光束指向装置高分辨率传动机构

李宝宇; 陈宁; 陈雨康; 谢馨; 范大鹏

doi:10.37188/OPE.20233103.0331

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光束指向装置高分辨率传动机构

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2023-02-15

- 光束指向装置高分辨率传动机构
- High-resolution transmission mechanism of beam pointing device
- 光学精密工程 2023年31卷第3期页码：331-339
- 作者机构：
  
  国防科技大学智能科学学院，湖南长沙 410073
- 作者简介：
  
  [ "李宝宇（1991-），男，河南驻马店人，博士研究生，2017年于天津大学获得硕士学位，主要从事精密驱动传动装置设计与测控方法的研究。E-mail：lbyu@nudt.edu.cn" ]
  [ "陈宁（1990-），男，福建莆田人，博士，助理研究员，2020年于国防科技大学获得博士学位，主要从事压电驱动功能部件的动力学建模与控制研究。E-mail： chenning007xm@126.com.cn" ]
  [ "范大鹏（1964-），男，河南周口人，博士，教授，博士生导师，1991年于华中科技大学获得博士学位，主要从事数控技术、嵌入式系统以及精密光电跟踪平台测控技术的研究。E-mail：fdp@nudt.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划资助项目(2019YFB2004700);国家自然科学基金面上项目(52075536)
- DOI：10.37188/OPE.20233103.0331
  中图分类号： TH132.2
- 收稿日期：2022-07-14，
  
  修回日期：2022-09-13，
  
  纸质出版日期：2023-02-10
- 稿件说明：
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李宝宇,陈宁,陈雨康等.光束指向装置高分辨率传动机构[J].光学精密工程,2023,31(03):331-339.

LI Baoyu,CHEN Ning,CHEN Yukang,et al.High-resolution transmission mechanism of beam pointing device[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(03):331-339.
李宝宇,陈宁,陈雨康等.光束指向装置高分辨率传动机构[J].光学精密工程,2023,31(03):331-339. DOI： 10.37188/OPE.20233103.0331.

LI Baoyu,CHEN Ning,CHEN Yukang,et al.High-resolution transmission mechanism of beam pointing device[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(03):331-339. DOI： 10.37188/OPE.20233103.0331.

摘要

为满足某型光束指向装置高分辨率、空间紧凑和低成本的需求，结合其负载小、转速低的实际应用特点，设计了一种偏置型扭轮摩擦传动机构。该机构的变传动比特性通过改变主动轮与从动轮的扭角实现，为优选扭角设计区间，研究了扭角对机构位移特性的影响。在分析偏置型扭轮摩擦传动机构运动学特性及扭轮接触区受力、变形情况的基础上，建立了偏置型扭轮摩擦传动的刚柔耦合动力学模型，通过物理样机试验和多体动力学仿真分析，开展了扭角对输出角速度稳定性和角位移分辨率的影响。结果表明：扭角越大，机构输出角速度的波动范围也较大，传动越不平稳。设计的传动机构在扭角不大于80°时能实现平稳传动，且在大扭角条件下，机构能实现0.005˚（18″）的低速微步进运动，输出分辨率优于单级圆柱齿轮传动。上述分析为偏置型扭轮摩擦传动机构在光束指向装置传动系统中的应用提供了一种新的思路。

Abstract

An offset twist-roller frictional transmission mechanism was designed to satisfy the high resolution， compact space， and low-cost requirements of a beam pointing device， given its small load and low-speed application characteristics. The mechanism exhibits the characteristic of a variable transmission ratio， which is realized by changing the twist angle of the driving and driven wheels. To optimize the design interval of the twist angle， the influence of the twist angle on the output characteristics of the mechanism was studied. Based on the analysis of the kinematic characteristics， force， and deformation of the mechanism， the rigid-flexible coupling dynamic model of the transmission was established. We studied the effect of twist angle on output angular velocity stability and angular displacement resolution by conducting a physical prototype experiment and multi-body dynamics simulation. The results indicate that the larger the twist angle， the larger is the fluctuation range of output angular velocity and more unstable is the transmission. The designed mechanism can realize stable transmission when the twist angle does not exceed 80°， in addition to achieving a low-speed micro-stepping motion of 0.005° （18ʺ）. Moreover， the output resolution is far better than that of the single-stage cylindrical gear transmission. The analysis yields a novel concept of employing an offset twist-roller frictional transmission mechanism in the transmission system of a beam pointing device.

关键词

Keywords

references

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