发明内容
本发明是为了解决现有技术中的平面反射镜角度调整装置转角精度低、不能实时显示反射镜转动的角度以及需要其他设备对其转角进行标定的问题,进而提供了一种大口径平面反射镜二维角度精密调整装置。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是:
一种大口径平面反射镜二维角度精密调整装置,它包括底板、立板、反射镜组件安装板、反射镜组件、方位轴系、俯仰轴系、第一手轮组件及第二手轮组件,其中所述底板水平布置,所述立板通过方位轴系竖向安装在所述底板的顶面,底板的顶面固设有两个方位限位块,且两个方位限位块分别位于立板的两侧,所述反射镜组件通过所述反射镜组件安装板竖向安装在所述立板的侧面,且所述反射镜组件安装板与所述立板之间通过俯仰轴系连接,两个手轮组件结构相同且均水平布置,所述第一手轮组件通过方位支架固装在底板上且其一端部与所述立板固接,通过第一手轮组件对反射镜组件的方位转角进行调节,所述第二手轮组件穿装在立板的下部且其一端部与所述反射镜组件安装板固接,通过第二手轮组件对反射镜组件的俯仰转角进行调节,所述方位轴系包括第一角度传感器,所述俯仰轴系包括第二角度传感器,通过第一角度传感器及第二角度传感器分别对反射镜组件的方位转角及俯仰转角进行测量。
进一步地,所述反射镜组件包括平面反射镜、背板、若干锥套及若干柔节,其中平面反射镜上均布有若干安装孔,若干所述柔节对应通过若干锥套穿装在平面反射镜的若干安装孔内,每个柔节的端部均与背板通过螺钉固接。
进一步地,所述柔节包括桶状的安装段及一体固接在安装段端部的法兰段,所述安装段穿装在锥套内,且所述安装段上沿其周向开设有环槽,背板与法兰段通过螺钉固接。
进一步地,所述方位轴系还包括方位转轴、第一深沟球轴承及一对第一角接触球轴承,其中第一角度传感器固装在立板上,所述方位转轴通过螺钉固装在底板上,所述第一深沟球轴承套装在方位转轴的下部,一对第一角接触球轴承背对背套装在方位转轴的上部,所述立板通过第一深沟球轴承及第一角接触球轴承转动安装在方位转轴上,第一角度传感器的转轴与方位转轴的顶端固接。
进一步地,所述俯仰轴系还包括两组平行布置在立板上部一侧面的轴系主体,其中每组轴系主体均包括俯仰轴安装支腿、吊耳、俯仰轴承座及第二深沟球轴承,吊耳的一端部与反射镜组件安装板之间以及所述俯仰轴安装支腿与立板之间分别通过螺钉固接,所述俯仰轴承座与所述俯仰轴安装支腿固接,第二深沟球轴承设置在吊耳与俯仰轴承座之间,第二角度传感器通过第二传感器安装架水平固装在立板的一侧面,且第二角度传感器的转轴与一个吊耳固接。
进一步地,所述第一手轮组件包括手轮本体、手轮外壳、手轮支架、轴承支架、螺杆及螺帽,其中手轮本体同轴固装在螺杆的一端,所述手轮支架及所述轴承支架沿螺杆轴向依次套装在螺杆上,所述螺帽与所述螺杆螺纹配合,且所述螺帽与所述轴承支架连接,所述手轮外壳周向套设在手轮支架与手轮本体之间的螺杆上,且所述手轮外壳与所述手轮支架转动连接,所述手轮外壳通过锁紧螺钉进行周向限位,第一手轮组件中的手轮支架通过方位支架固装在底板上,第一手轮组件中的轴承支架固装在立板上,第二手轮组件中的手轮支架与立板固接,第二手轮组件中的轴承支架固装在反射镜组件安装板上。
进一步地,手轮外壳的前、后两端分别固接有手轮前端盖、手轮后端盖,且手轮外壳的前部与螺杆之间通过第三角接触球轴承连接,手轮外壳的后部与手轮本体之间通过第四角接触球轴承连接,螺杆上还螺纹套装有紧定螺母,通过紧定螺母对第三角接触球轴承进行轴向限位。
进一步地,手轮支架与手轮外壳之间以及轴承支架与螺帽之间均安装有第五角接触球轴承。
进一步地,底板的底端均布四个脚轮,所述底板通过若干地脚螺栓固定位置,底板的顶面还均布四个吊环螺栓。
本发明与现有技术相比具有以下效果:
本申请通过设置角度传感器能够实时显示方位转轴和俯仰转轴的转动角度,降低了光学载荷在地面装配及检测的难度,提高了工作效率。同时在20±5℃温度范围内仍具有较好的反射镜面形。
本申请特别是对于不具备高精度装调工具和装调检测环境的场合,能够简便、快速实现光轴的精密指向,弥补了以往需要使用经纬仪等光电仪器进行角度标定的过程,该装置安装操作便捷、装调精度高、体积小。
本申请用于对光束调整有较高要求的光学检测领域,例如采用基于平面镜自准直的共基准装调方法对光学载荷进行装配及检测的过程。
本申请能够满足对大幅宽、高分辨率、大口径的光学载荷地面装配及检测。该装置安装操作便捷、高效、装调精度高、体积小,成本大大降低。
具体实施方式
具体实施方式一:结合图1~10说明本实施方式,一种大口径平面反射镜二维角度精密调整装置,它包括底板1、立板2、反射镜组件安装板3、反射镜组件4、方位轴系、俯仰轴系、第一手轮组件5及第二手轮组件6,其中所述底板1水平布置,所述立板2通过方位轴系竖向安装在所述底板1的顶面,底板1的顶面固设有两个方位限位块7,且两个方位限位块7分别位于立板2的两侧,所述反射镜组件4通过所述反射镜组件安装板3竖向安装在所述立板2的侧面,且所述反射镜组件安装板3与所述立板2之间通过俯仰轴系连接,两个手轮组件结构相同且均水平布置,所述第一手轮组件5通过方位支架8固装在底板1上且其一端部与所述立板2固接,通过第一手轮组件5对反射镜组件4的方位转角进行调节,所述第二手轮组件6穿装在立板2的下部且其一端部与所述反射镜组件安装板3固接,通过第二手轮组件6对反射镜组件4的俯仰转角进行调节,所述方位轴系包括第一角度传感器12,所述俯仰轴系包括第二角度传感器20,通过第一角度传感器12及第二角度传感器20分别对反射镜组件4的方位转角及俯仰转角进行测量。
反射镜组件4通过螺钉安装在反射镜组件安装板3上,反射镜组件安装板3通过螺钉与俯仰轴系连接。
本申请具有二维角度调整功能,分别为方位转角和俯仰转角。所述方位转角是指反射镜镜面法线沿水平面的转角。所述俯仰转角是指反射镜镜面的法线沿铅锤面的转角。
通过方位限位块7实现对立板2前后摆动位置的限位,进而对方位转角进行限制,使运动转角在正负10°范围内。
通过转动两个手轮组件可以调整反射镜二维角度,将其角度调整到所需要的位置,同时可以实时显示转动的角度值。具体为:
通过第一手轮组件5带动立板2的下部沿第一手轮组件5长度方向摆动,进而实现对反射镜组件4的方位转角进行调节;
通过第二手轮组件6带动反射镜组件安装板3的下部沿第二手轮组件6长度方向摆动,进而实现对反射镜组件4的俯仰转角进行调节。
角度传感器测量出的转角值实时显示在六位显示仪表上。六位显示仪表优选东莞市欧尔博自动化科技有限公司生产的额EW系列单通道热工表。
本申请中所采用的角度传感器优选北京天宇恒创传感技术有限公司生产的MCJS系列角度传感器。
本申请中的平面反射镜4-1口径400mm,具有方位转角正负10°,俯仰转角正负10°的调节范围。方位、俯仰轴系晃动优于10″。能够实时显示方位转轴13和俯仰转轴的转动角度,降低了光学载荷在地面装配及检测的难度,提高了工作效率。同时在20±5℃温度范围内仍具有较好的反射镜面形。
本申请特别是对于不具备高精度装调工具和装调检测环境的场合,能够简便、快速实现光轴的精密指向,弥补了以往需要使用经纬仪等光电仪器进行角度标定的过程,该装置安装操作便捷、装调精度高、体积小。
本申请的外轮廓尺寸为650mm(长),550mm(宽),673mm(高),基于通用P4级轴承研制,具有研制成本低,研制周期短、结构紧凑的特点,同时能够保证各轴系具有较高的回转精度。
本申请用于对光束调整有较高要求的光学检测领域,例如采用基于平面镜自准直的共基准装调方法对光学载荷进行装配及检测的过程。
本申请能够满足对大幅宽、高分辨率、大口径的光学载荷地面装配及检测。该装置安装操作便捷、高效、装调精度高、体积小,成本大大降低。
方位支架8通过螺钉与底板1固接。
所述反射镜组件4包括平面反射镜4-1、背板4-2、若干锥套4-3及若干柔节4-4,其中平面反射镜4-1上均布有若干安装孔,若干所述柔节4-4对应通过若干锥套4-3穿装在平面反射镜4-1的若干安装孔内,每个柔节4-4的端部均与背板4-2通过螺钉固接。柔节4-4与锥套4-3的数量相同,优选为三个。锥套4-3的外表面与平面反射镜4-1的安装孔内表面之间胶接,柔节4-4与锥套4-3之间通过螺钉连接。所述柔节4-4是一种柔性支撑结构,可以解决现有平面反射镜4-1在重力载荷、温度载荷和装配容差三种工况下面型精度退化较大的问题,能够在较大的温度变化场合内使用,反射镜组件4仍具有较好的反射镜面形。平面反射镜4-1的直径可以根据实际被测光学载荷的口径进行设计,例如400mm,但不局限于400mm。
所述柔节4-4包括桶状的安装段4-41及一体固接在安装段4-41端部的法兰段4-42,所述安装段4-41穿装在锥套4-3内,且所述安装段4-41上沿其周向开设有环槽4-411,背板4-2与法兰段4-42通过螺钉固接。可以通过对柔节4-4的环槽4-411的尺寸参数调整来削弱温度载荷和装配容差对反射镜面型精度的影响,提高平面反射镜4-1二维角度调整装置的环境适应性。环槽4-411的数量根据实际需要确定,环槽4-411在周向存在断点,即环槽4-411非连贯的环状结构,类似项圈的形状。为了保证安装段4-41的结构稳定,多个环槽4-411周向错位布置,即断点位置错位布置。
所述方位轴系还包括方位转轴13、第一深沟球轴承14及一对第一角接触球轴承15,其中第一角度传感器12固装在立板2上,所述方位转轴13通过螺钉固装在底板1上,所述第一深沟球轴承14套装在方位转轴13的下部,一对第一角接触球轴承15背对背套装在方位转轴13的上部,所述立板2通过第一深沟球轴承14及第一角接触球轴承15转动安装在方位转轴13上,第一角度传感器12的转轴与方位转轴13的顶端固接。第一角度传感器12通过第一传感器安装架16固装在立板2顶端。第一角接触球轴承的外压圈18与立板2固接,第一角接触球轴承的内压圈17与方位转轴13固接,第一角接触球轴承的内压圈17一体固装有连接轴,第一角度传感器12的转轴通过第一联轴器19与连接轴固接,用于对方位转角进行测量。第一角接触球轴承的外压圈18将第一角接触球轴承15外环进行固定,第一角接触球轴承的内压圈17将第一角接触球轴承15内环进行固定,通过修研第一角接触球轴承的外压圈18或第一角接触球轴承的内压圈17高度来调整轴承预紧力。第一深沟球轴承外压圈42通过螺钉固装在立板上,用于对第一深沟球轴承外圈固定。第一深沟球轴承14的型号为61909-2RS1/P4。第一角接触球轴承15的型号为71907AC-2RS1/P4。
第一深沟球轴承14起到辅助支撑的作用,同时增加了两个轴承之间的跨距,提高方位轴系的回转精度。第一角接触球轴承15的安装方式采用高刚性的背对背形式安装,可以很容易地进行预紧和消除轴承游隙,这样的布局不仅提高了轴向支撑刚度和轴向定位精度,而且提高了工作的稳定性。背对背安装的角接触轴承作用点间距离较大,能够平衡附加轴向力,具有相对高的刚度,可承受倾覆力矩。深沟球轴承滚珠相对内外圈可做微小的轴向窜动,轴承内、外圈之间具有轴向运动自由度,用以平衡温差引起的轴系形变,温度变化时轴系不易卡死。
方位轴系的晃动主要由轴承跳动、轴体同轴度误差、装配误差和变形晃动误差构成的,轴系的最大晃动误差如下:
其中:Δθ为轴系的最大晃动误差;Δθ1为轴系最大角运动误差;Δθ2为轴体变形造成的晃动误差;Δθ3为随机跳动误差,一般取值为Δθ3≤0.3″;Δθ4为两轴承孔同轴度误差,取值为Δθ4≤1″。
其中:ε是由rad单位换算成角秒(“″”)的转换系数,取2.06264×105;L为轴系两点支点的距离;Δk为轴承的跳动误差;Δpz为轴承同轴度误差;Δpk轴承两安装孔同轴度加工误差;Δm为轴系装配间隙误差。
上述参数取值如下:
L=350mm;Δk=0.004mm;Δpz=0.002mm;Δpk=0.002mm;Δm=0.001mm,计算得Δθ1=7.66″。
其中δ为轴体最大变形量。
反射镜方位转轴13承载的总质量为:43.5kg。
经有限元仿真分析本装置的方位转轴13最大变形量为δ=5.34×10-4mm,则由式(3)可得Δθ2=0.3147″。可见,在本申请所研究的负载下,负载对轴系晃动的影响很小,轴体刚度能够得到很好的保证。根据公式(1),方位轴系的最大晃动误差Δθ=7.73″。
所述俯仰轴系还包括两组平行布置在立板2上部一侧面的轴系主体,其中每组轴系主体均包括俯仰轴安装支腿21、吊耳22、俯仰轴承座23及第二深沟球轴承24,吊耳22的一端部与反射镜组件安装板3之间以及所述俯仰轴安装支腿21与立板2之间分别通过螺钉固接,所述俯仰轴承座23与所述俯仰轴安装支腿21固接,第二深沟球轴承24设置在吊耳22与俯仰轴承座23之间,第二角度传感器20通过第二传感器安装架25水平固装在立板2的一侧面,且第二角度传感器20的转轴与一个吊耳22固接。通过吊耳22及两对第二深沟球轴承24,实现反射镜组件安装板3与立板2之间的俯仰转角的调节。第二角度传感器20的转轴与吊耳22之间通过第二联轴器26及联轴器转轴27固接。联轴器转轴通过孔轴过盈配合与吊耳22相连接。第二深沟球轴承24的型号为61903-2RS1/P4。
俯仰轴系的晃动主要由轴承跳动、轴体同轴度误差、装配误差和变形晃动误差构成的,轴系的最大晃动误差如下:
其中:Δθ为轴系的最大晃动误差;Δθ1为轴系最大角运动误差;Δθ2为轴体变形造成的晃动误差;Δθ3为随机跳动误差,一般取值为Δθ3≤0.3″;Δθ4为两轴承孔同轴度误差,取值为Δθ4≤1″。
其中:ε是由rad单位换算成角秒(“″”)的转换系数,取2.06264×105;L为轴系两点支点的距离;Δk为轴承的跳动误差;Δpz为轴承同轴度误差;Δpk轴承两安装孔同轴度加工误差;Δm为轴系装配间隙误差。
上述参数取值如下:
L=416mm;Δk=0.0025mm;Δpz=0.008mm;Δpk=0.002mm;Δm=0.002mm,计算得
Δθ1=8.43″。
其中δ为轴体最大变形量。
俯仰轴承载的总质量为:26.8kg。
经有限元仿真分析方位转轴13最大变形量为δ=2.16×10-4mm,则由式(6)可得Δθ2=0.10709″。可见,在发明装置的负载对轴系晃动的影响很小,轴体刚度能够得到很好的保证。根据公式(4),俯仰轴系的最大晃动误差Δθ=8.21″。
所述第一手轮组件5包括手轮本体28、手轮外壳29、手轮支架30、轴承支架31、螺杆32及螺帽33,其中手轮本体28同轴固装在螺杆32的一端,所述手轮支架30及所述轴承支架31沿螺杆32轴向依次套装在螺杆32上,所述螺帽33与所述螺杆32螺纹配合,且所述螺帽33与所述轴承支架31连接,所述手轮外壳29套设在手轮支架30与手轮本体28之间的螺杆32上,且所述手轮外壳29与所述手轮支架30转动连接,所述手轮外壳29通过锁紧螺钉34进行周向限位,第一手轮组件5中的手轮支架30通过方位支架8固装在底板上,第一手轮组件5中的轴承支架31固装在立板2上,第二手轮组件6中的手轮支架30与立板2固接,第二手轮组件6中的轴承支架31固装在反射镜组件安装板3上。手轮本体28通过孔轴过盈配合与螺杆32相连,同时利用螺钉将手轮本体28与螺杆32固定。转动手轮本体28可以推动螺帽33前后运动,进而推动与轴承支架31相连接的立板2或反射镜组件安装板3前后运动,实现方位转角或俯仰转角的调节。锁紧螺钉34安装在手轮外壳的螺纹孔内,转动锁紧螺钉,使其压紧手轮本体28进向周向限位。通过锁紧螺钉34实现在不需要进行方位转角调节或俯仰转角调节时,对手轮本体28进行锁定。
手轮外壳29的前、后两端分别固接有手轮前端盖35、手轮后端盖36,且手轮外壳29的前部与螺杆32之间通过第三角接触球轴承37连接,手轮外壳29的后部与手轮本体28之间通过第四角接触球轴承38连接,螺杆32上还螺纹套装有紧定螺母39,通过紧定螺母39对第三角接触球轴承37进行轴向限位。第四角接触球轴承38的型号为71906AC-2RS1,通过手轮外壳29和手轮本体28上的台肩对第四角接触球轴承38进行固定。第三角接触球轴承37的型号为71902AC-2RS1,手轮外壳29与手轮前端盖35之间通过螺纹连接,手轮外壳29与手轮后端盖36之间通过螺钉固接,手轮前端盖35与螺杆32之间以及手轮后端盖36与手轮本体28之间均为间隙配合。
手轮支架30与手轮外壳29之间以及轴承支架31与螺帽33之间均安装有第五角接触球轴承40。第五角接触球轴承40的型号为729-2RS1/P4,数量为四个,两两对称布置,轴承内环对应安装在手轮外壳29和螺帽33上,轴承外环对应通过手轮轴承座安装在手轮支架30和轴承支架31上。每个手轮轴承座与手轮支架30及轴承支架31之间均通过螺钉连接。
底板1的底端均布四个脚轮9,所述底板1通过若干地脚螺栓10固定位置,底板1的顶面还均布四个吊环螺栓11。地脚螺栓10的数量优选为三个,呈三角形布置,每个地脚螺栓10均通过螺纹套41穿装在底板1上,螺纹套41采用H68材料,不易生锈,防腐蚀,耐磨性极好,不易产生咬死现象,易导热及导电性强。通过脚轮9及吊环螺栓11,便于装置的搬运。