一种应用于空间光学遥感器的高精度轻小型调焦机构

摘要

一种应用于空间光学遥感器的高精度轻小型调焦机构，属于空间光学遥感器技术领域涉及的一种调焦机构。要解决的技术问题是：提供一种空间光学遥感器高精度轻小型调焦机构。解决的技术方案包括：驱动部分，连接部分和执行部分。驱动部分通过丝母预留孔与连接部分的第一销轴通过过盈配合连接；连接部分中的第二销轴通过过盈配合固定在执行部分中的调焦镜滑座背部的预留孔内，通过连接部分中的连杆的摆动实现执行部分中调焦镜沿滑杆轴向的直线运动，实现调焦的目的。采用蜗轮副使机构具有自锁功能；高精度的直线轴承解决了高低温环境机构的卡死问题，并使调焦镜运动具有很高的直线性和定位精度，保证了机构运动的顺畅性和稳定性。

说明书

技术领域：

本发明属于空间光学遥感器技术领域中涉及的一种高精度轻小型调焦机构。

背景技术：

空间光学遥感器高精度轻小型调焦机构的主要作用是：在遥感器对目标区 域进行拍摄时，通过调焦镜的微量移动，将目标区域准确地成像在CCD的感光 面上，且精度高，体积小，重量轻。

与本发明最为接近的已有技术是中国科学院长春光学精密机械与物理研究 所贾学志等人发表于《光学精密工程》期刊上的轻型空间相机调焦机构优化设 计与精度试验，该调焦机构应用于轻型空间相机工程项目。如图1，图2和图3 所示，该机构由驱动部分、连接部分和执行部分组成。其中驱动部分包括步进 电机1、步进电机支架2、第一联轴器3、丝杠轴4、丝母5、第二联轴器8、编 码器支架9、编码器10和角接触球轴承17；连接部分包括第一连杆轴6、连杆 7和第二连杆轴14；执行部分包括左滑杆11、调焦镜12、调焦基座13、右滑杆 15和调焦镜滑座16。在驱动部分中，步进电机1安装在步进电机支架2上，步 进电机1的输出轴通过联轴器3与丝杠轴4的右端连接，丝杠轴4带有螺纹， 通过螺纹传动带动丝母5在丝杠轴4上平移。丝杠轴4通过一对角接触球轴承 17安装在调焦基座13的后部，丝杠轴4的左端通过第二联轴器8与编码器10 的输入轴连接，编码器10安装在编码器支架9上，步进电机支架2和编码器支 架9均通过螺钉固定在调焦基座13上；在执行部分中，调焦镜12通过光学环 氧胶粘接到调焦镜滑座16的中部，调焦镜滑座16的左端开有U形槽，右端加 工圆孔，左端U形槽和右端圆孔分别与左滑杆11和右滑杆15通过微小间隙配 合，间隙量优于0.003mm，左滑杆11和右滑杆15又分别通过螺钉固定在调焦基 座13左右两边，通过左滑杆11和右滑杆15的限位作用使调焦镜12和调焦镜 滑座16只能沿左滑杆11的轴向运动；在连接部分中，第一连杆轴6通过内六 角螺钉固定在丝母5前端，第二连杆轴14也通过内六角螺钉固定在调焦镜滑座 16的背部，第一连杆轴6和第二连杆轴14分别与连杆7的两个预留孔通过间隙 配合连接，间隙量优于0.003mm。驱动部分通过丝母5与连接部分中的第一连杆 轴6通过螺钉连接，连接部分中的第二连杆轴14也通过螺钉固定在执行部分中 的调焦镜滑座16的背部，这样，驱动部分和执行部分通过连接部分形成了一个 整体结构。

该调焦机构的缺点是：该机构无自锁能力，定位精度低，调焦镜晃动量大， 加工装配困难，高低温性能不稳定，易卡死。

发明内容：

为了克服已有技术存在的缺陷，本发明的目的在于解决空间光学遥感器调 焦机构的高精度、小型化，低重量的问题，促进轻型光学遥感器的发展，为实 现航天产品向轻型化方向发展提供技术支持。

本发明要解决的技术问题是：提供一种应用于空间光学遥感器的高精度轻 小型调焦机构。解决技术问题的技术方案如图4和图5所示。该调焦机构分为 三部分，即驱动部分，连接部分和执行部分。驱动部分包括步进电机18、蜗轮 副19、丝杠轴20、丝母21、编码器25、轴承座34、第二直线轴承35、直线轴 承滑轨36、联轴器37和角接触球轴承38；连接部分包括第一销轴22、连杆23 和第二销轴24；执行部分包括磁钢26、霍尔元件27、调焦基座28、调焦镜滑 座29、柔性部件30、调焦镜31、第一直线轴承32和滑杆33。在驱动部分中， 步进电机18输出轴通过联轴节37与蜗轮副19中的蜗杆连接，通过蜗轮副中蜗 轮与蜗杆的啮合带动与蜗轮同轴的丝杠轴20转动；丝杠轴20的两端通过一对 角接触球轴承38安装在调焦基座28上，丝杠轴20与丝母21通过螺纹配合， 丝杠轴20转动时通过螺纹传动带动丝母21沿丝杠轴20的轴向平动，丝母21 底部留有螺纹孔，轴承座34通过螺纹孔用螺钉安装在丝母21的底部，第二直 线轴承35依靠自身的法兰固定在轴承座34上，滑杆33穿过第二直线轴承35 中心圆孔，两端与调焦基座28通过螺钉固定。编码器25固定于调焦基座28的 左端，编码器25的输入轴与丝杠轴20的左端同轴连接；在执行部分中，调焦 镜31中部的芯轴通过光学环氧胶粘接到柔性部件30中心的圆孔内，柔性部件 30通过螺钉固定在调焦镜滑座29的中部，调焦镜滑座29两端各留有一个圆孔， 每个圆孔内都装配有一个第一直线轴承32，两个第一直线轴承32分别通过自身 的法兰固定到调焦镜滑座29上，两个滑杆33通过过盈配合分别装配到两个第 一直线轴承32上，通过滑杆33的限位使调焦镜滑座29在滑杆33的轴向自由 滑动，两个滑杆33前端带有法兰盘，通过螺钉固定在调焦基座28的前端；磁 钢26安装在调焦镜滑座29的右端，两个霍尔元件27对称分布在磁钢26两边 并且固定在调焦基座28上，三者共同起到电限位的作用，防止调焦镜滑座29 与调焦基座28碰撞使机构卡死。在连接部分中，第一销轴22通过螺钉固定在 丝母21的前端，第二销轴24也通过螺钉固定在调焦镜滑座29的背部，第一销 轴22和第二销轴24分别与连杆23的两个预留孔通过间隙配合连接，间隙量优 于0.003mm。连杆23与第一销轴14和第二销轴24之间采用过盈配合装配，既 减小了连杆23与第一销轴14和第二销轴24之间的空回问题，又防止了在空间 真空低温环境中连杆23与第一销轴14和第二销轴24的冷焊问题。驱动部分通 过丝母21前端的预留孔与连接部分中的第一销轴22通过过盈配合连接，并通 过螺钉固定；连接部分中的第二销轴24也通过过盈配合固定在执行部分中的调 焦镜滑座29背部的预留孔内，也通过螺钉固定，这样，驱动部分和执行部分通 过连接部分形成了一个整体结构。

工作原理说明：常用的调焦方式主要有镜组移动式、焦面反射镜移动式和 焦平面移动式几种，根据光学遥感器的结构特点，本发明选择焦面反射镜移动 的方式，即在焦面前增加一块反射镜改变光路方向，通过移动反射镜改变焦面 位置来达到调焦的目的。

本发明提出连杆-双滑块机构，如图6所示。步进电机通过蜗轮副带动丝杠 轴，使连接在丝杠丝母上的连杆摆动，进而带动调焦反射镜组件沿直线导轨轴 向往复运动，从而达到调焦的目的。采用蜗轮蜗杆-丝杠轴-直线轴承配合使用 的方案，使调焦精度大大提高，整个系统的调焦方向的尺寸得以减小，为空间 遥感器向轻型化方向发展提供了方便。由于采用蜗轮副带动丝杠轴转动，故该 结构不但具有自锁功能，而且又将步进电机作进一步细分，可以忽略步进电机 少量丢步对机构精度的影响；丝杠轴与直线轴承配合使用，提高了调焦机构的 稳定性，降低了调焦镜的晃动量，并且解决了在高低温环境下结构的卡死问题。 在该结构中选用了高精度的直线轴承和丝杠轴，具有较高的直线度和平行度， 安装之后对该机构进行一定时间的反复跑合试验，对相应的传动机构进行磨合， 从而保证了使用中机构运动的顺畅性和稳定性。

本发明的积极效果：该空间光学遥感器高精度轻小型调焦机构与之前的技 术相比，解决了以往的调焦机构不能自锁，调焦精度较低，高低温环境稳定性 差、易卡死的问题，且能够把直线调焦的误差缩小将近一个数量级，为获得高 质量的图像提供了技术保障。

附图说明：

图1是已有技术的调焦机构的结构示意图；

图2是图1的驱动部分连接关系的俯视图；

图3是图1的调焦镜滑座与滑杆的连接关系的仰视图；

图4是本发明调焦机构结构示意图；

图5是图4驱动部分连接关系的仰视图；

图6是本发明调焦机构原理说明示意图。

具体实施方式：

本发明按图4所示的技术方案实施。其中，步进电机18采用亚美柯宝马公 司生产的42BYG020G型号的军品级四相步进电机；蜗轮副19和丝杠轴20、连杆 23和调焦基座等结构件委托长春奥普光电技术股份有限公司按照设计图纸加 工；编码器25选择中科院长春光机所自行研制的16位编码器；直线轴承32选 择THK公司生产的LMH8和LM4型号的高精度航天级直线轴承；选择洛阳轴承公 司生产P4级军品级轴承，霍尔元件27选购为南京新捷中旭公司生产的HL-WJV 型航天级霍尔天线限位传感器，触发距离为5mm，重复精度优于0.1mm。整体结 构材质采用钛合金材料，重量仅为2.5Kg，机构外形尺寸规格为140mm×190mm ×130mm，调焦镜全行程晃动量优于15″，定位精度优于0.005mm，分辨力优于 0.003mm，空回优于0.01mm。