一种用于空间星冕仪的紧凑型旋转滤光轮机构

1.本发明属于空间星冕仪技术领域，特别是一种用于空间星冕仪的紧凑型旋转滤光轮机构。


背景技术：

2.空间星冕仪系外行星成像技术可实现高对比度、宽波段、大探测区域等优势。星冕仪的科学目标是对太阳系外行星进行高对比度成像探测研究，突破地面观测设备在成像对比度探测能力限制，提供超高对比度成像。滤光轮机构是系外行星探测科学成像的重要组成部分，是设备上的主要空间运动单元。通过传动机构的旋转运动可实现滤光轮的切入与切出，从而实现光谱的细分。
3.现有技术中，滤光轮结构多为中心轴承支撑式滤光轮、轮转式滤光轮或基于蜗轮蜗杆传动的滤光轮。中心轴承支撑式滤光轮安装方便，但是由于只对滤光轮盘的中心位置进行了支撑约束，在航天大量级力学振动条件下，结构响应比较大，大量级力学振动工况下工作，极易发生破坏，可靠性低。目前大部分滤光片切换形式选择轮转式，轮转式结构可承载的滤光片数多，适用于成像谱段较多的相机，但是轮转式结构整体容易出现晃动，对装配精度要求高。且周边驱动机构在光路方向占用空间大，结构不紧凑。基于蜗轮蜗杆传动的滤光轮虽然能够较好解决上述结构形式的滤光轮的缺点，同时具有单级传动比大、连续传动、自锁、制造成本较低等优点，但是由于蜗轮和蜗杆的啮合工作一段时间后传动啮合间隙增大，传动回差大，传动精度降低。为了延续蜗轮蜗杆副传动的优点—大减速比、传动平稳、传递力矩大，同时提高传动精度，研制一种新型蜗杆和标准齿轮传动的滤光轮切换机构十分关键。
4.综上所述，由于空间系外行星成像星冕仪对比度要求极高，对星冕仪光机组件提出了极高的稳定性要求，要求滤光轮组件不仅要结构紧凑，可靠性高，同时对其稳定性也提出了非常高要求。如何研制出一种高精度、高稳定性分光器切换装置来保证多谱段成像质量成为本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种结构紧凑、稳定性高、可靠性高、质量轻且能够实现在轨准确切换的空间星冕仪的滤光轮运动机构。
6.实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于空间星冕仪的紧凑型旋转滤光轮机构，包括驱动器、柔性联轴器、支撑座、编码器、滤光轮传动机构、霍尔开关、滤光轮转盘组件，所述滤光轮传动机构包括蜗杆、斜齿轮、减速器箱体，所述滤光轮转盘组件包括滤光轮转盘、滤光片；
7.所述支撑座由相互垂直且一体成型的竖直部和水平部构成；所述滤光轮传动机构中的减速器箱体固定安装在支撑座的水平部，所述蜗杆、斜齿轮置于减速器箱体内；驱动器固定安装在支撑座的竖直部；
8.所述蜗杆与驱动器通过一个柔性联轴器固定连接形成电机
‑
蜗杆驱动轴部件，蜗杆与斜齿轮相啮合形成斜齿轮蜗杆副；斜齿轮自身轴的一端通过另一个柔性联轴器与编码器连接，另一端与滤光轮转盘固定连接；霍尔开关安装在减速器箱体上，并正对着滤光轮转盘，滤光片安装在滤光轮转盘上；驱动器通过斜齿轮蜗杆副的传动，带动滤光轮转盘的转动实现周期性的多谱段滤光。
9.进一步地，所述滤光轮传动机构还包括蜗杆端深沟球轴承组、第一轴承座、斜齿轮轴端角接触球轴承组、第二轴承座；
10.所述蜗杆两端通过蜗杆端深沟球轴承组支撑，斜齿轮两端通过斜齿轮轴端角接触球轴承组支撑，蜗杆端深沟球轴承组的内圈安装蜗杆的轴、外圈安装于第一轴承座，斜齿轮轴端角接触球轴承组的内圈安装斜齿轮的轴、外圈安装于第二轴承座；第一轴承座、第二轴承座安装在减速器箱体上。
11.进一步地，所述蜗杆的轴线方向垂直于空间星冕仪光路的中心线，所述斜齿轮的轴线平行于空间星冕仪光路的中心线。
12.进一步地，所述滤光片由4个不同谱段波长的滤光片组成，波长范围为910nm～1781nm；各滤光片分别通过滤光片安装压圈设置于滤光轮转盘上，且4个不同谱段波长的滤光片沿周向均匀分布。
13.进一步地，所述驱动器为步进电机。
14.进一步地，所述蜗杆采用单头蜗杆，实现单向360
°
旋转，反向自锁。
15.进一步地，所述支撑座采用钛合金材料，所述减速器箱体、滤光轮转盘、斜齿轮采用铝合金材料，所述蜗杆采用合金钢材料。
16.进一步地，所述蜗杆、斜齿轮、蜗杆端深沟球轴承组、斜齿轮轴端角接触球轴承组均进行固体润滑处理。
17.进一步地，整个机构的外表面均进行发黑处理。
18.进一步地，滤光切换时，编码器用于实时监测滤光轮转盘的转角，协助控制步进电机的驱动。
19.本发明与现有技术相比，其显著优点为：
20.1、采用驱动器、联轴器、蜗杆斜齿轮传动副机构、滤光轮转轮、编码器、霍尔传感器、滤光片、支撑座，形成的空间星冕仪滤光片转轮切换机构不仅结构紧凑、质量轻、稳定性高、可靠性高，且传动精度高，能够实现在轨的精确滤光，保证多谱段成像质量；
21.2、滤光轮传动机构选用具有单向360
°
传动，方向自锁特性的单头斜齿轮蜗杆，同时驱动器又较好的自锁裕度，省去了设计专门的锁紧定位装置，结构紧凑性好；
22.3、滤光轮传动机构中采用编码器实时监测滤光轮转盘的转动角度，反馈给滤光轮控制器，形成闭环控制，并采取霍尔开关作为反馈环节的备份，形成双冗余反馈机制，控制安全可靠；
23.4、滤光片由多个不同谱段的滤光片组成，波长范围为910
‑
1781nm，覆盖近红外光，满足多谱段近红外成像要求。
附图说明
24.图1是本发明用于空间星冕仪的紧凑型旋转滤光轮机构的总体结构示意图。
25.图2是本发明用于空间星冕仪的紧凑型旋转滤光轮机构的总体结构剖面图。
26.图3是图2中a
‑
a处剖视图。
27.附图标记如下：
28.1—驱动器、2、柔性联轴器、3—支撑座、4—编码器、5—滤光轮传动机构、51—蜗杆、52—蜗杆端深沟球轴承组、53—轴承座、54—斜齿轮、55—斜齿轮端角接触球轴承组、56—轴承座、57—减速箱体、6—霍尔开关、7—滤光轮转盘组件、71—滤光轮转盘、72
‑
滤光片、73
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滤光片安装压圈。
具体实施方式
29.本发明涉及空间星冕仪领域，具体涉及用于实现空间星冕仪的多谱段成像，进行系外行星探测高分辨率成像，具体公开了一种小模数蜗杆
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斜齿轮传动的紧凑型旋转滤光轮机构，以解决现有技术中由于蜗轮和蜗杆在啮合工作一段时间后啮合传动间隙增大，回差大，传动精度降低的问题。该紧凑型旋转滤光轮机构中，蜗杆与驱动器通过联轴器固定连接形成电机
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蜗杆驱动轴部件，蜗杆与斜齿轮形成蜗杆斜齿轮传动副，滤光轮转轮与斜齿轮轴固定连接，滤光片安装在滤光轮转轮上，蜗杆两端通过轴承组支撑，斜齿轮两端通过轴承组支撑，轴承的内圈分别与蜗杆轴、斜齿轮轴安装，轴承的外圈安装于轴承安装座，并安装在减速器箱体上，电机安装在支撑座上，通过斜齿轮蜗杆副传动，实现周期性的多谱段滤光，下面进行具体介绍。
30.本发明一种用于空间星冕仪的紧凑型旋转滤光轮机构，包括驱动器1、柔性联轴器2、支撑座3、编码器4、滤光轮传动机构5、霍尔开关6、滤光轮转盘组件7，所述滤光轮传动机构5包括蜗杆51、斜齿轮54、减速器箱体57，所述滤光轮转盘组件7包括滤光轮转盘71、滤光片72；
31.所述支撑座3由相互垂直且一体成型的竖直部和水平部构成；所述滤光轮传动机构5中的减速器箱体57固定安装在支撑座3的水平部，所述蜗杆51、斜齿轮54置于减速器箱体57内；驱动器1固定安装在支撑座3的竖直部；
32.所述蜗杆51与驱动器1通过一个柔性联轴器2固定连接形成电机
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蜗杆驱动轴部件，蜗杆51与斜齿轮54相啮合形成斜齿轮蜗杆副；斜齿轮54自身轴的一端通过另一个柔性联轴器2与编码器4连接，另一端与滤光轮转盘71固定连接；霍尔开关6安装在减速器箱体57上，并正对着滤光轮转盘71，滤光片72安装在滤光轮转盘71上；驱动器1通过斜齿轮蜗杆副的传动，带动滤光轮转盘71的转动实现周期性的多谱段滤光。
33.作为一种具体实施例方式，所述滤光轮传动机构5还包括蜗杆端深沟球轴承组52、第一轴承座53、斜齿轮轴端角接触球轴承组55、第二轴承座56；
34.所述蜗杆51两端通过蜗杆端深沟球轴承组52支撑，斜齿轮54两端通过斜齿轮轴端角接触球轴承组55支撑，蜗杆端深沟球轴承组52的内圈安装蜗杆51的轴、外圈安装于第一轴承座53，斜齿轮轴端角接触球轴承组55的内圈安装斜齿轮54的轴、外圈安装于第二轴承座56；第一轴承座53、第二轴承座56安装在减速器箱体57上。
35.作为一种具体实施例方式，所述蜗杆51的轴线方向垂直于空间星冕仪光路的中心线，所述斜齿轮54的轴线平行于空间星冕仪光路的中心线。
36.作为一种具体实施例方式，所述滤光片72由4个不同谱段波长的滤光片组成，波长
范围为910nm～1781nm；各滤光片分别通过滤光片安装压圈73设置于滤光轮转盘71上，且4个不同谱段波长的滤光片沿周向均匀分布。
37.作为一种具体实施例方式，所述驱动器1为步进电机。
38.作为一种具体实施例方式，所述蜗杆51采用单头蜗杆，实现单向360
°
旋转，反向自锁。
39.作为一种具体实施例方式，所述支撑座3采用钛合金材料，所述减速器箱体57、滤光轮转盘71、斜齿轮54采用铝合金材料，所述蜗杆51采用合金钢材料。
40.作为一种具体实施例方式，所述蜗杆51、斜齿轮54、蜗杆端深沟球轴承组52、斜齿轮轴端角接触球轴承组55均进行固体润滑处理。
41.作为一种具体实施例方式，整个机构的外表面均进行发黑处理。
42.作为一种具体实施例方式，滤光切换时，编码器4用于实时监测滤光轮转盘71的转角，协助控制步进电机的驱动。
43.本发明的特点在于空间结构紧凑、质量轻、可靠性高，可满足空间星冕仪超高对比度成像要求。
44.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
45.实施例
46.如图1所示，本发明提供了空间星冕仪的滤光轮机构装置，主要包括驱动器1、柔性联轴器2、支撑座3、编码器4、滤光轮传动机构5、霍尔开关6、滤光轮转盘组件7；
47.该装置中各零件的连接关系和位置关系如图1、图2和图3所示：
48.滤光轮传动机构5固定安装在支撑座3上，其中，滤光轮传动机构5包括蜗杆51、蜗杆端深沟球轴承组52、轴承座53、斜齿轮54、斜齿轮轴端角接触球轴承组55、轴承座56、减速箱体57。
49.减速器箱体57固定在支撑座3的水平部上，驱动器1与蜗杆51通过柔性联轴器2连接，蜗杆51的轴线方向垂直于空间星冕仪的光路的中心线，所述斜齿轮54与蜗杆相啮合形成斜齿轮蜗杆副，驱动器1通过蜗杆51将动力传递给斜齿轮54，所述斜齿轮轴的轴线平行于空间星冕仪光路的中心线，蜗杆两端的定位轴肩上装配一对深沟球轴52，斜齿轮轴两端的轴肩上装配一对角接触球轴承55。斜齿轮54自身轴的一端通过柔性联轴器2与编码器4连接，另一端与滤光轮转盘71连接。，驱动器1固定在支撑座3的竖直部上。
50.霍尔开关6安装在减速器的箱体57上，并正对着滤光轮转盘71。
51.本实施方式中主要零件的说明：
52.1、滤光片72由4个不同谱段波长的滤光片组成，波长范围为910
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1781nm，覆盖近红外。
53.2、定标传动机构5选用小模数斜齿轮蜗杆传动机构。蜗杆选用单头蜗杆，可实现单向360
°
旋转，反向自锁。斜齿轮轴由一对宇航级角接触球轴承支撑，蜗杆轴由一对宇航级深沟球轴承支撑。
54.3、驱动器选用宇航级步进电机，滤光切换时，编码器4实时监测滤光轮转盘的转角，协助控制步进电机的驱动，防止步进电机丢转。
55.4、可选地，蜗杆、斜齿轮、宇航级深沟球轴承、宇航级角接触球轴承表面需进行固体润滑处理，避免真空运动出现冷焊现象。
56.5、可选地，滤光轮装置表面均需进行发黑处理，降低杂散光对空间星冕仪的干扰。
57.该装置的在轨滤光切换工作原理如下：
58.当需切换滤光片时，滤光片机构装置中的步进电机开启，步进电机通过柔性联轴器驱动蜗杆和斜齿轮转动，由于斜齿轮和斜齿轮轴是一体结构，斜齿轮轴输出端带动滤光轮转盘同步转动。编码器通过柔性联轴器和斜齿轮轴定位端连接。编码器通过监测斜齿轮的转动角度，来确定滤光片的位置。当编码器监测到的角度和滤光片需旋转到的位置一致时，步进电机关闭，此时滤光轮可完成滤光，对所需波长的近红外进行成像。
59.另外，本发明未详细解释部分均属于本领域技术人员基本专业常识。
60.本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。