适用于风洞环境下使用的多自由度高强度高精度调节台的制作方法

本发明涉及光学精密调节与对准领域，特别是涉及风洞环境下的一种多自由度高强度高精度调节平台。

背景技术：

在光学调节与对准领域，多自由度精密调节台必不可少。经常会用到各种位姿调整机构，如平移台、升降台、旋调节台、角位移台，目前国内外市场上有许多致力于该类产品研发的企业，这些企业的产品种类多、但其多维调整平台大多数台面尺寸较小，难以满足大尺度大重量光学系统需求。

传统调节台，一般无锁紧功能或采用电机自锁，该方式刚度差，在外界振动或冲击下很容易发生位置变动，稳定性较差。尤其在风洞环境中，调节调节台需要面临抽真空、±2kpa气流冲击和扰动、-10℃-50℃的环境温度变化，以及由于风洞试验引起的环境振动。传统调节台不宜在该类环境中使用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种台面尺寸大且能够在风洞环境中使用的高精密、高稳定性调节调节台。该调节台承载能力大，可以在振动及冲击的风洞工况下保证调节平台的位置精度及稳定性。

本发明的技术解决方案是提供一种适用于风洞环境下使用的多自由度高强度高精度调节台，其特殊之处在于：包括从下而上叠层设置的底座、下台面及上台面；还包括平移调节机构、偏航调节机构及均布的至少两组高低俯仰调节机构；

所述上台面用于固定调节台载荷；

所述平移调节机构固定在上台面上，通过调节平移调节机构实现调节台载荷的水平调节；

所述偏航调节机构固定在底座上，通过调节偏航调节机构实现调节台载荷的偏航调节；

所述高低俯仰调节机构固定在下台面与上台面之间，通过调节高低俯仰调节机构实现调节台载荷的高度及俯仰调节。

进一步地，所述平移调节机构包括微调组件与导向限位组件；所述微调组件与导向限位组件固定安装在上台面相对的两个侧壁；

所述微调组件包括第一安装板、微调螺杆及端盖；所述第一安装板固定在上台面的侧壁，所述微调螺杆穿过第一安装板与调节台载荷螺纹连接，所述端盖扣设在微调螺杆的头部并固定在第一安装板上，用于限定微调螺杆沿其轴向方向移动，所述端盖中心开有孔径小于微调螺杆头部外径的通孔；

所述导向限位组件包括第二安装板及导向杆；所述第二安装板固定在与第一安装板正对上台面的侧壁，所述导向杆固定在第二安装板上并穿过第二安装板插入调节台载荷的导向孔内，导向杆与微调螺杆同轴。

所述调节台通过平移导向机构调节水平位移，实现上台面和安装于其上的调节台载荷整体水平位移调节，平移导向机构中利用m20微调螺杆的一端与调节台载荷进行螺纹啮合，通过旋转螺杆即可带动载荷移动。导向机构利用导向杆与主镜框的导向孔间隙配合，保证平移过程中偏航角不发生变化。

进一步地，所述高低俯仰调节机构包括第一电机、微调小齿轮、微调大齿轮、固定螺套、微调螺套、锁紧螺栓、锁紧螺母、锁紧大齿轮、锁紧小齿轮及第二电机；所述锁紧螺母位于固定螺套的内腔；且锁紧螺母的外壁紧靠固定螺套的内壁；使得锁紧螺母在固定螺套的内腔内只能沿轴向移动不能转动。

所述第一电机的输出轴与微调小齿轮连接，所述微调小齿轮与微调大齿轮啮合；

所述微调螺套固定在微调大齿轮上表面；其顶部与上台面的下表面接触；

所述固定螺套固定在下台面的上表面上，其顶部穿过微调大齿轮的中心伸入微调螺套内腔，所述固定螺套的外壁与微调螺套的内壁螺纹连接；

所述锁紧螺栓的一端从上至下依次穿过锁紧大齿轮、上台面、微调螺套及固定螺套后与锁紧螺母螺纹连接；所述锁紧螺栓与锁紧大齿轮固连，所述锁紧螺栓的外壁与上台面、微调螺套及固定螺套之间有间隙；

所述锁紧大齿轮位于上台面的上表面，所述锁紧小齿轮与锁紧大齿轮啮合，所述第二电机的输出轴与锁紧小齿轮连接。

通过高低俯仰调节机构即可以实现高低调节也可以实现俯仰调节，当需要实现俯仰调节时，只需调节部分高低俯仰调节机构即可。考虑到力矩较大而操作空间较小，直接驱动困难，本发明加装步进电机予以实现。

进一步地，第一电机通过l型安装板固定在下台面的侧壁，第一电机位于l型安装板水平面板下表面，微调小齿轮固定在l型安装板的水平面板上表面；

第二电机通过l型安装板固定在上台面的侧壁，第二电机位于l型安装板水平面板上表面，锁紧小齿轮固定在l型安装板水平面板下表面。

进一步地，所述高低调节机构还包括设置在上台面的下表面与微调螺套上表面的大球形垫片、设置在锁紧螺母与固定螺套之间的小球形垫片、设置在第一电机与微调小齿轮之间的第一减速器及设置在第二电机与锁紧小齿轮之间的第二减速器；

锁紧螺栓、锁紧大齿轮、微调螺套、固定螺套及微调大齿轮均同轴。

进一步地，所述偏航调节机构包括第三电机、微调丝杠、螺母及偏航微调杆；所述第三电机固定在底座的侧壁，所述偏航微调杆与下台面的侧壁固连；

所述螺母与偏航微调杆固连，所述第三电机驱动微调丝杠带动螺母沿微调丝杆的轴向移动，螺母带动偏航微调杆转动。

进一步地，还包括偏航锁紧机构，所述偏航锁紧机构包括第四电机、偏航锁紧小齿轮、偏航锁紧大齿轮及偏航锁紧螺栓；所述第四电机固定在下台面的侧壁，所述偏航锁紧大齿轮固定在下台面的上表面，所述第四电机的输出轴与偏航锁紧小齿轮连接，所述偏航锁紧小齿轮与偏航锁紧大齿轮啮合，所述偏航锁紧螺栓从上至下依次穿过偏航锁紧大齿轮、下台面后与底座螺纹连接。

下台面与底座之间通过偏航调节机构实现偏航调节，通过偏航锁紧机构实现偏航锁紧。采用步进电机驱动丝杠螺母的形式，依靠螺母的前后移动推动微调杆转动，从而带动台面转动，台面之间利用真空润滑剂予以润滑保护。

进一步地，所述底座与下台面紧密贴合，还包括穿入底座与下台面中的偏转回转转轴，底座与下台面能够绕偏转回转转轴相对转动。

进一步地，上台面、下台面与底座均为铸铁材料。

上台面、下台面，底座为铸铁材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明调节台在风洞环境下使用，能够实现在真空、±2kpa环境压力，以及-10℃-50℃正常运行工作，承载能力大(5t以上)，满足五自由度调节，完成俯仰偏航电动调节以及高刚度锁紧相结合。所述系统能够在振动及风洞气流冲击的工况下保证调节平台的位置精度及稳定性；

2、本发明的调节台各台面之间无轴承导轨等机构，各台面间直接面面接触，承载能力大，可以对数吨的光学负载进行精密调节；

3、本发明高低俯仰及偏航调节机构均通过电机带动螺栓转动最终通过螺母锁紧，锁紧刚度大，在振动或冲击下使用，稳定性高；

4、本发明高低俯仰、偏航调节机构及相应的锁紧机构均为电动控制，可以在密闭或恶劣条件下使用；

5、本发明高低俯仰调节机构采用多级齿轮减速装置，提高力矩的同时具有较高的调节精度。

附图说明

图1为调节台组成示意图；

图中：1-上台面、2-平移调节机构、4-高低俯仰调节机构、5-下台面、6-底座、7-偏航调节机构、8-偏航锁紧机构；

图2为平移微调机构示意图；

图中：9-转台载荷、10-第一安装板、11-微调螺杆、12-第二安装板、13-导向杆，14-端盖；

图3为高低俯仰调节机构示意图；

图中：40-第一减速器、41-微调小齿轮、42-微调大齿轮、43-固定螺套、44-微调螺套、45-锁紧螺栓、46-锁紧螺母、47-锁紧大齿轮、48-锁紧小齿轮、49-第二减速器、50-大球形垫片、51-小球形垫片、413-l型安装板。

图4为偏航调节机构示意图；

图中：70-第三电机、71-微调丝杠、72-螺母、73-偏航微调杆、74-角接触球轴承、75-电机安装座、81-第四电机、82-偏航锁紧小齿轮、83-偏航锁紧大齿轮、84-偏航锁紧螺栓。

图5为底座与下台面配合示意图；

图中：76-偏航回转轴

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的描述。

从图1可以看出，本实施例调节台主要包括三个台面，从上至下依次为上台面1、下台面5及底座6，还包括设置在三个台面上的平移调节机构1、高低俯仰调节机构4及偏航调节机构7。上台面1与下台面5之间均布三个高低俯仰调节机构4，下台面与底座直接面面接触压紧，平移调节机构1固定在上台面的侧壁上，偏航调节机构7部分固定在底座的侧壁，部分固定在下台面5的侧壁。通过调节平移调节机构2实现转台载荷的平移，通过同时调节三个高低俯仰调节机构4实现转台载荷的高低调节，通过一个或两个高低俯仰调节机构4实现转台载荷的俯仰调节，通过偏航调节机构7实现转台载荷的偏航调节。本实施例的调节台还包括偏航锁紧机构8，固定在下台面与底座上，用于实现偏航锁紧。

从图2可以看出，本实施例平移调节机构1包括微调组件与导向限位组件；微调组件包括第一安装板10、微调螺杆11及端盖14；本实施例中微调螺杆11为m20微调螺杆，第一安装板10通过螺钉固定在上台面1的侧壁，第一安装板10高出上台面的部分上具有通孔，微调螺杆11穿过该通孔与调节台载荷9螺纹连接，端盖14扣设在微调螺杆11的头部并通过螺钉固定在第一安装板10上，用于限定微调螺杆11沿其轴向方向移动，端盖14中心开有孔径小于微调螺杆头部外径的通孔，便于调节微调螺杆转动。导向限位组件包括第二安装板12及导向杆13；第二安装板12通过螺钉固定在上台面1的侧壁，第一安装板10与第二安装板12关于调节台的对称轴呈对称设置，导向杆13包括固定板131及与固定板131一体设置并位于固定板131中心的导向杆部132，固定板131通过螺钉固定在第一安装板12上，导向杆部132穿过第一安装板12插入调节台载荷9的导向孔内，导向杆13与微调螺杆11同轴。

通过旋转微调螺杆11即可带动调节台载荷9移动，实现上台面1和安装于其上的调节台载荷9整体水平位移调节。导向机构利用导向杆13与调节台载荷9的导向孔间隙配合，保证平移过程中偏航角不发生变化。

从图3可以看出，本实施例高低俯仰调节机构4包括第一电机、第一减速器40、微调小齿轮41、微调大齿轮42、固定螺套43、微调螺套44、锁紧螺栓45、锁紧螺母46、锁紧大齿轮47、锁紧小齿轮48、第二减速器49及第二电机；第一减速器40为130hj行星减速器，第二减速器49为ab142-030减速器。

第一电机通过l型安装板413固定在下台面5的侧壁，第一电机位于l型安装板413水平面板下表面，微调小齿轮41固定在l型安装板413的水平面板上表面；第二电机通过l型安装板413固定在上台面1的侧壁，第二电机位于l型安装板413水平面板上表面，锁紧小齿轮48固定在l型安装板413水平面板下表面。锁紧螺母46位于固定螺套43的内腔；且锁紧螺母46的外壁紧靠固定螺套43的内壁；在该实施例中锁紧螺母为六角螺母，六角螺母在固定螺套内不能转动；第一电机的输出轴接第一减速器40，第一减速器与微调小齿轮41连接，微调小齿轮41与微调大齿轮42啮合；微调螺套44固定在微调大齿轮42上表面，其顶部与上台面1的下表面接触；固定螺套43固定在下台面5的上表面上，其顶部穿过微调大齿轮42的中心伸入微调螺套44内腔，固定螺套43的外壁与微调螺套44的内壁螺纹连接；锁紧螺栓45的一端从上至下依次穿过锁紧大齿轮47、上台面1、微调螺套44及固定螺套43后与锁紧螺母46螺纹连接；锁紧螺栓45与锁紧大齿轮47固连，锁紧螺栓45的外壁与上台面1、微调螺套44及固定螺套43之间有间隙；锁紧大齿轮47位于上台面1的上表面，锁紧小齿轮48与锁紧大齿轮47啮合，第二电机的输出轴接第二减速器，第二减速器与锁紧小齿轮48连接。上台面1的下表面与微调螺套44上表面之间还设有大球形垫片50，锁紧螺母46与固定螺套43之间设有小球形垫片51，保证三套调节机构调节时互不干涉。

需要高低调节时，同时启动三个高低俯仰调节机构，第一电机带动微调小齿轮转动，微调小齿轮带动微调大齿轮转动，微调螺套跟随微调大齿轮转动的同时沿固定螺套的外壁上下移动，实现上台面1的高低调节即完成调节台载荷的高低调节。调节到指定高度后，启动第二电机完成锁紧，具体第二电机带动锁紧小齿轮转动，锁紧小齿轮带动锁紧大齿轮转动，锁紧螺栓跟随锁紧大齿轮转动，其端部的锁紧螺母随着锁紧螺栓的转动，沿着锁紧螺栓轴向向上移动，最终实现锁紧。

当需要实现俯仰调节时，只需启动其中一个高低俯仰调节机构即可。

从图4可以看出，本实施例偏航调节机构7包括第三电机70、微调丝杠71、螺母72及偏航微调杆73；本实施例中螺母为方螺母，第三电机70通过电机安装座75固定在底座6的侧壁，偏航微调杆73与下台面5的侧壁通过螺钉固连；螺母72与偏航微调杆73固连，从图中可以看出，螺母72的另个端面与偏航微调杆73固定，即螺母72不能转动，只能沿着微调丝杠71轴向移动，第三电机70驱动微调丝杠71带动螺母72沿微调丝杆71的轴向移动，螺母72带动偏航微调杆73转动。从图5可以看出，底座6与下台面5之间具有偏航回转轴76。

从图1可以看出，本实施例调节台还包括3个偏航锁紧机构8，该锁紧机构的原理与高低锁紧的原理类似，包括第四电机81、偏航锁紧小齿轮82、偏航锁紧大齿轮83及偏航锁紧螺栓84；第四电机81固定在下台面5的侧壁，偏航锁紧大齿轮83固定在下台面5的上表面，偏航锁紧螺栓84与偏航锁紧大齿轮83固连，第四电机81的输出轴与偏航锁紧小齿轮82连接，偏航锁紧小齿轮82与偏航锁紧大齿轮83啮合，偏航锁紧螺栓84从上至下依次穿过偏航锁紧大齿轮83、下台面5后与底座6螺纹连接。当完成偏航调节后，启动第四电机，带动偏航锁紧小齿轮82、偏航锁紧大齿轮83转动，偏航锁紧螺栓84转动直接与底座螺纹连接，实现锁紧。