CN113212801A - 内嵌应变传感的正应力电磁式二维偏转调节装置及方法 - Google Patents

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Abstract

内嵌应变传感的正应力电磁式二维偏转调节装置及方法，该装置包括底座，正交布置在底座上的四个驱动模块，嵌套在四个驱动模块内的“十”字形镜托，布置在底座中心和“十”字形镜托中心之间的柔性铰链，布置在“十”字形镜托下方且呈现“卍”字形安装在底座上的四个传感单元；调节装置初始状态时，镜托处于平衡状态，当对Y轴或X轴上的一对驱动模块上的励磁线圈施加电流时，该对驱动模块对“十”字形镜托产生一对差分力，使得“十”字形镜托发生绕X轴或Y轴的偏转，与此同时，布置在Y轴或X轴上的一对传感单元产生应变传感信号用以闭环反馈控制；本发明调节装置驱动传感一体化设计，结构紧凑，具有偏转范围大、工作带宽高的特点，可实现负载高精度二维偏转作动。

Description

内嵌应变传感的正应力电磁式二维偏转调节装置及方法
技术领域
本发明属于微角位移二维偏转作动技术领域，具体涉及内嵌应变传感的正应力电磁式二维偏转调节装置与调节方法。
技术背景
随着航天工程等学科的迅速发展，微角度二维快速偏转调节装置在天文望远镜、图像稳定控制、航天器通讯精确指向以及卫星成像等方面得到了广泛应用，并发挥着日益重要的作用。
压电驱动型微角度作动平台存在驱动电压高，作动行程小，压电陶瓷易碎，在航天火箭发射阶段产生的振动与冲击环境中容易损坏等不足。
以音圈电机为作动器的电磁式二维作动平台存在驱动力小，作动带宽低，在空间应用中热量难以消散等不足。
传统电磁式二维偏转调节平台多需要安装额外的电涡流位移传感器等装置来测量双轴偏转角度导致作动器体积大，功耗高等不足。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，内嵌应变传感的正应力电磁式二维偏转调节装置及方法，该作动装置驱动传感一体化，轻型化设计，结构紧凑，可实现负载高精度二维偏转调节与传感。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
内嵌应变传感的正应力电磁式二维偏转调节装置，该装置包括底座1，分别安装在底座1正交布置的驱动模块第一安装槽1-1、驱动模块第二安装槽1-2、驱动模块第三安装槽1-3驱动模块第四安装槽1-4内的第一驱动模块2、第二驱动模块3、第三驱动模块以及第四驱动模块5，嵌套在第一驱动模块2、第二驱动模块3、第三驱动模块4以及第四驱动模块5内的“十”字形镜托6布置在底座1中心和“十”字形镜托6中心之间的柔性铰链7，布置在“十”字形镜托6下方且呈现“卍”字形安装在底座1上的第一传感单元8、第二传感单元9、第三传感单元10以及第四传感单元11；其中第二驱动模块3和第四驱动模块5以及第二传感单元9和第四传感单元11布置在X轴上，第一驱动模块2和第三驱动模块4以及第一传感单元8和第三传感单元10布置在Y轴上。
所述柔性铰链7由依次连接的底部连接杆7-1、中部椭圆形柔性铰链7-2和上部连接杆7-3所组成；
所述第一驱动模块2、第二驱动模块3、第三驱动模块4以及第四驱动模块5与底座1之间，第一传感单元8、第二传感单元9、第三传感单元10以及第四传感单元11与底座1之间，柔性铰链7与底座1之间，柔性铰链7与“十”字形镜托6之间均采用螺钉连接方式连接；所述第一传感单元8、第二传感单元9、第三传感单元10以及第四传感单元11与“十”字形镜托6之间采用预压力的方式安装连接。
所述第一驱动模块2由“C”形铁芯2-1，缠绕在“C”形铁芯2-1下部的励磁线圈2-2，安装在“C”形铁芯2-1内侧且与“C”形铁芯缺口2-3中心平齐的永磁体2-4，安装在永磁铁2-4端部的橡胶垫2-5所组成；所述第二驱动模块3、第三驱动模块4以及第四驱动模块5与第一驱动模块2结构相同。
所述第一应变传感单元8由中部“口”字形应变梁8-1，呈现反对称布置在“口”字形应变梁8-1两端的第一“L”形梁8-2和第二“L”形梁8-3；布置在第一“L”形梁8-2端部的钢珠8-4，粘贴在“口”字形应变梁8-1上表面的第一应变计8-5和第二应变计8-6，下表面的第三应变计8-7以及第四应变计8-8所组成；所述第二传感单元9、第三传感单元10以及第四传感单元11与第一应变传感单元8结构相同。
内嵌应变传感的正应力电磁式二维偏转调节装置的调节方法，调节装置初始状态时，布置在Y轴上的第一驱动模块2和第三驱动模块4上的永磁铁分别在第一驱动模块2和第三驱动模块4相应的作动间隙内产生一个大小相等方向相反的磁场，使得“十”字形镜托6处于平衡状态，当对第一驱动模块2和第三驱动模块4上的励磁线圈施加电流时，第一驱动模块2上的励磁线圈产生顺时针的磁场，使得第一驱动模块2下部作动间隙中的磁场增强，第一驱动模块2上部作动间隙中的磁场减弱，从而对镜托6产生竖直向上的力，同时第三驱动模块4上的励磁线圈产生顺时针的磁场，使得第三驱动模块4上部作动间隙中的磁场增强，第三驱动模块4下部作动间隙中的磁场减弱，从而对“十”字形镜托6产生竖直向下的力，于是对该二维偏转调节装置产生绕X轴的力矩，使得调节装置产生一个绕X轴偏转的角位移θ，与此同时，布置在Y轴上的第一传感单元8和第三传感单元10产生应变传感信号用以闭环反馈控制；该二维偏转调节装置绕Y轴方向的偏转调节方法和传感方法与X轴方向的相同。
与现有技术相比较，本发明具有如下优点：
1)实现驱动传感一体化设计，结构紧凑，重量轻。
2)采用励磁线圈缠绕在“C”形铁芯上作动模式可以将驱动模式使得调节装置在作动过程中产生的热量有效地通过底座消散。
3)采用麦克斯韦正应力电磁驱动方法使得该二维偏转调节装置不但具有较大的调节范围，还具有较高的作动带宽。
附图说明
图1为本发明偏转调节装置立体图。
图2为柔性铰链立体图
图3为第一驱动模块立体图。
图4为第一传感单元立体图。
图5为底座立体图。
图6为本发明偏转调节装置绕X轴偏转示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明内嵌应变传感的正应力电磁式二维偏转调节装置，该装置包括底座1，分别安装在如图5所示底座1正交布置的驱动模块第一安装槽1-1、驱动模块第二安装槽1-2、驱动模块第三安装槽1-3驱动模块第四安装槽1-4内的第一驱动模块2、第二驱动模块3、第三驱动模块4以及第四驱动模块5，嵌套在第一驱动模块2、第二驱动模块3、第三驱动模块4以及第四驱动模块5内的“十”字形镜托6，布置在底座1中心和“十”字形镜托6中心之间的柔性铰链7，布置在“十”字形镜托6下方且呈现“卍”字形安装在底座1上的第一传感单元8、第二传感单元9、第三传感单元10以及第四传感单元11；其中第二驱动模块3和第四驱动模块5以及第二传感单元9和第四传感单元11布置在X轴上，第一驱动模块2和第三驱动模块4以及第一传感单元8和第三传感单元10布置在Y轴上；
如图2所示，柔性铰链7由依次连接的底部连接杆7-1、中部椭圆形柔性铰链7-2和上部连接杆7-3所组成；
第一驱动模块2、第二驱动模块3、第三驱动模块4以及第四驱动模块5与底座1之间，第一传感单元8、第二传感单元9、第三传感单元10以及第四传感单元11与底座1之间，柔性铰链7与底座1之间，柔性铰链7与“十”字形镜托6之间均采用螺钉连接方式连接；所述第一传感单元8、第二传感单元9、第三传感单元10以及第四传感单元11与“十”字形镜托6之间采用预压力的方式安装连接。
如图3所示，第一驱动模块2由“C”形铁芯2-1，缠绕在“C”形铁芯2-1下部的励磁线圈2-2，安装在“C”形铁芯2-1内侧且与“C”形铁芯缺口2-3中心平齐的永磁体2-4，安装在永磁铁2-4端部的橡胶垫2-5所组成；所述第二驱动模块3、第三驱动模块4以及第四驱动模块5与第一驱动模块2结构相同。
如图4所示，第一应变传感单元8由中部“口”字形应变梁8-1，呈现反对称布置在“口”字形应变梁8-1两端的第一“L”形梁8-2和第二“L”形梁8-3；布置在第一“L”形梁8-2端部的钢珠8-4，粘贴在“口”字形应变梁8-1上表面的第一应变计8-5和第二应变计8-6，下表面的第三应变计8-7和第四应变计8-8所组成；所述第二传感单元9、第三传感单元10以及第四传感单元11与第一应变传感单元8结构相同。
如图6所示，本发明内嵌应变传感的正应力电磁式二维偏转调节装置的调节方法，调节装置初始状态时，布置在Y轴上的第一驱动模块2和第三驱动模块4上的永磁铁分别在第一驱动模块2和第三驱动模块4相应的作动间隙内产生一个大小相等方向相反的磁场，使得“十”字形镜托6处于平衡状态，当对第一驱动模块2和第三驱动模块4上的励磁线圈施加电流时，第一驱动模块2上的励磁线圈产生顺时针的磁场，使得第一驱动模块2下部作动间隙中的磁场增强，第一驱动模块2上部作动间隙中的磁场减弱，从而对镜托6产生竖直向上的力，同时第三驱动模块4上的励磁线圈产生顺时针的磁场，使得第三驱动模块4上部作动间隙中的磁场增强，第三驱动模块4下部作动间隙中的磁场减弱，从而对“十”字形镜托6产生竖直向下的力，于是对该二维偏转调节装置产生绕X轴的力矩，使得调节装置产生一个绕X轴偏转的角位移θ，与此同时，布置在Y轴上的第一传感单元8和第三传感单元10产生应变传感信号用以闭环反馈控制；该二维偏转调节装置绕Y轴方向的偏转调节方法和传感方法与X轴方向的相同。
该电磁式二维偏转调节装置作动传感一体化设计，轻型化设计，结构紧凑，具有重量轻、作动范围大、作动带宽高，能快速响应的特点，可实现负载高精度二维偏转调节。

Claims (4)

1.内嵌应变传感的正应力电磁式二维偏转调节装置，其特征在于，该装置包括底座(1)，分别安装在底座(1)正交布置的驱动模块第一安装槽(1-1)、驱动模块第二安装槽(1-2)、驱动模块第三安装槽(1-3)驱动模块第四安装槽(1-4)内的第一驱动模块(2)、第二驱动模块(3)、第三驱动模块(4)以及第四驱动模块(5)，嵌套在第一驱动模块(2)、第二驱动模块(3)、第三驱动模块(4)以及第四驱动模块(5)内的“十”字形镜托(6)，布置在底座(1)中心和“十”字形镜托(6)中心之间的柔性铰链(7)，布置在“十”字形镜托(6)下方且呈现“卍”字形安装在底座(1)上的第一传感单元(8)、第二传感单元(9)、第三传感单元(10)以及第四传感单元(11)；其中第二驱动模块(3)和第四驱动模块(5)以及第二传感单元(9)和第四传感单元(11)布置在X轴上，第一驱动模块(2)和第三驱动模块(4)以及第一传感单元(8)和第三传感单元(10)布置在Y轴上；
所述柔性铰链(7)由依次连接的底部连接杆(7-1)、中部椭圆形柔性铰链(7-2)和上部连接杆(7-3)所组成；
所述第一驱动模块(2)、第二驱动模块(3)、第三驱动模块(4)以及第四驱动模块(5)与底座(1)之间，第一传感单元(8)、第二传感单元(9)、第三传感单元(10)以及第四传感单元(11)与底座(1)之间，柔性铰链(7)与底座(1)之间，柔性铰链(7)与“十”字形镜托(6)之间均采用螺钉连接方式连接；所述第一传感单元(8)、第二传感单元(9)、第三传感单元(10)以及第四传感单元(11)与“十”字形镜托(6)之间采用预压力的方式安装连接。
2.根据权利要求1所述内嵌应变传感的正应力电磁式二维偏转调节装置，其特征在于：所述第一驱动模块(2)由“C”形铁芯(2-1)，缠绕在“C”形铁芯(2-1)下部的励磁线圈(2-2)，安装在“C”形铁芯(2-1)内侧且与“C”形铁芯缺口(2-3)中心平齐的永磁体(2-4)，安装在永磁铁(2-4)端部的橡胶垫(2-5)所组成；所述第二驱动模块(3)、第三驱动模块(4)以及第四驱动模块(5)与第一驱动模块(2)结构相同。
3.根据权利要求1所述内嵌应变传感的正应力电磁式二维偏转调节装置，其特征在于：所述第一应变传感单元(8)由中部“口”字形应变梁(8-1)，呈现反对称布置在“口”字形应变梁(8-1)两端的第一“L”形梁(8-2)和第二“L”形梁(8-3)；布置在第一“L”形梁(8-2)端部的钢珠(8-4)，粘贴在“口”字形应变梁(8-1)上表面的第一应变计(8-5)和第二应变计(8-6)，下表面的第三应变计(8-7)和第四应变计(8-8)所组成；所述第二传感单元(9)、第三传感单元(10)以及第四传感单元(11)与第一应变传感单元(8)结构相同。
4.权利要求1至3任一项所述内嵌应变传感的正应力电磁式二维偏转调节装置的调节方法，调节装置初始状态时，布置在Y轴上的第一驱动模块(2)和第三驱动模块(4)上的永磁铁分别在第一驱动模块(2)和第三驱动模块(4)相应的作动间隙上产生一个大小相等方向相反的磁场，使得十”字形镜托(6)处于平衡状态，当对第一驱动模块(2)和第三驱动模块(4)上的励磁线圈施加电流时，第一驱动模块(2)上的励磁线圈产生顺时针的磁场，使得第一驱动模块(2)下部作动间隙中的磁场增强，第一驱动模块(2)上部作动间隙中的磁场减弱，从而对“十”字形镜托(6)产生竖直向上的力，同时第三驱动模块(4)上的励磁线圈产生顺时针的磁场，使得第三驱动模块(4)上部作动间隙中的磁场增强，第三驱动模块(4)下部作动间隙中的磁场减弱，从而对“十”字形镜托(6)产生竖直向下的力，于是对该二维偏转调节装置产生绕X轴的力矩，使得调节装置产生一个绕X轴偏转的角位移θ，与此同时，布置在Y轴上的第一传感单元(8)和第三传感单元(10)产生应变传感信号用以闭环反馈控制；该二维偏转调节装置绕Y轴方向的偏转调节方法和传感方法与X轴方向的相同。
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