一种应用于主动光学的力促动器的制作方法

1.本发明涉及一种主动光学技术中用于主动支撑的执行机构，具体涉及一种应用于主动光学的力促动器，通过对镜面背部施加拉压力，使镜面发生形变，补偿面形误差，达到调整镜面面形的效果。


背景技术：

2.在主动光学技术中，用于实时校正光学部件的形变和位移的定位和支撑机构称为促动器。促动器分为位移促动器和力促动器。力促动器通过对镜面施加一定大小的力，使镜面发生一定量的形变，来纠正或补偿镜面的波前误差，主要应用于主动光学和自适应光学的薄镜面。力促动器大体可以分为六种结构，包括音圈力促动器、压电式力促动器、杠杆式力促动器、机电式力促动器、液压并联机电式力促动器、气动式力促动器等，其中机电式力促动器是使用最广、最成熟的促动器技术。
3.随着主动光学技术的不断发展，对光学设备精度要求的不断提高，力促动器的输出力范围、最小分辨率、输出力的线性度、重复稳定性等指标要求也越来越高。此外，为迎合对一些光学设备的特点，力促动器也需要具有响应时间要快、断电稳定等特点。当前常见的机电式力促动器多为并联弹簧组，存在结构复杂、力输出线性度较低、断电稳定性较低的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对上述传统机电式力促动器结构的不足，提出一种具有高线性度、重复稳定性高且断电稳定的力促动器。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种应用于主动光学的力促动器，包括位移输出模块、串联弹簧模块以及测力反馈模块，所述位移输出模块包括用于提供旋转动力的动力机构，所述串联弹簧模块包括安装套筒、可在安装套筒内沿轴向运动的弹簧连接座，所述安装套筒上轴向定位安装有传动丝杠，所述传动丝杠的一端从安装套筒伸出与所述动力机构相连，另一端伸入至安装套筒内，传动丝杠上螺纹配合安装有传动螺母，所述弹簧连接座内设有套于传动丝杠的两个串联的压簧，两个压簧之间连接所述传动螺母，所述测力反馈模块与弹簧连接座固定连接。
7.进一步的，所述弹簧连接座包括左连接座和右连接座，左连接座和右连接座通过螺杆连接，并通过螺杆上的螺母定位。
8.进一步的，所述安装套筒内设置有导轨，导轨上设置有左滑块和右滑块，所述左连接座与左滑块相连，所述右连接座与右滑块相连。
9.进一步的，所述传动螺母包括传动螺母盖和与传动螺母盖固定连接的传动螺母座，所述传动螺母盖螺纹配合安装于传动丝杠上，所述导轨上设置有中间滑块，传动螺母盖与中间滑块相连。
10.进一步的，所述动力机构为步进电机，所述步进电机通过减速器、联轴器连接至传
动丝杠。
11.进一步的，所述安装套筒的一端安装有法兰形支撑座，所述法兰形支撑座内设置有角接触球轴承，所述传动丝杠通过所述角接触球轴承安装于法兰形支撑座内。
12.进一步的，所述测力反馈模块包括力传感器，所述力传感器的一端通过传感器连接套筒与弹簧连接座固定连接，另一端通过球头关节与球头座连接。
13.进一步的，所述球头座上还安装有连接垫和软垫。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
15.本发明的力促动器，通过施加预紧力的串联弹簧组，将步进电机驱动精密丝杠螺母产生的直线位移，转换为输出力输出到输出端，并通过末端的测力反馈模块反馈到上位计算机，将误差反馈到步进电机并加以补偿，实现输出力的高分辨率。根据胡克定律，力促动器输出的拉压力映射为弹簧模块整体结构的前后位移。由于弹簧模块是预紧状态下的，所以整个拉压过程避免了弹簧非线性段的零位滞后问题。
附图说明
16.图1是本发明力促动器的外观示意图；
17.图2是本发明力促动器的剖视图。
18.图中标记：1-步进电机；2-减速器；3-减速器连接件；4-联轴器；5-法兰形支撑座；6-安装套筒；7-左弹簧连接座；8-螺杆；9-传动螺母盖；10-传动螺母座；11-传感器连接套筒；12-力传感器；13-球头关节；14-球头座；15-连接垫；16-软垫；17-模具弹簧；18-导轨；19-滑块；20-右弹簧连接座；21-传动丝杠。
具体实施方式
19.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
20.本实施例提供一种应用于主动光学的力促动器，该力促动器通过对镜面背部施加拉压力，使镜面发生形变，补偿面形误差，达到调整镜面面形的效果。
21.如图1-2所示，一种应用于主动光学的力促动器主要包括位移输出模块、串联弹簧模块以及测力反馈模块。
22.其中，位移输出模块包括用于提供旋转动力的动力机构。具体的，动力机构为步进电机1，步进电机1通过减速器2、联轴器4连接至传动丝杠21，步进电机1通过减速器2提升转矩，再通过联轴器4将转矩输入到传动丝杠21，输入端由步进电机1配合减速器2进行细分传动，步进电机1通过上位机精确控制其转动角，确保力促动器的最小力分辨率可达到使用要求，减速器连接件3通过螺栓固定到安装套筒6。
23.其中，所述串联弹簧模块包括安装套筒6、可在安装套筒6内沿轴向运动的弹簧连接座，安装套筒6上轴向定位安装有传动丝杠21，传动丝杠21的一端从安装套筒6伸出与动力机构相连，另一端伸入至安装套筒6内，传动丝杠21上螺纹配合安装有传动螺母，弹簧连接座内设有套于传动丝杠21的两个串联的压簧，两个压簧之间连接传动螺母。具体的，一对相对放置的弹簧连接座(即左弹簧连接座7和右弹簧连接座20)通过一根螺杆8固定相对距离，相对距离可以通过两端的螺母调节，为弹簧组提供预紧力，一对弹簧连接座的中间串联两个模具弹簧17，传动螺母包括传动螺母盖9和与传动螺母盖9固定连接的传动螺母座10，
传动螺母盖9螺纹配合安装于传动丝杠21上，传动螺母盖9和传动螺母座10在两个模具弹簧17中间，在两个弹簧连接座7和传动螺母座10下方安装滑块19，滑块19可沿固定在安装套筒6上的导轨18滑动，作为传动螺母盖9的防转导向机构，安装套筒6的一端安装有法兰形支撑座5，法兰形支撑座5内设置有角接触球轴承，法兰形支撑座5配合相对的一对角接触球轴承对传动丝杠21进行轴向定位。
24.其中，测力反馈模块与弹簧连接座固定连接。具体的，测力反馈模块包括力传感器12，在右弹簧连接座20上固定传感器连接套筒11，力传感器12的一端连接到传感器固定套筒11上，力传感器12另一端通过球头关节13连接到球头座14上，并通过连接垫15和软垫16连接到光学部件上。安装套筒6内部采用丝杆和导轨组合的方式将电机的旋转运动转化为直线运动，配合组合弹簧向力传感器输送拉力和压力，最后经柔杆将力输出至与镜子相连的连接垫处，输出的力通过力传感器反馈到上位计算机，并通过计算机反馈到步进电机的转动并加以补偿。
25.本实施例中，模具弹簧17、传动螺母盖9、左右弹簧连接座、传感器连接套筒11、力传感器12都以丝杠为轴心安装。
26.当传动螺母盖9受步进电机驱动，沿着导轨18做直线运动时，会带动传动螺母座10两边的模具弹簧17分别相对压缩和相对舒张。由于两个相对的弹簧连接座受到螺杆8固定，模具弹簧17的合力会传递到靠近输出端的右弹簧连接座20使之沿轴向前后移动。此时力促动器的受力方程为：
[0027][0028]
其中，k1为模具弹簧的弹性刚度，k2为力传感器的弹性常量，两个相同的模具弹簧串联起来的等效刚度则为2k1，l为传动螺母的移动距离，δl为力传感器连接套筒的运动距离，计算求得输出力f为：
[0029][0030]
从上式中可以看出，不论输出是拉力还是压力，力促动器的输出力f与传动螺母的位移l总是成正比，与预紧力无关。由于装配时通过调节螺杆对串联的两个模具弹簧施加力预紧力，所以在工作过程中串联的两个弹簧始终处于压缩状态，即弹簧组的受力状态是唯一的，就不存在弹簧的初始力非线性(过零滞后)的问题，保证了促动器输出力的线性。
[0031]
综上所述，本发明应用于主动光学的力促动器是一种电动机械式力促动器，由位移输出模块、串联弹簧模块以及测力反馈模块组成，是一种用于主动光学技术中实时校正光学部件的形变和位移的支撑机构。本发明具有结构可靠、输出力范围较大、输出力精度高、线性度高、重复稳定性较好的特点，同时在位移输出模块中安装有限位装置，可用于限制力促动器输出端位移在安全范围内。
[0032]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种应用于主动光学的力促动器，其特征在于，包括位移输出模块、串联弹簧模块以及测力反馈模块，所述位移输出模块包括用于提供旋转动力的动力机构，所述串联弹簧模块包括安装套筒、可在安装套筒内沿轴向运动的弹簧连接座，所述安装套筒上轴向定位安装有传动丝杠，所述传动丝杠的一端从安装套筒伸出与所述动力机构相连，另一端伸入至安装套筒内，传动丝杠上螺纹配合安装有传动螺母，所述弹簧连接座内设有套于传动丝杠的两个串联的压簧，两个压簧之间连接所述传动螺母，所述测力反馈模块与弹簧连接座固定连接。2.根据权利要求1所述的一种应用于主动光学的力促动器，其特征在于，所述弹簧连接座包括左连接座和右连接座，左连接座和右连接座通过螺杆连接，并通过螺杆上的螺母定位。3.根据权利要求2所述的一种应用于主动光学的力促动器，其特征在于，所述安装套筒内设置有导轨，导轨上设置有左滑块和右滑块，所述左连接座与左滑块相连，所述右连接座与右滑块相连。4.根据权利要求3所述的一种应用于主动光学的力促动器，其特征在于，所述传动螺母包括传动螺母盖和与传动螺母盖固定连接的传动螺母座，所述传动螺母盖螺纹配合安装于传动丝杠上，所述导轨上设置有中间滑块，传动螺母盖与中间滑块相连。5.根据权利要求1所述的一种应用于主动光学的力促动器，其特征在于，所述动力机构为步进电机，所述步进电机通过减速器、联轴器连接至传动丝杠。6.根据权利要求1所述的一种应用于主动光学的力促动器，其特征在于，所述安装套筒的一端安装有法兰形支撑座，所述法兰形支撑座内设置有角接触球轴承，所述传动丝杠通过所述角接触球轴承安装于法兰形支撑座内。7.根据权利要求1所述的一种应用于主动光学的力促动器，其特征在于，所述测力反馈模块包括力传感器，所述力传感器的一端通过传感器连接套筒与弹簧连接座固定连接，另一端通过球头关节与球头座连接。8.根据权利要求7所述的一种应用于主动光学的力促动器，其特征在于，所述球头座上还安装有连接垫和软垫。

技术总结
本发明公开了一种应用于主动光学的力促动器，包括位移输出模块、串联弹簧模块以及测力反馈模块，位移输出模块包括用于提供旋转动力的动力机构，串联弹簧模块包括安装套筒、可轴向运动的弹簧连接座，安装套筒上轴向定位安装有传动丝杠，传动丝杠的一端从安装套筒伸出与动力机构相连，另一端伸入至安装套筒内，传动丝杠上螺纹配合安装有传动螺母，弹簧连接座内设有套于传动丝杠的两个串联的压簧，两个压簧之间连接传动螺母，测力反馈模块与弹簧连接座固定连接。本发明具有结构可靠、输出力范围较大、输出力精度高、线性度高、重复稳定性较好的特点，同时在位移输出模块中安装有限位装置，可用于限制力促动器输出端位移在安全范围内。内。内。


技术研发人员：李金鹏 李启统 黄宇珂 高婧婧 毕勇
受保护的技术使用者：中科院南京天文仪器有限公司
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/8/1