CN115097593B - 一种一维高速动磁式柔性支撑快速反射镜 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于激光制导、空间探测的快速反射镜制造领域，具体涉及一种一维高速动磁式柔性支撑快速反射镜，包括：壳体组件、反射镜、电磁驱动组件、柔性支撑组件、传感器组件；壳体组件侧壁设有通孔，反射镜嵌设于通孔内，其远离壳体组件侧壁的一侧与电磁驱动组件固定连接；传感器组件设置于反射镜远离通孔的一侧；电磁驱动组件顶部和底部分别通过柔性支撑组件与壳体组件基轴式连接；电磁驱动组件以竖直方向为轴沿水平面往复转动预设角度，并带动反射镜同步转动。通过采用轻量化结构设计、传感器组件的优化布置方式，使运动部件转动惯量低，扫描速度高，耐高低温特性好。
Description
技术领域
本发明涉及用于激光制导、空间探测的快速反射镜制造领域，特别涉及一种一维高速动磁式柔性支撑快速反射镜。
背景技术
快速反射镜（Fast Steering Mirror，FSM），简称快反镜，是控制反射镜的转动从而使反射光束在一维或二维方向上，对光传播方向进行高精度、高动态的控制，实现光束在所需转角范围内的快速精确指向，应用在激光制导、光电侦查、光电对抗、激光武器、空间探测、激光雷达、激光通信等领域中实现***精密跟踪、稳瞄、稳像等。采用快反镜替代传统的框架结构，可改善***的性能。上述领域通常要求快反镜具有较高的工作带宽、角分辨率、指向精度和转角范围，对***的环境适应性等也有很高要求。
当前快反镜中主要根据驱动方式的不同分为压电陶瓷（PZT）驱动和音圈电机（VCM）驱动两大类。PZT驱动器的优点是结构简单、体积小、分辨率高、响应快、推力大、发热少、无杂散电磁场，缺点是其行程相对较小，只有几十微米，用于快反镜中无法实现较大转角范围。PZT还存在迟滞特性、耐低温性能差的缺点。音圈电机是基于洛伦兹力原理制造的一种驱动电机，其工作原理是通电线圈(导体)放在磁场内就会产生力，力的大小与施加在线圈上的电流成比例。通常由磁缸、线圈等组成，具有运动行程大、驱动电压低等优点。采用VCM驱动，可使快反镜***转角范围大、承载能力强，且对振动、冲击等工作环境具有较强的适应性。在国防军工领域的***中，大多采用音圈电机驱动的快反镜。
传统快反镜采用一对音圈电机推拉用于实现一维扫描，由于转动部件转动惯量较大，因此无法实现较高的扫描速度。传统快反镜由于运动部件转动惯量低，能够实现较高的扫描速度，但是用于扫描补偿应用中，长时间的小范围高速往复运动，会使得轴承寿命很低，很快就发生磨损，从而使***的精度降低。轴承的耐高低温特性不好。传统快反镜的线圈绕制困难，工艺复杂，效率低，填充率低。传统快反镜由于反射镜内部电磁驱动组件结构较为复杂、磁铁数量多，导致整体结构尺寸较大。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种一维高速动磁式柔性支撑快速反射镜，通过采用轻量化结构设计、传感器组件的优化布置方式以及动磁式电磁驱动设计，运动部件转动惯量低，能够实现较高扫描速度；采用柔性支撑，相比于滚珠轴承具有较长的寿命，具有较好的耐高低温特性、无润滑剂，可用于真空；动磁式电磁驱动组件设计，线圈与软磁材料相接触，散热好，能够承受更高的功率；无线缆拖拽和断裂担忧；电涡流传感器组件设置在反射镜后方，节省快速反射镜高度空间，能够适用于高度空间受约束的场合；适合用于扫描补偿的快反镜应用。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种一维高速动磁式柔性支撑快速反射镜，包括：壳体组件、反射镜、电磁驱动组件、柔性支撑组件、传感器组件；
所述壳体组件侧壁设有通孔，所述反射镜嵌设于所述通孔内，其远离所述壳体组件侧壁的一侧与所述电磁驱动组件固定连接；
所述传感器组件设置于所述反射镜远离所述通孔的一侧；
所述电磁驱动组件顶部和底部分别通过所述柔性支撑组件与所述壳体组件基轴式连接；
所述电磁驱动组件以竖直方向为轴沿水平面往复转动预设角度，并带动所述反射镜同步转动。
进一步地，所述壳体组件包括：前壳、顶壳、底壳；
所述前壳设有与所述反射镜形状相匹配的通孔；
所述反射镜嵌设于所述通孔内，其与所述电磁驱动组件固定连接。
进一步地，所述电磁驱动组件包括：导磁壁、磁铁、线圈、第一支撑架和第二支撑架；
所述导磁壁的水平横截面为U型结构，其顶部与顶壳固定连接，其底部与所述底壳固定连接，其开口侧壁与所述前壳固定连接；
所述磁铁位于所述线圈内部，所述线圈位于所述导磁壁的U型开口内部；
所述线圈顶部和底部分别与所述第一支撑架的凹槽和所述第二支撑架的凹槽固定连接；
所述第一支撑架顶部与所述柔性支撑组件连接，其底部与所述磁铁基轴式配合连接；
所述第二支撑架底部与所述柔性支撑组件连接，其顶部与所述磁铁基轴式配合连接。
进一步地，所述导磁壁为稀土永磁材料；
所述第一支撑架和所述第二支撑架为非导磁材料。
进一步地，所述磁铁的材料为：钐钴SmCo33EN 5300或钕-铁-硼（NdFeB）NSOM。
进一步地，所述柔性支撑组件包括：第一柔性支撑铰链和第二柔性支撑铰链；
所述第一柔性支撑铰链的顶部与所述顶壳固定连接，其底部与所述电磁驱动组件的顶部基轴式连接；
所述第二柔性支撑铰链的底部与所述传感器组件的顶部固定连接，其顶部与所述电磁驱动组件的底部基轴式连接。
进一步地，所述第一柔性支撑铰链和所述第二柔性支撑铰链为十字交叉式柔性支撑铰链。
进一步地，所述传感器组件包括：固定座、驱动板及电涡流传感器；
所述固定座和所述驱动板由上而下依次设置且固定连接；
所述固定座顶部与所述柔性支撑组件基轴式连接；
所述驱动板位于所述固定座和所述壳体组件底部之间；
所述电涡流传感器设置于所述固定座的顶部远离所述反射镜的一侧，对磁铁的距离及所述反射镜的转动角度进行测量。
进一步地，所述电涡流传感器包括：并列设置的第一传感器单元和第二传感器单元。
进一步地，所述反射镜的材料为：铍、硅、熔融石英/石英、SiC、BK7、蓝宝石或MgF2。
本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
通过采用轻量化结构设计、传感器组件的优化布置方式以及动磁式电磁驱动设计，运动部件转动惯量低，能够实现较高扫描速度；采用柔性支撑，相比于滚珠轴承具有较长的寿命，具有较好的耐高低温特性、无润滑剂，可用于真空；动磁式电磁驱动组件设计，线圈与软磁材料相接触，散热好，能够承受更高的功率；无线缆拖拽和断裂担忧；电涡流传感器组件设置在反射镜后方，节省快速反射镜高度空间，能够适用于高度空间受约束的场合；适合用于扫描补偿的快反镜应用。
附图说明
图1为本发明公开的一种一维高速动磁式柔性支撑快速反射镜的斜轴侧+45°***结构示意图；
图2为本发明公开的一种一维高速动磁式柔性支撑快速反射镜的斜轴侧-45°结构***示意图；
图3为本发明公开的一种一维高速动磁式柔性支撑快速反射镜正视剖视结构示意图；
图4为本发明公开的一种一维高速动磁式柔性支撑快速反射镜俯视剖视结构示意图；
图5为本发明公开的一种一维高速动磁式柔性支撑快速反射镜侧视剖视结构示意图；
图6为本发明公开的一种一维高速动磁式柔性支撑快速反射镜电磁驱动组件磁路示意图。
附图标记：
1、前壳，2、反射镜，3、磁铁，4、线圈，51、第一支撑架，52、第二支撑架，61、第一柔性支撑铰链，62、第二柔性支撑铰链，7、固定座，8、驱动板，9、底座，10、顶盖，11、电涡流传感器组件，111、第一传感器，112、第二传感器，12、导磁壁；
201a、磁铁N极，201b、磁铁S极，202a、电流流入方向，202b、电流流出方向。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
请参照图1、图2、图3、图4和图5，本发明实施例提供了一种一维高速动磁式柔性支撑快速反射镜2，包括：壳体组件、反射镜2、电磁驱动组件、柔性支撑组件、传感器组件；壳体组件侧壁设有通孔，反射镜2嵌设于通孔内，其远离壳体组件侧壁的一侧与电磁驱动组件固定连接；传感器组件设置于反射镜2远离通孔的一侧；电磁驱动组件顶部和底部分别通过柔性支撑组件与壳体组件基轴式连接；电磁驱动组件以竖直方向为轴沿水平面往复转动预设角度，并带动反射镜2同步转动。
具体的，壳体组件包括：前壳1、顶壳10、底壳9；前壳1设有与反射镜2形状相匹配的通孔；反射镜2嵌设于通孔内，其与电磁驱动组件固定连接。前壳1的通孔可约束反射镜2偏转的局部自由度。
进一步地，前壳1采用背部多孔结构设计，实现了整体快反镜减重轻量化设计，除了充当整体的结构支撑外，还弥补了快反镜支架的作用，限制反射镜2局部自由度，实现一壳多用，减少空间占用。
可选的，前壳1的底部置于底壳9的上端面，其顶部与顶壳10连接，上述连接均可通过螺栓连接固定。
进一步地，电磁驱动组件包括：导磁壁12、磁铁3、线圈4、第一支撑架51和第二支撑架52；导磁壁12的水平横截面为U型结构，其顶部与顶壳10固定连接，其底部与底壳9固定连接，其开口侧壁与前壳1固定连接；磁铁3位于线圈4内部，线圈4位于导磁壁12的U型开口内部；线圈4顶部和底部分别与第一支撑架51的凹槽和第二支撑架52的凹槽固定连接；第一支撑架51顶部与柔性支撑组件连接，其底部与磁铁3基轴式配合连接；第二支撑架52底部与柔性支撑组件连接，其顶部与磁铁3基轴式配合连接。
具体的，导磁壁12顶部与顶壳10固定连接，其底部与固定座7相连接固定，其为U型结构，起到整体框架的包络以及固定支撑作用，加强导磁性能。
具体的，第一支撑架51上端面设有十字交叉式柔性支撑孔，与第一柔性支撑铰链61形成基轴制配合连接，下端面设有磁铁3孔，与磁铁3形成基轴式配合连接；第二支撑架52上端面设有磁铁3孔，与磁铁3形成基轴式配合连接，下端面设有十字交叉式柔性支撑孔，与第二柔性支撑铰链62形成基轴式配合连接。
第一支撑架51和第二支撑架52的上端面设有十字交叉式柔性支撑孔，下端面设有磁铁3孔，结构呈工字梁设计，保证强度的前提下，也节省材料，保证整体轻量化。
此外，线圈4可采用机器绕制，效率高，填充率高，适合用于快反镜的扫描补偿。线圈4与软磁材料相接触，散热好，能够承受更高的功率，无线缆拖拽和断裂担忧，节省电磁驱动组件占位空间，结构轻量化且便于出线。
进一步地，导磁壁12为稀土永磁材料；第一支撑架51和第二支撑架52为非导磁材料。导磁组件具有高磁能、高剩磁性能，壳体不导磁，使快速反射镜2电机具有轻型结构以及较小的转矩，能显著提高电机的响应速度。
进一步地，磁铁3的材料为：钐钴SmCo33EN 5300或钕-铁-硼（NdFeB）NSOM。上述材料仅是示例，也可以使用其他材料。
进一步地，柔性支撑组件包括：第一柔性支撑铰链61和第二柔性支撑铰链62；第一柔性支撑铰链61的顶部与顶壳10固定连接，其底部与电磁驱动组件的顶部基轴式连接；第二柔性支撑铰链62的底部与传感器组件的顶部固定连接，其顶部与电磁驱动组件的底部基轴式连接。
为了实现反射镜2能够达到大角度的偏转，第一柔性支撑铰链61和第二柔性支撑铰链62分别位于反射镜2的上、下两端，且柔性铰链采用相互垂直的弹性片实现绕中心轴旋转，并通过螺栓连接拧紧固定，便于固定第一柔性支撑铰链61和第二柔性支撑铰链62的位置，且易于装配。
具体的，第一柔性支撑铰链61的上端面与顶壳10的柔性支撑孔相固定连接，下端面与第一支撑架51的柔性支撑孔形成基轴式配合连接。第二柔性支撑铰链62的下端面与固定座7的柔性支撑孔相固定连接，其上端面与第二支撑架52的柔性支撑孔形成基轴式配合连接。
进一步地，第一柔性支撑铰链61和第二柔性支撑铰链62为十字交叉式柔性支撑铰链。
第一柔性支撑铰链61和第二柔性支撑铰链62常用作电磁驱动的柔性支撑，相比于滚珠轴承具有较长的寿命，具有较好的耐高低温特性，无润滑剂，可用于真空。实际的快速反射镜2中常采用两个十字交叉式柔性支撑组合作为快速反射镜2的柔性支撑，单个十字交叉式柔性支撑铰链的最大转角范围是±15°，一体化柔性支撑设计的最大转角范围是±10°。
可选的，第一柔性支撑铰链61和第二柔性支撑铰链62可以选用的材料主要有钛合金、铍青铜、不锈钢等。
进一步地，传感器组件包括：固定座7、驱动板8及电涡流传感器11；固定座7和驱动板8由上而下依次设置且固定连接；固定座7顶部与柔性支撑组件基轴式连接；驱动板8位于固定座7和壳体组件底部之间；电涡流传感器11设置于固定座7的顶部远离反射镜2的一侧，对磁铁3的距离及反射镜2的转动角度进行测量。
具体的，固定座7通过螺栓连接安装在底壳9上，其上端面作为基座面与第二支撑架52、电涡流传感器11、导磁壁12固定连接。驱动板8设置于固定座7和底壳9之间。
具体的，电涡流传感器11设置于固定座7的上端面，位于反射镜2朝向导磁壁12的一侧。
进一步的，底壳9采用轻量化结构设计，内部中空用来安装驱动板8，上端面与前壳1及固定座7相连接。顶壳10作为整体结构的端盖，下端面与第一支撑架51、导磁壁12固定连接，侧面与前壳1固定连接。
进一步地，电涡流传感器11包括：并列设置的第一传感器单元111和第二传感器单元112。
电涡流传感器11安装在固定座7的上端面，对磁铁3的距离以及反射镜2的转角进行测量，在同一方向上采用第一传感器111和第二传感器112进行差动测量，提高测量精度，从而减小温漂等对测量结果的影响。
进一步地，反射镜2的材料为：铍、硅、熔融石英/石英、SiC、BK7、蓝宝石或MgF2；且可以涂有不同的材料，特别是金、保护银或介电布拉格镜结构。
此外，第一支撑架51、第二支撑架52、固定座7、底壳9、顶壳10同时充当连接件、支撑件、固定件，实现一件多用。
请参照图6，磁路图示为电磁组件剖视视角，中心磁铁3置于导磁壁12的中心轴位置处，磁铁3的201a处为N极，201b处为S极，当通入线圈4的电流方向为202a流入、202b流出时，基于洛伦兹力原理，根据左手定则判断出磁铁3的受力方向如图中粗箭头方向，即磁铁3的出力使得电机可动部分形成偏转力矩，与第一柔性支撑铰链61和第二柔性支撑铰链62带动反射镜2一起沿着前壳1的通孔中心左、右方向偏摆，整体电磁驱动组件占位空间小，结构轻量化且便于出线，驱动反射镜2达到既定工作状态下的性能指标。
本发明实施例旨在保护一种一维高速动磁式柔性支撑快速反射镜，包括：壳体组件、反射镜、电磁驱动组件、柔性支撑组件、传感器组件；壳体组件侧壁设有通孔，反射镜嵌设于通孔内，其远离壳体组件侧壁的一侧与电磁驱动组件固定连接；电磁驱动组件顶部和底部分别通过柔性支撑组件与壳体组件基轴式连接；电磁驱动组件以竖直方向为轴沿水平面往复转动预设角度，并带动反射镜同步转动。上述技术方案具备如下效果：
1、采用轻量化以及一件多用的结构设计，使得快速反射镜整体结构更加紧凑，运动部件转动惯量低；
2、采用磁铁、线圈、支撑架、导磁壁构成快速反射镜的动磁式电磁驱动组件，线圈与软磁材料相接触，散热好，能够承受更高的功率。无线缆拖拽和断裂担忧。节省整体电磁驱动组件占位空间，结构轻量化且便于出线；
3、采用十字交叉式柔性铰链作为柔性支撑，相比于滚珠轴承具有较长的寿命，具有较好的耐高低温特性。无润滑剂，可用于真空，同时转角范围也足够大；
4、快速反射镜使用的线圈可采用机器绕制，绕制效率高，填充率高；
5、采用的电涡流传感器组件设置固定座的上端面，反射镜的后方，节省快速反射镜高度空间，在同一方向上采用2个电涡流传感器进行差动测量，提高测量精度，从而减小温漂等对测量结果的影响；
6、此款快速反射镜适合用于扫描补偿的快反镜应用，能够适用于高度空间受约束的场合。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (6)
1.一种一维高速动磁式柔性支撑快速反射镜，其特征在于，包括：壳体组件、反射镜、电磁驱动组件、柔性支撑组件、传感器组件；
所述壳体组件侧壁设有通孔，所述反射镜嵌设于所述通孔内，其远离所述壳体组件侧壁的一侧与所述电磁驱动组件固定连接；
所述传感器组件设置于所述反射镜远离所述通孔的一侧；
所述电磁驱动组件顶部和底部分别通过所述柔性支撑组件与所述壳体组件基轴式连接；
所述电磁驱动组件以竖直方向为轴沿水平面往复转动预设角度，并带动所述反射镜同步转动；
所述壳体组件包括：前壳、顶壳、底壳；
所述前壳设有与所述反射镜形状相匹配的通孔；
所述反射镜嵌设于所述通孔内，其与所述电磁驱动组件固定连接；
所述电磁驱动组件包括：导磁壁、磁铁、线圈、第一支撑架和第二支撑架；
所述导磁壁的水平横截面为U型结构，其顶部与顶壳固定连接，其底部与所述底壳固定连接，其开口侧壁与所述前壳固定连接；
所述磁铁位于所述线圈内部，所述线圈位于所述导磁壁的U型开口内部；
所述线圈顶部和底部分别与所述第一支撑架的凹槽和所述第二支撑架的凹槽固定连接；
所述第一支撑架顶部与所述柔性支撑组件连接，其底部与所述磁铁基轴式配合连接；
所述第二支撑架底部与所述柔性支撑组件连接，其顶部与所述磁铁基轴式配合连接；
所述柔性支撑组件包括：第一柔性支撑铰链和第二柔性支撑铰链；
所述第一柔性支撑铰链的顶部与所述顶壳固定连接，其底部与所述电磁驱动组件的顶部基轴式连接；
所述第二柔性支撑铰链的底部与所述传感器组件的顶部固定连接，其顶部与所述电磁驱动组件的底部基轴式连接；
所述传感器组件包括：固定座、驱动板及电涡流传感器；
所述固定座和所述驱动板由上而下依次设置且固定连接；
所述固定座顶部与所述柔性支撑组件基轴式连接；
所述驱动板位于所述固定座和所述壳体组件底部之间；
所述电涡流传感器设置于所述固定座的顶部远离所述反射镜的一侧，对磁铁的距离及所述反射镜的转动角度进行测量。
2.根据权利要求1所述的一维高速动磁式柔性支撑快速反射镜，其特征在于，
所述导磁壁为稀土永磁材料；
所述第一支撑架和所述第二支撑架为非导磁材料。
3.根据权利要求1所述的一维高速动磁式柔性支撑快速反射镜，其特征在于，
所述磁铁的材料为：钐钴或钕-铁-硼。
4.根据权利要求1所述的一维高速动磁式柔性支撑快速反射镜，其特征在于，
所述第一柔性支撑铰链和所述第二柔性支撑铰链为十字交叉式柔性支撑铰链。
5.根据权利要求1所述的一维高速动磁式柔性支撑快速反射镜，其特征在于，
所述电涡流传感器包括：并列设置的第一传感器单元和第二传感器单元。
6.根据权利要求1-5任一所述的一维高速动磁式柔性支撑快速反射镜，其特征在于，
所述反射镜的材料为：铍、硅、熔融石英/石英、SiC、BK7、蓝宝石或MgF2。
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