范围；为实现丝杆螺母的直线运动上述实施例仅给出了采用了滚动花键的形式，如将滚动花键改为直线导轨等直线运动机构，也能实现本发明的目的，属于本发明的保护范围；为电机直线平移运动上述实施例仅给出了直线导轨形式，如将直线导轨改为滚动花键等直线运动机构，也能实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。

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。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 (6)

1.一种利用螺纹并联式结构的高精度微位移促动器，其特征在于，包括两套并联式螺纹丝杆结构，即第一螺纹丝杆(9)及与之外配合的第一丝杆螺母(8)、以及空心结构的第二螺纹丝杆(10)及与之外配合的第二丝杆螺母(11)，所述第一丝杆螺母(8)和第二丝杆螺母(11)均为消隙丝杆螺母，且所述第一螺纹丝杆(9)与第二螺纹丝杆(10)均为滚珠丝杆，所述第一螺纹丝杆(9)和第二螺纹丝杆(10)两者螺旋方向相同、且具有不同螺纹导程，利用两者间的相对导程差实现位移的输出，所述第一螺纹丝杆(9)通过导向件与镜面(16)相连，所述第一丝杆螺母(8)和所述第二螺纹丝杆(10)均与驱动电机(1)连接，所述第二丝杆螺母(11)固定于望远镜机架(18)上；所述高精度微位移促动器的位移输出精度为亚微米级或纳米级，采用开环控制即可实现高精度的微位移输出，同时用于实现滚珠丝杆的自锁。

2.根据权利要求1所述的一种利用螺纹并联式结构的高精度微位移促动器，其特征在于，还包括导轨安装座(7)，所述第二丝杆螺母(11)与导轨安装座(7)相连，导轨安装座(7)上固定安装有导向装置，所述导向装置包括直线导轨(6)，所述直线导轨(6)上安装有滑块(4)，所述驱动电机(1)与所述滑块(4)固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种利用螺纹并联式结构的高精度微位移促动器，其特征在于，所述第一螺纹丝杆(9)与导向件可在第二螺纹丝杆(10)内部自由移动，所述导向件用于第一螺纹丝杆(9)导向。

4.根据权利要求1所述的一种利用螺纹并联式结构的高精度微位移促动器，其特征在于，所述导向件为滚动花键轴(12)，所述第一螺纹丝杆(9)与滚动花键轴(12)加工成一个零件，即该零件分成两段，一段为螺纹丝杆另一段为滚动花键轴。

5.根据权利要求4所述的一种利用螺纹并联式结构的高精度微位移促动器，其特征在于，所述滚动花键轴(12)与滚动花键套(14)配合。

6.根据权利要求1所述的一种利用螺纹并联式结构的高精度微位移促动器，其特征在于，所述高精度微位移促动器结合位移计形成闭环控制的高精度微位移促动器。

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