一种适用于大型光学元件的方位及俯仰角度复合调整台

技术领域

本发明属于精密机械、光电仪器技术领域，特别是涉及一种适用于大型光学元件的方位及俯仰角度复合调整台。

背景技术

调整台是光学检测和系统装调工作中十分常见的辅助设备，其主要用于调整光学元件的位置和角度；大型光学元件(如标准平面镜等)通常只需进行方位和俯仰角度的精确调整。

常见的方位及俯仰角度调整台，往往是由彼此独立的一部方位调整台和一部俯仰调整台拼接而成，采用该方法获得的“拼接式”调整台存在体积庞大、重量大、移动困难等突出问题，用户使用不便，限制了光学检测和系统装调工作效率的提升；同时，常见的方位及俯仰角度调整台存在承载能力弱、台面尺寸小等缺点，不适用于大型光学元件的调整。

本发明提出一种适用于大型光学元件的方位及俯仰角度复合调整台，具有结构紧凑、承载能力强、台面尺寸大、自动化程度高等显著优点。

发明内容

本发明目的是为了克服背景技术所述不足，提出了一种适用于大型光学元件的方位及俯仰角度复合调整台。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种适用于大型光学元件的方位及俯仰角度复合调整台，所述复合调整台包括方位调整环节、俯仰调整环节、安装板、基板和滑板；所述方位调整环节安装在所述基板上，其驱动装置为刹车步进电机，该刹车步进电机的动力由直角换向减速器和齿轮传动组件传递给所述滑板，该滑板运动时由圆弧导轨进行导向，实现方位角度调整；所述俯仰调整环节的驱动装置为一具备直线升降功能的顶升装置，该顶升装置安装在所述基板上，其顶部安装有滚珠传送装置，该滚珠传送装置的运动部件为一钢球，该钢球与所述安装板的底面接触但不固连，所述安装板在所述顶升装置和滚珠传送装置的共同作用下，可绕两个同轴安装的铰链旋转，实现俯仰角度调整；为了使复合调整台的结构更加紧凑，将所述方位调整环节和俯仰调整环节的结构融合设计，具体为：将铰链安装在所述滑板上，即所述铰链能随着所述滑板沿所述圆弧导轨的回转轴线做回转运动，进而实现安装板的方位调整；进一步地，将滚珠传送装置中钢球的球心置于所述圆弧导轨的回转轴线上，则所述顶升装置运动时，该钢球的球心始终在该回转轴线上运动。

进一步地，所述刹车步进电机尾部自带的刹车器可以实现所述方位调整环节的断电自锁。

进一步地，所述直角换向减速器输入轴与所述刹车步进电机连接，输出轴与所述齿轮传动组件连接，其在提高电机输出能力的同时，还能转换电机的输出轴旋转方向。

进一步地，所述齿轮传动组件由齿轮和齿圈组成，该齿轮与齿圈之间为内啮合，所述齿轮与直角换向减速器输出轴连接，所述齿圈固定在滑板上。

进一步地，为了防止所述安装板的底面在外力的作用下与滚珠传送装置脱离甚至倾覆，在所述安装板和基板之间安装有两根拉伸型氮气弹簧，分别布置在顶升装置两侧。

进一步地，所述铰链内部有一对“背对背”安装的角接触球轴承，角接触球轴承内圈与铰链轴配合，外圈与上支腿配合，锁紧螺母与轴承隔圈配合可以实现角接触球轴承的预紧；上支腿和下支腿通过螺钉分别与安装板和滑板连接；上支腿上加工有柔性切槽，可以吸收复合调整台在装配过程中因零件加工误差积累以及表面不平整而产生的装配应力。

进一步地，所述方位调整环节和俯仰调整环节均引入了位置反馈组件，该位置反馈组件包括位置反馈传感器和限位开关，所述位置反馈传感器将安装板位置信息实时反馈给控制系统，进而实现驱动装置的闭环控制，所述限位开关分布在运动部件的正负极限位置，可以实现复合调整台的电气限位保护。

进一步地，在所述方位调整环节中，所述位置反馈传感器为光栅尺，该光栅尺粘贴在光栅尺座的外圆柱面上，该光栅尺座通过螺钉安装在所述滑板上，并通过两根销钉定位，使其外圆柱面的轴线与所述圆弧导轨的回转轴线重合；所述限位开关安装在所述滑板的正负极限位置处，以实现方位调整环节的电气限位保护。

进一步地，在所述俯仰调整环节中，所述位置反馈传感器是光栅尺，该光栅尺粘贴在所述铰链的上支腿的外圆柱面上，通过设计及加工保证该外圆柱面与所述上支腿的轴承安装孔同轴，即保证该外圆柱面的轴线与俯仰调整的回转轴线重合；所述限位开关安装在所述顶升装置内部，通过对顶升装置进行限位间接实现俯仰调整环节的电气限位保护。

本发明相比现有技术具有的有益效果：

1.本发明提供的方位和俯仰角度复合调整台，方位调整环节中使用了圆弧导轨、俯仰调整环节中使用了铰链装置，在结构设计上将两重调整环节相融合，保证两自由度调整互相解耦的同时，结构更加紧凑、承载能力更大、台面尺寸更大。

2.本发明提供的方位和俯仰角度复合调整台，两重调整环节由各自的驱动装置驱动并配备独立的位置反馈组件，可进行闭环控制，实现方位角度和俯仰角度的高分辨率调节和高重复定位精度，自动化程度高、使用非常方便。

3.本发明中使用的铰链具有柔性切槽，可以吸收产品内部的装配应力，克服零件表面不平整、机械加工精度差等问题，提高复合调整台装配效率的同时，保证复合调整台在使用过程中自身内部受力状态稳定，以及复合调整台所承载的大型光学元件的角度姿态恒定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明一种方位和俯仰角度复合调整台实施例的立体结构示意图；

图2为圆弧导轨回转轴线和滚珠传送装置内钢球球心相对位置示意图；

图3为铰链的剖视图(未显示光栅尺及读数头)；

图4为俯仰调整环节中位置反馈组件安装示意图；

图5为方位调整环节中位置反馈组件安装示意图。

其中序号：1是安装板，2是铰链，3是限位开关，4是滑板，5是圆弧导轨，6是支撑板，7是支撑块，8是基板，9是齿圈，10是减速器支架，11是齿轮，12是支承组件，13是转接板，14是拉伸型氮气弹簧，15是顶升装置，16是滚珠传送装置，17是直角换向减速器，18是刹车步进电机，19是上支腿，20是下支腿，21是螺母，22是铰链轴，23是角接触球轴承，24是轴承隔圈，25是第一光栅尺，26是第一读数头，27是光栅尺座，28是第二读数头，29是第二光栅尺，30是胀紧连接套。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种适用于大型光学元件的方位及俯仰角度复合调整台，所述复合调整台包括方位调整环节、俯仰调整环节、安装板、基板和滑板；所述方位调整环节安装在所述基板上，其驱动装置为刹车步进电机，该刹车步进电机的动力由直角换向减速器和齿轮传动组件传递给所述滑板，该滑板运动时由圆弧导轨进行导向，实现方位角度调整；所述俯仰调整环节的驱动装置为一具备直线升降功能的顶升装置，该顶升装置安装在所述基板上，其顶部安装有滚珠传送装置，该滚珠传送装置的运动部件为一钢球，该钢球与所述安装板的底面接触但不固连，所述安装板在所述顶升装置和滚珠传送装置的共同作用下，可绕两个同轴安装的铰链旋转，实现俯仰角度调整；为了使复合调整台的结构更加紧凑，将所述方位调整环节和俯仰调整环节的结构融合设计，具体为：将铰链安装在所述滑板上，即所述铰链能随着所述滑板沿所述圆弧导轨的回转轴线做回转运动，进而实现安装板的方位调整；进一步地，将滚珠传送装置中钢球的球心置于所述圆弧导轨的回转轴线上，则所述顶升装置运动时，该钢球的球心始终在该回转轴线上运动。所述结构设计有效地降低了复合调整台的高度，使得结构更加紧凑，同时仍能保证方位和俯仰两自由度调整互不影响。

所述刹车步进电机尾部自带的刹车器可以实现所述方位调整环节的断电自锁。

所述直角换向减速器输入轴与所述刹车步进电机连接，输出轴与所述齿轮传动组件连接，其在提高电机输出能力的同时，还能转换电机的输出轴旋转方向，使得结构更加紧凑。

所述齿轮传动组件由齿轮和齿圈组成，该齿轮与齿圈之间为内啮合，所述齿轮与直角换向减速器输出轴连接，所述齿圈固定在滑板上。

所述圆弧导轨相较于传统的止推轴承或转台轴承，更适用于所述方位调整环节，大型光学元件在使用中所需的角度调整范围有限、无需整圈旋转，所述圆弧导轨不仅实现了更大的回转半径，还具有更小的体积和更轻的重量。

为了防止所述安装板的底面在外力的作用下与滚珠传送装置脱离甚至倾覆，在所述安装板和基板之间安装有两根拉伸型氮气弹簧，分别布置在顶升装置两侧。

所述铰链内部有一对“背对背”安装的角接触球轴承，角接触球轴承内圈与铰链轴配合，外圈与上支腿配合，锁紧螺母与轴承隔圈配合可以实现角接触球轴承的预紧；上支腿和下支腿通过螺钉分别与安装板和滑板连接；上支腿上加工有柔性切槽，可以吸收复合调整台在装配过程中因零件加工误差积累以及表面不平整而产生的装配应力。

所述方位调整环节和俯仰调整环节均引入了位置反馈组件，该位置反馈组件包括位置反馈传感器和限位开关，所述位置反馈传感器将安装板位置信息实时反馈给控制系统，进而实现驱动装置的闭环控制，所述限位开关分布在运动部件的正负极限位置，可以实现复合调整台的电气限位保护。

在所述方位调整环节中，所述位置反馈传感器为光栅尺，该光栅尺粘贴在光栅尺座的外圆柱面上，该光栅尺座通过螺钉安装在所述滑板上，并通过两根销钉定位，使其外圆柱面的轴线与所述圆弧导轨的回转轴线重合；所述限位开关安装在所述滑板的正负极限位置处，以实现方位调整环节的电气限位保护。

在所述俯仰调整环节中，所述位置反馈传感器是光栅尺，该光栅尺粘贴在所述铰链的上支腿的外圆柱面上，通过设计及加工保证该外圆柱面与所述上支腿的轴承安装孔同轴，即保证该外圆柱面的轴线与俯仰调整的回转轴线重合；所述限位开关安装在所述顶升装置内部，通过对顶升装置进行限位间接实现俯仰调整环节的电气限位保护。

本发明提出一种适用于大型光学元件的方位及俯仰角度复合调整台。结构设计上，将方位调整环节与俯仰调整环节相融合，得到的复合调整台结构更加紧凑，移动和使用方便。方位角度和俯仰角度分别由独立的驱动装置驱动，并配备了相应的位置反馈组件，可以实现方位角度和俯仰角度的高分辨率调节，并具有较高的重复定位精度。除以上特点外，本发明还具有负载能力高、成本低、易装配等特点。

下面结合附图对技术方案的实施作进一步地详细描述，以求更为清楚地阐述结构及其操作方法。

如图1所示，本发明提出一种适用于大型光学元件的方位及俯仰角度复合调整台，包括方位调整环节、俯仰调整环节以及安装板1、基板8和滑板4等结构件，其主要用于实现大型光学元件的方位、俯仰角度调整。

复合调整台方位角度的调整由刹车步进电机18驱动，刹车步进电机18尾部集成了刹车器，刹车步进电机18的回转运动经过直角换向减速器17、齿轮11和齿圈9传递给滑板4，滑板4运动时由圆弧导轨5进行导向，在滑板4的正负极限位置处各安装有一个限位开关3，可以实现方位角度调整过程中的电气限位保护。

刹车步进电机18的输出轴与直角换向减速器17的输入轴固定连接，直角换向减速器17通过减速器支架10固定在支撑板6上。在直角换向减速器17输出轴上利用胀紧连接套30固定有齿轮11，齿轮11与固定在滑板4上的齿圈9啮合。为了提升直角换向减速器17输出轴的刚度，在其底部还安装有内部带有深沟球轴承的支承组件12。

圆弧导轨5的滑轨固定在支撑板6上，其滑块与滑板4固定连接，在刹车步进电机18的驱动下，滑板4能在圆弧导轨5的导向作用下做圆弧运动。

复合调整台俯仰角度的调整由顶升装置15驱动，顶升装置15通过螺钉固定在基板8上，其顶端固定安装有滚珠传送装置16，滚珠传送装置16与安装板1接触。

滚珠传送装置16的运动部件为一钢球，该钢球与安装板1的底面接触但不固连，当顶升装置15升降时，安装板1可绕两个同轴安装在滑板4上的铰链2进行转动，此过程中滚珠传送装置16与安装板1发生相对移动，而滚珠传送装置16内部的钢球可将滑动摩擦转换为滚动摩擦，提高了俯仰调整环节的传动效率及使用寿命。

在铰链2的连接下，安装板1可随滑板4沿圆弧导轨5的回转轴线做方位方向的圆弧运动，为了使安装板1方位和俯仰两方向的圆弧运动解耦，装配时将滚珠传送装置16钢球的球心置于圆弧导轨5的回转轴线上。

顶升装置15本质为电动缸，其内部由电机及丝杠传动组件组成。优选地，选择具有限位功能的顶升装置15，然后通过合理的结构设计保证在顶升装置15全行程范围内，安装板1不会与复合调整台其余组件干涉，以此间接实现了俯仰角度调整过程中的电气限位保护功能。

铰链2的结构如图3所示，其内部有一对“背对背”安装的角接触球轴承23，角接触球轴承23内圈与铰链轴22配合，外圈与上支腿19配合，锁紧螺母21与轴承隔圈25配合可以实现角接触球轴承23的预紧。上支腿19和下支腿24通过螺钉分别与安装板1和滑板4连接。上支腿19上加工有柔性切槽，可以吸收复合调整台在装配过程中因零件加工误差积累以及表面不平整而产生的装配应力。

由于滚珠传送装置16与安装板1之间仅接触但不固连，为避免安装板1在外力作用下倾覆，在顶升装置15两侧安装有两个拉伸型氮气弹簧14。拉伸型氮气弹簧14两端分别利用螺钉固定在安装板1和基板8上。特别地，拉伸型氮气弹簧14两端接头为球铰，可以保证拉伸型氮气弹簧14杆身姿态能随安装板1运动而调整，避免复合调整台在工作过程中出现卡滞。

优选地，本实施例中，方位及俯仰调整环节中均配备了位置反馈传感器，能直接测量安装板1的方位和俯仰角度，具体为选用可用于角度测量场景的光栅尺配合读数头进行角度测量反馈。俯仰角度由第一光栅尺25和第一读数头26进行反馈，第一光栅尺25直接安装在铰链2的上支腿19的外圆柱面上，该外圆柱面与上支腿19的轴承安装孔同轴，第一读数头26固定安装在下支腿20上；方位角度由第二光栅尺29和第二读数头28进行反馈，第二光栅尺29安装在光栅尺座27的外圆柱面上，该外圆柱面的中心回转轴线与圆弧导轨5的回转轴线重合，第二读数头28固定安装在支撑板6上。

以上对本发明所提出的一种适用于大型光学元件的方位及俯仰角度复合调整台进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。