一种用于极地环境的直驱式精密微位移促动器的制造方法
【专利摘要】一种用于极地环境的直驱式精密微位移促动器，它涉及一种精密微位移促动器，以解决目前没有适用于极地低温环境下的大型拼合镜面望远镜面板用的支撑和调节机构的问题，它包括运动支撑机构、驱动机构和消隙螺旋传动机构；运动支撑机构包括柔性轴、端盖、壳体和底盖，壳体为两端敞口的壳体，端盖和底盖分别盖装在壳体的两端；驱动机构包括弹性联轴器、电机连接板和步进电机，消隙螺旋传动机构包括导向键、驱动杆、传动螺母、弹簧套筒、螺杆、预紧弹簧、消隙螺母和防转螺钉。本发明用于多点支撑和调整拼合镜面天文望远镜的子镜面板。
【专利说明】一种用于极地环境的直驱式精密微位移促动器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种精密微位移促动器，具体涉及一种用于极地地区拼合镜面天文望远镜的直驱式精密微位移促动器，这种微位移促动器成组工作，主要用于多点支撑和调整拼合镜面天文望远镜的子镜面板，属于拼接镜面主动光学【技术领域】。同时，亦可应用于低温条件下的精密微位移机构等场合。
【背景技术】
[0002]随着天文学的发展，天文学家需要更大口径的天文望远镜探测暗物质、暗能量甚至地外生命等。然而，单一镜面的天文望远镜在增大口径的发展过程存在诸多瓶颈，因此诞生了主动光学技术，拼接镜面主动光学技术作为主动光学技术中的一个分支，能够有效地解决这一问题。拼接镜面主动光学技术能够校正望远镜主镜在制造、安装、重力场、温度场中产生的镜面面形误差，使众多子镜面板拼合成具有一定面形精度的主镜，这个过程中需要对天文望远镜的主镜面形进行精密检测，然后对主镜的子镜面板进行精密的姿态调整，微位移促动器是子镜面板的支撑和调节机构，可以对面板进行多个自由度的姿态调整，其在拼接镜面主动光学技术中起精度补偿作用。
[0003]天文望远镜在运行过程中，主镜会受到重力场、风载、温度载荷等作用，使主镜的面形精度受到影响，为使主镜在运行过程中始终具有一定的面形精度，微位移促动器必须具有毫米级行程、微纳米级高分辨率、大负载能力、高刚度、高重复定位精度、高稳定性等特点。
[0004]目前，国内外研宄的微位移促动器多采用精密步进电机、压电陶瓷驱动器、超声波电机、磁致伸缩驱动器等作为驱动元件，压电陶瓷、超声波电机以及磁致伸缩材料往往存在输出位移非线性、迟滞、负载能力小等问题，使得其应用受到限制。而步进电机经济常用，没有累积误差，并且种类齐全，技术成熟，采用电细分控制可以输出较小的步距角，配合精密的机械传动可以稳定、线性地输出极小的位移。
[0005]与此同时，随着人类对南极的探索，南极大陆高海拔地区被证实是地球上最好的天文观测地点，在天文观测方面具有众多优势:可进行长时间的连续观测；水汽含量低，空气十分稀薄；低光散射和大气透过率高；非常寒冷干燥；低红外背景；大气闪烁低；宽等晕角和相干时间长。所有的这些优势使得南极成为地球上最吸引人的光学/红外天文学观测地点。近些年世界各国相继提出了多个南极望远镜计划。考虑到极地地区环境恶劣，最低气温可达到零下80度至90度，并会伴有强风雪，这使得用于极地地区拼合镜面天文望远镜的微位移促动器的设计不同于其它环境中的微位移促动器。考虑到极地环境温度低，微位移促动器要具有结构紧凑，体积小，外形较为规则，能够有效避免积雪，耐低温，具有一定的密封性，防风雪侵蚀等特点；考虑到极地地区运输难度大、费用高等缺点，促动器还要具有质量轻，便于运输的特点；同时促动器还必须具有驱动有效，输出精度高等优点，不存在低速爬行、迟滞、空回等缺点。
[0006]随着南极天文学研宄的逐渐深入，全球将在极地地区建设更大口径的拼接镜面主动光学望远镜。届时，由于子镜面板块数的增多，低温微位移促动器的需求将急剧增大。目前，国内还没有相关的商业化产品，因而需要我国加快低温微位移促动器的研制，尽早掌握其自主知识产权，提高自身的大型拼接镜面主动光学望远镜制造能力，在建设极地地区大型拼接镜面望远镜的浪潮中占得先机，进而促进南极天文学的发展。
【发明内容】
[0007]本发明是为解决目前没有适用于极地低温环境下的大型拼合镜面望远镜面板用的支撑和调节机构的问题，进而提供一种用于极地环境的直驱式精密微位移促动器。
[0008]本发明为解决上述问题采取的技术方案是:一种用于极地环境的直驱式精密微位移促动器包括运动支撑机构、驱动机构和消隙螺旋传动机构；
[0009]运动支撑机构包括柔性轴、端盖、壳体和底盖，壳体为两端敞口的壳体，端盖和底盖分别盖装在壳体的两端；
[0010]驱动机构包括弹性联轴器、电机连接板和步进电机，电机连接板安装在壳体内，步进电机安装在电机连接板上，步进电机的输出轴水平布置，步进电机的输出轴上安装有弹性联轴器；
[0011]消隙螺旋传动机构包括导向键、驱动杆、传动螺母、弹簧套筒、螺杆、预紧弹簧、消隙螺母和防转螺钉；驱动杆穿过端盖且二者间隙配合，导向键安装在驱动杆上并与端盖上的键槽配合，驱动杆的一端连接有柔性轴，驱动杆的另一端与传动螺母连接，螺杆与弹性联轴器连接；传动螺母主要由制成一体的传动法兰和传动套筒组成，消隙螺母主要由制成一体的消隙法兰和消隙套筒组成，传动套筒内加工有与螺杆的螺纹相配合的螺纹孔，消隙套筒内加工有与螺杆螺纹相配合的螺纹孔，传动套筒和消隙套筒正对布置，传动螺母和消隙螺母分别旋拧在螺杆上，预紧弹簧压缩在传动法兰和消隙法兰之间，弹簧套筒套设在预紧弹簧上，弹簧套筒与传动螺母连接，防转螺钉穿过消隙法兰上加工的沉孔并固定在弹簧套筒上。
[0012]本发明的有益效果是:
[0013]1、本发明采用消隙螺旋传动机构，具有结构紧凑、输出位移的控制精度高、无回程间隙、断电自锁、稳定性强的优点，能够实现大型拼合镜面望远镜子镜面板的高精度位姿调整。
[0014]2、本发明的预紧弹簧提供的预紧力能够有效消除螺旋传动的传动间隙，提高消隙螺旋传动机构的输出精度，配合电细分控制的大扭矩步进电机，其单向输出位移精度小于I微米，即能够保证优于I微米步进精度的直线位移输出，同时其负载力大于70N，行程大于±1.5mm，满足拼接镜面面形达到光学成像要求。
[0015]3、本发明操作灵活、便于生产制造，同时其体积小，重量轻，便于极地特殊条件下的安装和远程运输。
[0016]4、本发明的端盖、壳体和底盖组成的促动器密闭腔体为圆柱状，能够有效防止积雪，避免内部机械传动零件遭受极地地区强风雪的侵蚀，使得促动器能够在极地恶劣环境下实现很高的运动精度和系统稳定性，尤其适用于极地特殊环境下使用。
[0017]5、本发明的运动支撑机构便于与子镜面板进行连接，通过消隙螺旋传动机构实现大型拼接镜面望远镜子镜面板姿态的调节。
[0018]6、本发明采用低温极压润滑脂润滑，能够保证促动器在极地高寒地区稳定、低磨损地运行。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明的主视结构示意图，图2是本发明的立体结构的剖视图，图3是本发明的消隙螺旋传动机构示意图。
【具体实施方式】
[0020]【具体实施方式】一:结合图1、图2和图3说明，本实施方式的一种用于极地环境的直驱式精密微位移促动器包括运动支撑机构、驱动机构和消隙螺旋传动机构；
[0021]运动支撑机构包括柔性轴1、端盖10、壳体18和底盖19，壳体18为两端敞口的壳体，端盖10和底盖19分别盖装在壳体18的两端；
[0022]驱动机构包括弹性联轴器17、电机连接板8和步进电机9，电机连接板8安装在壳体18内，步进电机9安装在电机连接板8上，步进电机9的输出轴水平布置，步进电机9的输出轴上安装有弹性联轴器17 ；
[0023]消隙螺旋传动机构包括导向键2、驱动杆3、传动螺母4、弹簧套筒5、螺杆11、预紧弹簧12、消隙螺母13和防转螺钉14 ;驱动杆3穿过端盖10且二者间隙配合，导向键2安装在驱动杆3上并与端盖10上的键槽配合，驱动杆3的一端连接有柔性轴1，驱动杆3的另一端与传动螺母4连接，螺杆11与弹性联轴器17连接；
[0024]传动螺母4主要由制成一体的传动法兰4-1和传动套筒4-2组成，消隙螺母13主要由制成一体的消隙法兰13-1和消隙套筒13-2组成，传动套筒4-2内加工有与螺杆11的螺纹相配合的螺纹孔，消隙套筒13-2内加工有与螺杆11螺纹相配合的螺纹孔，传动套筒4-2和消隙套筒13-2正对布置，传动螺母4和消隙螺母13分别旋拧在螺杆11上，预紧弹簧12压缩在传动法兰4-1和消隙法兰13-1之间，弹簧套筒5套设在预紧弹簧12上，弹簧套筒5与传动螺母4连接，防转螺钉14穿过消隙法兰13-1上加工的沉孔并固定在弹簧套筒5上。
[0025]本实施方式的导向键2安装于驱动杆3上，并与端盖10上的键槽配合，同时柔性轴1、驱动杆3、传动螺母4、消隙螺母13和弹簧套筒5连接成一个整体。如此设置，能够阻止柔性轴1、驱动杆3、传动螺母4、弹簧套筒5和消隙螺母13绕自身轴线旋转，并能保证驱动杆3能够在轴向进行移动。本实施方式的螺杆11的一端伸入驱动杆3内，螺杆11的另一端与弹性联轴器17连接。
[0026]本实施方式的步进电机9采用耐低温的步进电机，步进电机9安装在电机连接板8上，电机连接板8安装在壳体18上。如此设置，能够固定步进电机9，并防止其定子绕自身轴线旋转。
[0027]本实施方式的柔性轴I安装于驱动杆3上，柔性轴I的另一端与子镜面板连接，这样能够实现多促动器共同支撑单一子镜面板时产生小尺度的旋转自由度。
[0028]【具体实施方式】二:结合图1-图2说明，本实施方式的传动螺母4的螺纹、消隙螺母13的螺纹以及螺杆11的螺纹均为精密梯形螺纹，具有微小的螺距，螺距为0.lmm-0.2mm。
[0029]本实施方式的螺杆11、传动螺母4以及消隙螺母13均采用精密梯形螺纹，其具有微小的螺距，可以保证步进电机9每转一圈传动螺母4输出微小的位移，配合电细分控制的步进电机，其单向输出位移精度小于I微米。其它与【具体实施方式】一相同。
[0030]【具体实施方式】三:结合图1-图2说明，传动螺母4与螺杆11之间、消隙螺母13与螺杆11之间以及驱动杆3与端盖10之间均涂有低温极压润滑脂层。
[0031]本实施方式中，传动螺母4与螺杆11之间、消隙螺母13与螺杆11之间以及驱动杆3与端盖10之间均涂有低温极压润滑脂，可以减小驱动杆3、端盖10、螺杆11、传动螺母4和消隙螺母13的磨损，并且保证促动器在输出较大负载力、极地低温特殊条件下仍具有良好的润滑效果，促动器能在极地高寒地区稳定、低磨损地运行。其它与【具体实施方式】一或二相同。
[0032]【具体实施方式】四:结合图3说明，本实施方式的消隙法兰13-1的内端面和与该内端面相邻的弹簧套筒5外端面之间的轴向间隙L为0.4mm-0.6_，消隙法兰13_1的沉孔环面与防转螺钉14头部内环面之间的轴向间隙H为0.4mm-0.6_。即本实施方式的防转螺钉14仅限制消隙螺母13绕自身轴线的转动，同时使用预紧弹簧12将传动螺母4和消隙螺母13沿轴向推紧，使预紧弹簧12的预载荷大于70N，如此可使传动螺母4的承载牙侧始终为左牙侧，螺杆11的承载牙侧始终为右牙侧，从而消除螺旋传动的传动间隙，并达到间隙补偿的效果。其它与【具体实施方式】一相同。
[0033]【具体实施方式】五:结合图1和图2说明，本实施方式的运动支撑机构还包括轴承座6、轴承端盖7、深沟球轴承15和轴用弹性挡圈16 ;轴承座6安装在壳体18内的中部，轴承端盖7安装在轴承座6上，深沟球轴承15安装在轴承座6和轴承端盖7之间，深沟球轴承15的内圈通过轴用弹性挡圈16固定在螺杆11上。本实施方式的深沟球轴承15采用耐低温轴承，深沟球轴承15能够在径向和轴向支撑螺杆11，并保证螺杆11能够在步进电机9的带动下绕自身轴线旋转。
[0034]【具体实施方式】六:结合图1和图2说明，本实施方式的驱动杆3与端盖10之间的间隙为1-35 μm。本实施方式的驱动杆3与端盖10之间为间隙配合，采用精密滑动轴承的间隙配合，保证最大间隙为35 μ m，如此设置，能够对驱动杆3起到支撑作用，并且便于实现驱动杆3的顺畅运动，保证整体结构的密封性。其它组成和连接关系与【具体实施方式】一相同。
[0035]【具体实施方式】七:结合图1-图2说明，本实施方式所述壳体18为圆柱形壳体。本实施方式的壳体18设计为圆柱形。如此设置，便于与整个望远镜进行配合，同时最大程度上减小风阻。端盖10和底盖19盖装于壳体18两侧，使壳体具有一定密封性，能够防止强风雪侵蚀。其它与【具体实施方式】一相同。
[0036]【具体实施方式】八:结合图1-图2说明，本实施方式的步进电机9采用耐低温步进电机，深沟球轴承15采用耐低温不锈钢轴承，其他零件均采用不锈钢同质材料。如此设置，可保证低温条件下大部分零部件具有相同的温度形变，并能在极地长时间低温环境下保持零部件的机械性能，实现在低温条件下很高的运动精度和系统稳定性。其它与【具体实施方式】一相同。
[0037]工作原理
[0038]启动步进电机9，步进电机9通过弹性联轴器17将动力直接传递给螺杆11，并带动螺杆11转动，螺杆11转动时，传动螺母4产生微小位移，传动螺母4在产生位移时，推动驱动杆3向沿轴向运动，驱动杆3又带动柔性轴I做直线移动，实现微位移驱动。
【权利要求】
1.一种用于极地环境的直驱式精密微位移促动器，其特征在于:它包括运动支撑机构、驱动机构和消隙螺旋传动机构； 运动支撑机构包括柔性轴(1)、端盖(10)、壳体(18)和底盖(19)，壳体(18)为两端敞口的壳体，端盖(10)和底盖(19)分别盖装在壳体(18)的两端； 驱动机构包括弹性联轴器(17)、电机连接板(8)和步进电机(9)，电机连接板(8)安装在壳体(18)内，步进电机(9)安装在电机连接板⑶上，步进电机(9)的输出轴水平布置，步进电机(9)的输出轴上安装有弹性联轴器(17)； 消隙螺旋传动机构包括导向键(2)、驱动杆(3)、传动螺母(4)、弹簧套筒(5)、螺杆(11)、预紧弹簧(12)、消隙螺母(13)和防转螺钉(14);驱动杆(3)穿过端盖(10)且二者间隙配合，导向键⑵安装在驱动杆⑶上并与端盖(10)上的键槽配合，驱动杆(3)的一端连接有柔性轴(1)，驱动杆⑶的另一端与传动螺母⑷连接，螺杆(11)与弹性联轴器(17)连接； 传动螺母(4)主要由制成一体的传动法兰(4-1)和传动套筒(4-2)组成，消隙螺母(13)主要由制成一体的消隙法兰(13-1)和消隙套筒(13-2)组成，传动套筒(4-2)内加工有与螺杆(11)的螺纹相配合的螺纹孔，消隙套筒(13-2)内加工有与螺杆(11)螺纹相配合的螺纹孔，传动套筒(4-2)和消隙套筒(13-2)正对布置，传动螺母(4)和消隙螺母(13)分别旋拧在螺杆(11)上，预紧弹簧(12)压缩在传动法兰(4-1)和消隙法兰(13-1)之间，弹簧套筒(5)套设在预紧弹簧(12)上，弹簧套筒(5)与传动螺母(4)连接，防转螺钉(14)穿过消隙法兰(13-1)上加工的沉孔并固定在弹簧套筒(5)上。
2.根据权利要求1所述一种用于极地环境的直驱式精密微位移促动器，其特征在于:传动螺母(4)的螺纹、消隙螺母(13)的螺纹以及螺杆(11)的螺纹均为精密梯形螺纹，具有微小的螺距，螺距为0.lmm-0.2mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于极地环境的直驱式精密微位移促动器，其特征在于:传动螺母⑷与螺杆(11)之间、消隙螺母(13)与螺杆(11)之间以及驱动杆(3)与端盖(10)之间均涂有低温极压润滑脂层。
4.根据权利要求1所述一种用于极地环境的直驱式精密微位移促动器，其特征在于:消隙法兰(13-1)的内端面和与该内端面相邻的弹簧套筒(5)外端面之间的轴向间隙(L)为0.4mm-0.6mm，消隙法兰(13_1)的沉孔环面与防转螺钉(14)头部内环面之间的轴向间隙(H)为 0.4mm-Q.6mm0
5.根据权利要求1、2或4所述的一种用于极地环境的直驱式精密微位移促动器，其特征在于:运动支撑机构还包括轴承座￠)、轴承端盖(7)、深沟球轴承(15)和轴用弹性挡圈(16);轴承座(6)安装在壳体(18)内的中部，轴承端盖(7)安装在轴承座(6)上，深沟球轴承(15)安装在轴承座(6)和轴承端盖(7)之间，深沟球轴承(15)的内圈通过轴用弹性挡圈(16)固定在螺杆(11)上。
【文档编号】G02B7/183GK104483743SQ201510003074
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2015年1月5日 优先权日:2015年1月5日
【发明者】白清顺, 王群, 邵忠喜, 娄铮, 张庆春, 梁迎春 申请人:哈尔滨工业大学