CN110955012B - 一种基于柔性铰链的双轴稳定快速反射镜装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于柔性铰链的双轴稳定快速反射镜装置，包括基座、反射镜、镜托、驱动电机、柔性铰链、位置传感器；柔性铰链分为三个部分：具有镜托安装面的上部、十字形中部和具有基座安装面的下部；镜托安装面中心与基座安装面中心同轴；其中具有镜托安装面的上部底面与十字形中部上表面通过第一柔性铰链薄壁连接，十字形中部下表面与具有基座安装面的下部上表面通过第二柔性铰链薄壁连接；第一柔性铰链薄壁与第二柔性铰链薄壁相互垂直，且镜托安装面中心轴以及基座安装面中心轴均与第一柔性铰链薄壁以及第二柔性铰链薄壁相交。本发明实现了快速反射镜装置负载重心与柔性铰链转动中心线的重合，提升了柔性铰链转动自由度与限制自由度之间的刚度比。

Description

一种基于柔性铰链的双轴稳定快速反射镜装置

技术领域

本发明属于精密光机结构设计技术领域，具体涉及一种适用于复杂振动环境中的基于柔性铰链的双轴稳定快速反射镜装置。

背景技术

快速反射镜装置以其精度高、响应快、动态滞后误差小的特点，广泛应用于各类稳定跟踪平台中。目前柔性铰链设计是快速反射镜设计中的一个主要关注点，相较于框架式、基于传统轴系结构的快速反射镜装置，柔性铰链替代了其中的轴系结构，从而消除了快速反射镜装置在使用过程中的轴系摩擦，为提升快速反射镜的性能奠定了机械结构基础。

申请号为20160545592.4，名称为“一种串联承载式快速反射镜结构”公开了一种串联承载式反射镜结构，在常见的基于柔性铰链的快速反射镜结构中加入了一个滚珠结构，减小了反射镜座与柔性铰链间的间隙。申请号为201320708758.1，名称为“基于柔性支承的快速反射镜装置”公开了一种基于柔性铰链的快速反射镜装置，采用三个音圈电机作为驱动，并且在电机与镜托之间安装有柔性连接头，起到了防止电机卡死的作用。申请号为201710918544.X，名称为“一种具有双柔性元件的快速反射镜”公开了一种具有双柔性元件支承结构的快速反射镜装置，采用侧边柔性联结件实现反射镜四周与支承基座的柔性联结，同时设置位于反射镜中心的柔性支承连接件实现反射镜中心与支承基座的柔性连接，增加了快速反射镜装置的承载能力与环境适应性。申请号为201710700160.0，名称为“一种高精度稳瞄装置中万向柔性铰链连接的快速反射镜装置“公开了一种高精度稳瞄装置中万向柔性铰链连接的快速反射镜装置，采用万向柔性铰链支承反射镜，实现了反射镜的两轴转动。

以上基于柔性铰链的快速反射镜装置存在两个问题，一是装置运动部分(主要包括反射镜、镜托、电机动子及柔性铰链上部结构)重心、即负载重心与转动中心线不重合；二是柔性铰链转动自由度与限制自由度之间的刚度比值较低。实际应用中，这两个问题均不利于伺服性能的实现：振动条件下，伺服***需克服的干扰力矩正比于转动中心线与负载重心的位置偏差；柔性铰链转动自由度与限制自由度之间的刚度比值对伺服性能的限制作用显著，该比值越大，越容易实现更高的快速反射镜装置伺服性能指标。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种基于柔性铰链的双轴稳定快速反射镜装置，在尽可能保证结构紧凑的前提下，实现了快速反射镜装置负载重心与柔性铰链转动中心线的重合，同时最大限度的提升了柔性铰链转动自由度与限制自由度之间的刚度比。

本发明的技术方案为：

所述一种基于柔性铰链的双轴稳定快速反射镜装置，其特征在于：包括基座(1)、反射镜(2)、镜托(3)、驱动电机(4)、柔性铰链(5)、位置传感器(8)；

所述反射镜(2)固定在所述镜托(3)上；所述镜托(3)安装在柔性铰链(5)一端，柔性铰链(5)另一端固定在基座(1)上；多个驱动电机(4)和位置传感器(8)交叉均布在柔性铰链***；

所述柔性铰链(5)分为三个部分：具有镜托安装面的上部、十字形中部和具有基座安装面的下部；镜托安装面中心与基座安装面中心同轴；其中具有镜托安装面的上部底面与十字形中部上表面通过第一柔性铰链薄壁连接，十字形中部下表面与具有基座安装面的下部上表面通过第二柔性铰链薄壁连接；第一柔性铰链薄壁与第二柔性铰链薄壁相互垂直，且镜托安装面中心轴以及基座安装面中心轴均与第一柔性铰链薄壁以及第二柔性铰链薄壁相交。

进一步的优选方案，所述一种基于柔性铰链的双轴稳定快速反射镜装置，其特征在于：所述柔性铰链薄壁通过两侧的弧形切口形成，且所述十字形中部四角位置的柔性铰链薄壁处于同一平面上。

进一步的优选方案，所述一种基于柔性铰链的双轴稳定快速反射镜装置，其特征在于：驱动电机(4)采用音圈直线电机，其动子固定在镜托(3)上，永磁体固定在基座(1)上，用于驱动反射镜运动。

进一步的优选方案，所述一种基于柔性铰链的双轴稳定快速反射镜装置，其特征在于：位置传感器(8)选用电涡流传感器，对应的位置传感器感应片(6)安装在镜托上，位置传感器(8)本身固定在基座(1)上，用于反馈装置的位置角度信息。

进一步的优选方案，所述一种基于柔性铰链的双轴稳定快速反射镜装置，其特征在于：所述镜托(3)上具有柔性铰链安装面、反射镜粘接面、电机动子安装面；三个面相互平行且存在高度差，通过调整高度差能够将快速反射镜装置负载重心与柔性铰链转动中心线调整至重合。

进一步的优选方案，所述一种基于柔性铰链的双轴稳定快速反射镜装置，其特征在于：还包括限位柱(7)，所述限位柱(7)固定在基座(1)上，用于限制柔性铰链的转角。

有益效果

本发明的有益效果为：

1)、结构紧凑。充分利用了基于柔性铰链的快速反射镜装置的内部空间，使得装置结构设计最大限度服务于整体性能指标。

2)、能够实现柔性铰链转动中心线与负载重心的重合，使得本发明所涉及的快速反射镜装置具有更好的抵抗外部振动干扰的能力。

3)、通过合理的布局与结构设计，最大限度的提升了柔性铰链转动自由度与限制自由度间的刚度比，为伺服性能的实现奠定了基础。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：本发明提出的快速反射镜装置轴侧图；

图2：本发明提出的快速反射镜装置剖视图；

图3：本发明提出的快速反射镜装置内部视图；

图4：柔性铰链视图；

图5：镜托视图。

其中：1基座、2反射镜、3镜托、4驱动电机、5柔性铰链、6位置传感器感应片、7限位柱、8位置传感器。

具体实施方式

本发明提出的基于柔性铰链的双轴稳定快速反射镜装置如图1～3所示，包括：1基座、2反射镜、3镜托、4驱动电机、5柔性铰链、6位置传感器感应片、7限位柱、8位置传感器。

从图1、图2、图3可以看到，装置各部件的连接关系为：反射镜粘接固定在镜托上；柔性铰链上端通过螺钉与镜托相连；柔性铰链下端固定在基座上；四个位置传感器与四个驱动电机交叉布置在柔性铰链四周。本实施例中驱动电机采用音圈直线电机，其线圈(动子)固定在镜托上，永磁体固定在基座上，用于驱动反射镜运动；位置传感器选用电涡流传感器，为其设计的传感器感应片固定在镜托下方，位置传感器本身固定在基座上，并与传感器感应片中心对齐，用于反馈装置的位置角度信息；限位柱固定在基座上，用于限制柔性铰链的转角。

所述柔性铰链如图4所示，为十字形结构。此种结构形式充分利用了驱动电机之间的间隙，增大了柔性铰链的宽度，从而提升了柔性铰链转动自由度与限制自由度间的刚度比。

如图4所示，柔性铰链分为三个部分：具有镜托安装面的上部、十字形中部和具有基座安装面的下部；镜托安装面中心与基座安装面中心同轴；其中所述上部的底面与所述十字形中部的上表面通过第一柔性铰链薄壁连接，所述十字形中部的下表面与所述下部的上表面通过第二柔性铰链薄壁连接；第一柔性铰链薄壁与第二柔性铰链薄壁相互垂直，且镜托安装面中心轴以及基座安装面中心轴均与第一柔性铰链薄壁以及第二柔性铰链薄壁相交。

在图4中可以看出，所述柔性铰链薄壁通过两侧的弧形切口形成，且十字形中部四角位置的柔性铰链薄壁处于同一平面上。通常情况下，柔性铰链的设计寿命及加工工艺性会限制柔性铰链的薄壁厚度与切口半径，薄壁厚度愈小，柔性铰链的转动刚度越低，加工难度与成本愈高，切口半径越大，转动刚度越低，但反射镜在运动过程中的转动中心线偏移也会越大。所以在设计时，柔性铰链薄壁厚度与切口半径需根据加工工艺性、设计寿命、加工成本及总体性能指标等因素折衷确定。在确定了柔性铰链薄壁厚度及其切口半径后，为了进一步提升柔性铰链转动自由度与限制自由度之间的刚度比，可以通过增加柔性铰链的宽度实现这一目标。理论分析证明，柔性铰链宽度的增加，能够同时增加柔性铰链转动自由度与限制自由度的刚度，但限制自由度刚度随柔性铰链宽度增加增长速度更快，因此增加柔性铰链宽度能够增加铰链限制自由度与转动自由度的刚度比。目前常见的圆柱形双轴柔性铰链，增加柔性铰链宽度等效于增加柔性铰链整体半径，进而导致快速反射镜装置整体尺寸的增加。而本发明所涉及的柔性铰链结构采用十字形，这种结构形式可以充分利用快速反射镜装置中驱动电机之间的间隙，在不显著改变快速反射镜装置外部包络的前提下，实现柔性铰链宽度的提升，从而达到增加柔性铰链转动自由度与限制自由度之间刚度比的目的。

如图5所示，所述镜托中部设有十字形空洞，用于安装柔性铰链，即柔性铰链嵌套安装在其下部，反射镜粘接在其上部表面；镜托分别通过图示的三个相互平行的柔性铰链安装面、反射镜粘接面、电机动子安装面分别与柔性铰链、反射镜及电机动子相连。三个面之间存在高度差，在设计过程中，在三维作图软件(如UG、SolidWorks等)中，根据实际各零部件的重量及材料属性，测算装置运动部分的重心位置与柔性铰链薄壁中心位置的几何距离，进而调整柔性铰链安装面、反射镜粘接面以及电机动子安装面之间的偏差，从而能够将快速反射镜装置负载重心与柔性铰链的转动中心线(位于十字形中部四角位置的柔性铰链薄壁组成的平面中)调整至一致，从而提高装置抵抗外部振动干扰的能力。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种基于柔性铰链的双轴稳定快速反射镜装置，其特征在于：包括基座(1)、反射镜(2)、镜托(3)、驱动电机(4)、柔性铰链(5)、位置传感器(8)；

所述反射镜(2)固定在所述镜托(3)上；所述镜托(3)安装在柔性铰链(5)一端，柔性铰链(5)另一端固定在基座(1)上；多个驱动电机(4)和位置传感器(8)交叉均布在柔性铰链***；

所述柔性铰链(5)分为三个部分：具有镜托安装面的上部、十字形中部和具有基座安装面的下部；镜托安装面中心与基座安装面中心同轴；其中具有镜托安装面的上部底面与十字形中部上表面通过第一柔性铰链薄壁连接，十字形中部下表面与具有基座安装面的下部上表面通过第二柔性铰链薄壁连接；第一柔性铰链薄壁与第二柔性铰链薄壁相互垂直，且镜托安装面中心轴以及基座安装面中心轴均与第一柔性铰链薄壁以及第二柔性铰链薄壁相交；

所述柔性铰链薄壁通过两侧的弧形切口形成，且所述十字形中部四角位置的柔性铰链薄壁处于同一平面上。

2.根据权利要求1所述一种基于柔性铰链的双轴稳定快速反射镜装置，其特征在于：驱动电机(4)采用音圈直线电机，其动子固定在镜托(3)上，永磁体固定在基座(1)上，用于驱动反射镜运动。

3.根据权利要求2所述一种基于柔性铰链的双轴稳定快速反射镜装置，其特征在于：位置传感器(8)选用电涡流传感器，对应的位置传感器感应片(6)安装在镜托上，位置传感器(8)本身固定在基座(1)上，用于反馈装置的位置角度信息。

4.根据权利要求3所述一种基于柔性铰链的双轴稳定快速反射镜装置，其特征在于：所述镜托(3)上具有柔性铰链安装面、反射镜粘接面、电机动子安装面；三个面相互平行且存在高度差，通过调整高度差能够将快速反射镜装置负载重心与柔性铰链转动中心线调整至重合。

5.根据权利要求1所述一种基于柔性铰链的双轴稳定快速反射镜装置，其特征在于：还包括限位柱(7)，所述限位柱(7)固定在基座(1)上，用于限制柔性铰链的转角。

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