CN101187721A

CN101187721A - 无模态耦合两轴偏转柔性支撑结构

Info

Publication number: CN101187721A
Application number: CNA2007101787315A
Authority: CN
Inventors: 彭起; 陈洪斌; 王继红; 任戈
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2007-12-04
Filing date: 2007-12-04
Publication date: 2008-05-28

Abstract

无模态耦合两轴偏转柔性支撑结构包括：柔性板、柔性杆、偏转块、电机和固定板；三个或四个柔性板分别沿偏转块旋转轴的切线方向均匀分布固定在固定架上，柔性杆则在偏转块的轴向方向固定在固定架上；电机与偏转块连接。本发明把高阶模态设计的很高，克服了低阶和高阶间的模态耦合。本发明结构简单、紧凑、安装方便，且偏转精度高。

Description

无模态耦合两轴偏转柔性支撑结构

技术领域

本发明涉及一种在地球观测、天文望远、运载工具、激光通信和光电跟踪设备等光电系统中的精密跟踪仪器，以及在纳米级机床、动力调谐陀螺等精密仪器中的高精度、高带宽角位移控制器。

背景技术

在天文望远的干涉成像中为抑制由于大气湍流引起的恒星光在很宽频带范围内的抖动，在激光通信系统中为保证长距离传输(数百公里)的准确性，在移动式跟踪设备中为抑制飞机、舰船和火箭等运载工具所带来的高频大幅抖动等等，都要用到对系统两个方向角误差的实时测量、实时控制。为达到干涉成像，抑制系统运载工具所带来的高频大幅抖动，保证系统的精密定位往往需要角位移控制器在较大的矫正范围(几度或几十分)内达到极高的闭环精度一微弧度量级，亚微弧度量级，甚至纳弧度量级，同时要求角位移控制器闭环带宽(-3db)达到几百赫兹，甚至几千赫兹。

目前这类系统有采用压电陶瓷作为支撑直接驱动偏转块实现两轴偏转的，有采用柔性支撑和传统运动副结合支撑结构，也有只使用柔性支撑作为支撑实现两轴偏转的。柔性支撑的特性反映出与传统的运动副有很大的不同，柔性支承有着结构紧凑，无摩擦，无间隙，以及高分辨率等特点。在上述高精度微定位系统中采用的多自由度柔性铰链的运动位移在几毫米和几微米，几度和几十分的范围内，但其分辨率、定位精度和重复定位精度在纳米，纳弧度量级的范围内。因此，柔性支撑以其高精度、无摩擦、无间隙在是两轴偏转结构起着非常重要的作用。

但是，柔性支撑结构如果设计不合理，例如：两偏转方向间的不正交，在除使用自由度外的其它某个或某些方向的支撑刚度低，高阶振动模态与低级振动模态间的耦合等，这些影响了系统整体性能，制约系统精度的提高，也就是说限制了整机的性能和精度。图1所示的是美国的高精度两轴偏转FSM，虽然该系统的闭环精度很高，但是该结构在横向的支撑刚度低，即横向模态低，在系统控制带宽范围内。图2所示的是美国HABE实验室设计的两轴偏转柔性支撑结构，三根柔性杆支撑在偏转块侧面，但是这种柔性支撑在平移方向上的支撑刚度很低，使得偏转块在镜面平面上的平移模态很低，也在系统控制带宽范围内。图3也是一种两轴偏转柔性支撑结构，现在国内外都有使用这种结构的系统，图4就是基于这种柔性支撑设计的两轴偏转机构，ESO系统的快速反射镜；但是图3所示的柔性支撑结构在绕图所示的坐标系的Z轴的旋转刚度较低，使得系统很容易在控制带宽范围内存在模态耦合。图5所示的是BEI公司设计的两轴偏转柔性支撑结构，虽然这种结构在很宽的范围内没有模态耦合，但是该结构的尺寸大，所占空间很大，且加工比较复杂，特别是在偏转块尺寸很大时，该结构所需空间更大，不利于减小系统的空间尺寸。长春光机所设计的两轴偏转柔性支撑结构也是模仿了BEI公司的这种结构。

因此，可以这样说柔性支撑在高精度、高带宽系统中起着决定性的作用，而柔性支撑的不合理结构中存在的高阶振动模态与低级振动模态间的耦合使得设计的结构中产生了谐振与反谐振，导致结构对象的动力学特性过于复杂，从而控制系统随之变得更加复杂，并且，由于耦合的不确定性，耦合程度随振动环境变化而变化将导致对象动力学特性的变化，使得控制系统失稳，这些就制约了系统精度的提高，限制了系统带宽的增加。

虽然目前国内、国外使用的两轴偏转柔性支撑结构很多，高精度、高带宽系统中使用两轴偏转柔性支撑结构也很多，但是这些柔性支撑结构在除使用自由度外的其它某个或某些方向的支撑刚度低，高阶振动模态与低级振动模态间的耦合以及结构尺寸大的问题。目前国内、国外未见此种无模态耦合两轴偏转柔性支撑结构的报道。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对上述现有技术的不足，提供一种无模态耦合两轴偏转柔性支撑结构，该结构能够提供两轴偏转的柔性支撑，且支撑刚度很低，所需偏转力矩很小，并且该结构在除偏转方向外的其它方向的支撑刚度很高，使得系统在设计范围内无模态耦合，有效降低了结构对象动力学特性的复杂度和控制系统的复杂程度，利于系统稳定和带宽提高。

本发明的技术解决方案是：无模态耦合两轴偏转柔性支撑结构，其特征在于包括：柔性板、柔性杆、偏转块和电机；三个或四个柔性板分别沿偏转块旋转轴的切线方向均匀分布固定在固定架上，柔性杆则在偏转块的轴向方向固定在固定架上；电机与偏转块连接。

所述的柔性板为厚0.02～4mm，短边宽3～10mm，长边宽度27～90mm的梯形柔性板。

所述的柔性杆为直径0.1～6mm的圆柱杆。

所述的偏转块可以是反射镜，也可以是支架，这样就使得偏转块能在较小的作用力下偏转较大的角度。

本发明的原理是：柔性板支撑于偏转块侧面，提供给在水平方向极高的平移支撑刚度，同时在旋转方向的也给予偏转块很高的支撑刚度，但是在所需的偏转方向上的支撑刚度很低；柔性杆支撑于偏转块中心轴线方向上，提供了偏转块在轴向方向教高的支撑刚度，同时在所需偏转方向上的支撑刚度也很低，这样在复合柔性支撑的作用下偏转块在除偏转方向外的支撑刚度都极高，降低系统的耦合程度。

本发明与已有技术相比具有以下优点：系统高阶模态的谐振频率很高，低阶模态的谐振频率很低，系统的高阶模态的谐振频率设计在系统带宽范围外。本发明结构简单、紧凑、安装方便，且偏转精度高，无模态耦合。该结构在偏转块结构尺寸大，质量重时也能把模态耦合控制在系统带宽范围外。

附图说明

图1为美国的高精度两轴偏转FSM结构示意图；

图2为美国HABE实验室设计的两轴偏转柔性支撑结构示意图；

图3为现有的一种两轴偏转柔性支撑结构示意；

图4为现有的基于这种柔性支撑设计的两轴偏转机构示意图；

图5为BEI公司设计的两轴偏转柔性支撑结构示意图；

图6为本发明采用的由4个梯形柔性板组成的无模态耦合两轴偏转柔性支撑结构俯视图；

图7为本发明采用的由4个梯形柔性板组成的无模态耦合两轴偏转柔性支撑结构主视图；

图8为本发明采用的由3个梯形柔性板组成的无模态耦合两轴偏转柔性支撑结构俯视图；

图9为本发明采用的由3个梯形柔性板组成的无模态耦合两轴偏转柔性支撑结构俯视图；

图10为本发明中的梯形柔性板结构示意图；

图11为本发明中的柔性杆结构示意图。

图中，1.梯形柔性支撑；2.柔性杆；3.固定架；4.偏转块；5.底板；6.电机。

具体实施方式

如图6、7所示为本发明由四个梯形柔性板1、柔性杆2、四个固定架3、偏转块4、底板5、电机6组成。四个梯形柔性板1分别固定在四个固定架3上，固定架3刚性固连在底板5上，底板5固定在平台上，电机6的定子安装在底板5上，动子安装在偏转块4，动子施加作用力于偏转块4上实现偏转块的偏转。梯形柔性板1结构尺寸：厚度0.2～0.6mm，梯形板短边宽度约4mm，长边宽度约36mm，高度约40mm。这样的四个柔性板1分别安装在偏转块4侧面的切线方向上，就为偏转块4提供了沿X轴、Y轴很高的平移刚度及绕Z轴很高的转动刚度，同时偏转块4绕X轴和Y轴转动的刚度很低，但是此时偏转块4在沿Z轴方向的平移刚度很低；柔性杆2在沿Z轴方向固定在偏转块中心，且柔性杆2另一段则固定在底板5上，柔性杆2直径约2.5mm、长度约30mm。此时柔性杆2就为偏转块4提供了较高的Z轴方向的平移刚度，并且因柔性杆2在绕X轴和Y轴转动的刚度很低，所以柔性杆2的增加对偏转块4绕X轴和Y轴转动刚度的影响较小，这样就实现了偏转块4绕X轴和Y轴的偏转。

在控制偏转块4绕X轴和Y轴的偏转的耦合时，需在设计加工时提高安装梯形柔性板1位置相互间的垂直度，以尽量减小偏转块4绕X轴和Y轴偏转间的耦合。

系统工作时，控制电机6的前后运动，驱动偏转块偏转，实现了两轴偏转，由于该结构在除偏转方向外的其它方向上的支撑刚度很高，控制带宽内无模态耦合，降低了控制系统的复杂程度，实现了高带宽和高精度。

如图8、9所示为本发明由三个梯形柔性板1、柔性杆2、三个固定架3、偏转块4、底板5和电机6组成。三个梯形柔性板1分别均匀分布固定在三个固定架3上，每个固定架3刚性固连在底板5上，底板5固定在平台上，电机6的定子安装在底板5上，动子安装在偏转块4，动子施加作用力于偏转块4上实现偏转块的偏转。梯形柔性板1结构尺寸：厚度0.3～0.7mm，梯形板短边宽度约4mm，长边宽度约36mm，高度约40mm。这样的三个柔性板分别安装在偏转块4侧面的切线方向上，这样三个梯形柔性板1就为偏转块4提供了沿X轴，Y轴很高的平移刚度以及绕Z轴很高的转动刚度，同时偏转块4绕X轴和Y轴转动的刚度很低，但是此时偏转块4在沿Z轴方向的平移刚度很低；柔性杆2在沿Z轴方向固定在偏转块中心，且柔性杆2另一段则固定在底板5上，柔性杆2直径约2.5mm、长度约30mm，此时柔性杆2就为偏转块4提供了较高的Z轴方向的平移刚度，并且因柔性杆2在绕X轴和Y轴转动的刚度很低，所以柔性杆2的增加对偏转块4绕X轴和Y轴转动刚度的影响较小，这样就实现了偏转块4绕X轴和Y轴的偏转，且系统在其它方向上的支撑刚度也很高。

如图10所示，三个安装件7、8、9是该柔性板的安装固定部分，安装件9固定在偏转块4上，安装件7固定在固定架3上，安装件8是该柔性板1的核心部分，它实现了柔性板1的主要功能一为偏转块4提供了沿X轴、Y轴很高的平移刚度及绕Z轴很高的转动刚度，并且偏转块4绕X轴和Y轴转动的刚度很低。

如图11所示，安装件10、11和12是柔性杆2的安装固定部分，安装件10固定在偏转块4上，安装件12固定在固定架3上，安装件11是柔性杆2的核心部分，它实现了柔性杆2的主要功能一为偏转块4提供了较高的Z轴方向的平移刚度，并且偏转块4绕X轴和Y轴转动的刚度很低。

在图6、图7，或图8、图9所示的无模态耦合两轴偏转柔性支撑结构中，当去掉柔性杆2时，偏转块4就能实现绕X轴的偏转，绕Y轴的偏转以及实现偏转块沿Z轴方向的平移。在这种结构中，四个或三个柔性板1分别安装在偏转块4侧面的切线方向上，为偏转块4提供了沿X轴、Y轴很高的平移刚度及绕Z轴很高的转动刚度，同时偏转块4绕X轴和Y轴转动的刚度很低，但是此时由于柔性板1在沿Z轴方向的平移刚度很低，使得偏转块4在沿Z轴方向的平移刚度也很低，即是说，偏转块4可以沿Z轴方向上下平移，且偏转块4沿Z轴方向上下平移的分辨率很高，这种柔性支撑的分辨率将达到纳米级，这可以精密控制和补偿光学系统的光程差，在干涉成像系统中有着特别重要的作用。

Claims

1.无模态耦合两轴偏转柔性支撑结构，其特征在于包括：柔性板、柔性杆、偏转块和电机；三个或四个柔性板分别沿偏转块旋转轴的切线方向均匀分布固定在固定架上，柔性杆则在偏转块的轴向方向固定在固定架上；电机与偏转块连接。

2.根据权利要求1所述的无模态耦合两轴偏转柔性支撑结构，其特征在于：所述的柔性板为厚0.02～4mm、短边宽3～10mm、长边宽度27～90mm的梯形柔性板。

3.根据权利要求1所述的无模态耦合两轴偏转柔性支撑结构，其特征在于：所述的柔性杆为直径0.1～6mm的圆柱杆。

4.根据权利要求1所述的无模态耦合两轴偏转柔性支撑结构，其特征在于：所述的固定架上刚性固连在底板上，底板固定在平台上。

5.根据权利要求1所述的无模态耦合两轴偏转柔性支撑结构，其特征在于：所述的偏转块为反射镜或支架。

6.根据权利要求1或4所述的无模态耦合两轴偏转柔性支撑结构，其特征在于：所述的电机的定子安装在底板上，动子安装在偏转块上。

7.无模态耦合两轴偏转柔性支撑结构，其特征在于包括：柔性板、偏转块和电机；三个或四个柔性板分别沿偏转块旋转轴的切线方向均匀分布固定在固定架上；电机与偏转块连接。

8.根据权利要求7所述的无模态耦合两轴偏转柔性支撑结构，其特征在于：所述的柔性板为厚0.02～4mm、短边宽3～10mm、长边宽度27～90mm的梯形柔性板。

9.根据权利要求7所述的无模态耦合两轴偏转柔性支撑结构，其特征在于：所述的固定架上刚性固连在底板上，底板固定在平台上。

10.根据权利要求1或4所述的无模态耦合两轴偏转柔性支撑结构，其特征在于：所述的电机的定子安装在底板上，动子安装在偏转块上。