一种连杆驱动的单摆镜式扫描机构

技术领域

本发明涉及空间激光通信技术领域，尤其涉及一种连杆驱动的单摆镜式扫描机构。

背景技术

空间激光通信是以具有高准直特性的激光光束作为信息载体在空间中进行数据传输的通信方式。在空间激光通信中，存在着传输距离远、激光信号束散角小及接收时长有限等问题，这对维持两个通信终端良好的同轴度以保证数据的顺利传输提出了重大挑战。为了保持两个终端的精确对准，维持链路顺畅，引入了瞄准、捕获、跟踪（Acquisition，Tracking，Pointing，简称PAT系统），称为跟瞄系统。

经典的空间激光通信跟瞄系统由辅助捕获单元、信标发射单元、提前量单元、粗跟踪单元和精跟踪单元五个单元构成。

粗跟踪单元主要担负着对通信光束的捕获和跟踪的功能，是整个跟瞄系统的基础，随着近些年来搭载激光通信终端系统的卫星平台朝着低轨道、轻小型化的趋势发展，跟瞄系统面临的空间环境也变得更加复杂，且卫星载荷量有限，预留给跟瞄系统的空间和重量也变得有限。因此如何在保证高精度跟踪的条件下实现跟瞄系统轻小型化是空间激光通信领域急需攻关的难题。而扫描机构作为粗跟踪系统中的核心组成部分，在整个系统的体积和重量上，占据着绝大部分的比重，对于实现跟瞄系统的轻小型化起着至关重要的作用。因此，亟需一种轻小型扫描机构。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种连杆驱动的单摆镜式扫描机构，相比于使用直流电机部、齿轮组啮合布置在机构的基座内外部的方式，通过将永磁同步电机的定子与转子水平设置在基座底部直接省去了传动机构，可以极大限度的减小扫描机构的尺寸和重量。同时，本发明通过使用舵机驱动平面曲柄摇杆机构，而俯仰摆动支架既作为负载同时作为连杆参与到曲柄连杆机构的运动当中，所述俯仰摆动支架的运动为刚体运动，即在平动的同时绕一轴进行转动，以实现俯仰摆动支架上所搭载单摆镜的一定范围内的摆转。相比于使用直流电机部、俯仰轴系部驱动负载的方式可以有效的降低机构尺寸和重量。这样做的另一个好处就是，相比于绕一固定轴进行旋转且单摆镜和安装支架尺寸过大的同时，可以避免单摆镜和支架同下方的机构产生干涉。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种连杆驱动的单摆镜式扫描机构，由方位轴系和俯仰轴系组成，包括基座、永磁同步电机、中空型方位轴轴体、中空型方位轴转动支架、舵机、俯仰驱动组件、俯仰摆动支架和单摆镜；所述基座下方安装有永磁同步电机的定子，永磁同步电机的转子直接连接于中空型方位轴轴体以带动其进行旋转，中空型方位轴轴体的上方安装有中空型方位轴转动支架，中空型方位轴转动支架的上方安装有舵机和俯仰驱动组件、通过舵机驱动由关节轴承和连接杆组成的俯仰驱动组件，俯仰驱动组件末端安装俯仰摆动支架，俯仰摆动支架上方粘接有单摆镜，以实现由舵机带动单摆镜实现小范围摆动。

进一步地，所述基座由上下两部分直径不一的圆筒组成，上半部和下半部是开放的，在内侧突出形成环状边沿，环状边沿上方用于支撑住方位轴系的轴承的外圈，基座的下半部设有圆形凹槽，圆形凹槽中用于安装永磁同步电机的定子部分；在基座下半部圆周的外侧设置有方形凸台，用于安装角度编码器的读数头。

进一步地，所述中空型方位轴轴体能够相对基座进行旋转，中心是贯穿的，其圆柱面外侧自上而下形成有多个高度差部，中空型方位轴轴体的下端面设置有环形凸缘，为安装在端面上的转子部分提供定位；所述中空型方位轴轴体的外侧面布置一对轴承，用于支撑所述中空型方位轴轴体相对基座进行旋转。

进一步地，还包括方位轴系的轴承的内、外压圈，用于对方位轴系的一对轴承进行定位和提供预紧力，轴承的外压圈安装在所述基座的上端面，轴承的内压圈安装在中空型方位轴轴体的一个高度差部上。

进一步地，所述中空型方位轴转动支架上端设有框型结构，用于安装舵机，所述中空型方位轴转动支架下端设有环形凸缘，用来缠绕编码器的码盘部分，协同安装在所述基座上的编码器读数头工作，用来实时测量方位轴转动角度。

进一步地，所述俯仰驱动组件包括舵机臂、关节轴承、连接杆、铰链座、带肩扣环铰链销，其中舵机臂用于构成曲柄摇杆机构的驱动侧原动件曲柄，关节轴承和连接杆组成驱动侧摇杆、从动侧的曲柄及摇杆；铰链座和带肩扣环铰链销用于对所述曲柄和摇杆进行定位，从而安装到所述中空型方位轴转动支架上端面的固定位置处。

进一步地，所述俯仰摆动支架作为连杆安装在驱动侧、从动侧的曲柄和摇杆之间。

进一步地，所述单摆镜为椭圆形，通过胶粘的方式固定在俯仰摆动支架上。

有益效果：

本发明通过在基座底部水平布置永磁同步电机的形式，对运动件进行直接驱动，形成了紧凑的结构，其结果为，有效的减小了扫描机构的尺寸和重量。并且，本发明通过使用舵机驱动平面曲柄摇杆机构来带动负载实现俯仰轴摆动，相比于使用直流伺服电机及其安装轴系的方式，简化了结构，同时降低了系统重量。这样做的另一个好处就是，相比于绕一固定轴进行旋转且单摆镜和安装支架尺寸过大的同时，可以避免单摆镜和支架同下方的机构产生干涉。

附图说明

图1是本发明的基座的结构示意图；

图2是本发明的中空型方位轴轴体的结构示意图；

图3是本发明的中空型方位轴转动支架的结构示意图；

图4是本发明的一种连杆驱动的单摆镜式扫描机构的三维结构示意图；

图5是本发明的一种连杆驱动的单摆镜式扫描机构的沿方位轴线垂直于俯仰轴线的剖视图；

图6是本发明的第一连杆、第二连杆的连接关系示意图。

其中：基座1，环状边沿1a，圆形凹槽1b，方形凸台1c，中空型方位轴转动支架2，框型结构2a，环形凸缘2b，中空型方位轴轴体3，第一高度差部3a、第二高度差部3b、第三高度差部3c，第一铰链座4a，第二铰链座4b，第三铰链座4c，第一带肩扣环铰链销5a，第二带肩扣环铰链销5b，第三带肩扣环铰链销5c，第四带肩扣环铰链销5d，第五带肩扣环铰链销5e，第六带肩扣环铰链销5f，第七带肩扣环铰链5g，双头关节轴承6，第一连杆7a，第二连杆7b，第一关节轴承8a，第二关节轴承8b，第三关节轴承8c，第四关节轴承8d，第一连接杆9a、第二连接杆9b，俯仰摆动支架10，单摆镜11，舵机12，舵机臂13，编码器读数头14，方位轴编码器读数支架15，编码器码盘16，定子17，转子18，第一轴承19，第二轴承20，轴承外压圈21，轴承内压圈22。

具体实施方式

如图1-图5所示是本发明的一个实施例，公开了一种连杆驱动的单摆镜式扫描机构，整体上按照功能可分为俯仰轴和方位轴。

如图1，图2，图3，图4，图5所示，对于方位轴，主要由基座1和中空型方位轴轴体3组成，基座1下半部分的圆形凹槽1b用于安装永磁同步电机的定子17，永磁同步电机的转子18安装在中空型方位轴轴体3上，与上述定子17之间留有空气间隙，通过定子17产生的旋转磁场来驱动转子18旋转。中空型方位轴轴体3设置在基座1的内部；中空型方位轴转动支架2安装在基座1上方，并与中空型方位轴轴体3固定连接。

所述基座1是由上下两部分直径不一的圆筒组成的，中心部是贯穿的，在上半部内侧、靠近下半部的位置突出形成环状边沿1a，下半部的内侧形成有圆形凹槽1b，同时在下半部的外侧圆周的切面方向设置方形凸台1c。

所述中空型方位轴轴体3如图2所示，为中空形状，外侧依次设有第一高度差部3a、第二高度差部3b、第三高度差部3c。

所述中空型方位轴转动支架2如图3所示，在其上端面设置有框型结构2a，在其下端面设置有环形凸缘2b。

同时，在基座1的上半部的环形边沿1a上方的内侧对应着中空型方位轴轴体3的第三高度差部3c的上方，设置有第一轴承19、第二轴承20，用于支撑起中空型方位轴轴体3及安装在上面的永磁同步电机的转子18，以进行旋转。

进一步地，在基座1的上端面安装有轴承外压圈21，在中空型方位轴轴体3的第二高度差部3b的上方安装有轴承内压圈22。它们的作用是对第一轴承19和第二轴承20进行固定和预紧。

在基座1下半部的方形凸台1c上安装有方位轴编码器读数支架15，在所述方位轴编码器读数支架15上安装有编码器读数头14。

并且，中空型方位轴转动支架2的下端部安装于所述中空型方位轴轴体3的第一高度差部3a，在所述中空型方位轴转动支架2的环状凸缘2b上粘接有编码器码盘16，配合基座1上的编码器读数头14共同完成对方位轴角度的测量。

如图4，图5所示，对于俯仰轴，俯仰摆动支架10的靠近舵机12的驱动侧的底部轴孔通过第七带肩扣环铰链销5g连接至舵机臂13的末端，所述舵机臂13连接至舵机12的输出轴上，所述舵机12安装在上述中空型方位轴转动支架2上的框型结构2a中；同时俯仰摆动支架10靠近舵机12驱动侧的中部轴孔通过第六带肩扣环铰链销5f连接至第二连杆7b一端，第二连杆7b的另一端通过第四带肩扣环铰链销5d安装在第二铰链座4b上进而安装在中空型方位轴转动支架2上。

进一步，俯仰摆动支架10的远离舵机12的从动侧的底部轴孔通过第二带肩扣环铰链销5b连接至双头关节轴承6的一端，其另一端通过第一带肩扣环铰链销5a连接至第一铰链座4a上进而安装在中空型方位轴转动支架2上；同时俯仰摆动支架10远离舵机12的从动侧的中部轴孔通过第三带肩扣环铰链销5c连接至第一连杆7a的一端，第一连杆7a的另一端通过第五带肩扣环铰链销5e连接至第三铰链座4c上进而安装在中空型方位轴转动支架2上。

所述俯仰摆动支架10的靠近中空型方位轴转动支架2的一侧通过粘接的形式安装有单摆镜11，以带动其进行小幅度摆动。

如图6所示，所述第一连杆7a由第一关节轴承8a、第一连接杆9a、第二关节轴承8b连接构成，具体的，第一关节轴承8a的一端的内螺纹孔以螺纹啮合的方式连接至第一连接杆9a的一端具有外螺纹的螺柱上，第一连接杆9a的另一端的具有外螺纹的螺柱以螺纹啮合的方式连接至第二关节轴承8b的一端的内螺纹孔内。所述第二连杆7b由第三关节轴承8c、第二连接杆9b、第四关节轴承8d连接构成，具体的，第三关节轴承8c的一端的内螺纹孔以螺纹啮合的方式连接至第二连接杆9b的一端具有外螺纹的螺柱上，第二连接杆9b的另一端的具有外螺纹的螺柱以螺纹啮合的方式连接至第四关节轴承8d的一端的内螺纹孔内。

本发明的一种连杆驱动的单摆镜式扫描机构的工作方式为：

首先通过基座外周的安装法兰孔将所述一种连杆驱动的单摆镜式扫描机构进行安装紧固，随着设置基座1的下半部的圆形凹槽1b中的永磁同步电机的定子17产生旋转磁场，进而驱动转子18带动安装在其上的中空型方位轴轴体3进行旋转，同时由于中空型方位轴转动支架2安装在中空型方位轴轴体3的上方，所以中空型方位轴转动支架2会随之进行旋转，由此可形成方位轴的回转运动。同时，舵机12、俯仰摆动支架10及俯仰驱动组件均安装在中空型方位轴转动支架2的上方，则整个俯仰轴可以随着中空型方位轴转动支架2的旋转而运动。

另外，舵机12驱动舵机臂13进行摆动，由于舵机臂13、俯仰摆动支架10、第二连杆7b及中空型方位轴转动支架2构成平面曲柄摇杆机构，此时，随着舵机臂13的运动，第二连杆7b随之进行运动，而此时俯仰摆动支架10作为连杆参与到机构的运动中去，发生刚体运动，即在实现平移运动的同时产生绕一轴线的旋转运动，这样即实现了所搭载的单摆镜11的摆转运动。