CN114967115B - 一种基于音圈电机驱动的大行程移相扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于音圈电机驱动的大行程移相扫描装置，主要解决现有的移相扫描装置大多行程较短的问题。该移相扫描装置包括安装架、音圈电机、运动支撑机构以及反射镜组件；运动支撑机构包括：运动体和四个动臂运动机构，四个动臂运动机构分别连接于运动体长度方向的四个不同的侧面上；动臂运动机构包括：固定体和两个连接部；四个动臂运动机构的固定体分别连接于安装架一侧边框的四个内侧面的中心位置；两个连接部沿运动体长度方向相对地连接于固定体的两个侧面上；反射镜组件布置于安装架外侧，且连接于运动体一端；音圈电机的移动端与运动体另一端连接，固定端固定于安装架。

Description

一种基于音圈电机驱动的大行程移相扫描装置

技术领域

本发明涉及光谱成像，具体涉及一种基于音圈电机驱动的大行程移相扫描装置。

背景技术

面向静止轨道的移相式干涉光谱成像仪具有观测范围大、重访周期短、灵敏度高的显著优势，在对地遥感方面具有非常重要的应用价值。移相式干涉光谱成像仪在双光路横向剪切的基础上，配置移相扫描装置，实现在地球静止轨道对目标进行高光谱成像。具有空间环境适应性的高稳定性高精度的移相扫描装置是星载移相式干涉光谱成像仪的核心组件，其扫描的方向、速度和行程直接决定干涉效果，即决定仪器性能。移相式干涉光谱成像仪的光谱分辨率与引入的光程差成正比，即与移相扫描装置的运动行程成正比。

现有技术中的移相扫描装置大多行程较短，难以满足高光谱分辨率的应用需求对移相扫描装置的运动行程提出的要求。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的移相扫描装置大多行程较短难以满足高光谱分辨率的应用需求的问题，而提供一种基于音圈电机驱动的大行程移相扫描装置。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于音圈电机驱动的大行程移相扫描装置，其特殊之处在于：包括安装架、设置在安装架上的音圈电机、运动支撑机构以及安装在运动支撑机构上的反射镜组件；

所述安装架的外廓为六面体结构；

所述运动支撑机构包括：运动体和四个动臂运动机构，四个动臂运动机构分别连接于运动体长度方向的四个不同的侧面上，四个动臂运动机构关于运动体长度方向的中心轴线呈中心对称分布；

所述动臂运动机构包括：固定体和两个连接部；

四个所述动臂运动机构的固定体分别连接于安装架一侧的四个边框的中间位置；两个连接部沿运动体长度方向相对地连接于固定体的两端；

所述反射镜组件布置于安装架外侧，且连接于运动体一端；

所述音圈电机固定安装在安装架另一侧的中心，音圈电机的移动轴线与运动体长度方向的中心轴线重合，音圈电机的移动端与运动体另一端连接。

通过音圈电机移动端的移动，带动运动体移动，从而带动运动体上连接的四个动臂运动机构的两个连接部发生弹性形变，从而驱动反射镜本体的移动。

进一步地，所述连接部包括补偿臂和导向臂，且两者相互垂直设置；

所述补偿臂一端通过第一柔性铰链与固定体连接，补偿臂靠近运动体一侧、远离固定体一端通过第二柔性铰链与导向臂一端连接，导向臂另一端通过第三柔性铰链与运动体连接；

其中，静止状态下，所述第一柔性铰链分别与所述第二柔性铰链和第三柔性铰链垂直，所述第二柔性铰链和第三柔性铰链错位平行布置。

进一步地，所述安装架一侧的四个框边上分别设置有第二安装接口，用于连接动臂运动机构的固定体；

相对的另一侧的中心设置有第一安装接口，用于连接音圈电机的固定端。

进一步地，所述第一安装接口包括布置于安装架上的第一弧形槽以及安装压板；

所述安装压板上设置有第二弧形槽，第一弧形槽和第二弧形槽相互配合形成安装空间，用于安装音圈电机；

所述安装压板和安装架之间可拆卸连接。

进一步地，所述第二安装接口为分别开设于安装架用于连接固定体的四个框边上螺纹孔，固定体上开设有相应的安装孔，通过螺栓将固定体与安装架连接。

进一步地，所述音圈电机包括动子组件和定子组件；

所述动子组件通过第二安装转接件与运动体的端部连接；

所述定子组件通过第一安装接口连接于安装架。

进一步地，所述反射镜组件包括反射镜本体和反射镜安装底座；所述反射镜本体的一个面和反射镜安装底座通过胶粘连接；

所述反射镜安装底座与第一安装转接件连接。

进一步地，所述反射镜本体为空心立方角反射镜或实心角锥反射棱镜。

进一步地，所述反射镜安装底座为机械加工结构件，其材料与反射镜本体材料热膨胀系数相匹配，反射镜本体的粘接面与反射镜底座的安装面所成的锐角的正切值为根号2；

反射镜安装底座的安装面与第一安装转接件连接。

进一步地，所述运动支撑机构为一体式结构或装配式结构，其材料为7075型铝合金、铍青铜或金属碳素钢。

本发明的有益效果是：

1、本发明基于音圈电机驱动的大行程移相扫描装置的运动支撑机构配置空间中心对称的动臂运动机构，动臂运动机构在传统导向机构的基础上引入补偿臂同时导向臂两端的柔性铰链采用错位布置，极大提高的移相扫描的运动行程。

2、本发明的运动支撑机构为柔性机构，利用材料的弹性变形传递运动和力，具有无摩擦、无间隙的优势，避免了移相扫描过程长期磨损带来的误差。

3、本发明的空间呈180度分布的两个动臂运动机构的运动在一平面内，空间呈中心对称状的四个动臂运动机构看视为两个平面运动的叠加，基于两个相交平面的交线为一条直线的几何思想，可保证大行程移相扫描直线运动方向的准确性；此外，关于空间中心对称式的结构设计一定程度上引入过约束，这有利于提高运动支撑机构的固有频率，为后来纳米级移相扫描运动控制器设计降低难度。

4、本发明采用音圈电机为驱动源，结构简单，可靠性高，具有响应速度快和可实现大运动行程的优势。

5、本发明结构复杂程度低，运动传动链短，可靠性高，可实现大行程高精度移相扫描运动，可满足星载高光谱分辨率移相干涉光谱成像系统的应用需求。

附图说明

图1是本发明提出的一种基于音圈电机驱动的大行程移相扫描装置的结构示意图；

图2是本发明中安装架的结构示意图；

图3是本发明中运动支撑机构的结构示意图；

图4是本发明中运动支撑机构的工作原理简图；

图5是本发明中音圈电机的结构示意图；

图6是本发明中第二安装转接件的结构示意图；

图7是本发明中反射镜组件的结构示意图；

图8是本发明中第一安装转接件的结构示意图。

图中，1-安装架，2-运动支撑机构；21-导向臂，22-补偿臂，23-固定体，24-运动体，25-第一柔性铰链，26-第二柔性铰链，27-第三柔性铰链，3-音圈电机；31-动子组件，32-定子组件，4-第一安装转接件，5-反射镜组件：51-反射镜本体，52-反射镜安装底座，6-第二安装转接件，7-第一安装接口，8-第二安装接口。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于音圈电机驱动的大行程移相扫描装置作进一步详细说明。

如图1所示，为本发明提出的一种基于音圈电机驱动的大行程移相扫描装置，包括安装架1、设置在安装架1上的音圈电机3、运动支撑机构2以及安装在运动支撑机构上的反射镜组件5，音圈电机3的运动轴线、运动支撑机构2的运动轴线及反射镜组件5的顶点运动轴线在装调过程中应重合，在实际工作过程中，对音圈电机3施加一定的电压信号使其产生相应的运动和力，运动支撑机构2通过弹性变形将音圈电机3产生的运动传递至反射镜组件5，保证反射镜组件5实现高精度、大行程的直线运动，达到大行程移相扫描的目的。

如图5所示，音圈电机3包括动子组件31和定子组件32；动子组件31由线圈和外轭铁构成，定子组件32由永磁体和内轭铁构成；永磁铁可在音圈电机3的运动行程内提供一个近似均匀分布的磁场，当驱动电压施加于线圈，音圈电机3的动子组件31受安培力作用会产生运动；本发明采用的音圈电机3具有结构简单，可靠性高，具有响应速度快和可实现大运动行程的优势。

如图2所示，安装架1为外轮廓为六面体的结构，安装架1一侧的框边上设置有第一安装接口7(即第一安装接口7与第二安装接口8所在的框边为安装架1上对称的两个框边)，第一安装接口7包括布置于安装架1上的第一弧形槽以及安装压板；安装压板上设置有第二弧形槽，第一弧形槽和第二弧形槽相互配合形成安装空间，用于安装音圈电机3；安装压板和安装架1之间可拆卸连接，安装压板与安装架1之间在本发明中通过螺栓连接，本领域技术人员也可通过其他现有技术进行连接，例如：卡扣、锁紧螺母、连接法兰等；相对侧的框边上设置有第二安装接口8，用于连接下面需要具体说明的动臂运动机构上的固定体23；第二安装接口8为分别开设于安装架1用于连接固定体23的四个框边上螺纹孔，在固定体23上开设有相应的安装孔，通过螺栓将固定体23与安装架1连接，螺纹孔数量在本发明中为2个，也可以为根据实际场景设置为4、6或者8个。

如图1、图3和图4所示，运动支撑机构2为本发明提出的一种基于音圈电机驱动的大行程移相扫描装置的核心元件，它是由整块弹性性能良好(如AI-7075、铍青铜、金属碳素钢材料)的材料加工而成，利用材料的弹性变形传递运动和力，具有无摩擦、无间隙的优势，避免了移相扫描过程长期磨损带来的误差；非柔性铰链部分采用精密铣削加工工艺加工，加工完成后做去应力处理；柔性铰链部分采用电火花切割工艺加工或慢走丝线切割加工工艺。为节约制造成本和减少加工难度，上述的运动支撑机构2亦可采用装配式结构，它是将多个零件按装配技术要求组装而成；运动支撑机构2包括：运动体24，运动体24为四棱柱，其长度方向沿水平方向，宽和高相等，运动体24一端通过第一安装转接件4与反射镜组件5连接，另一端通过第二安装转接件6与音圈电机3连接，以驱动运动体24沿其长度方向做直线往复运动；四个动臂运动机构，分别设置于运动体24的长度方向的四个不同侧面上，动臂运动机构包括：固定体23和两个连接部，两个连接部沿运动体24长度方向相对地设置于固定体23的两个侧面上，在固定体23上开设有与与第二安装接口8数量对应的螺纹孔，然后通过螺栓与安装架1的第二安装接口8连接；连接部包括补偿臂22和导向臂21，且两者相互垂直设置，补偿臂22一端通过第一柔性铰链25与固定体23连接，补偿臂22靠近运动体24一侧、远离固定体23一端通过第二柔性铰链26与导向臂21一端连接，导向臂21另一端通过第三柔性铰链27与运动体24连接(导向臂21与运动体24之间的夹角为直角)(图4中的虚线代表相应的部件移动后的位置)，值得说明的是，第二柔性铰链26与第三柔性铰链27在动臂运动机构所在平面内错位排列，同时动臂运动机构关于中心线呈轴对称状；四个完全一致的动臂运动机构共用一个运动体24且在空间关于运动体24中心轴线呈中心对称状分布，本发明的运动支撑机构2通过配置空间中心对称的动臂运动机构，动臂运动机构在传统运动机构的基础上引入补偿臂22同时导向臂21两端的柔性铰链采用错位布置，极大提高的移相扫描的运动行程，空间呈180度分布的两个动臂运动机构的运动在一平面内，空间呈中心对称状的四个动臂运动机构看视为两个平面运动的叠加，基于两个相交平面的交线为一条直线的几何思想，可保证大行程移相扫描直线运动方向的准确性；此外，关于空间中心对称式的结构设计一定程度上引入过约束，这有利于提高运动支撑机构2的固有频率，为后来纳米级移相扫描运动控制器设计降低难度。

如图7所示，反射镜组件5包括反射镜本体51和反射镜安装底座52，反射镜本体51的其中一个面和反射镜安装底座52通过胶粘连接(反射镜安装底座52连接反射镜本体51的面即为粘接面)；反射镜安装底座52与第一安装转接件4连接，反射镜本体51为空心立方角反射镜或实心角锥反射棱镜，反射镜安装底座52为机械加工结构件，其材料应与反射镜本体材料热膨胀系数匹配，反射镜本体51粘接面与反射镜底座52的安装面所成锐角角的正切值为根号2；反射镜安装底座52的安装面(安装面即为反射镜安装底座52远离反射镜本体51的侧面)与第一安装转接件4连接。

如图8所示，第一安装转接件4为矩形板，其端面大小与反射镜安装底座52的安装面相适配，其端面的四个边角处分别开设有沉头孔，与反射镜安装底座52的安装面上开设的螺纹孔相对应，通过螺栓连接第一安装转接件4上的螺纹孔与反射镜安装底座52的安装面的螺纹孔，将第一安装转接件4与反射镜安装底座52连接一个整体；在第一安装转接件4的端面上设置有截面为矩形的凸台，在凸台中心位置开设有矩形孔，凸台、矩形孔以及第一安装转接件4的几何中心相重合，在凸台的四个边角处分别开设有与上述的第一安装转接件4沉头孔反向相反的沉头孔，在运动体24端部开设有对应的螺纹孔，通过螺栓连接凸台上的沉头孔与运动体24上的螺纹孔，将运动体24与第一安装转接件4连接为一个整体。

如图6所示，第二安装转接件6为矩形板，其端面大小与运动体24端面相适配，其端面的四个边角处分别开设有沉头孔，与运动体24远离反射镜组件5一端的端部开设的螺纹孔相对应，通过螺栓连接第二安装转接件6上的沉头孔与运动体24上的螺纹孔，将第二安装转接件6与运动体24连接一个整体；在第二安装转接件6的端面上设置有截面为圆形的凸台，凸台与第二安装转接件6的几何中心相重合，在凸台的端面上开设有与上述的第二安装转接件6的沉头孔方向相反的沉头孔，在音圈电机3的动子组件31一端开设有相应的螺纹孔，通过螺栓连接凸台上的螺纹孔与运动体24上的螺纹孔，将音圈电机3与第二安装转接件6连接为一个整体。

需要说明的是，本发明中的第一安装转接件4以及第二安装转接件6的结构仅为本发明的一种优选的方案，本领域技术人员在实施过程中，也可以采用其他结构形式的转接件实现连接固定功能。

该发明结构复杂程度低，运动传动链短，可靠性高，可实现大行程高精度移相扫描运动，可满足星载高光谱分辨率移相干涉光谱成像系统的应用需求。

Claims (9)

1.一种基于音圈电机驱动的大行程移相扫描装置，其特征在于：包括安装架(1)、设置在安装架(1)上的音圈电机(3)、运动支撑机构(2)以及安装在运动支撑机构(2)上的反射镜组件(5)；

所述运动支撑机构(2)包括：运动体(24)和四个动臂运动机构，四个所述动臂运动机构分别连接于运动体(24)长度方向的四个不同的侧面上，四个所述动臂运动机构关于运动体(24)长度方向的中心轴线呈中心对称分布；

所述动臂运动机构包括：固定体(23)和两个连接部；

四个所述动臂运动机构的固定体(23)分别连接于所述安装架(1)一侧的四个边框的中间位置；两个连接部沿运动体(24)长度方向相对地连接于所述固定体(23)的两端；

所述连接部包括补偿臂(22)和导向臂(21)，且两者相互垂直设置；

所述补偿臂(22)一端通过第一柔性铰链(25)与固定体(23)连接，所述补偿臂(22)靠近运动体(24)一侧、远离固定体(23)一端通过第二柔性铰链(26)与导向臂(21)的一端连接，所述导向臂(21)另一端通过第三柔性铰链(27)与运动体(24)连接；

其中，静止状态下，所述第一柔性铰链(25)分别与所述第二柔性铰链(26)和第三柔性铰链(27)垂直，所述第二柔性铰链(26)和第三柔性铰链(27)错位平行布置；

所述反射镜组件(5)布置于安装架(1)外侧，且连接于运动体(24)一端；

所述音圈电机(3)固定安装在安装架(1)另一侧的中心，音圈电机(3)的移动轴线与运动体(24)长度方向的中心轴线重合，所述音圈电机(3)的移动端与运动体(24)另一端连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于音圈电机驱动的大行程移相扫描装置，其特征在于：所述安装架(1)一侧的四个框边上分别设置有第二安装接口(8)，用于连接动臂运动机构的固定体(23)；

相对的另一侧的框边上设置有第一安装接口(7)，用于连接所述音圈电机(3)。

3.根据权利要求2所述的一种基于音圈电机驱动的大行程移相扫描装置，其特征在于：所述第一安装接口(7)包括布置于安装架(1)上的第一弧形槽以及安装压板；

所述安装压板上设置有第二弧形槽，第一弧形槽和第二弧形槽相互配合形成安装空间，用于安装音圈电机(3)；

所述安装压板和安装架(1)之间可拆卸连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于音圈电机驱动的大行程移相扫描装置，其特征在于：所述第二安装接口(8)为分别开设于所述安装架(1)一侧的四个框边上螺纹孔，所述固定体(23)上开设有相应的安装孔，通过螺栓将所述固定体(23)与安装架(1)连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于音圈电机驱动的大行程移相扫描装置，其特征在于：所述音圈电机(3)包括动子组件(31)和定子组件(32)；

所述动子组件(31)通过第二安装转接件(6)与所述运动体(24)的端部连接；

所述定子组件(32)通过第一安装接口(7)连接于所述安装架(1)。

6.根据权利要求5所述的一种基于音圈电机驱动的大行程移相扫描装置，其特征在于：所述反射镜组件(5)包括反射镜本体(51)和反射镜安装底座(52)；所述反射镜本体(51)的一个面和反射镜安装底座(52)通过胶粘连接；

所述反射镜安装底座(52)通过第一安装转接件(4)与所述运动体(24)连接。

7.根据权利要求6所述的一种基于音圈电机驱动的大行程移相扫描装置，其特征在于：所述反射镜本体(51)为空心立方角反射镜或实心角锥反射棱镜。

8.根据权利要求7所述的一种基于音圈电机驱动的大行程移相扫描装置，其特征在于：所述反射镜安装底座(52)为机械加工结构件，其材料与反射镜本体(51)材料热膨胀系数相匹配，所述反射镜本体(51)的粘接面与反射镜安装底座(52)的安装面所成的锐角的正切值为根号2。

9.根据权利要求8所述的一种基于音圈电机驱动的大行程移相扫描装置，其特征在于：所述运动支撑机构(2)为一体式结构或装配式结构，其材料为7075型铝合金、铍青铜或金属碳素钢。

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