專利名稱：用于天文望遠鏡鏡面主動支撐的電磁式力促動器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是一種精確的力輸出裝置，具體涉及一種用于天文望遠鏡鏡面主動支撐的電磁式力促動器。這種電磁式力促動器主要應用于天文望遠鏡主動光學鏡面支撐技術中。對薄鏡面或輕量化鏡面進行軸向支撐，對鏡面面型的主動光學校正及位置調整，亦可應用于液晶面板的切割等對輸出力的精度要求較高場合。
背景技術：
主動光學技術主要是對望遠鏡鏡面在制造、安裝、重力場、以及溫度梯度等引起的鏡面面形誤差進行校正。近二十年來，主動光學技術已經(jīng)廣泛應用于地面望遠鏡。主動光學支撐系統(tǒng)是目前大口徑望遠鏡設計的關鍵技術之一。而作為天文望遠鏡主動光學支撐系統(tǒng)設計的最重要部件一力促動器，一直以來都是研究的重點之一。目前，我國對于天文望遠鏡主動光學研究采用的力促動器主要兩種形式:電動機械式、壓電式。而氣動式力促動器也在積極的研究中，電動機械式力促動器主要由步進電機與滾珠絲桿的組合實現(xiàn)線性位移，通過壓縮彈簧或密封的波紋管結構實現(xiàn)力的精確輸出，其機械結構較復雜，受機械慣性和驅動電機的影響，工作頻率一般很難達到IHz以上，在低溫環(huán)境使用時，對其傳動系統(tǒng)機械部件潤滑提出更高的要求，其可靠性將嚴重下降。對于空間望遠鏡主動光學用力傳感器，受到發(fā)射條件的限制，要求其重量盡可能的輕，因此，電動機械式的力傳感器在空間的應用受到一定的制約。壓電式的力促動器主要是利用在某些電介質的逆壓電效應，即在電介質極化方向上施加電場，這些電介質會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質的變形隨之消失，或稱為電致伸縮現(xiàn)象，雖具有精度高、頻率高的優(yōu)點，但是難以克服高發(fā)熱和低行程的缺點，對于能耗受到限制的南極或空間等環(huán)境，其應用也受到嚴重的限制。而氣動式力促動器雖然具有響應頻率高、精度高、能耗低，行程大等優(yōu)點，并能實現(xiàn)在南極低溫環(huán)境下進行使用，但是對于空間真空環(huán)境，氣動式力促動器根本無法工作。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種用于天文望遠鏡鏡面主動支撐的電磁式力促動器。對于天文望遠鏡鏡面主動光學支撐系統(tǒng)的設計，為了避免因采用電動機械式力促動器而出現(xiàn)的復雜機械結構，同時提高促動器輸出力的響應頻率，并盡可能的降低促動器的能耗和重量、提高力促動器的行程，并能實現(xiàn)在空間環(huán)境使用。本發(fā)明的電磁式力促動器可以實現(xiàn)響應快，行程大，控制精度高等特點，同時還具有能耗低、耐低溫等特性，且不受空間真空和低溫環(huán)境的限制。此形式的力促動器方案對環(huán)境的要求極低，不僅能滿足普通地面望遠鏡主動光學的使用要求，對于南極甚至是空間環(huán)境也能無疑也是一個理想的選擇。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種用于天文望遠鏡鏡面主動支撐的電磁式力促動器，該力促動器的一端通過力傳感器與被支撐的鏡面相連，另一端固定于鏡室，其特征在于:所述力促動器的力輸出端設在該力促動器中心的軸上；該力促動器中心軸上設有兩個強磁永磁體；繞線線圈固定在力促動器殼體上；所述力傳感器的輸出接控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)接所述的繞線線圈。工作時，所述的力傳感器輸出信號反饋至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)力的反饋值控制繞線線圈的電壓大小和方向，從而實現(xiàn)力的精確輸出。本發(fā)明用于天文望遠鏡鏡面主動支撐的電磁式力促動器關鍵技術，是利用磁場間的作用實現(xiàn)對鏡面的支撐。利用通電繞線線圈與永磁體之間的相互作用力，從而實現(xiàn)力促動器對鏡面的推力或拉力。本發(fā)明天文望遠鏡主動光學用鏡面支撐的電磁式力促動器方案有以下優(yōu)化方案:
1、所述力“該力促動器中心軸上設有兩個強磁永磁體；帶鐵芯的繞線線圈固定在力促動器殼體上”，是采用以下方式設置:促動器中心軸設置在繞線線圈的軸線上；該促動器中心軸的兩端各固定一塊強磁永磁體；兩永磁體同極相向而置；中心軸的一端與力傳感器相連。2、所述“該力促動器的一端通過力傳感器與被支撐的鏡面相連”，采用以下方式:被支撐的鏡面上固定有磁性材料的鏡面支撐墊；力傳感器與該鏡面支撐墊之間設有一塊強磁永磁體。所述力促動器與鏡面的連接采用一強磁永磁體，這樣便可方便力促動器安裝，同時避免了力促動器對鏡面的徑向作用力。3、所述力傳感器與所述控制系統(tǒng)之間，設有信號放大器。4、所述的繞線線圈內部設有鐵芯。本發(fā)明的特點是:
所述的鏡面主動支撐采用的力促動器為電磁式；
所述的力促動器通過電磁場與永磁體磁場間的相互作用，實現(xiàn)力的輸出；
所述的力促動器通過調整線圈的通電電壓的大小和方向，控制促動器輸出力的大小和方向；
所述的力促動器設置兩個強磁永磁體，從而有效提高促動器的輸出力的能力，并充分利用線圈產(chǎn)生的電磁場，降低能耗。換言之，本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:采用電磁式力促動器實現(xiàn)望遠鏡鏡面的主動支撐，該型電磁式力促動器主要由帶鐵芯的繞線線圈、強磁永磁體、力傳感器、信號放大器、控制系統(tǒng)等組成。利用電磁鐵產(chǎn)生電磁場，與永磁體磁場間的作用，從而實現(xiàn)力促動器輸出力的來源。運用電磁鐵產(chǎn)生的極性，與永磁體之間的同性相斥、異性相吸的原理，實現(xiàn)促動器對鏡面拉力或是推力。由于在線圈的左右兩端各布置了一個強磁永磁體，這樣就可以充分利用帶鐵芯通電線圈兩端的磁場，極大的提高了力促動器的輸出力的范圍。若在要求的力輸出范圍不變的情況下，僅需要給線圈輸入較低的電壓，從而可以有效的降低能耗。調整線圈輸入電壓的大小，實現(xiàn)對輸出力大小的有效控制。充分利用磁體之間靠磁場相互作用，而并不需要直接接觸，可以實現(xiàn)電動機械式力促動器所采用的彈簧的功能，同時，力的傳遞過程中沒有傳動系統(tǒng)，從而減少了傳動環(huán)節(jié)中的摩擦等作用帶來的能量損失。而電磁場在低溫或真空環(huán)境下幾乎不受影響，仍能正常工作。電磁式力促動器的結構極為簡單，在實現(xiàn)較大輸出力的同時，能夠有效降低自身重量，由于幾乎沒有傳動系統(tǒng)，因此，不需考慮在低溫環(huán)境下的潤滑問題，摩擦力極低，可以有效提高力的輸出效率，響應頻率較高。同時為了降低能耗，采用直流式線圈，減小繞線所采用銅線的直徑，增加繞線匝數(shù)，盡可能增大線圈的直徑，同時永磁體采用強磁性材料，從而可以實現(xiàn)在較小的線圈電壓輸入的情況下產(chǎn)生較大的磁場力，以達到盡可能減小能耗的目的。力促動器與鏡面的連接采用一強磁永磁體，這樣便可方便力促動器安裝，從而避免力促動器對鏡面的徑向作用力。本發(fā)明有益效果是:力促動器的結構比較簡單，輸出力的控制精度高，通過調整線圈的輸入電壓，可以控制輸出力的精度為全量程的萬分之五；，響應速度快，可以達到近1Hz，常用的機械式力促動器小于IHz ；，能耗低，與音圈電機式力促動器相比，采用了兩個強磁永磁體，可以更充分的利用磁場能，同樣的輸出力情況下，需要的線圈供電電壓降低近二分之一；質量小，力促動器的行程大，壓電陶瓷式力促動器的形成為微米級，而此力促動器的行程可以達到5mm左右；力的調節(jié)范圍廣，相比音圈電機式力促動器在相同的輸入電壓情況下，力的輸出能力提高近一倍；此電磁式力促動器對環(huán)境的要求較低，并能在南極低溫甚至是空間特殊環(huán)境下使用。同時方便力促動器與鏡面的連接。


圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
具體實施例方式實施例1,電磁式力促動器結構如圖1所不。第二永磁體3和第三永磁體6固定在軸7上，兩永磁體同極相向而置。軸7的兩端由低摩擦材料8、11支撐，軸左端與力傳感器2相連，并通過第一永磁體I而與鏡面支撐墊12連接，支撐墊12采用膠接的方式固定于鏡子底面。線圈5及鐵芯4通過絕緣材料9安裝固定于殼體10內。當線圈5不通電時，鐵芯4受到兩側永磁體6、7的共同作用，處于平衡狀態(tài)，此時力促動器對鏡面的作用力為零。當線圈5通電時，線圈5及鐵芯4產(chǎn)生磁性兩極，若產(chǎn)生左側為S，右側為N的磁場時，線圈左端(S極)與左側永磁體(S極)作用產(chǎn)生斥力，線圈右端(N極)與右側永磁體(S極)作用產(chǎn)生引力，由于線圈5固定于殼體10內無法移動，因此，兩永磁體6、7受力后帶動軸向左移動，從而使得力促動器產(chǎn)生對鏡面的推力，力的大小由力傳感器2通過信號放大器13反饋到控制系統(tǒng)14，力的反饋值與要求值之間的差異，通過調整控制系統(tǒng)對線圈的輸入電壓，最終獲得所要求的準確的力的輸出。反之，當線圈輸入反向的電壓時，線圈及鐵芯產(chǎn)生左側為N，右側為S的磁極，此時線圈左端(N極)與左側永磁體(S極)產(chǎn)生引力，線圈右端(S極)與右側永磁體(S極)產(chǎn)生斥力，從而使得力促動器產(chǎn)生對鏡面的拉力，拉力的大小亦由力傳感器通過信號放大器反饋到控制系統(tǒng)，從而調整線圈的輸入電壓，使得力促動器對鏡面的推力達到要求值?？梢姡ㄟ^控制線圈的輸入電壓的大小和方向從而準確實現(xiàn)力促動器對鏡面的拉力或推力值。而促動器與鏡面支撐墊(磁性材料)間的連接通過一強磁永磁體I完成。支撐墊上設有一個微小凸臺，使得永磁體與支撐墊的間隙很小，從而既可保證永磁體對支撐墊的足夠大的引力，又可以確保兩者間輕易產(chǎn)生相對滑動。
權利要求
1.一種用于天文望遠鏡鏡面主動支撐的電磁式力促動器，該力促動器的一端通過力傳感器與被支撐的鏡面相連，另一端固定于鏡室，其特征在于:所述力促動器的力輸出端設在該力促動器中心軸上；該力促動器中心軸上設有兩個強磁永磁體；繞線線圈固定在力促動器殼體上；所述力傳感器的輸出接控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)接所述的繞線線圈。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于天文望遠鏡鏡面主動支撐的電磁式力促動器，其特征在于:所述力“該力促動器中心軸上設有強磁永磁體；繞線線圈固定在力促動器殼體上”，是采用以下方式設置:促動器中心軸設置在繞線線圈的軸線上；該促動器中心軸的兩端各固定一塊強磁永磁體；兩永磁體同極相向而置；中心軸的一端與力傳感器相連。
3.根據(jù)權利要求1所述的用于天文望遠鏡鏡面主動支撐的電磁式力促動器，其特征在于:所述“該力促動器的一端通過力傳感器與被支撐的鏡面相連”，采用以下方式:被支撐的鏡面上固定有磁性材料的鏡面支撐墊；力傳感器與該鏡面支撐墊之間設有一塊強磁永磁體。
4.根據(jù)權利要求1所述的用于天文望遠鏡鏡面主動支撐的電磁式力促動器，其特征在于:所述力傳感器與所述控制系統(tǒng)之間，設有信號放大器。
5.根據(jù)權利要求1-4之一所述的用于天文望遠鏡鏡面主動支撐的電磁式力促動器，其特征在于:所述的繞線線圈內部設有鐵芯。
全文摘要
用于天文望遠鏡鏡面主動支撐的電磁式力促動器，該力促動器的一端通過力傳感器與被支撐的鏡面相連，另一端固定于鏡室，其特征在于所述力促動器的力輸出端為設在該力促動器中心的軸上；該力促動器中心軸上設有兩個強磁永磁體；帶鐵芯的繞線線圈固定在力促動器殼體上；所述力傳感器的輸出接控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)接所述帶鐵芯的繞線線圈。本發(fā)明的用于天文望遠鏡鏡面主動支撐的電磁式力促動器結構比較簡單，質量小，能耗低，輸出力的控制精度高，響應速度快，力促動器的行程大，力的調節(jié)范圍廣，且其對環(huán)境的要求較低，并能在南極甚至是空間特殊環(huán)境下使用。同時方便力促動器與鏡面的連接。
文檔編號G02B23/02GK103178685SQ20131006739
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月4日 優(yōu)先權日2013年3月4日
發(fā)明者牛冬生 申請人:中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所