CN115877544A - 拼接主镜的精调驱动机构、直线驱动装置及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及拼接主镜的驱动装置及方法，具体涉及一种拼接主镜的精调驱动机构、直线驱动装置及其驱动方法，用于解决作为拼接主镜调整重要使能技术的大行程高精度直线驱动装置，在驱动精度、位移曲线线性度、调整功能可靠性和结构紧凑性等方面，都有待进一步提高的不足之处，该拼接主镜的精调驱动机构由对称式构型的位移缩放柔顺机构和线性驱动器组成，其中，位移缩放柔顺机构位移缩放比高达100以上，配合高输出精度的线性驱动器，能够使得直线驱动装置的最小输出位移达到5nm量级，同时具有优于10μm的精调行程。同时，本发明公开一种拼接主镜的直线驱动装置及其驱动方法。

Description

拼接主镜的精调驱动机构、直线驱动装置及其驱动方法

技术领域

本发明涉及拼接主镜的驱动装置及方法，具体涉及一种拼接主镜的精调驱动机构、直线驱动装置及其驱动方法。

背景技术

随着空间遥感技术的迅速发展和空间探测精度的不断提高，人们对空间光学望远镜的分辨率要求越来越高，空间光学望远镜口径也越来越大。与传统单体主镜望远镜相比，拼接主镜望远镜作为解决发射尺寸受限的可行方式，也作为可展开空间望远镜、在轨组装和在轨制造望远镜的必要核心技术获得广泛关注。

由于空间拼接主镜往往通过折叠展开或者在轨拼装的方式形成完整镜面，因此，不仅需要避免展开、拼装和锁定等宏观机械误差，还需要经过自主校准将拼接主镜的所有子镜共焦点、共相位，最终达到望远镜进行正常观测的光学性能要求。此外，对于长期在轨工作的超大口径望远镜而言，复杂恶劣的空间环境比如环境温度的变化、大气压力的变化、系统振动和外界冲击等因素的影响，均会使主镜子镜偏离理想位置，从而降低成像质量。因此，作为拼接主镜调整重要使能技术的大行程高精度直线驱动装置，在驱动精度、位移曲线线性度、调整功能可靠性和结构紧凑性等方面，都有待进一步的技术提高。

发明内容

本发明的目的是解决作为拼接主镜调整重要使能技术的大行程高精度直线驱动装置，在驱动精度、位移曲线线性度、调整功能可靠性和结构紧凑性等方面，都有待进一步提高的不足之处，而提供一种拼接主镜的精调驱动机构、直线驱动装置及其驱动方法。

为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：

一种拼接主镜的精调驱动机构，其特殊之处在于：包括线性驱动器和位移缩放柔顺机构；

所述位移缩放柔顺机构包括固定座、设置在固定座上端的二级缩放机构，以及对称分布在固定座、二级缩放机构两侧的两个一级缩放机构；所述一级缩放机构为杠杆缩放机构，其由旋转支点处分为长臂段和短臂段；所述二级缩放机构为菱形缩放机构，其由分隔线处分为长端和短端，长端两侧作为长动臂，短端两侧作为短动臂；

各旋转支点与固定座连接，各长臂段端部与线性驱动器驱动端连接处作为精调位移输入端，各短臂段端部通过过渡杆与同侧长动臂、同侧短动臂连接，各短臂段端部与过渡杆之间、过渡杆与二级缩放机构之间均设置有柔性铰链，两侧短动臂均通过柔性铰链与固定座连接；所述长端端部设置被驱动体，作为精调位移输出端。

进一步地，两个所述过渡杆均位于所述分隔线上，长动臂(331)与分隔线(333)之间的夹角、短动臂(332)与分隔线(333)之间的夹角均为

， />

＜90°；所述位移缩放柔顺机构长端沿垂直所述分隔线方向进行运动，且输出位移量为 />

；/>

；

其中，

为长臂段与线性驱动器驱动端的连接点与旋转支点之间沿垂直过渡杆所在直线方向的距离； />

为短臂段与过渡杆的连接点与旋转支点之间沿垂直过渡杆所在直线方向的距离； />

为位移缩放柔顺机构的输入位移量，与线性驱动器驱动端的位移量相等。

本发明提供一种拼接主镜的直线驱动装置，其特殊之处在于：包括主体支架，以及设置在主体支架上的上述精调驱动机构、粗调驱动机构；

所述固定座设置在主体支架上部；所述长端端部设置被驱动体，作为位移输出端；

所述粗调驱动机构包括减速步进电机、运动换向机构、减速机构、运动传递机构、防扭转机构、至少一个位移传感器；

所述减速步进电机设置在主体支架中部；

所述运动换向机构包括换向旋转轴、锥齿轮副、第一轴承组件，所述换向旋转轴上端通过锥齿轮副与减速步进电机驱动端连接传动，换向旋转轴中部穿过主体支架上设置的第一托框，所述第一轴承组件位于换向旋转轴中部与第一托框内壁之间；

所述减速机构包括相互啮合的小直齿轮和大直齿轮，小直齿轮套设在换向旋转轴下端；

所述运动传递机构包括粗调旋转轴、第二轴承组件、粗调螺母，所述粗调旋转轴上部伸入主体支架下端设置的柱状沉台内孔中，所述第二轴承组件位于粗调旋转轴上端与柱状沉台内孔内壁之间，粗调旋转轴中部套设所述大直齿轮，粗调旋转轴下部设置有外滚道，所述粗调螺母设置在粗调旋转轴外周，且与外滚道通过多个滚珠形成丝杠螺母副，粗调螺母外周设置有螺母固定座，螺母固定座上端设置有第二轴向凹槽，第二轴向凹槽与粗调螺母通过螺钉形成预紧配合；螺母固定座通过防扭转机构与主体支架连接，用于防止主体支架沿粗调旋转轴轴向运动时，螺母固定座与主体支架发生相对旋转；螺母固定座底面设置有轴向凸环，轴向凸环内壁与粗调螺母外壁间隙配合；所述防扭转机构下端与待固定平台连接，作为整个粗调驱动机构与待固定平台的连接端；

所述防扭转机构包括防扭转柔顺机构，防扭转柔顺机构上端与主体支架连接，下端与螺母固定座端部连接，防扭转柔顺机构上设置有倒圆角直梁型柔性环节；

所述位移传感器的主体与主体支架固定，位移传感器的移动拉杆平行粗调旋转轴轴向设置，且端部与螺母固定座连接，用于测量主体支架和螺母固定座之间沿粗调旋转轴轴向距离的变化；

所述减速步进电机输出粗调位移，依次通过运动换向机构、减速机构输入运动传递机构，运动传递机构将旋转运动转换为轴向移动，依次通过粗调旋转轴、主体支架输入长端端部。

进一步地，所述防扭转机构还包括簧片、两轴柔性铰链；所述两轴柔性铰链上端与螺母固定座的下端面连接，两轴柔性铰链内壁与轴向凸环外壁间隙配合，下端与待固定平台连接，作为整个粗调驱动机构与待固定平台的连接端；所述簧片垂直粗调旋转轴轴向设置在螺母固定座端部；防扭转柔顺机构下端通过簧片与螺母固定座端部连接。

进一步地，所述两轴柔性铰链包括依次设置的上法兰、筒体和下法兰，上法兰通过螺钉与螺母固定座的下端面连接，下法兰通过螺钉与待固定平台连接，作为整个粗调驱动机构与待固定平台的连接端；筒体上设置有两个切割槽组，每个切割槽组包括两条切割槽，两个切割槽组的切割方向正交，旋转轴共面正交，在与两轴柔性铰链筒体回转轴垂直的两个正交方向具有转动柔性。

进一步地，所述防扭转柔顺机构为Z型结构，包括依次连接的上臂、中臂和下臂，上臂通过螺钉与主体支架连接，下臂通过螺钉与簧片连接，中臂平行簧片设置，中臂上设置有倒圆角直梁型柔性环节；所述簧片设置在螺母固定座端部的M型卡槽内，M型卡槽有利于簧片的弯曲变形。

进一步地，所述第一轴承组件包括由上至下依次设置的第一内深沟球轴承、第一隔圈组件、第一外深沟球轴承、第一压紧组件；所述第一托框上设置有第一内径向凸环，第一内径向凸环下端面与第一内深沟球轴承外环上端面预紧配合；所述换向旋转轴上设置有第一外径向凸环，第一外径向凸环下端面与第一内深沟球轴承内环上端面预紧配合；所述第一压紧组件包括第一内压螺母、第一外压盖，第一内压螺母与换向旋转轴螺纹配合，且与第一外深沟球轴承的内环下端面预紧配合；第一外压盖通过螺钉固定在第一托框底端，且与第一外深沟球轴承的外环下端面预紧配合；所述第一隔圈组件包括由内至外依次设置的第一内隔圈、第一外隔圈。

进一步地，所述第二轴承组件包括由下至上依次设置的粗调轴顶圈、第二内深沟球轴承、第二隔圈组件、第二外深沟球轴承、第二压紧组件；所述柱状沉台内孔内壁设置有第二内径向凸环和第一轴向凹槽，所述第二内径向凸环上端面与第二内深沟球轴承外环下端面预紧配合；所述粗调轴顶圈设置在中部径向凸环上端面、第二内深沟球轴承内环下端面之间，且与两者预紧配合；所述第二压紧组件包括第二内压螺母、第二外压螺母，第二内压螺母与粗调旋转轴螺纹配合，且与第二外深沟球轴承的内环上端面预紧配合；所述第二外压螺母位于第一轴向凹槽内，且通过螺纹配合与第一轴向凹槽固定，第二外压螺母与第二外深沟球轴承的外环上端面预紧配合；所述第二隔圈组件包括由内至外依次设置的第二内隔圈、第二外隔圈。

进一步地，所述减速步进电机的输出轴垂直粗调旋转轴轴向设置，所述换向旋转轴平行粗调旋转轴轴向设置，以使结构形式更紧凑，进而减小尺寸。

本发明还提供一种直线驱动装置的驱动方法，其特殊之处在于：采用上述拼接主镜的直线驱动装置，包括如下步骤：

步骤1、精调驱动机构的线性驱动器和粗调驱动机构的减速步进电机均预置在零位；所述精调驱动机构的最小输出位移为±

nm， />

， />

为线性驱动器驱动端的最小位移量， />

为位移缩放柔顺机构的位移缩放比；

直线驱动装置接收到调整指令后，首先确定直线驱动装置的目标长度

，单位为nm；

步骤2、通过线性驱动器的闭环反馈模块和位移传感器反馈得到直线驱动装置的当前长度

，单位为nm；

步骤3、判断

是否大于等于临界值 />

，如果是，进入步骤4，否则进入步骤9； />

，其中 />

为粗调旋转轴的导程， />

为减速步进电机的步距角， />

为减速步进电机的减速器速比， />

为减速机构的速比；

步骤4、判断

是否大于0，如果是，进入步骤5，否则进入步骤7；

步骤5、粗调驱动机构的减速步进电机正转，脉冲步数为

，直线驱动装置的长度以大步长变大；

步骤6、精调驱动机构的线性驱动器正转，脉冲步数为

，直线驱动装置的长度以小步长变大，进入步骤12；

步骤7、粗调驱动机构的减速步进电机反转，脉冲步数为

，直线驱动装置的长度以大步长变小；

步骤8、精调驱动机构的线性驱动器反转，脉冲步数为

，直线驱动装置的长度值以小步长变小，进入步骤12；

步骤9、判断

是否大于0，如果是，进入步骤10，否则进入步骤11；

步骤10、精调驱动机构的线性驱动器正转，脉冲步数为

，直线驱动装置的长度以小步长变大，进入步骤12；

步骤11、精调驱动机构的线性驱动器反转，脉冲步数为

，直线驱动装置的长度以小步长变小，进入步骤12；

步骤12、通过线性驱动器的闭环反馈模块和位移传感器反馈得到直线驱动装置的当前长度

，单位为nm；判断直线驱动装置的当前长度 />

与直线驱动装置的目标长度

的差值绝对值是否小于定位残差 />

，如果是，进入步骤13，否则返回步骤2；

步骤13、驱动过程结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明一种拼接主镜的精调驱动机构，由对称式构型的位移缩放柔顺机构和线性驱动器组成，其中，位移缩放柔顺机构位移缩放比高达100以上，配合高输出精度的线性驱动器，能够使得直线驱动装置的最小输出位移达到5nm量级，同时具有优于10μm的精调行程；并且本发明位移曲线线性度好、控制简单，能够避免寄生运动干扰和位移曲线非线性对装置输出精度的影响。

（2）本发明一种拼接主镜的直线驱动装置，通过将精调驱动机构和粗调驱动机构串联安装于主体支架，且精调驱动机构和粗调驱动机构均包含各自的驱动器和控制器，使两者既能同时控制，又能分时控制，因此本发明能够实现大行程粗调和高精度精调的独立操控，并提高了直线驱动装置的可靠性。

（3）本发明一种拼接主镜的直线驱动装置中，粗调驱动机构包括减速步进电机、运动换向机构、减速机构、运动传递机构、防扭转机构和直线差分式位移传感器，通过精密传动链路的换向、减速和运动转换，能够达到24.5nm的位移输出精度和高达22mm的大输出行程。精调驱动机构和粗调驱动机构协同配合，以及闭环反馈精密运动控制，能够实现两级精度与行程的衔接覆盖，可以满足直线驱动装置指标要求。

（4）本发明一种拼接主镜的直线驱动装置，基于柔顺机构设计理念，采用一体式两轴柔性铰链代替传统虎克铰链，具有尺寸小、重量轻、无机械间隙误差和良好的热应力卸载能力的优势；采用电火花线切割技术加工的位移缩放柔顺机构和防扭转柔顺机构，结构紧凑，机械加工工艺性能好。

（5）本发明一种拼接主镜的直线驱动装置，整体重量较小，结构形式紧凑，驱动功能强大，不仅能够用于光学反射镜的精密调整，也在包括但不限于精密透镜、探测器组件等光机结构的精密调整方面具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明一种拼接主镜的直线驱动装置实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例中运动换向机构的结构示意图；

图4为本发明实施例中运动传递机构的结构示意图；

图5为本发明实施例中防扭转机构的结构示意图；

图6为本发明实施例中位移缩放柔顺机构的结构示意图；

图7为本发明实施例中位移缩放柔顺机构输出位移量为正数时的工作原理示意图；

图8为本发明实施例中位移缩放柔顺机构输出位移量为负数时的工作原理示意图；

图9为本发明一种直线驱动装置的驱动方法的流程示意图。

附图标记说明如下：

1-主体支架，11-第一托框，111-第一内径向凸环，12-柱状沉台，121-第二内径向凸环，122-第一轴向凹槽；

2-线性驱动器；

3-位移缩放柔顺机构，31-一级缩放机构，311-长臂段，312-短臂段，313-旋转支点，32-过渡杆，33-二级缩放机构，331-长动臂，332-短动臂，333-分隔线，34-固定座，35-沉头通孔；

4-减速步进电机；

5-运动换向机构，51-换向旋转轴，511-第一外径向凸环，52-锥齿轮副，521-上锥齿轮，522-下锥齿轮，53-第一轴承组件，531-第一内深沟球轴承，532-第一隔圈组件，533-第一外深沟球轴承，534-第一压紧组件，535-第一内隔圈，536-第一外隔圈，537-第一内压螺母，538-第一外压盖；

6-减速机构，61-小直齿轮，62-大直齿轮；

7-运动传递机构，71-粗调旋转轴，711-中部径向凸环，72-第二轴承组件，721-粗调轴顶圈，722-第二内深沟球轴承，723-第二隔圈组件，724-第二外深沟球轴承，725-第二压紧组件，726-第二内隔圈，727-第二外隔圈，728-第二内压螺母，729-第二外压螺母，73-粗调螺母；

8-防扭转机构，81-簧片，82-防扭转柔顺机构，821-上臂，822-中臂，823-下臂，83-两轴柔性铰链，831-上法兰，832-筒体，833-下法兰；

9-位移传感器；10-传感器压盖；110-螺母固定座，120-轴向凸环，130-第二轴向凹槽。

具体实施方式

下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地说明。

参照图1至图3，一种拼接主镜的直线驱动装置，包括主体支架1，以及设置在主体支架1上的精调驱动机构、粗调驱动机构。

所述精调驱动机构包括线性驱动器2和位移缩放柔顺机构3。

参照图1、图6，所述位移缩放柔顺机构3包括设置在主体支架1上部的固定座34、设置在固定座34上端的二级缩放机构33，以及对称分布在固定座34、二级缩放机构33两侧的两个一级缩放机构31；所述固定座34设置在主体支架1上端，且位于粗调旋转轴71轴线上；所述一级缩放机构31为杠杆缩放机构，其由旋转支点313处分为长臂段311和短臂段312；所述二级缩放机构33为菱形缩放机构，其由分隔线333处分为长端和短端，长端两侧作为长动臂331，短端两侧作为短动臂332。

各旋转支点313与固定座34连接，各长臂段311端部与线性驱动器2驱动端连接作为精调位移输入端，各短臂段312端部通过过渡杆32与同侧长动臂331、同侧短动臂332连接，各短臂段312端部与过渡杆32之间、过渡杆32与二级缩放机构33之间均设置有柔性铰链，两侧短动臂332均通过柔性铰链与固定座34连接；所述长端端部设置有沉头通孔35，通过螺钉与被驱动体连接，作为直线驱动装置的位移输出端。

参照图6至图8，两个所述过渡杆32均位于所述分隔线333上，所述位移缩放柔顺机构3长端沿粗调旋转轴71轴线方向进行运动，且输出位移量为

；

；

其中，

为长臂段311与线性驱动器2驱动端的连接点与旋转支点313之间沿垂直过渡杆32所在直线方向的距离； />

为短臂段312与过渡杆32的连接点与旋转支点313之间沿垂直过渡杆32所在直线方向的距离； />

为位移缩放柔顺机构的输入位移量，与线性驱动器2驱动端的位移量相等。

所述线性驱动器2驱动端的最小位移量

小于等于0.5μm，最大位移量大于等于±650μm。位移缩放柔顺机构位移缩放比 />

高达100以上。

所述粗调驱动机构，包括减速步进电机4、运动换向机构5、减速机构6、运动传递机构7、两个位移传感器9、传感器压盖10、螺母固定座110、防扭转机构8。所述减速步进电机4输出粗调位移，依次通过运动换向机构5、减速机构6输入运动传递机构7，运动传递机构7将旋转运动转换为轴向移动，依次通过粗调旋转轴71、主体支架1输入长端端部。

所述减速步进电机4设置在主体支架1上的通孔内，减速步进电机4的输出轴垂直粗调旋转轴71轴向设置；减速步进电机4的步距角

为1.8°，内部包括速比 />

为51的行星齿轮减速器和摩擦制动锁定器，摩擦制动锁定器能够一定程度地消除机械间隙对驱动精度的影响，减速步进电机4内部采用直线光栅尺实现闭环精密运动控制。

参照图2至图3，所述运动换向机构5包括换向旋转轴51、锥齿轮副52、第一轴承组件53。所述换向旋转轴51平行粗调旋转轴71轴向设置，换向旋转轴51上端通过锥齿轮副52与减速步进电机4的输出轴连接传动，锥齿轮副52包括相互啮合的上锥齿轮521和下锥齿轮522，上锥齿轮521套设在减速步进电机4的输出轴上，且通过销钉固定，下锥齿轮522套设在换向旋转轴51上端，且通过销钉固定。换向旋转轴51中部穿过主体支架1上设置的第一托框11，所述第一轴承组件53位于换向旋转轴51中部与第一托框11内壁之间；第一轴承组件53包括由上至下依次设置的第一内深沟球轴承531、第一隔圈组件532、第一外深沟球轴承533、第一压紧组件534；第一托框11上设置有第一内径向凸环111，第一内径向凸环111下端面与第一内深沟球轴承531外环上端面预紧配合；换向旋转轴51上设置有第一外径向凸环511，第一外径向凸环511下端面与第一内深沟球轴承531内环上端面预紧配合；第一压紧组件534包括第一内压螺母537、第一外压盖538，第一内压螺母537与换向旋转轴51螺纹配合，且与第一外深沟球轴承533的内环下端面预紧配合；第一外压盖538通过螺钉固定在第一托框11底端，且与第一外深沟球轴承533的外环下端面预紧配合；第一隔圈组件532包括由内至外依次设置的第一内隔圈535、第一外隔圈536。

所述减速机构6包括相互啮合的小直齿轮61和大直齿轮62，小直齿轮61与大直齿轮62之间的速比

为8，两者配合用于完成运动换向机构5至运动传递机构7的过渡，同时具有降低转速和增加力矩的功能，实现粗调的高精度和平稳性。大直齿轮62上开设若干减重孔，用于降低重量，并有利于运动的平稳性。

所述小直齿轮61套设在换向旋转轴51下端，且通过销钉固定。

参照图4，所述运动传递机构7包括粗调旋转轴71、第二轴承组件72、粗调螺母73，所述主体支架1下端设置有柱状沉台12，所述粗调旋转轴71上部伸入柱状沉台12内孔中，粗调旋转轴71中部设置有中部径向凸环711，中部径向凸环711外周套设所述大直齿轮62，且通过销钉固定。

所述第二轴承组件72位于粗调旋转轴71上端与柱状沉台12内孔内壁之间，第二轴承组件72包括由下至上依次设置的粗调轴顶圈721、第二内深沟球轴承722、第二隔圈组件723、第二外深沟球轴承724、第二压紧组件725；柱状沉台12内孔内壁设置有第二内径向凸环121和第一轴向凹槽122，第二内径向凸环121上端面与第二内深沟球轴承722外环下端面预紧配合；粗调轴顶圈721设置在中部径向凸环711上端面、第二内深沟球轴承722内环下端面之间，且与两者预紧配合；第二压紧组件725包括第二内压螺母728、第二外压螺母729，第二内压螺母728与粗调旋转轴71螺纹配合，且与第二外深沟球轴承724的内环上端面预紧配合；第二外压螺母729位于第一轴向凹槽122内，且通过螺纹配合与第一轴向凹槽122固定，第二外压螺母729与第二外深沟球轴承724的外环上端面预紧配合；第二隔圈组件723包括由内至外依次设置的第二内隔圈726、第二外隔圈727。

粗调旋转轴71下部设置有外滚道，粗调螺母73设置在粗调旋转轴71外周，且与外滚道通过多个滚珠形成丝杠螺母副；粗调旋转轴71的导程

为2mm，外滚道螺纹长度为22mm。

参照图4、图5，所述防扭转机构8包括簧片81、防扭转柔顺机构82和两轴柔性铰链83。所述螺母固定座110设置在粗调螺母73外周，螺母固定座110上端设置有第二轴向凹槽130，第二轴向凹槽130与粗调螺母73通过螺钉形成预紧配合；螺母固定座110底面设置有轴向凸环120，轴向凸环120内壁与粗调螺母73外壁间隙配合，外壁与两轴柔性铰链83内壁间隙配合。

所述簧片81垂直粗调旋转轴71轴向设置在螺母固定座110端部的M型卡槽内，有利于簧片81的弯曲变形；所述防扭转柔顺机构82为Z型结构，包括依次连接的上臂821、中臂822和下臂823，上臂821通过螺钉与主体支架1连接，下臂823通过螺钉与簧片81连接，中臂822平行簧片81设置，中臂822上设置有倒圆角直梁型柔性环节，用于防止主体支架1相对螺母固定座110沿粗调旋转轴71轴向运动时螺母固定座110与主体支架1之间发生相对旋转；防扭转柔顺机构82在中臂822上的柔性环节和簧片81较好的弯曲柔性能够对粗调旋转轴71与粗调螺母73组成的丝杠螺母副产生一定的预紧效果，进而一定程度地消除机械间隙对驱动装置精度的影响。

所述两轴柔性铰链83包括依次设置的上法兰831、筒体832和下法兰833，上法兰831通过螺钉与螺母固定座110的下端面连接，下法兰833通过螺钉与待固定平台连接，作为整个粗调驱动机构与待固定平台的连接端；筒体832上设置有两个切割槽组，每个切割槽组包括两条切割槽，两个切割槽组的切割方向正交，旋转轴共面正交，在与两轴柔性铰链83筒体832回转轴垂直的两个正交方向具有转动柔性。两轴柔性铰链83采用电火花线切割技术对称加工而成，具有上述两个正交方向转动刚度相等，轴向刚度与扭转刚度高的优点。

所述位移传感器9为直线差分式，分辨率为0.1μm；位移传感器9的主体通过螺钉夹持在传感器压盖10与主体支架1之间，位移传感器9的移动拉杆平行粗调旋转轴71轴向设置，且端部与螺母固定座110连接，用于测量主体支架1和螺母固定座110之间沿粗调旋转轴71轴向距离的变化。两个位移传感器9互为备份。

本发明工作原理如下：

所述直线驱动装置收到精调位移指令后，精调驱动机构的线性驱动器2正转或反转，同时同幅度地向外推动或向内拉动位移缩放柔顺机构3，长端输出正位移或负位移。此时，如果粗调驱动机构处于减速步进电机4制动锁定和粗调驱动机构预紧锁定状态，则精调驱动机构的位移输出即为整个直线驱动装置的输出。

直线驱动装置收到粗调位移指令后，粗调驱动机构的减速步进电机4正转或反转，通过运动换向机构5、减速机构6和运动传递机构7的传动，整个直线驱动装置除了与待固定平台固定的粗调螺母73、螺母固定座110和两轴柔性铰链83之外，其他所有零件均同步沿粗调旋转轴71轴线方向进行向上或向下的平移运动，通过位移缩放柔顺机构3的长端输出正位移或负位移。此时，如果精调驱动机构处于线性驱动器2制动锁定状态，则粗调驱动机构的位移输出即为整个直线驱动装置的输出。

精调位移指令和粗调位移指令可同时发出并执行，也可分时发出并执行。精调驱动机构的线性驱动器2的正转或反转与粗调驱动机构的减速步进电机4的正转或反转并不耦合，可独立操控。

本发明还公开一种直线驱动装置的驱动方法，采用上述拼接主镜的直线驱动装置，包括如下步骤：

步骤1、精调驱动机构的线性驱动器2和粗调驱动机构的减速步进电机4均预置在零位；精调驱动机构的最小输出位移为±

nm，取值为±5nm；直线驱动装置接收到调整指令后，首先确定直线驱动装置的目标长度 />

，单位为nm；

步骤2、通过线性驱动器2的闭环反馈模块和位移传感器9反馈得到直线驱动装置的当前长度

，单位为nm；

步骤3、判断

是否大于等临界值 />

，如果是，进入步骤4，否则进入步骤9； />

，其中 />

为粗调旋转轴的导程， />

为减速步进电机的步距角， />

为减速步进电机的减速器速比， />

为减速机构的速比；

步骤4、判断

是否大于0，如果是，进入步骤5，否则进入步骤7；

步骤5、粗调驱动机构的减速步进电机4正转，脉冲步数为

，直线驱动装置的长度以大步长变大；符号 />

为向下取整；

步骤6、精调驱动机构的线性驱动器2正转，脉冲步数为

，直线驱动装置的长度以小步长变大，进入步骤12；

步骤7、粗调驱动机构的减速步进电机4反转，脉冲步数为

，直线驱动装置的长度以大步长变小；

步骤8、精调驱动机构的线性驱动器2反转，脉冲步数为

，直线驱动装置的长度值以小步长变小，进入步骤12；

步骤9、判断

是否大于0，如果是，进入步骤10，否则进入步骤11；

步骤10、精调驱动机构的线性驱动器2正转，脉冲步数为

，直线驱动装置的长度以小步长变大，进入步骤12；

步骤11、精调驱动机构的线性驱动器2反转，脉冲步数为

，直线驱动装置的长度以小步长变小，进入步骤12；

步骤12、通过线性驱动器2的闭环反馈模块和位移传感器9反馈得到直线驱动装置的当前长度

，单位为nm；判断直线驱动装置的当前长度 />

与直线驱动装置的目标长度

的差值绝对值是否小于定位残差/>

，如果是，进入步骤13，否则返回步骤2；

步骤13、驱动过程结束。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种拼接主镜的精调驱动机构，其特征在于：包括线性驱动器(2)和位移缩放柔顺机构(3)；

所述位移缩放柔顺机构(3)包括固定座(34)、设置在固定座(34)上端的二级缩放机构(33)，以及对称分布在固定座(34)、二级缩放机构(33)两侧的两个一级缩放机构(31)；所述一级缩放机构(31)为杠杆缩放机构，其由旋转支点(313)处分为长臂段(311)和短臂段(312)；所述二级缩放机构(33)为菱形缩放机构，其由分隔线(333)处分为长端和短端，长端两侧作为长动臂(331)，短端两侧作为短动臂(332)；

各旋转支点(313)与固定座(34)连接，各长臂段(311)端部与线性驱动器(2)驱动端连接处作为精调位移输入端，各短臂段(312)端部通过过渡杆(32)与同侧长动臂(331)、同侧短动臂(332)连接，各短臂段(312)端部与过渡杆(32)之间、过渡杆(32)与二级缩放机构(33)之间均设置有柔性铰链，两侧短动臂(332)均通过柔性铰链与固定座(34)连接；所述长端端部设置被驱动体，作为精调位移输出端。

2.根据权利要求1所述的一种拼接主镜的精调驱动机构，其特征在于：两个所述过渡杆(32)均位于所述分隔线(333)上，长动臂(331)与分隔线(333)之间的夹角、短动臂(332)与分隔线(333)之间的夹角均为

，/>

＜90°；所述位移缩放柔顺机构(3)长端沿垂直所述分隔线(333)方向进行运动，且输出位移量为/>

；

；

其中，

为长臂段(311)与线性驱动器(2)驱动端的连接点与旋转支点(313)之间沿垂直过渡杆(32)所在直线方向的距离；/>

为短臂段(312)与过渡杆(32)的连接点与旋转支点(313)之间沿垂直过渡杆(32)所在直线方向的距离；/>

为位移缩放柔顺机构(3)的输入位移量，与线性驱动器(2)驱动端的位移量相等。

3.一种拼接主镜的直线驱动装置，其特征在于：包括主体支架(1)，以及设置在主体支架(1)上的权利要求1所述精调驱动机构、粗调驱动机构；

所述固定座(34)设置在主体支架(1)上部；所述长端端部设置被驱动体，作为位移输出端；

所述粗调驱动机构包括减速步进电机(4)、运动换向机构(5)、减速机构(6)、运动传递机构(7)、防扭转机构(8)、至少一个位移传感器(9)；

所述减速步进电机(4)设置在主体支架(1)中部；

所述运动换向机构(5)包括换向旋转轴(51)、锥齿轮副(52)、第一轴承组件(53)，所述换向旋转轴(51)上端通过锥齿轮副(52)与减速步进电机(4)驱动端连接传动，换向旋转轴(51)中部穿过主体支架(1)上设置的第一托框(11)，所述第一轴承组件(53)位于换向旋转轴(51)中部与第一托框(11)内壁之间；

所述减速机构(6)包括相互啮合的小直齿轮(61)和大直齿轮(62)，小直齿轮(61)套设在换向旋转轴(51)下端；

所述运动传递机构(7)包括粗调旋转轴(71)、第二轴承组件(72)、粗调螺母(73)，所述粗调旋转轴(71)上部伸入主体支架(1)下端设置的柱状沉台(12)内孔中，所述第二轴承组件(72)位于粗调旋转轴(71)上端与柱状沉台(12)内孔内壁之间，粗调旋转轴(71)中部套设所述大直齿轮(62)，粗调旋转轴(71)下部设置有外滚道，所述粗调螺母(73)设置在粗调旋转轴(71)外周，且与外滚道通过多个滚珠形成丝杠螺母副，粗调螺母(73)外周设置有螺母固定座(110)，螺母固定座(110)上端设置有第二轴向凹槽(130)，第二轴向凹槽(130)与粗调螺母(73)通过螺钉形成预紧配合；螺母固定座(110)通过防扭转机构(8)与主体支架(1)连接，用于防止主体支架(1)沿粗调旋转轴(71)轴向运动时，螺母固定座(110)与主体支架(1)发生相对旋转；螺母固定座(110)底面设置有轴向凸环(120)，轴向凸环(120)内壁与粗调螺母(73)外壁间隙配合；所述防扭转机构(8)下端与待固定平台连接，作为整个粗调驱动机构与待固定平台的连接端；

所述防扭转机构(8)包括防扭转柔顺机构(82)，防扭转柔顺机构(82)上端与主体支架(1)连接，下端与螺母固定座(110)端部连接，防扭转柔顺机构(82)上设置有倒圆角直梁型柔性环节；

所述位移传感器(9)的主体与主体支架(1)固定，位移传感器(9)的移动拉杆平行粗调旋转轴(71)轴向设置，且端部与螺母固定座(110)连接，用于测量主体支架(1)和螺母固定座(110)之间沿粗调旋转轴(71)轴向距离的变化；

所述减速步进电机(4)输出粗调位移，依次通过运动换向机构(5)、减速机构(6)输入运动传递机构(7)，运动传递机构(7)将旋转运动转换为轴向移动，依次通过粗调旋转轴(71)、主体支架(1)输入长端端部。

4.根据权利要求3所述的一种拼接主镜的直线驱动装置，其特征在于：所述防扭转机构(8)还包括簧片(81)、两轴柔性铰链(83)；所述两轴柔性铰链(83)内壁与轴向凸环(120)外壁间隙配合，两轴柔性铰链(83)上端与螺母固定座(110)的下端面连接，下端与待固定平台连接，作为整个粗调驱动机构与待固定平台的连接端；所述簧片(81)垂直粗调旋转轴(71)轴向设置在螺母固定座(110)端部；防扭转柔顺机构(82)下端通过簧片(81)与螺母固定座(110)端部连接。

5.根据权利要求4所述的一种拼接主镜的直线驱动装置，其特征在于：所述两轴柔性铰链(83)包括依次设置的上法兰(831)、筒体(832)和下法兰(833)，上法兰(831)通过螺钉与螺母固定座(110)的下端面连接，下法兰(833)通过螺钉与待固定平台连接，作为整个粗调驱动机构与待固定平台的连接端；筒体(832)上设置有两个切割槽组，每个切割槽组包括两条切割槽，两个切割槽组的切割方向正交，旋转轴共面正交，在与两轴柔性铰链(83)筒体(832)回转轴垂直的两个正交方向具有转动柔性。

6.根据权利要求5所述的一种拼接主镜的直线驱动装置，其特征在于：所述防扭转柔顺机构(82)为Z型结构，包括依次连接的上臂(821)、中臂(822)和下臂(823)，上臂(821)通过螺钉与主体支架(1)连接，下臂(823)通过螺钉与簧片(81)连接，中臂(822)平行簧片(81)设置，中臂(822)上设置有倒圆角直梁型柔性环节；所述簧片(81)设置在螺母固定座(110)端部的M型卡槽内。

7.根据权利要求3至6任一所述的一种拼接主镜的直线驱动装置，其特征在于：所述第一轴承组件(53)包括由上至下依次设置的第一内深沟球轴承(531)、第一隔圈组件(532)、第一外深沟球轴承(533)、第一压紧组件(534)；所述第一托框(11)上设置有第一内径向凸环(111)，第一内径向凸环(111)下端面与第一内深沟球轴承(531)外环上端面预紧配合；所述换向旋转轴(51)上设置有第一外径向凸环(511)，第一外径向凸环(511)下端面与第一内深沟球轴承(531)内环上端面预紧配合；所述第一压紧组件(534)包括第一内压螺母(537)、第一外压盖(538)，第一内压螺母(537)与换向旋转轴(51)螺纹配合，且与第一外深沟球轴承(533)的内环下端面预紧配合；第一外压盖(538)通过螺钉固定在第一托框(11)底端，且与第一外深沟球轴承(533)的外环下端面预紧配合；所述第一隔圈组件(532)包括由内至外依次设置的第一内隔圈(535)、第一外隔圈(536)。

8.根据权利要求7所述的一种拼接主镜的直线驱动装置，其特征在于：所述第二轴承组件(72)包括由下至上依次设置的粗调轴顶圈(721)、第二内深沟球轴承(722)、第二隔圈组件(723)、第二外深沟球轴承(724)、第二压紧组件(725)；所述柱状沉台(12)内孔内壁设置有第二内径向凸环(121)和第一轴向凹槽(122)，所述第二内径向凸环(121)上端面与第二内深沟球轴承(722)外环下端面预紧配合；所述粗调轴顶圈(721)设置在中部径向凸环(711)上端面、第二内深沟球轴承(722)内环下端面之间，且与两者预紧配合；所述第二压紧组件(725)包括第二内压螺母(728)、第二外压螺母(729)，第二内压螺母(728)与粗调旋转轴(71)螺纹配合，且与第二外深沟球轴承(724)的内环上端面预紧配合；所述第二外压螺母(729)位于第一轴向凹槽(122)内，且通过螺纹配合与第一轴向凹槽(122)固定，第二外压螺母(729)与第二外深沟球轴承(724)的外环上端面预紧配合；所述第二隔圈组件(723)包括由内至外依次设置的第二内隔圈(726)、第二外隔圈(727)。

9.根据权利要求3所述的一种拼接主镜的直线驱动装置，其特征在于：所述减速步进电机(4)的输出轴垂直粗调旋转轴(71)轴向设置，所述换向旋转轴(51)平行粗调旋转轴(71)轴向设置。

10.一种直线驱动装置的驱动方法，其特征在于，采用权利要求3所述的拼接主镜的直线驱动装置，包括如下步骤：

步骤1、精调驱动机构的线性驱动器(2)和粗调驱动机构的减速步进电机(4)均预置在零位；所述精调驱动机构的最小输出位移为±

nm，/>

，/>

为线性驱动器(2)驱动端的最小位移量，/>

为位移缩放柔顺机构(3)的位移缩放比；直线驱动装置接收到调整指令后，首先确定直线驱动装置的目标长度/>

，单位为nm；

步骤2、通过线性驱动器(2)的闭环反馈模块和位移传感器(9)反馈得到直线驱动装置的当前长度

，单位为nm；

步骤3、判断

是否大于等于临界值/>

，如果是，进入步骤4，否则进入步骤9；

，其中/>

为粗调旋转轴(71)的导程，/>

为减速步进电机(4)的步距角，/>

为减速步进电机(4)的减速器速比，/>

为减速机构(6)的速比；

步骤4、判断

是否大于0，如果是，进入步骤5，否则进入步骤7；

步骤5、粗调驱动机构的减速步进电机(4)正转，脉冲步数为

，直线驱动装置的长度以大步长变大；

步骤6、精调驱动机构的线性驱动器(2)正转，脉冲步数为

，直线驱动装置的长度以小步长变大，进入步骤12；

步骤7、粗调驱动机构的减速步进电机(4)反转，脉冲步数为

，直线驱动装置的长度以大步长变小；

步骤8、精调驱动机构的线性驱动器(2)反转，脉冲步数为

，直线驱动装置的长度以小步长变小，进入步骤12；

步骤9、判断

是否大于0，如果是，进入步骤10，否则进入步骤11；

步骤10、精调驱动机构的线性驱动器(2)正转，脉冲步数为

，直线驱动装置的长度以小步长变大，进入步骤12；

步骤11、精调驱动机构的线性驱动器(2)反转，脉冲步数为

，直线驱动装置的长度以小步长变小，进入步骤12；

步骤12、通过线性驱动器(2)的闭环反馈模块和位移传感器(9)反馈得到直线驱动装置的当前长度

，单位为nm；判断直线驱动装置的当前长度/>

与直线驱动装置的目标长度

的差值绝对值是否小于定位残差/>

，如果是，进入步骤13，否则返回步骤2；

步骤13、驱动过程结束。

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