技术领域
[0001] 本
发明涉及一种采用凸轮驱动的摆镜机构，可用于精密工程领域的光束精确扫描、
跟踪和对准。
背景技术
[0002] 摆镜机构在动态光学跟踪中具有广泛的用途，可以精确实现光路的对准、被测对象的跟踪、光束指向误差的补偿修正等。精确控制摆镜的偏摆运动是提高系统
精度的重要因素。
[0003] 在先技术（孙建锋等
专利，
申请号：200410024986.2，申请日2004年10月“星间激光通信终端高精度动静态测量装置”）中采用
力矩
电机直接耦合转动轴而实现光学元件的偏摆，从而实现
角度调节，但是该机械系统对力矩电机的转动精度和动力性能要求较高，机械误差较大。
[0004] 在先技术（李安虎等专利，申请号：200510026553.5，申请日2005年6月“双光楔光束偏转机械装置”）中，提出了直线电机直接顶进驱动的方式，运动中属于变负载系统，不仅控制精度难以保证，而且难以克服回位
弹簧和顶杆等在运动中产生的摩擦和影响。
[0005] 在先技术（李安虎等专利，申请号：201010588924.X，申请日2010年12月“偏摆光楔扫描装置”）中通过三个机械模
块的运动耦合实现了光楔的偏摆运动，但由于第一模块和第三模块都采用了滑动
导轨方案，都是通过滑块在其导轨上的滑动实现的，因此两级滑动导轨产生的误差累积影响了偏摆角度调节的精度，同时第二模块采用关节
轴承也存在运动间隙，影响系统使用精度。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种凸轮驱动的摆镜机构，采用凸轮驱动的方式来精确控制摆镜的偏摆运动，以克服上述在先技术中的不足之处。
[0007] 本发明提出的采用凸轮驱动的摆镜机构，包括镜框及转动半轴总成、弹簧紧连装置、偏摆凸轮机构、电机及传动部分、摆镜
支撑结构和机座，其中：
[0008] 镜框与转动半轴左右段刚性联结，通过
滚动轴承由机座两侧面支撑；由电机通过带传动
控制凸轮机构实现摆镜的精确偏摆。
[0009] 所述镜框及转动半轴总成包括摆镜4、转动半轴2、镜框5、第一滚动轴承8、第一轴承端盖6、第一
沉头螺钉7和角度
编码器3，摆镜4通过摆镜支撑结构固定于镜框5内，镜框5与转动半轴2的左右段刚性联接；所述转动半轴2的左右段分别通过第一滚动轴承8安装在机座1上；第一滚动轴承8的
内圈由轴肩
定位，
外圈由第一轴承端盖6固定；第一轴承端盖6通过第一沉头螺钉7固定于机座1的侧面；所述转动半轴2的左段还连有角度编码器3；
[0010] 所述弹簧紧连装置包括弹簧护罩41、平面涡卷弹簧42和外盖43，所述弹簧护罩41通过
螺纹旋入转动半轴2右段中，为平面涡卷弹簧42提供放置平面；所述平面涡卷弹簧42一端嵌入转动半轴2的右段端面凹槽内，另一端放入第一轴承端盖6的凹槽内，通过六角头螺钉45固定；所述外盖43通过第七沉头螺钉44固定于第一轴承端盖6右侧；
[0011] 所述偏摆凸轮机构包括偏摆板17、凸轮22、
凸轮轴23和凸轮架25，所述偏摆板17通过第二沉头螺钉16与镜框5连接，并与凸轮22形成运动副；凸轮22固定在凸轮轴23上，凸轮轴23通过第二滚动轴承20安装在凸轮架25上；第二滚动轴承20的内圈通过凸轮轴23的轴肩定位，外圈由第二轴承端盖19固定；第二轴承端盖19通过第三沉头螺钉21连接在凸轮架25上；凸轮架25分左、右两个，分别通过第四沉头螺钉26固定在机座1上；
[0012] 所述电机及传动部分由带轮24、V带27和电机28组成，所述带轮24固定在凸轮轴23上，且套于V带27一端，电机28的轴套于V带27另一端，带轮24与V带27配合连接完成电机28与凸轮轴23的运动传递；电机28通过第五沉头螺钉29固定在机座1上。
[0013] 本发明中，所述的电机及传动部分还可以由电机28通过
联轴器直接耦合到凸轮轴23上来实现，所述联轴器包括右半联轴器36和左半联轴器37，右半联轴器36通过第一普通平键35与凸轮轴23实现周向连接，轴向采用凸轮轴23的轴肩定位；左半联轴器37通过第二普通平键38与电机轴39实现周向定位，轴向通过
紧定螺钉40固定；所述左半联轴器37与右半联轴器36通过绞制孔用
螺栓34相连接，并用六角头
螺母32拧紧，拧紧面还放有第二弹性
垫圈33；所述电机28通过第五沉头螺钉29固定于电机台30上，电机台30通过第六沉头螺钉31固定于机座1上。
[0014] 本发明中，所述摆镜支撑结构由径向可调分段面支撑和轴向支撑组成，径向可调分段面支撑有3-6组，沿镜框5径向对称分布，每组径向可调分段面支撑由调节螺钉9、弧形块10和尼龙块11组成，所述弧形块10与尼龙块11通过粘胶粘合，并放置在镜框5的凹槽内；可调螺钉9通过螺纹旋入镜框5的壁孔内，并将其
螺钉头旋在弧形块10的
螺纹孔内，通过可调螺钉9的调节实现对摆镜4的径向支撑；轴向支撑由挠性块12、轴向挡圈13、弹性垫圈14、螺纹挡圈15和O形圈18组成；所述O形圈18放入镜框5的
侧壁圆弧形凹槽中，用于对摆镜4的E侧面定位，摆镜4的F侧面与轴向挡圈13内嵌的挠性块12
接触配合；挠性块12放入轴向挡圈13的凹槽内，通过粘胶粘合，并在轴向挡圈13的圆周上均布若干组； 轴向挡圈13与螺纹挡圈15之间设有第一弹性垫圈14，通过螺纹挡圈15的旋入压紧实现对摆镜4的轴向支撑。
[0015] 所述的机座1为上述机构的固定载体。
[0016] 本发明中，所述摆镜4可以是光楔、平面镜、凹凸面镜或其他光学镜子等中任一种。
[0017] 本发明中，所述可调分段面支撑结构可根据实际镜框和镜子的形状及大小来确定分段支撑面均布的组数，一般不少于三组。
[0018] 本发明中，所述挠性块12可根据实际垫圈的直径大小确定在其圆周上均布若干个，一般不少于3个。
[0019] 本发明中，所述的凸轮偏摆机构不仅适用于小型镜子，而且同样适用于一般大中型光学镜子的运动场合。
[0020] 本发明的技术优点：
[0021] 1.本发明中，所述的凸轮偏摆机构通过偏摆板17与凸轮22所构成的运动副可以实现摆镜4的精确偏摆，且结构简单，也无先技术中因多个模块使用滑块与导轨而产生的多重摩擦、噪音和误差累积，提高了系统的精度。
[0022] 2.本发明中，所述的传动部分即可以采用的是V带传动，较
蜗杆传动或
齿轮传动，具有噪音小、结构简单、传动平稳、价格低廉及缓冲吸振等优点，也可以根据不同使用场合，采用电机通过联轴器直接耦合凸轮轴来实现。
[0023] 3.本发明中，所述的弹簧紧连装置是在转动半轴2的端部预先装上具有预紧弹力的平面涡卷弹簧42，巧妙的实现了偏摆过程中凸轮22与偏摆板17的紧密接触，避免了因直接在偏摆板17与凸轮架25之间装连接弹簧带来的结构笨拙及不美观等缺点。
[0024] 4.本发明中，所述的分段可调面支撑结构不仅满足了摆镜的径向支撑要求，而且通过分段弧形面支撑避免了局部
载荷集中；同时各个支撑主体采用螺栓和镜框刚性联结，保证了镜子在动态运动时的
稳定性；而弧形块上通过尼龙块（或
橡胶块）与镜子的圆周接触，避免了对镜子的破坏。
[0025] 5.本发明中，所述的可调面支撑结构能实现镜子光轴中心的微调，具有很大的灵活性、调整精度及装卸的方便性。当该结构用于多镜系统时，通过径向的微调，可以实现各镜光轴的精确重合，其优势更为明显。
[0026] 6.本发明中，所述的摆镜4的F侧面是与轴向挡圈13内嵌的挠性块12接触配合的，而不是直接与轴向挡圈13的侧面配合，这样不仅减小了与摆镜4的接触面积，而且使用挠性块12大大减弱了轴向挡圈13对摆镜4的镜面面形产生的影响。
[0027] 7.本发明中，所述的摆镜4可以包括光楔、平面镜、凹凸面镜及其他光学镜子等，并可以单个摆镜或多个摆镜组合使用，通过反射或折射以满足不同的光束扫描、跟踪、定向等使用要求。
[0028] 8.本发明中，所述的凸轮驱动偏摆机构不仅适用于小型镜子，而且同样适用于一般大中型光学镜子的运动场合。
附图说明
[0029] 图1为本发明采用凸轮驱动的摆镜机构的总体结构图。
[0030] 图2 为本发明弹簧紧连装置的结构图。其中：(a)为主视图，(b)为图2(a)的A-A剖视图。
[0031] 图3 为本发明凸轮偏摆机构及传动部分的放大视图。
[0032] 图4为本发明电机和凸轮轴直接耦合传动的结构图。
[0033] 图5 为本发明径向可调支撑和轴向支撑的结构图。
[0034] 图6 为本发明径向可调支撑的局部放大视图。
[0035] 图7 为本发明凸轮偏摆机构的偏摆运动图。其中：（a）为摆镜偏摆的起始
位置；（b）为摆镜偏摆的终点位置。
[0036] 图8为本发明采用凸轮驱动的摆镜机构的总体三维效果图。
[0037] 图9为本发明可调径向支撑的立体结构剖视图。
[0038] 图10为本发明镜框与转动半轴总成的立体结构图。
[0039] 图11为本发明中部分三维零件图。其中：（a）为弹簧紧连装置中弹簧护罩41的三维结构图；（b）为第一轴承端盖6的三维结构图。
[0040] 图12 为本发明摆镜机构的简化数学模型。
[0041] 图13为凸轮轮廓曲线图。其中：粗实线表示凸轮轮廓曲线，粗虚线表示
基圆曲线。
[0042] 图中标号：1为机座，2为转动半轴，3为角度编码器，4为摆镜，5为镜框，6为第一轴承端盖，7为第一沉头螺钉，8为第一滚动轴承，9为调节螺钉，10为弧形块，11为尼龙块，12为挠性块，13为轴向挡圈，14为第一弹性垫圈，15为螺纹挡圈，16为第二沉头螺钉，17为偏摆板，18为O形圈，19为第二轴承端盖，20为第二滚动轴承，21为第三沉头螺钉，22为凸轮，23为凸轮轴，24为带轮，25为凸轮架，26为第四沉头螺钉，27为V带，28为电机，29为第五沉头螺钉，30为电机台，31为第六沉头螺钉，32为六角头螺母，33为第二弹性垫圈，34为绞制孔用螺栓，35为第一普通平键，36为右半联轴器，37为左半联轴器，38为第二普通平键，39为电机轴，40为紧定螺钉，41为弹簧护罩，42为平面涡卷弹簧，43为外盖，44为第七沉头螺钉，45为六角头螺钉。
具体实施方式
[0043] 下面通过各附图对本发明采用凸轮驱动的摆镜机构作进一步的详述，但是本发明专利保护范围不限于此。
[0044] 参见图1，镜框与转动半轴左右段刚性联结，并通过高精度滚动轴承由机座侧面支撑；由电机通过带传动控制凸轮机构实现摆镜的精确偏摆。
[0045] 参见图1，所述的镜框及转动半轴总成包括摆镜4、转动半轴2、镜框5、第一滚动轴承8、第一轴承端盖6、第一沉头螺钉7和角度编码器3，摆镜4通过摆镜支撑结构固定于镜框5内，镜框5与转动半轴2的左右段刚性联接；所述转动半轴2的左右段分别通过第一滚动轴承8安装在机座1上；第一滚动轴承8的内圈由轴肩定位，外圈由第一轴承端盖6固定；第一轴承端盖6通过第一沉头螺钉7固定于机座1的侧面；所述转动半轴2的左段还连有角度编码器3，用于测量实际偏摆角度。
[0046] 参见图2，所述弹簧紧连装置包括弹簧护罩41、平面涡卷弹簧42、外盖43，所述弹簧护罩41通过螺纹旋入转动半轴2的右段中，为平面涡卷弹簧42提供放置平面，并起保护作用；所述平面涡卷弹簧42的一端嵌入转动半轴2的右段端面凹槽内，另一端放入第一轴承端盖6的凹槽内，并用六角头螺钉45固定；所述外盖43通过第七沉头螺钉44固定于第一轴承端盖6的右侧上。所述平面涡卷弹簧42 在装入后已有预紧弹力，保证了起始位置处偏摆板17与凸轮23的紧密接触，当转动半轴2从起始位置开始运动时，平面涡卷弹簧42开始加载，抵制摆镜运动，其作用力与摆镜运动方向相反，即偏摆板17 与凸轮22保持紧密接触；在摆镜回程时，弹簧作用力逐渐减小，但摆镜还是受弹簧力的，因而整个偏摆过程中偏摆板17与凸轮轴22 始终保持紧密接触。
[0047] 参见图3，所述的偏摆凸轮机构包括偏摆板17、凸轮22、凸轮轴23、凸轮架25，所述偏摆板17通过第二沉头螺钉16与镜框5连接，并与凸轮22形成运动副，实现摆镜4的偏摆运动；凸轮22固定在凸轮轴23上，凸轮轴23通过第二滚动轴承20安装在凸轮架25上；第二滚动轴承20的内圈通过凸轮轴23的轴肩定位，外圈由第二轴承端盖19固定；第二轴承端盖19通过第三沉头螺钉21连接在凸轮架25上；所述凸轮架25分左右两个，分别通过第四沉头螺钉26固定在机座1上。
[0048] 参见图3，所述的电机及传动部分由带轮24、V带27、电机28组成：所述带轮24固定在凸轮轴23上，且套于V带27一端，电机28的轴套于V带27另一端，带轮24与V带27配合连接完成电机28与凸轮轴23的运动传递，实现摆镜4的偏摆功能；电机28通过第五沉头螺钉29固定在机座1上。
[0049] 参见图4，所述的电机及传动部分还可以由电机28通过联轴器直接耦合到凸轮轴23上来实现，所述联轴器包括右半联轴器36和左半联轴器37，右半联轴器36通过第一普通平键35与凸轮轴23实现周向连接，轴向则采用凸轮轴23的轴肩定位；左半联轴器37通过第二普通平键38与电机28的电机轴39实现周向定位，轴向通过紧定螺钉40固定；所述左半联轴器37与右半联轴器36通过绞制孔用螺栓34相连接，并用六角头螺母32拧紧，拧紧面还放有第二弹性垫圈33，用于防止六角头螺母32的松动；所述电机28通过第五沉头螺钉29固定于电机台30上，电机台30通过第六沉头螺钉31固定于机座1上。
[0050] 参见图5和图6，所述的支撑结构由径向可调支撑和轴向支撑构成：径向可调支撑有3-6组，沿镜框5径向对称分布，每组径向可调分段面支撑由调节螺钉9、弧形块10、尼龙块11组成，所述弧形块10与尼龙块11通过粘胶粘合，并放置在镜框5的凹槽内，尼龙块11 与摆镜4的圆周面接触配合，避免了对摆镜4的破坏；可调螺钉9通过螺纹旋入镜框5的壁孔内，并将其螺钉头旋在弧形块10的螺纹孔上；拧紧可调螺钉9，则弧形块10和尼龙块11将摆镜4支撑起来，当反拧可调螺钉9时，则尼龙块11和摆镜4松开；设计时，保证镜框5的内圆周和摆镜4的外圆周之间的间隙配合，且当弧形块10被可调螺钉9拉至镜框5的凹槽底面时，六个弧形块10的内表面构成的圆周小于镜框5的内径，这样有利于灵活支撑、安装和调节。轴向支撑由挠性块12、轴向挡圈13、第一弹性垫圈14、螺纹挡圈15和O形圈18组成；所述O形圈18放入镜框5的侧壁圆弧形凹槽中，用于对摆镜4的E侧面定位，摆镜4的F侧面与轴向挡圈13内嵌的挠性块12接触配合，避免了因直接与轴向挡圈13 接触造成对镜子的破坏；挠性块12放入轴向挡圈13的凹槽内，并通过粘胶粘合，在轴向挡圈13的圆周上均布八组； 轴向挡圈13与螺纹挡圈15之间设有第一弹性垫圈14，用于防止螺纹挡圈15的松动；最后由螺纹挡圈15的旋入压紧实现对摆镜4的轴向支撑。
[0051] 所述的机座1为上述机构的固定载体。
[0052] 结合图1-图6，本
实施例的摆镜机构的具体偏摆过程为：电机28通过V带传动将运动传递给凸轮轴23 上的凸轮22，凸轮22 与偏摆板17构成运动副，并通过装有预紧弹力的弹簧紧连装置来保持两者在整个偏摆过程中的紧密接触；偏摆板17 与镜框5通过第二沉头螺钉16相连接，摆镜4通过径向可调支撑和轴向支撑固定于镜框5内；这样，凸轮22 在电机28的驱动下做回转运动，偏摆板17 做往复偏摆运动，从而实现摆镜4绕转动半轴2的精确偏摆。如前所述，此处电机及传动部分还可以根据实际应用场合由电机通过联轴器直接耦合到凸轮轴上来实现。
[0053] 图7所示为凸轮摆镜机构的偏摆运动示意图。其中：（a）为摆镜偏摆的起始位置；（b）为摆镜偏摆的终点位置。摆镜4在凸轮机构的驱动下先从起始偏摆位置运动到终点偏摆位置，再由终点位置回到起始位置，从而实现往复偏摆运动。
[0054] 图8所示为采用凸轮驱动的摆镜机构的总体三维效果图。
[0055] 图9所示为可调径向支撑的立体结构剖视图。
[0056] 图10所示为镜框与转动半轴总成的立体结构图。
[0057] 图11所示为部分三维零件图。其中：（a）为弹簧紧连装置中弹簧护罩41的三维结构图；（b）为第一轴承端盖6的三维结构图。
[0058] 此外，根据摆杆运动要求，可以采用凸轮设计中常用的图解法或
解析法求出凸轮曲线以完成加工。例如，本发明中的摆镜机构可以简化为如图12所示的数学模型，根据基圆半径r0、中心距a、最大偏摆角φmax等参数采用解析的方法便可求出凸轮曲线。现将详细推导过程阐述如下：
[0059] 如图12所示，转动半轴的中心为A，凸轮轴的中心为O，摆镜初始位置为ABC，延长BC到D，与凸轮相切为T0，∠DOT0=α，凸轮逆
时针转动。x0Oy0为固定
坐标系，xOy 为与凸轮固联的动坐标系。此处OA=a，AB=b，基圆半径r0 均为已知，根据几何关系，可以求出：
[0060]（1）
[0061] 设在任一时刻，凸轮转角为δ，摆镜运动到AB’C’ 位置，并延长B’C’到D’，其位移为φ=∠BAB’=φ(δ)，与凸轮相切于点T，则固定坐标系xOOy0到动坐标系xOy的坐标变换关系式为：
[0062] （2）
[0063] 设过T点的公法线与连心线OA交与点P，则点p就是凸轮与摆镜间的速度瞬心。根据速度瞬心的定义，可得：
[0064] （3）
[0065] 根据几何关系，可得切点T在固定坐标系xOOy0中的坐标为：
[0066] （4）
[0067] 式中：
[0068] ，其中： ，当推程时，,当回程时， ；
[0069] 为速度瞬心P在固定坐标系xOOy0 中的横坐标，推程时 ,回程时。
[0070] 将上式代入坐标变换关系式（2）中，即得如下的凸轮实际轮廓线方程式：
[0071] （5）
[0072] 具体实例：取r0=30，a=100，b=60, 摆杆最大摆角φmax=10°，推程运动角∠1=180°，回程运动角∠2=180°；摆杆的运动规律：推程和回程中均为二次多项式运动规律。根据以上参数及式 (1) ~ 式 (5) 等通过MATLAB编程画图最总得到如图13所示的凸轮轮廓曲线。
