УСТРОЙСТВО ПРОСТРАНСТВЕННОГО УПРАВЛЕНИЯ
DEVICE FOR SPATIAL CONTROL

Изобретение относится к области точной механики, мехатроники и оптического машиностроения, и может найти применение в качестве устройства управления по двум пространственным координатам различными механическими или оптическими элементами для изменения направления излучения как когерентных, так и обычных источников света. Устройства такого типа широко применяются в научных исследованиях, в технологиях прецизионной обработки материалов, в медицине, военной технике.
Известно устройство двухкоординатного управления исполнительным элементом (М.М.Мирошников. Теоретические основы оптико-электронных приборов, с.53, Л.: Машиностроение, 1983 г.), содержащее исполнительный элемент, рамочный элемент и основание, которые конструктивно размещены один в другом и последовательно механически связаны друг с другом с помощью осей, расположенных ортогонально. При этом исполнительный элемент размещен внутри рамочного элемента и механически связан с ним с помощью оси, лежащей в плоскости рамки и имеющей с одной своей стороны жесткую связь с центром массы исполнительного элемента, а со второй стороны - механическую подвижную связь с центром одной из сторон рамочного элемента, который, в свою очередь, в плоскости, ортогональной оси связи исполнительного элемента, но параллельной плоскости этой связи, имеет механическую подвижную связь с основанием посредством двух осей, лежащих на одной осевой линии, и проходящих каждая через центр соответствующей стороны рамки, прилежащих стороне рамки, имеющей связь с исполнительным элементом.
Работа устройства управления исполнительным элементом по двум координатам основана на приложении к осям исполнительного и рамочного элементов вращательного или колебательного движения, например, с помощью электроприводов. При этом исполнительный элемент изменяет свое угловое положение относительно основания в плоскости, перпендикулярной оси, к которой приложено вращательное движение. При вращательном движении рамочного элемента относительно основания исполнительный элемент также вращается.
Недостатком устройства является наличие вращательного движения выходного звена относительно основания при вращении рамочного элемента.
Известно устройство «двухкоординатный дефлектор» (Патент РФ №2306585), выбранное в качестве прототипа, и содержащее исполнительный элемент, дисковый элемент, внутренний рамочный элемент, внешний рамочный элемент, основание с соответствующими электроприводами осей дискового и внешнего рамочного элементов. При этом исполнительный элемент неподвижно закреплен на поверхности внутреннего рамочного элемента, внутри и в плоскости которого размещен дисковый элемент, который в диаметрально противоположных точках механически подвижно связан осями с противоположными сторонами рамки внутреннего рамочного элемента, который, в свою очередь, другими сторонами рамки механически подвижно связан посредством осей, расположенных в плоскости и ортогонально осям связи дискового и внутреннего рамочного элементов, с противоположными сторонами внешнего рамочного элемента, который связан с соответствующим электроприводом на основании полой осью, внутри которой проходит центральная ось подвижной связи геометрического центра дискового элемента и соответствующего электропривода на основании, при этом центральная ось выполнена с локальным угловым изгибом со стороны дискового элемента, при этом форма локального изгиба обеспечивает прохождение участка оси после изгиба через геометрический центр дискового элемента ортогонально его плоскости, при этом точка пересечения линий соответствующих осевых связей дискового и рамочных элементов является общей, совпадает с точкой их геометрических центров и находится на осевой линии продольной симметрии устройства.
Работа устройства «двухкоординатный дефлектор» основана на взаимодействии элементов таким образом, что вращательное движение соответствующих электроприводов преобразуется в нутационное и прецессионное движение внутреннего рамочного элемента, на котором закреплен исполнительный элемент. При совместном управлении электроприводами реализуется двухкоординатное управление исполнительным элементом по выбранному закону. При этом исполнительный элемент совершает осевое вращение относительно основания.
Недостатком устройства, является осевое вращение исполнительного элемента, что приводит к вращению системы координат исполнительного элемента относительно базовой системы координат основания.
В основу предлагаемого изобретения положена задача обеспечения сохранения системы координат исполнительного элемента относительно базовой системы координат при пространственном управлении исполнительного элемента за счет введения второго исполнительного элемента, сильфона, обеспечивающего пространственную подвижность исполнительного элемента и жесткость продольного углового смещения относительно основания и механической подвижной связи между первым и вторым исполнительным элементами.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве пространственного управления, содержащем основание, первый исполнительный элемент, закрепленный на внутреннем рамочном элементе, внешний рамочный элемент и дисковый элемент, размещенные один в другом и последовательно механически подвижно связанные между собой ортогонально расположенными осями, электроприводы внешнего рамочного элемента и дискового элемента, размещенные на основании, при этом электропривод внешнего рамочного элемента механически подвижно связан центральной осью с внешним рамочным элементом, а электропривод дискового элемента через центральную ось механически подвижно связан с геометрическим центром дискового элемента, согласно изобретению в него дополнительно введены второй исполнительный элемент, полая ось связи первого исполнительного элемента со вторым исполнительным элементом, сильфон, размещенный таким образом, что его дно механически неподвижно связано с основанием, выход механически неподвижно связан со вторым исполнительным элементом, а его геометрический центр находится на осевой линии симметрии устройства, при этом центральная ось выполнена полой.
Заявляемое устройство пространственного управления поясняется чертежом, где представлена кинематическая схема взаимодействия элементов.
Устройство пространственного управления содержит дисковый элемент 1, который размещен внутри и в одной плоскости с внутренним рамочным элементом 2 и связан подвижно с его парой противоположных сторон двумя осями. Первый исполнительный элемент 3, находящийся над дисковым элементом 1, неподвижно закреплен на внутреннем рамочном элементе 2 и через полую ось 4 связан со вторым исполнительным элементом 5. Вторая пара противоположных сторон внутреннего рамочного элемента 2 связана подвижно двумя осями с внешним рамочным элементом 6, который подвижно связан полой осью 7 с электроприводом 8, находящимся на основании 9, на котором неподвижно закреплено дно 10 сильфона, а выход 11 его неподвижно закреплен на втором исполнительном элементе 5. Полая центральная ось 12 своим прямым участком проходит внутри полой оси 7 по нормали к основанию 9 и обеспечивает подвижную связь дискового элемента 1 с основанием 9 и электроприводом 13, а со стороны локального изгиба проходит через центр дискового элемента 1 по нормали к его плоскости. При этом положение плоскости дискового элемента по отношению к оси устройства приобретает некоторый угол Q, равный углу локального изгиба центральной оси 12 относительно оси симметрии устройства. Примером конкретного выполнения подвижных связей между элементами может быть, например, соединение - «ось в подшипнике».
При вращении полой центральной оси 12 с помощью электропривода 13 и неподвижной оси 7 внешнего рамочного элемента 6 участок оси после локального изгиба, проходящий через подшипник в центре дискового элемента 1, описывает фигуру вращения - конус, имеющий угол раскрыва 2Q. Вершина конуса находится в центре дискового элемента 1 и на осевой линии симметрии устройства. Дисковый элемент 1 размещен на этом участке центральной оси 12 подвижно и, не вращаясь, своей плоскостью в пространстве однозначно повторяет фигуру вращения. При этом две его оси подвижной связи, проходящие через подшипники на противоположных сторонах внутреннего рамочного элемента 2, обеспечивают однозначное изменение углового положения плоскости внутреннего рамочного элемента 2, следовательно, и первого исполнительного элемента 3, в пределах 2Q относительно осевой линии симметрии устройства, но уже в одной плоскости или координате, перпендикулярной осям его подвижной связи через подшипники с противоположными сторонами внешнего рамочного элемента 6. Вращением полой оси 7 внешнего рамочного элемента 6 с помощью электропривода 8 обеспечивается изменение углового положения внешнего рамочного элемента 6, а следовательно, и управление первым исполнительным элементом 3 по второй координате. Движение первого исполнительного элемента по двум координатам вызывает прецизионное движение второго исполнительного элемента.
Перенос электропривода по второй координате с внешнего рамочного элемента на основание, а также соответствующее, один в другом, размещение элементов устройства, имеющего осевую симметрию, обеспечивают технологическую возможность компактного изготовления устройства, что также повышает его быстродействие. Вид механических связей позволяет осуществить практическую реализацию устройства с величиной механического люфта исполнительного элемента ограниченного только люфтом применяемых подшипников. Преобразователь вращательного движения в колебательное в виде ось с локальным изгибом - дисковый элемент, позволяет количественно трансформировать круговое вращение оси в угловое движение в одной плоскости с коэффициентом трансформации, зависящим от величины локального углового изгиба оси.
Совместное управление электроприводами позволяет реализовать двухкоординатное управление исполнительным элементом по выбранному закону. Например, для реализации управления исполнительным элементом, описывающим спираль Архимеда, достаточно обеспечить одностороннее вращение обеих осей с разностью в скоростях, определяемой требуемым шагом спирали.