CN101482643A - 两维大口径快速控制反射镜 - Google Patents

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Abstract

两维大口径快速控制反射镜，适用于各种光学***中驱动和稳定光束。所要解决的问题是，通过直线驱动装置驱动，满足反射镜口径大于250mm的要求，能有效地改善和提高快速控制反射镜的倾角范围和谐振频率。本发明通过四块分布的弹簧片和中心球铰，实现反射镜具有绕两轴柔性转动，其余自由度刚性固定；通过改进反射镜固定方式，并使两轴旋转中心和转动体重心合一，以及对支撑镜框和反射镜的轻量化设计，实现转动体的轻量化和绕轴转动惯量的最小化；通过对直线驱动装置和微位移位置传感器进行合理布局，实现整个结构紧凑，外形尺寸小。

Description

两维大口径快速控制反射镜
技术领域
本发明涉及一种适用于天文望远镜、激光通讯、图象稳定***、自适应光学***、跟踪瞄准和激光发射***中的反射镜结构，具体的说，是一种基于直线驱动装置驱动的两维大口径快速转向反射镜结构。
背景技术
快速控制反射镜在各种光学***中用来驱动和稳定光束，作为灵敏元件的设备，其主要性能包括跟踪范围、谐振频率和有效孔径。跟踪范围即反射镜偏转的最大范围，确定能补偿校正的范围；谐振频率直接关系到控制***带宽和响应速度；有效孔径是反射镜的通光孔径，其大小影响结构谐振频率的提高。当前国内外都在大力开展快速反射镜的研制，也有多种结构形式，但绝大多数都集中在口径小于200mm的快速反射镜。对于口径大于250mm的快速反射镜更是没有报道。因此，对于口径大于250mm快速控制反射镜，其结构设计研究具有挑战意义和现实意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种两维大口径快速控制反射镜结构，该结构通过直线驱动装置，满足反射镜口径大于250mm的要求，能有效地改善和提高反射镜的倾角范围和谐振频率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：两维大口径快速控制反射镜，其特征在于：由轻质反射镜、支撑镜框、直线驱动装置、弹性悬浮支撑、微位移位置传感器和底座组成；轻质反射镜通过螺钉与支撑镜框连接，直线驱动装置的动子通过螺钉与支撑镜框连接，有轻质反射镜、支撑镜框和直线驱动装置的动子一起构成快速控制反射镜的转动体；转动体通过支撑镜框与弹性悬浮支撑连接，弹性悬浮支撑将转动体和底座连接起来；直线驱动装置的定子和微位移位置传感器固定在底座上。
所述的轻质反射镜背部支撑面内有胶粘内嵌的殷钢螺母，实现从轻质反射镜背部对其进行固定。
所述的轻质反射镜横截面成双“拱型”，在保证反射面完整和反射镜刚度的情况下，去除反射镜背部中间和边缘材料，来减轻反射镜重量和减小其绕重心的转动惯量。
所述的轻质反射镜横截面成双“拱型”，在轻质反射镜背部中间的“拱型”空间，将转动体旋转的两轴交点和转动体的重心重合。
所述的支撑镜框材料选用比刚度以及传热/散热及热容合适的铝合金，结构上通过合理布筋，设计成有一定厚度的四边内凹正方形板。
所述的弹性悬浮支撑，由中心球铰、弹簧座和四片弹簧片组成；所述的中心球铰，做成万能圆形铰链，实现对转动体在两个旋转方向的弹性变形和轴向刚性位置保持；所述的弹簧座为一个在圆环上伸出四个对称、等高的凸台的结构，以利于保证4个弹簧片距离底座等高；四块弹簧片通过螺钉分别固定在弹簧座的四个凸台上，中心球铰布置在弹簧座圆环中央位置；所述的四个弹簧片，在综合考虑结构空间以及驱动力的情况下，分开对称布置在轻质反射镜背部中间的“拱型”空间，在径向实现对转动体在两个横向和一个绕光轴旋转的位置保持，在轴向实现转动体两轴旋转中心和重心合一；中心球、弹簧片通过支撑镜框上的螺孔与转动体连结，实现对转动体两维转动的弹性支撑。
本发明的两维大口径快速反射镜结构的优点：1)结构布局紧凑，外形尺寸小；2)反射镜和支撑镜框轻量化设计，以及对轻质反射镜固定改进，使得结构重量轻；3)实现转动体重心和旋转中心的重合，转动惯量小；4)利用直线驱动装置驱动，实现两维大行程转动；5)能够对口径大于250mm的快速控制反射镜，做到机械谐振频率高。
附图说明
图1为两维大口径快速控制反射镜结构主视图；
图2为图1的结构俯视图；
图3为本发明中弹性悬浮支撑结构主视图；
图4为本发明中轻质反射镜剖视图；
图5为本发明中轻质反射镜固定局部放大图；
图6为本发明中支撑镜框结构主视图；
图7为图6的剖视图N-N；
图8为本发明中中心球铰结构图；
图9为本发明中弹簧座结构主视图；
图10为图9的俯视图。
图11为本发明中弹簧片结构图；
图12为本发明中底座结构图；
图中：1为轻质反射镜，2为支撑镜框，3为直线驱动装置，4为弹性悬浮支撑，5为微位移位置传感器，6为底座，7为中心球铰，8为弹簧座，9为弹簧片。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。
如图1、2所示，本发明的两维大口径快速控制反射镜由轻质反射镜1、支撑镜框2、直线驱动装置3、弹性悬浮支撑4、微位移位置传感器5和底座6构成；通过螺钉，把支撑镜框2和轻质反射镜1连接起来，再通过螺钉把直线驱动装置3的动子和支撑镜框2连接起来，这样轻质反射镜1、支撑镜框2和直线驱动装置3的动子一起构成快速控制反射镜的转动体；弹性悬浮支撑4如图3所示，由中心球铰7、弹簧座8和四块一样的弹簧片9构成；弹性悬浮支撑4、直线驱动装置3的定子和微位移位置传感器5通过螺钉固定在底座6上，其布局不超出反射镜外圆直径，以缩小结构的外形尺寸；转动体通过支撑镜框2上的螺孔与弹性悬浮支撑4中的中心球铰7、弹簧片9连结，实现对转动体两维转动的弹性支撑。弹性悬浮支撑4的旋转中心，布置在转动体中轻质反射镜1和支撑镜框2构成的中空部位，实现旋转中心和转动体重心合一，减小转动惯量。
坐标系如图2所示，图中仅给出x轴和y轴方向，z轴方向符合右手法则。图中4个直线驱动装置3和4个微位移位置传感器5布置在一个圆周上，且沿圆周间隔均匀分布，4个均布的直线驱动装置3实现绕x轴和y轴旋转的驱动，4个均布的微位移位置传感器5实现绕x轴和y轴旋转的位置检测。直线驱动装置3可以外购如直线音圈电机等，微位移位置传感器5也可以外购如电涡流位移传感器等。
轻质反射镜1的横截面设计成双“拱型”如图4，在保证反射面完整和反射镜刚度的情况下，去除反射镜背部中间和边缘材料，来减轻反射镜重量和减小其绕重心的转动惯量；在轻质反射镜1背部支撑面内胶粘内嵌4个殷钢螺母，实现从轻质反射镜背部对其进行和支撑镜框2连结如图5。利用轻质反射镜1背部中间的“拱型”空间布置中心球铰7和四片弹簧片9，使得转动体旋转的两轴交点和转动体的重心重合。
支撑镜框2结构如图6、7所示，一方面用来固定轻质反射镜1，另一方面又与弹性悬浮支撑4和直线驱动装置3的动子相连结，实现轻质反射镜1绕X、Y两控制轴转动的重要过渡件，支撑镜框2的材料选用比刚度以及传热/散热及热容合适的铝合金，结构上通过合理布筋，设计成有一定厚度的四边内凹正方形板，在保证功能和刚度的前提下，尽量减轻重量和绕重心的转动惯量。
弹性悬浮支撑4如图3所示，由中心球铰7、弹簧座8和四片弹簧片9组成。对于弹性悬浮支撑4中的中心球铰7结构设计成如图8所示，在圆柱棒上有一小段直径加工细，做成万能圆形铰链，实现对转动体在两个旋转方向的弹性变形和轴向刚性位置保持；对于弹性悬浮支撑4中的弹簧座8结构设计成如图9、10所示，在一个圆环上伸出四个对称、等高的凸台，以利于保证4个弹簧片9距离底座6等高，使得结构尽量对称。四块弹簧片9通过螺钉分别固定在弹簧座8的四个凸台上，中心球铰7布置在弹簧座8圆环中央位置；对于弹性悬浮支撑4中的四个弹簧片9结构设计成如图11所示，是一块等厚的薄片，结构、加工工艺简单，材料结构要求一样，在综合考虑结构空间以及驱动力的情况下，在径向合理布置，实现对转动体在两个横向和一个绕光轴旋转的位置保持，在轴向实现两轴的旋转中心和转动体的重心合一；最终实现转动体在弹性悬浮支撑4的支撑下，具有绕X、Y两轴柔性转动，其余自由度刚性固定。
底座6结构设计如图12，有一定的厚度，具有足够的刚度，直线驱动装置3的定子、微位移位置传感器5、中心球铰7和弹簧座8固定在其上面，实现内部作用力的承受，另外通过底座6对该结构进行固定。
最终，该结构通过直线驱动装置3驱动，实现转动体绕X、Y两轴柔性转动，微位移位置传感器5检测转动体的位置信息，实现对转动体的闭环控制。依据此结构，设计了一套口径260mm的快速控制反射镜，用电涡流位移传感器测试该快速控制反射镜的开环频响特性大于450Hz；用电涡流位移传感器闭环后，带控制器***的闭环频响特性大于200Hz。
由以上可知，本发明的两维大口径快速控制反射镜利用直线驱动装置驱动，实现两维大行程转动；且转动体重心和旋转中心的重合，转动惯量小；且结构布局紧凑，外形尺寸小；反射镜和支撑镜框轻量化设计，以及对轻质反射镜固定改进，使得结构重量轻；该两维大口径快速控制反射镜能够对口径大于250mm的快速控制反射镜，做到机械谐振频率高。

Claims (6)

1、两维大口径快速控制反射镜，其特征在于：由轻质反射镜(1)、支撑镜框(2)、直线驱动装置(3)、弹性悬浮支撑(4)、微位移位置传感器(5)和底座(6)组成；轻质反射镜(1)通过螺钉与支撑镜框(2)连接，直线驱动装置(3)的动子通过螺钉与支撑镜框(2)连接，有轻质反射镜(1)、支撑镜框(2)和直线驱动装置(3)的动子一起构成快速控制反射镜的转动体；转动体通过支撑镜框(2)与弹性悬浮支撑(4)连接，弹性悬浮支撑(4)将转动体和底座(6)连接起来；直线驱动装置(3)的定子和微位移位置传感器(5)固定在底座(6)上。
2、根据权利要求1所述的两维大口径快速控制反射镜，其特征在于：所述的轻质反射镜(1)背部支撑面内有胶粘内嵌的殷钢螺母，实现从轻质反射镜(1)背部对其进行固定。
3、根据权利要求1所述的两维大口径快速控制反射镜，其特征在于：所述的轻质反射镜(1)横截面成双“拱型”，在保证反射面完整和反射镜刚度的情况下，去除反射镜背部中间和边缘材料，来减轻反射镜重量和减小其绕重心的转动惯量。
4、根据权利要求1所述的两维大口径快速控制反射镜，其特征在于：所述的轻质反射镜(1)横截面成双“拱型”，在轻质反射镜(1)背部中间的“拱型”空间，将转动体旋转的两轴交点和转动体的重心重合。
5、根据权利要求1所述的两维大口径快速控制反射镜，其特征在于：所述的支撑镜框(2)材料选用比刚度以及传热/散热及热容合适的铝合金，结构上通过合理布筋，设计成有一定厚度的四边内凹正方形板。
6、根据权利要求1所述的两维大口径快速控制反射镜，其特征在于：所述的弹性悬浮支撑(4)，由中心球铰(7)、弹簧座(8)和四片弹簧片(9)组成；所述的中心球铰(7)，做成万能圆形铰链，实现对转动体在两个旋转方向的弹性变形和轴向刚性位置保持；所述的弹簧座(8)为一个在圆环上伸出四个对称、等高的凸台的结构，以利于保证4个弹簧片(9)距离底座(6)等高；四块弹簧片(9)通过螺钉分别固定在弹簧座(8)的四个凸台上，中心球铰(7)布置在弹簧座(8)圆环中央位置；所述的四个弹簧片(9)，在综合考虑结构空间以及驱动力的情况下，分开对称布置在轻质反射镜(1)背部中间的“拱型”空间，在径向实现对转动体在两个横向和一个绕光轴旋转的位置保持，在轴向实现转动体两轴旋转中心和重心合一；中心球(7)、弹簧片(9)通过支撑镜框(2)上的螺孔与转动体连结，实现对转动体两维转动的弹性支撑。
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