УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЕМ ОПТИЧЕСКОЙ ОСИ В ПРОСТРАНСТВЕ
DEVICE FOR CONTROLLING POSITION OF OPTICAL AXIS IN SPACE

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано, например, в следящих системах, предназначенных для непрерывного слежения за подвижными объектами в азимутальной и угломестных плоскостях, а также в активных и пассивных оптических системах поиска, обнаружения и слежения.
Известно оптическое сканирующее устройство, содержащее неподвижную вилку, на стойках которой закреплены оси рамки, причем оси вращения рамки и оправы с зеркалом взаимно перпендикулярны, угломестную кинематическую цепь, состоящую из электропривода с редуктором и кулачка, закрепленного на выходном валу редуктора, при этом электропривод с редуктором и кулачком неподвижно закреплены на стойке и кинематически связаны с рамкой, пружины сжатия для упругого замыкания, азимутальную кинематическую цепь, состоящую из электропривода с редуктором и кулачком закрепленного на выходном валу редуктора и установленную на подвижной рамке, при этом кулачок кинематически связан с оправой зеркала, а также пружину сжатия, упругозамыкающую оправу зеркала с рамкой (см. патент США, №4,285,566 МКИ G02B 27/17, 25.08.1981 г.).
Недостатком известного устройства является размещение азимутальной кинематической цепи на подвижной рамке, которая приводится в движение приводом угломестной кинематической цепи. Такая компоновка устройства:
- сужает диапазон отрабатываемых углов, что связано с применением в качестве элемента, воздействующего на оправу зеркала механизма кулачкового типа;
- увеличивает момент инерции подвижной части, что приводит к ограничению частоты отработки азимутальных углов, а также к увеличению мощности азимутального привода по сравнению с мощностью угломестного.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является сканирующее устройство кругового обзора, выбранное за прототип, содержащее корпус в виде пустотелого цилиндра, вилку с полой осью, связанную с корпусом через подшипники, оправу с зеркалом, закрепленную на установленной в стойках вилки оси, привод по азимуту в виде электродвигателя с редуктором, установленный на корпусе и взаимодействующий с осью вилки, и механизм наклона зеркала, образованный кольцом с двумя опорными торцами, установленным соосно оси вилки с возможностью возвратно-поступательного перемещения, рычагом, кинематически связанным с кольцом и электродвигателем, при этом один из опорных торцов кольца кинематически связан с оправой зеркала, в другой - с кулачком, расположенным на валу электропривода (см. авторское свидетельство СССР №1076860, кл. G02B 27/17, G01J 3/06, опубл. 28.02.1984 г.).
Недостатком известного устройства является:
- низкая точность наведения за счет взаимного влияния погрешностей изготовления и сборки азимутальной кинематической цепи и механизма наклона зеркала, что связано с многоточечным контактом по окружности между рамкой, связанной с оправой зеркала и опорным торцом подвижного кольца;
- зависимость массы и габаритов механической подвижной части от светового диаметра устройства;
- необходимость в квалифицированных сборочных работах при изготовлении устройства по взаимному сопряжению цилиндрических поступательно перемещаемых поверхностей;
- различие в параметрах приводов используемых в азимутальной кинематической цепи и механизме наклона зеркала
Цель изобретения - повышение точности наведения сканирующего устройства кругового обзора с одновременным снижением массо-габаритных характеристик подвижной части, а также повышение технологичности устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство для управления положением оптической оси в пространстве, содержащее неподвижный корпус в виде пустотелого цилиндра, вилку с полой осью, связанную с корпусом через подшипники, оправу с зеркалом, закрепленную на установленной в стойках вилки оси, привод по азимуту, включающий электродвигатель с редуктором, установленный на корпусе и кинематически связанный с осью вилки, и механизм наклона зеркала с электроприводом, жестко связанным с корпусом, при этом механизм наклона зеркала содержит введенный микрометрический винт с гайкой, причем винт установлен с возможностью перемещения вдоль своей оси, а гайка - с возможностью вращения вокруг оси винта, рычаг, закрепленный на оси дополнительно введенной вилки, жестко соединенной с полой осью, свободный конец которого кинематически связан с оправой зеркала, а опорный торец микрометрического винта, выполненный в виде сферической поверхности, кинематически связан с рычагом в точке между осью дополнительно введенной вилки и свободным концом рычага фрикционно связанного с оправой зеркала, упруго-замкнутой, например, с помощью пружины сжатия, с дополнительно введенной вилкой, и при этом ось микрометрического винта и гайки совпадает с осью вращения вилки с полой осью, а гайка связана с внутренней поверхность полой оси вилки при помощи подшипников.
Приведенная совокупность признаков авторами по патентной и научно-технической литературе не обнаружена.
Существенным отличием предлагаемого устройства для управления положением оптической оси в пространстве от известных устройств является:
- одноточечный контакт между опорным торцом микрометрического винта, выполненного в виде сферической поверхности и опорной поверхностью рычага, фрикционно связанного с оправой зеркала. Это достигается тем, что микрометрический винт расположен на оси вращения вилки с полой осью и может перемещаться только вдоль этой оси, поэтому точка контакта между опорными поверхностями микрометрического винта и рычага также расположена оси вращения вилки с полой осью. В результате повышается точность наведения устройства, так как полностью исключается взаимное влияние погрешностей изготовления и сборки азимутальной кинематической цепи и цепи механизма наклона зеркала при их одновременной работе, что недостижимо у сканирующего устройства кругового образа (см. авторское свидетельство СССР №1076860, кл. G02B 27/17, G01J 3/06, опубл. 28.02.1984 г.), где имеет место многоточечный контакт по окружности между роликом, жестко соединенным с оправой зеркала и опорным торцом подвижного кольца.
Также имеет место независимость массы и габаритов механической части устройства от светового диаметра, так как световой поток не проходит через отверстие вилки. В результате этого появляется возможность значительно уменьшить диаметр корпуса оси вилки и разместить внутри указанной оси гайку, установленную на подшипниках, и микрометрический винт таким образом, что ось вращения гайки и ось поступательного перемещения микрометрического винта совпадают с осью вращения вилки с полой осью, что приводит к уменьшению массо-габаритных характеристик предлагаемого устройства, а следовательно, и момента инерции.
У прототипа диаметр полой оси вилки зависит от диаметра отраженного светового потока, так как отраженный световой поток проходит через отверстие полой оси вилки (см. авторское свидетельство СССР №1076860 кл. G02B 27/17, G01J 3/06, опубл. 28.02.1984 г.)
В связи с этим при одинаковых световых диаметрах зеркала предлагаемое устройство по сравнению с прототипом имеет меньшие габариты и требует меньшего рабочего пространства. Кроме того, предлагаемая компоновка позволяет осуществить расположение приводов в одной плоскости, при этом их оси параллельны, что позволяет уменьшить поперечные размеры предлагаемого устройства.
По сравнению с известными устройствами значительно меньше отличаются параметры приводов, что позволяет использовать одинаковые электросхемы в каналах управления по обеим осям.
На основании этого можно сделать вывод, что заявляемое устройство для управления положением оптической оси в пространстве соответствует критерию ″существенные отличия″, обладает положительным эффектом и новизной.
На чертеже изображена преимущественная реализация предлагаемого устройства.
Устройство для управления положением оптической оси в пространстве содержит приводы 1 и 2, закрепленные на корпусе 3, в котором в подшипниках 4 установлена ось вилки 5, при этом привод 1 кинематически связан с осью вилки 5, например, через редуктор 6. Внутри полой оси вилки 5 имеется гайка 7, установленная в подшипниках 8, и микрометрический винт 9, сопряженный с гайкой 7, один конец которого выполнен, например, в виде цилиндра, с эксцентрично смещенной осью по отношению к оси самого микрометрического винта 9 и функционально связанным с внутренней поверхностью полого цилиндра 10, закрепленного на корпусе устройства 3, а второй торец микрометрического винта 9, выполнен, например, в виде сферы, и контактирует с рычагом 11, закрепленным одним концом на оси 12 дополнительно введенной вилки 13, которая жестко связана с вилкой 5. Свободный конец рычага 11 кинематически связан с оправой 14, в которой жестко установлено зеркало 15, например, через ролик 16. Оправа 14 с зеркалом 15 установлена с возможностью качания вокруг оси 17 в стойках вилки 5, например, при помощи подшипников (не показанных на чертеже) и упруго замкнута, например, пружиной сжатия 13 с дополнительно введенной вилкой 13. Корпус 3 устройства соединен с защитным окном 19, имеющим цилиндрическую форму и выполненным из оптически прозрачного материала, например стекла К-108. Привод 2 через редуктор 20 соединен с гайкой 7. На корпусе полого цилиндра 10 установлен микропереключатель 21, служащий для отключения электропривода 2 в крайних положениях микрометрического винта 9.
Устройство для управления положением оптической оси в пространстве работает следующим образом.
Для осуществления управления положением оптической оси в азимутальной плоскости движения от привода 1 через редуктор 6 передается оси вилки 5, которая вращается в подшипниках 4 относительно корпуса 3. Происходит поворот оправы 14 с зеркалом 15 вокруг указанной оси вилки 5.
При осуществлении управления положением оптической оси в угломестной плоскости движение от привода 2 через редуктор 20, гайку 7, которая установлена с возможностью вращения в подшипниках 8, передается микрометрическому винту 9, который при этом перемещается вверх или вниз, в зависимости от направления вращения, в плоскости чертежа. При перемещении один торец микрометрического винта 9, выполненный, например, в виде цилиндра с эксцентрично смещенной осью по отношению к оси указанного винта 9, контактирует с внутренней поверхностью полого цилиндра 10, ось которого совпадает по направлению с осью винта 9, что предотвращает проворот микрометрического винта 9 вокруг собственной оси. Второй торец микрометрического винта 9 контактирует с опорной поверхностью рычага 11. На одном конце рычага 11 установлен ролик 16, фрикционно связанный с оправой 14 зеркала 15. В результате, при работе привода 2 происходит движение вверх или вниз микрометрического винта 9 и качание отражающего зеркала 15 вокруг оси 17. Так осуществляется слежение в угломестной плоскости.
Примером конкретного выполнения может служить устройство для управления положением оптической оси в пространстве, где зеркало 15 имеет размеры 110×70×10 мм, массу 180 г. и выполнено из стекла К8. В качестве привода 1 и 2 применены шаговые электродвигатели ДШИ-200, которые через редукторы обеспечивают угловую скорость по ″азимуту″ 180 град/с и по ″углу мест″ - 10 град/с, с точностью соответственно 1′ и 20′′. Микрометрический винт 9 выполнен из стали марки У8А и отшлифован, а гайка 7 - из латуни ЛС-59-1 и выполнена люфтовыборной. Для изготовления остальных деталей использованы традиционные материалы. Устройство расположено в герметическом корпусе 3.
Использование гайки, установленной на подшипниках внутри полой оси вилки и микрометрического винта, а также рычага, закрепленного на оси вилки, выгодно отличает предлагаемое устройство для управления положением оптической оси в пространстве от известного, так как повышается точность наведения с одновременным снижением массо-габаритных характеристик подвижной части устройства, упрощаются изготовление и сборка, уменьшается расход цветного металла, а именно латуни, необходимого для изготовления цилиндрических направляющих, что имеет место при изготовлении сканирующего устройства кругового обзора, выбранного в качестве прототипа.
Предлагаемая схема устройства для управления положением оптической оси в пространстве может быть широко использована, например, в системах наведения, поиска и обнаружения, для управления положением оптической оси различных активных и пассивных оптических приборов, в иммитационных стендах и комплексах, где необходимо автоматизировать управление положением лазерного излучения, в лазерных устройствах формирования помех полуактивным и активным лазерным системам противника и в других устройствах лазерной техники.