专利名称：一种机电式驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在能动光学系统中沿光学镜轴向施加拉压双向作用力的机电式驱动器，属于机械装置。
背景技术：
在国内外大口径望远镜系统中，主镜系统采用能动光学系统，它利用能动薄主镜背面安装的驱动器阵列改变主镜面形，进而实现对波前误差的校正，使得望远镜光学系统保持良好的光学波前质量。在能动薄主镜光学系统中，驱动器主要用于承受能动主镜重量和校正主镜面形，因此要求驱动器具有行程大，负载强，精度高，运动平稳等特点，国内外大口径望远镜系统一般采用液压式、气压式或机械式结构来实现驱动器装置，同时在工作过程中，利用力传感器测量驱动器的输出作用力，并把测量值发送给控制系统。例如，图1给出了 NTT中的驱动器，采用的是机械式结构，它利用固定平衡锤承担镜面重量，并利用步进电机经由滚珠丝杠推动自由平衡锤移动，通过杠杆结构为校正面形提供变化的作用力，该驱动器的负载能力较小，且只能提供单向压力载荷。图2表示VLT设计的驱动器结构，它由主动结构和被动结构两部分组成，主动结构为机械式结构，利用电机驱动滚珠丝杠和弹性元件来产生变化的作用力，该部分力主用于校正镜面面形，被动结构为液压式结构，主要用于承受主镜重量，该驱动器载荷大，精度高，但是体积庞大，安装和维修不太方便。图3描述了 SUBARU望远镜的驱动器结构，它也采用了机械式驱动器结构，驱动器与镜面的接触点位于主镜的重心面，利用平衡锤承担主镜轴向和径向重量，校正面形的作用力由电机经过丝杠推动弹簧来提供，该驱动器精度高，行程大，运动平稳，但是结构同样巨大，造价昂贵。如图4给出了 LAMOST望远镜的驱动器采用了电机驱动滚珠丝杠与弹性元件的结构，属于机械式结构。图5表示的结构是国内专利《一种气压式力促动器》(姚正秋、王跃飞、崔向群， 专利号ZL97236305.X)中提到一种气压式驱动器(文献中称为促动器，这里统一称为驱动器)，它利用电机通过滚珠丝杠驱动一个设置有密封充气的波纹管，来实现对能动光学镜面施加双向作用力。由于滚珠丝杠的存在，使得驱动器不能自锁，需要配备锁紧装置。螺旋传动作为一种极其重要且技术成熟稳定的机械传动结构，在微位移驱动与定位，精密和超精密加工等领域发挥着重要作用，特别是差动螺旋结构的应用，提高了螺旋传动的精度，差动螺旋结构由两个旋向相同，螺距不同的螺纹副组成，等效螺距为两个螺纹副螺距之差，一般差动螺旋结构包括固定螺母、平移螺母和差动螺杆三个部件，由于差动螺杆做螺旋运动，因此电机等动力元件不能直接与其相连，以保证电机等动力元件的平稳性。其它具备产生高精度位移的机械装置还有电致伸缩式、磁致伸缩式、弹性变形式等结构，它们一般具有高刚度、良好的动态特性，但是行程较小，载荷能力低。
发明内容
本发明技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种机电式驱动器，该驱动器使用了差动螺旋结构、摩擦轮结构等基本传动结构，加工、维修以及更换方便，性能可靠稳定。
本发明的技术解决方案为机电式驱动器包括电机8、差动螺旋副结构23、 摩擦轮结构17、压紧装置10和减速箱9 ；电机8经由减速箱9、联轴节30与摩擦轮结构17相连， 摩擦轮结构17安装于压紧装置10中，并与差动螺旋副结构23连接，压紧装置10与差动螺旋副结构23均固接于底板28;所述摩擦轮结构17包括主动轮轴14、主动轮18、从动轮19、两个球轴承21和球轴承固定轴20 ；主动轮轴14经由联轴节30与减速箱9相连，主动轮18绕主动轮轴14旋转， 主动轮18与从动轮19外切接触；从动轮19轴向与差动螺纹副结构23的差动螺旋轴24相连接；两个球轴承21位于从动轮19中心高所在平面的两侧成对称分布，两个球轴承21内圈分别固定于两个球轴承固定轴20，球轴承固定轴20均与从动轮19轴向平行安装，球轴承 21外圈与从动轮19外切接触；所述压紧装置10包括压缩弹簧11、连接轴12、旋转架13、旋转轴15、主动轮固定架16、从动轮固定架22 ；主动轮18通过主动轮轴14安装于旋转架13中，旋转架13经由旋转轴15安装于主动轮固定架16，旋转架13经由压缩弹簧11与连接轴12连接，球轴承固定轴20固接于从动轮固定架22中，旋转架13与从动轮固定架22通过连接轴12相连接。所述差动螺旋副结构23包括差动螺旋轴24、套筒固定板25、套筒26和输出轴27 ； 差动螺旋轴24分别与套筒26和输出轴27组成螺旋副，差动螺旋轴24沿轴向与从动轮19 相连接，套筒26经由套筒固定板25固定连接于底板28。本发明的工作过程中，电机首先通过减速箱、联轴节驱动摩擦轮结构，本发明中的摩擦轮结构为平行摩擦轮结构，与传统的平行摩擦轮结构的相同点为主动轮均做旋转运动，不同点为从动轮不做旋转运动而是做螺旋运动，摩擦轮结构还包括两个与从动轮外切接触并做旋转运动的球轴承，摩擦轮结构由压紧装置通过调整压缩弹簧的变形量，使旋转架绕旋转轴转动，来提供所需的压紧力；然后从动轮带动差动螺旋副结构运动，本发明中的差动螺旋副结构主要由套筒、输出轴和差动螺杆三个部件组成，差动螺杆分别与套筒和输出轴组成螺旋副，套筒固定于底板，差动螺杆与从动轮同轴连接，输出轴等效为传统差动螺旋结构中的平移螺母；再后差动螺杆把从动轮的螺旋运动转换输出轴为直线运动输出；最终由连接于输出轴的力传感器把作用力施加于镜面，控制系统根据力传感器测量的作用力与能动光学系统所需作用力之差对电机的运动量进行调整，直到满足镜面面形要求。差动螺旋副结构的应用，提高了螺旋传动结构的精度；摩擦轮结构的存在避免了电机等驱动部件的轴向运动，提高了系统的平稳性；压紧装置主要利用压缩弹簧为摩擦轮结构提供所需压紧力，保证了摩擦轮结构的正常工作。本发明的工作原理为电机通过减速箱、联轴节驱动摩擦轮结构、差动螺旋副结构，压紧装置为摩擦轮结构提供所需的压紧力，摩擦轮结构把电机的旋转运动转换为螺旋运动输出，然后差动螺旋副结构把输入的螺旋运动转换为直线运动输出，最终由力传感器把作用力施加于镜面，控制系统根据力传感器测量的作用力与能动光学系统所需作用力之差对电机的运动量进行调整，直到满足镜面面形要求。本发明中的摩擦轮结构由主动轮、从动轮与两个球轴承组成，主动轮在电机驱动下做旋转运动，从动轮做螺旋运动，球轴承内圈固定于球轴承固定轴，外圈与从动轮接触做旋转运动，从动轮与差动螺旋副结构同轴连接，摩擦轮结构的使用避免了电机等动力的轴向运动，提高了系统的平稳性。
本发明中的压紧装置主要由压缩弹簧、旋转架、主动轮固定架、从动轮固定架等组成，主动轮安装于旋转架，旋转架可绕主动轮固定架转动，球轴承安装于从动轮固定架，主动轮固定架，从动轮固定架均固定于底板，利用压缩弹簧使得旋转架向从动轮固定架转动， 从而为摩擦轮结构提供足够的压紧力。 本发明与现有技术相比的有益效果为本发明结构原理简单、工艺性好，不仅能够满足能动光学系统中光学镜面对驱动器的技术要求，而且精度比较高，加工维修方便，同时能沿光学镜面轴向施加拉压双向的作用力。
图1为NTT望远镜中的驱动器结构示意图；图2为VLT望远镜中的驱动器结构示意图；图3为SUBARU望远镜中的驱动器结构示意图；图4为LAMOST望远镜中的驱动器结构示意图；图5为专利ZL97236305. X设计的驱动器结构示意图；图6为本发明的一种螺旋传动式驱动器在能动光学系统中的安装结构示意图；图7为本发明的一种螺旋传动式驱动器内部结构示意图；图8为图7中的摩擦轮结构示意图；图9为图7中的压紧装置结构示意图，图9a为压紧装置主动轮部分结构示意图， 图％为压紧装置从动轮部分结构示意图；图10为图7中的差动螺旋副结构示意图。上述图6-图10中，1镜面，2联结件，3上端柔性件，4力传感器，5下端柔性件，6 镜室，7驱动器，8电机，9减速箱，10压紧装置，11压缩弹簧，12连接轴，13旋转架，14主动轮轴，15旋转轴，16主动轮固定架，17摩擦轮结构，18主动轮，19从动轮，20球轴承固定轴， 21球轴承，22从动轮固定架，23差动螺旋副结构，24差动螺杆，25套筒固定架，26套筒，27 输出轴，28底板，29减速箱固定板，30联轴节，31控制系统。
具体实施例方式如图6-图10所示，本发明的结构为图6描述了驱动器7在能动光学系统中的安装结构，驱动器7的套筒26固接于镜室6，其输出轴27依次通过下端柔性件5、力传感器4、上端柔性件3、联结件2连接于镜面
Io图7描述了驱动器7的内部结构，电机8经由减速箱9、联轴节30与摩擦轮结构 17相连，摩擦轮结构17安装于压紧装置10中，并与差动螺旋副结构23连接，压紧装置10 与差动螺旋副结构23均固接于底板28。图8描述了摩擦轮结构17，它由主动轮18、主动轮轴14、从动轮19、两个球轴承 21、球轴承固定轴20组成，主动轮轴14经由联轴节30与减速箱9相连，主动轮18绕主动轮轴14旋转，主动轮18与从动轮19外切接触；从动轮19轴向与差动螺纹副结构23的差动螺旋轴24相连接；球轴承21内圈固定于球轴承固定轴20，球轴承21外圈与从动轮19外切接触。主动轮18在电机8驱动下做旋转运动，从动轮19做螺旋运动，球轴承21内圈固定于球轴承固定轴20，外圈与从动轮19接触做旋转运动，从动轮19与差动螺旋副结构同轴连接，摩擦轮结构的使用避免了电机等动力的轴向运动，提高了系统的平稳性。 图9描述了压紧装置结构10，它由压缩弹簧11、连接轴12、旋转架13、旋转轴15、 主动轮固定架16、从动轮固定架22组成，图9a为压紧装置10的主动轮部分结构，主动轮18 通过主动轮轴14安装于旋转架13中，旋转架13经由旋转轴15安装于主动轮固定架16，旋转架13经由压缩弹簧11与连接轴12连接，图9b为压紧装置10的从动轮部分结构，球轴承固定轴20固接于从动轮固定架22中，旋转架13与从动轮固定架22通过连接轴12相连接。图10描述了差动螺纹副结构23，它由差动螺旋轴24、套筒固定板25、套筒26、输出轴27组成，差动螺旋轴24分别与套筒26、输出轴27组成螺旋副，差动螺旋轴24轴向与从动轮19相连接，套筒26法兰端固接于镜室6，另一端经套筒固定板25固接于底板28，输出轴27与下端柔性件5相连。 本发明的工作过程电机8首先通过减速箱9、联轴节30驱动摩擦轮结构17，本发明中的摩擦轮结构17为平行摩擦轮结构，与传统的平行摩擦轮结构的相同点为主动轮18 均做旋转运动，不同点为从动轮19不做旋转运动而是做螺旋运动，摩擦轮结构17还包括两个与从动轮19外切接触并做旋转运动的球轴承21，摩擦轮结构17由压紧装置10通过调整压缩弹簧11的变形量，使旋转架13绕旋转轴15转动，来提供所需的压紧力；然后从动轮19带动差动螺旋副结构23运动，本发明中的差动螺旋副结构23主要由套筒26、输出轴 27和差动螺杆24三个部件组成，差动螺杆24分别与套筒26和输出轴27组成螺旋副，套筒 26固定于底板28，差动螺杆24与从动轮19同轴连接，输出轴27等效为传统差动螺旋结构中的平移螺母；再后差动螺杆24把从动轮19的螺旋运动转换输出轴27为直线运动输出； 最终由连接于输出轴27的力传感器4把作用力施加于镜面1，能动光学技术中的控制系统 31根据力传感器4测量的作用力与能动光学系统所需作用力之差对电机8的运动量进行调整，直到满足镜面1面形要求。
权利要求
1.一种机电式驱动器，其特征在于包括电机(8)、差动螺旋副结构(23)、摩擦轮结构 (17)、压紧装置(10)和减速箱(9)；电机(8)经由减速箱(9)、联轴节(30)与摩擦轮结构 (17)相连，摩擦轮结构(17)安装于压紧装置(10)中，并与差动螺旋副结构03)连接，压紧装置(10)与差动螺旋副结构03)均固接于底板08)；所述摩擦轮结构(17)包括主动轮轴(14)、主动轮(18)、从动轮(19)、两个球轴承和球轴承固定轴OO)；主动轮轴(14)经由联轴节(30)与减速箱(9)相连，主动轮(18)绕主动轮轴(14)旋转，主动轮(18)与从动轮(19)外切接触；从动轮(19)轴向与差动螺纹副结构03)的差动螺旋轴04)相连接；两个球轴承位于从动轮(19)中心高所在平面的两侧成对称分布，两个球轴承内圈分别固定于两个球轴承固定轴(20)，球轴承固定轴OO)均与从动轮(19)轴向平行安装，球轴承外圈与从动轮(19)外切接触；所述压紧装置(10)包括压缩弹簧(11)、连接轴(12)、旋转架(13)、旋转轴(15)、主动轮固定架(16)、从动轮固定架0 ；主动轮(18)通过主动轮轴(14)安装于旋转架(13)中， 旋转架(1 经由旋转轴(1 安装于主动轮固定架(16)，旋转架(1 经由压缩弹簧(11) 与连接轴(1 连接，球轴承固定轴OO)固接于从动轮固定架0 中，旋转架(13与从动轮固定架0 通过连接轴(1 相连接；所述差动螺旋副结构包括差动螺旋轴(M)、套筒固定板(25)、套筒06)和输出轴(XT)；差动螺旋轴04)分别与套筒06)和输出轴(XT)组成螺旋副，差动螺旋轴04)沿轴向与从动轮(19)相连接，套筒06)经由套筒固定板0 固定连接于底板08)。
2.根据权利要求1所述的机电式驱动器，其特征在于将所述差动螺旋副结构03)中的套筒06)法兰端固定于能动光学系统中的镜室(6)上，输出轴(XT)与能动光学系统中的下端柔性连接件( 相连。
全文摘要
一种机电式驱动器，由差动螺旋副结构、摩擦轮结构、压紧装置构成，电机通过摩擦轮结构驱动差动螺旋副结构，把旋转运动转换为直线运动；螺旋传动结构采用差动螺旋副结构，提高了螺旋传动结构的精度；摩擦轮结构通过做螺旋运动的从动轮，避免了电机等动力元件的轴向运动，提高了系统的平稳性；压紧装置利用压缩弹簧为摩擦轮结构提供所需压紧力，保证了摩擦轮结构的正常工作。在能动光学系统中，本发明固定于镜室，经由力传感器、柔性连接件等，对光学镜面施加拉压作用力，控制系统根据力传感器作用力测量值与能动光学系统所需作用力之差对电机的运动量进行调整，直到满足光学镜面面形的要求。本发明具有加工、维修以及更换方便，性能可靠稳定的优点。
文档编号H02K7/10GK102158007SQ20111006136
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月15日 优先权日2011年3月15日
发明者姚平, 张俊波, 张学军, 张雨东, 杨金生, 鲜浩 申请人:中国科学院光电技术研究所