CN2139705Y - 一种高精度光机扫描摆镜 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种高精度光机扫描摆镜。
它通过两个表面轮廓相共轭的凸轮和摆镜从动件的
一对滚子紧密接触，当凸轮转动时，反射镜即精确地
按预定轨迹摆动。该凸轮设计成推程和回程运动角
均为180°。对线性扫描来说线性运动区占80％，
实现高速双向线性角扫描。本实用新型具有扫描效
率高、线性扫描的线性度好、重复精度高、驱动力矩
大、抗干扰能力强等优点。适用于各种口径的需光机
扫描的可见和红外成象系统。
Description
本实用新型涉及光学机械扫描系统，特别是一种新型的用于图象扫描的高精度光机扫描摆镜。
光机扫描装置，通常在采用单元或线阵探测器件的可见或红外成象系统中用来扩展视场。在这类装置中都有典型应用实例。其扫描方式可分为旋转镜和摆动镜两大类。早期结构均为旋转扫描，但其效率一般都比较低，结构尺寸大。近期逐渐采用摆动扫描，在结构上有如下多种方式。
一是用电磁力驱动的方式，如摆角电机或音叉振动式的结构，但仅能驱动惯量小的摆镜，对于大惯量摆镜尚无法实现高频率线性驱动。
再如电磁加速弹性碰撞扫描镜，在反弹时依靠绕轴的惯性旋转来获得线性角扫描，它多用于空间遥感成象仪器。但在重力场中，由于恣态不平衡，振动和其他干扰，惯性旋转的重复性和精度都难以得到保证。
此外也有靠凸轮旋转来驱动的，但它用一个凸轮，借助外力锁合从动件，因而给电机增加了额外的转矩负担，而且回程时加速度很大，特别在凸轮高速旋转时从动件必然产生跳动，加上外界的干扰因素，这种装置无法实现预定的高精度的扫描要求。
本实用新型的目的是提供一种新型设计的、扫描效率高、驱动力矩大、抗干扰能力强、对线性扫描线性度好、在扫描频率上能和电视帧频兼容的高精度光机扫描摆镜。
本实用新型的目的是通过下述技术方案来达到的。本高精度光机扫描摆镜具有一对表面轮廓相共轭的凸轮，分别与摆镜从动件的两个滚子紧密接触，使一个滚子依靠外力牵制另一个滚子，当凸轮在电动机的驱动下恒速转动时，摆镜即精确地按预定的轨迹完成双向角扫描。在凸轮轴的另一端装有一小型光电编码器，能精确地给出与凸轮角位移相对应的摆镜的瞬时角位移。
下面结合附图对本实用新型作进一步阐述。
图1是本实用新型高精度光机扫描摆镜的结构剖示图。
图2是本实用新型高精度光机扫描摆镜的俯视图，它是沿图1的AA方向的剖示图。
图3是本实用新型一个实施例的线性扫描曲线。
图4是本实用新型另一个实施例的简谐扫描曲线。
本高精度光机扫描摆镜由一对凸轮、摆镜组件、支承部件、位置传感器和电动机组成。
具体地说，支承部件包括轮箱11、底座9和摆镜架12，摆镜架12通过紧固螺栓连接在轮箱11上，并可以对二者的相对距离加以调节。底座9是整个扫描装置的支承。两个凸轮4、5通过键3固接在能在轮箱中自由转动的凸轮轴10上，凸轮轴10以一对轴承6为支承安装在轮箱11上，凸轮轴10的一端通过连轴节7与光电编码器8连接。凸轮轴10的另一端则连接电动机。
所说的一对凸轮4、5，应用耐磨的金属材料制成，是具有根据所需的扫描曲线设计轮廓曲线的两个表面轮廓相共轭的构件。凸轮4、5分别与摆镜从动件的两个滚子2紧密接触，使一个滚子依靠外力牵动另一个滚子。
凸轮的轮廓是按下述方程设计的：
凸轮4：X4＝Lcosθ－lcos（φ0－φ－θ） （1）
Y4＝Lsinθ＋lsin（φ0－φ－θ） （2）
凸轮5：X5＝Lcosθ－lcos（φ0＋φ＋θ） （3）
Y5＝Lsinθ－lsin（φ0＋φ＋θ） （4）
参见图2，式中各符号的意义是：0和0′分别是凸轮回转中心和扫描镜摆动中心。取座标系以0为原点，00′为X轴正向，逆时针旋转90°为Y轴正向，则X4、Y4和X5、Y5分别为两凸轮在该座标系中的理论轮廓座标。L为00′距离。l为叉状摆臂13每臂的长度，φ0是摆臂13的二臂间的夹角之半。凸轮转角θ与反射镜摆角φ的关系构成了所需的扫描曲线。
本实用新型中，双向线性扫描运动规律的φ（θ）关系是这样设计的：
φ＝ 6/(4＋8π) （1－cos5θ），（
） （5）
φ＝ 3/(4＋8π) （10θ－π＋2），（ (π)/10 ≤θ＜ 9/10 π） （6）
φ＝3－ 6/(4＋8π) ［1＋cos（5θ－4π）］，（ 9/10 π≤θ＜ 11/10 π） （7）
φ＝ －3/(4＋8π) （10θ－19π－2），（ (11π)/10 ≤θ＜ 19/10 π） （8）
式中右边括号中给出了θ的取值范围。当θ>2π时，可以从0开始周而复始。由于推程和回程运动角均为180°，从而实现了双向线性角扫描。
本实用新型中，简谐运动规律的φ（θ）关系是这样设计的：
φ＝1.5（1－cosθ）， （9）
下面阐述一下摆镜组件，它由反射镜14、摆臂13和滚子2组成。摆镜组件通过一对轴承1安装在摆镜架12上，可在一定范围内自由摆动。摆镜组件通过一对滚子2分别和凸轮4、5紧密接触形成高副机构，其松紧程度可通过调节摆镜架12和轮箱11的相对位置来调整。当凸轮在电动机驱动下恒速转动时，摆镜即精确地按设计规律完成双向角扫描。所说的摆臂13设计成叉状结构，分开的两端装有滚子2。它用刚性好的材料制作，以免由于受力变形而使运动失真。
所说的位置传感器是实时给出与凸轮角位移对应的扫描摆镜摆角的光电编码器8，光电编码器8通过连轴节7与凸轮轴10相连接。
本实用新型具有如下有益效果：
1.由于采用凸轮驱动，扫描摆镜的运动规律可以任意拟定。采用双向扫描，提高了扫描效率。
2.采用两个凸轮和摆镜从动件刚性接触，能精确地实现预定的运动，在高速扫描时不会有跳开现象。也不受外界振动等因素的干扰，重复性非常理想。对线性扫描来说，其扫描线性度也非常理想。
3.扫描摆镜驱动力的大小和电动机功率有关，电动机是可以更换的，因此摆镜转动惯量也不受限制。换言之，它适用于各种不同通光口径的整机中。当选用1500转／分的电动机时，其扫描频率即和电视帧频兼容。
4.凸轮轴的一端装有光电编码器，能给出摆镜的瞬时角位移以及整机要求的各种同步信号。
本实用新型设计人推荐如下实施例：
实施例一，高精度光机线性扫描摆镜。按本实用新型如前所述的高精度光机扫描摆镜来实施，其特点是：
1.凸轮4和5采用40Cr材料，表面高频油淬HRC48－55；其基圆半径为35毫米。推程和回程运动角均为180°。线性运动区占80％，从动件摆角3°。其凸轮轮廓按公式（1）－（8）计算，在附表1中示出了线性双向扫描时凸轮4、5的理论轮廓的典型数据。该凸轮轮廓是由计算机精确计算并由数控磨床加工的，其绝对偏差在2微米以内。在用数控磨床加工时，使用和滚子2直径相同的砂轮磨削，同时砂轮的回转轴沿理论廓线进给，即能加工出实用的凸轮来。
2.反射镜14为152×112毫米的椭圆形平面镜，以LY12铝为基体，表面经光学复制构成镜面。摆臂长75毫米，通过两个直径为15毫米的滚子2分别和一对凸轮4、5表面紧密接触。反射镜摆动中心到凸轮回转中心的距离L为85毫米，叉状摆臂二摆臂间半角φ0＝24°15′。整个摆镜组件的转动惯量为7000克·平方厘米。
3.凸轮轴10通过一对单列向心球轴承6支承，凸轮轴一端装有一小型光电编码器8，每转输出1800个脉冲。
4.整个扫描装置由一磁滞同步电动机驱动。其输出功率10瓦，同步转速1500转／分，其扫描频率与电视帧频兼容。
5.本实施例实测特性为：双向扫描频率50赫芝，总扫描角6°（反射镜有加倍作用）。在5°有效视场内线性度优于千分之一。扫描效率优于85％，摆角重复性误差小于12.5″，即0.061毫弧度。扫描曲线如附图3所示。
实施例二，高精度光机简谐扫描摆镜。按如前所述的高精度光机扫描摆镜有关内容实施，其特点是：
1.凸轮4和5采用45＃钢材料，表面高频淬火HRC40－50；其基圆半径为35毫米。轮廓按简谐运动规律，即如前公式（1）－（5）和（9）设计加工。其推程和回程运动角均为180°。
2.反射镜14为150×110毫米的椭圆形平面镜。由LY12铝制成。摆臂长75毫米，通过两个直径为15毫米的滚子2分别和一对凸轮4、凸轮5表面紧密接触。反射镜摆动中心到凸轮回转中心的距离L为85毫米，叉状摆臂二摆臂间半角φ0＝24°15′。整个摆镜组件的转动惯量为5500克·平方厘米。
3.凸轮轴10通过一对单列向心球轴承6支承，一端装有一小型光电编码器8，每转输出1800个脉冲。
4.该扫描装置由一磁滞同步电动机驱动，输出功率10瓦。同步转速1500转／分，可与电视帧频兼容。
5.本实施例实测特性为：双向扫描频率50赫芝，总扫描角6°（反射镜有加倍作用）。摆角重复误差小于12.5″，即0.061毫弧度。其扫描曲线在附图4中示出。
附表1，线性双向扫描时凸轮4、5理论轮廓的典型数据，更详细的数据可根据公式（1）～（8）计算得出。
θ（°） X4（mm） Y4（mm） X5（mm） Y5（mm）
0 16.618 30.803 16.618 －30.803
4 14.423 31.872 18.734 －29.584
8 12.151 32.756 20.777 －28.244
12 9.822 33.454 22.739 －26.784
16 7.452 33.970 24.609 －25.200
20 5.057 34.314 26.372 －23.489
24 2.651 34.489 28.017 －21.654
28 0.246 34.496 29.534 －19.704
32 －2.148 34.336 30.915 －17.648
36 －4.518 34.010 32.153 －15.494
40 －6.853 33.522 33.241 －13.253
44 －9.141 32.874 34.172 －10.936
48 －11.373 32.071 34.942 －8.554
52 －13.538 31.116 35.545 －6.116
56 －15.625 30.017 35.978 －3.637
60 －17.624 28.779 36.238 －1.126
64 －19.528 27.408 36.322 1.403
68 －21.326 25.912 36.230 3.939
72 －23.010 24.299 35.960 6.469
76 －24.574 22.578 35.513 8.980
80 －26.010 20.758 34.891 11.461
84 －27.313 18.848 34.095 13.898
88 －28.475 16.857 33.129 16.281
92 －29.494 14.796 31.996 18.596
96 －30.364 12.676 30.701 20.832
100 －31.082 10.506 29.249 22.978
104 －31.647 8.299 27.647 25.023
108 －32.054 6.063 25.902 26.956
附表1（续）
112 －32.305 3.812 24.021 28.767
116 －32.399 1.555 22.014 30.447
120 －32.335 －0.696 19.888 31.987
124 －32.115 －2.930 17.655 33.378
128 －31.742 －5.138 15.325 34.613
132 －31.218 －7.307 12.907 35.685
136 －30.546 －9.429 10.415 36.588
140 －29.731 －11.492 7.859 37.317
144 －28.778 －13.488 5.252 37.868
148 －27.691 －15.407 2.606 38.235
152 －26.477 －17.240 －0.065 38.418
156 －25.142 －18.979 －2.750 38.414
160 －23.695 －20.616 －5.434 38.222
164 －22.142 －22.145 －8.105 37.842
168 －20.495 －23.562 －10.748 37.269
172 －18.766 －24.871 －13.345 36.497
176 －16.966 －26.078 －15.877 35.520
180 －15.099 －27.182 －18.324 34.340
184 －13.171 －28.185 －20.666 32.964
188 －11.184 －29.081 －22.888 31.404
192 －9.140 －29.861 －24.978 29.676
196 －7.043 －30.513 －26.927 27.797
200 －4.899 －31.024 －28.731 25.787
204 －2.719 －31.384 －30.387 23.660
208 －0.513 －31.591 －31.887 21.429
212 1.709 －31.642 －33.223 19.104
216 3.935 －31.537 －34.391 16.697
220 6.155 －31.275 －35.386 14.220
224 8.357 －30.857 －36.203 11.685
228 10.530 －30.283 －36.839 9.107
232 12.664 －29.557 －37.292 6.496
236 14.748 －28.679 －37.561 3.866
附表1（续）
240 16.770 －27.655 －37.645 1.231
244 18.721 －26.488 －37.546 －1.398
248 20.590 －25.183 －37.263 －4.007
252 22.369 －23.747 －36.799 －6.583
256 24.046 －22.184 －36.158 －9.114
260 25.615 －20.504 －35.344 －11.589
264 27.065 －18.712 －34.361 －13.994
268 28.390 －16.818 －33.215 －16.319
272 29.582 －14.830 －31.913 －18.552
276 30.634 －12.757 －30.461 －20.684
280 31.541 －10.610 －28.867 －22.703
284 32.298 －8.399 －27.141 －24.602
288 32.899 －6.134 －25.290 －26.370
292 33.340 －3.826 －23.325 －28.001
296 33.620 －1.486 －21.256 －29.486
300 33.735 0.874 －19.094 －30.820
304 33.685 3.242 －16.849 －31.996
308 33.467 5.608 －14.534 －33.009
312 33.084 7.959 －12.159 －33.856
316 32.535 10.283 －9.737 －34.533
320 31.823 12.570 －7.280 －35.037
324 30.950 14.806 －4.800 －35.367
328 29.919 16.982 －2.309 －35.523
332 28.736 19.086 0.180 －35.503
336 27.404 21.107 2.655 －35.310
340 25.930 23.035 5.104 －34.945
344 24.321 24.860 7.516 －34.411
348 22.579 26.567 9.879 －33.717
352 20.709 28.138 12.187 －32.877
356 18.718 29.555 14.434 －31.903
360 16.618 30.803 16.618 －30.803
Claims (1)
1、一种高精度光机扫描摆镜，由一对凸轮、摆镜组件、支承部件、位置传感器和电动机组成，其特征在于：
a)所说的支承部件包括轮箱11、底座9和摆镜架12、摆镜架12通过紧固螺栓连接在轮箱11上，并调节二者的相对距离，底座9是整个扫描装置的支承；两个凸轮4、5通过键3固接在能在轮箱中自由转动的凸轮轴10上，凸轮轴10以一对轴承6为支承安装在轮箱11上，凸轮轴10的一端通过连轴节7与光电编码器8连接，凸轮轴10的另一端则连接电动机；
b)所说的一对凸轮4、5，是具有根据所需的扫描曲线设计轮廓曲线的两个表面轮廓相共轭的构件；凸轮4、5分别与摆镜从动件的两个滚子2紧密接触，使一个滚子依靠外力牵动另一个滚子；
c)所说的摆镜组件，包括反射镜14、传递运动的刚性摆臂13和两个滚子2，摆镜组件通过一对轴承1安装在摆镜架12上，通过两个滚子2分别和凸轮4、5紧密接触形成高副机构，当凸轮在电动机驱动下恒速转动时，摆镜即精确地按设计规律完成双向角扫描；
d)所说的位置传感器是实时给出与凸轮角位移对应的扫描摆镜摆角的光电编码器8，光电编码器8通过连轴节7与凸轮轴10相连接。
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