CN104280858B - 一种大口径反射镜用背部柔性支撑装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种大口径反射镜用背部柔性支撑装置，所述的支撑装置包括大口径反射镜、镜片背板、支撑板、转接板、螺杆、柔铰支链、滑动柔铰支座、柔铰连杆、驱动系统。三个柔铰支链与转接板一起构成的组合铰链约束了大口径反射镜的三个平动自由度，滑动柔铰支座的柔铰块与驱动系统一起实现大口径反射镜的俯仰和偏转运动，锁紧驱动系统时，约束大口径反射镜的两个转动自由度，柔性连杆约束大口径反射镜的面内旋转自由度。本发明采用柔性铰链结构作为大口径反射镜的支撑定位机构，具有纳米级的定位精度，通过对其柔度和运动精度的匹配设计，保证结构的稳定性和精度稳定性。本发明具有结构简单、运动平稳、无摩擦、无间隙、无需润滑、运动灵敏度高的优点。
Description
技术领域
本发明属于精密光机领域，具体涉及一种大口径反射镜用背部柔性支撑装置。
背景技术
为了保证各种科学装置中反射光束的质量和能量,对于反射镜的镜面变形有着苛刻的要求。同时,大口径反射镜的结构厚重、造价昂贵以及位置精度要求精确使得其定位调整结构必须精密且可靠，稳定性高，整体结构还需满足紧张的安装空间要求。
传统的大口径反射镜多采用周圈夹持的支撑方式，镜片与金属框架间设置橡胶垫片，避免硬接触的同时补偿一部分镜面变形，这种结构中镜片可以得到一个刚性好的边缘保护，其缺点是倾斜放置镜片中心区域的面形变化较大，影响传输光束的质量和能量。同时，由于周圈夹持的镜框体积较大，对于径向空间紧张的位置安装困难，无法实现镜片的阵列式安装。
发明内容
为了克服已有技术中不能完全满足光学元件的面形精度要求和径向体积较大的不足，本发明提供一种大口径反射镜用背部柔性支撑装置。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
本发明的大口径反射镜用背部柔性支撑装置，其特点是，所述的支撑装置包括大口径反射镜、用于安装大口径反射镜的镜片背板、驱动系统、用于安装驱动系统的支撑板、转接板、柔铰支链、柔铰连杆，用于连接大口径反射镜、镜片背板、转接板的螺杆，其中，驱动系统包括伺服电机、波纹管联轴器、角接触珠轴承、直线丝杆、直线滚珠导套、滑动柔铰支座；其连接关系是，所述的驱动系统中的伺服电机通过波纹管联轴器、角接触珠轴承与直线丝杆连接，直线丝杆通过直线滚珠导套与滑动柔铰支座连接；所述大口径反射镜背部开有三个盲孔，镜片背板与大口径反射镜之间通过螺杆连接，螺杆端部与大口径反射镜盲孔粘接；所述支撑板与镜片背板平行设置，转接板、三个柔铰支链、柔铰连杆、滑动柔铰支座位于支撑板与镜片背板之间，柔铰支链一端与转接板的一端螺接，另一端与支撑板螺接，转接板的另一端与镜片背板螺接，柔铰支链的中轴线与大口径反射镜法线之间有一夹角；所述柔铰连杆与支撑板、镜片背板分别螺接；所述驱动系统一端通过滑动柔铰支座与镜片背板之间螺接，驱动系统中部与支撑板螺接。
所述大口径反射镜与地面成任意角度放置。
所述大口径反射镜背部设置的三个盲孔的位置由力学计算得出，呈等腰三角形排布。
所述三个柔铰支链之间夹角均为120°；每个柔铰支链中轴线与大口径反射镜镜面法线之间的夹角均为60°。
所述三个柔铰支链之间的中轴线交点在大口径反射镜的中性面。
所述螺杆与大口径反射镜之间的粘接材料为室温硫化硅橡胶。
所述螺杆、镜片背板采用铟钢材料制作；所述铰支链、柔铰块、柔铰连杆均采用钛合金或铍青铜制作。
所述柔铰支链、 柔铰块、柔铰连杆结构的具体切槽尺寸关系到大口径反射镜的稳定性和调节精度，根据力学计算得出。
本发明中采用柔性铰链结构形式的柔铰支链、 柔铰块、柔铰连杆结构作为大口径反射镜的支撑定位调节机构，具有纳米量级的定位精度，一体化成形的柔铰的弹性变形产生有限可控的精确运动，通过对其柔度和运动精度的匹配设计，保证结构的稳定性和精度稳定性。与大口径反射镜以及支撑板装配成一体后，作为一个整体单元结构实现在光学系统里的快速安装和更换，保证了安装和维修更换时的维修效率。整个结构具有简单、运动平稳、无摩擦、无间隙、无需润滑、运动灵敏度高、可靠性高的优点。同时采用电动驱动系统作为大口径反射镜的驱动系统，在结构安装于光学系统后实现在线的俯仰和偏转两维精确调整，保证了光学系统的洁净要求，便于快速实现大规模的安装调试工作。
附图说明
图1是本发明的大口径反射镜用背部柔性支撑装置的结构示意图；
图2是图1中的A向视图；
图3是图1中的B向视图；
图4是本发明中的三个柔铰支链与转接板构成组合铰链的结构示意图；
图5是本发明中的柔铰连杆结构示意图；
图6是图2中的C向视图；
图7是本发明中的驱动系统结构示意图；
图中，1.大口径反射镜 2.镜片背板 3.转接板 4.柔铰支链 5.支撑板 6.滑动柔铰支座 7.驱动系统 8.柔铰连杆 9.螺杆 10.伺服电机 11.波纹管联轴器 12.角接触珠轴承 13.直线丝杆 14.直线滚珠导套。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
实施例1
图1是本发明的大口径反射镜用背部柔性支撑装置，图2是图1中A向视图（去除了支撑板5、驱动系统7），图3是图1中的B向视图（去除了转接板3、柔铰支链4），图7是本发明中的驱动系统结构示意图。在图1～图3、图7中，本发明的大口径反射镜用背部柔性支撑装置包括大口径反射镜1、用于安装大口径反射镜1的镜片背板2、驱动系统7、用于安装驱动系统7的支撑板5、转接板3、柔铰支链4、柔铰连杆8，用于连接大口径反射镜1、镜片背板2、转接板3的螺杆9，其中，驱动系统7包括伺服电机10、波纹管联轴器11、角接触珠轴承12、直线丝杆13、直线滚珠导套14、滑动柔铰支座6。其连接关系是，所述的驱动系统7中的伺服电机10通过波纹管联轴器11、角接触珠轴承12与直线丝杆13连接，直线丝杆13通过直线滚珠导套14与滑动柔铰支座6连接；所述大口径反射镜1背部开有三个盲孔，镜片背板2与大口径反射镜1之间通过螺杆9连接，螺杆9端部与大口径反射镜1盲孔粘接；所述支撑板5与镜片背板2平行设置，转接板3、三个柔铰支链4、柔铰连杆8、滑动柔铰支座6位于支撑板5与镜片背板2之间，柔铰支链4一端与转接板3的一端螺接，另一端与支撑板5螺接，转接板3的另一端与镜片背板2螺接，柔铰支链4的中轴线与大口径反射镜1法线之间有一夹角；所述柔铰连杆8与支撑板5、镜片背板2 分别螺接；所述驱动系统7一端通过滑动柔铰支座6与镜片背板2之间螺接，驱动系统7中部与支撑板5螺接。
所述大口径反射镜1与地面成任意角度放置。
所述大口径反射镜1背部设置的三个盲孔的位置由力学计算得出，呈等腰三角形排布。
所述三个柔铰支链4之间夹角均为120°；每个柔铰支链4中轴线与大口径反射镜1镜面法线之间的夹角均为60°。
所述三个柔铰支链4之间的中轴线交点在大口径反射镜1的中性面。
所述螺杆9与大口径反射镜1之间的粘接材料为室温硫化硅橡胶。
所述螺杆9、镜片背板2采用铟钢材料制作；
本实施例设置了三个柔铰支链, 柔铰支链4是其中一个；设置了两套驱动系统,驱动系统7是其中一个；柔铰支链4、滑动柔铰支座6、柔铰连杆8均采用钛合金制作。
图4是本发明中的三个柔铰支链与转接板构成组合铰链的结构示意图，三个柔铰支链中每个柔性支链由四个正交切槽的柔性单元组成，切槽宽度和剩余壁厚由力学计算得到，保证支撑装置刚度的同时，保证大口径反射镜1的反射镜面面变形。三个柔性支链4与转接板3构成一个三爪柔铰，三个柔铰支链4之间夹角为120°，每个柔铰支链4与大口径反射镜1镜面法线之间成60°夹角，三个柔铰支链4之间的中轴线交点在大口径反射镜1的中性面。
图5是本发明中的柔铰连杆结构示意图，图5中，柔铰连杆8由四个正交切槽的柔性单元构成。
图6是图2中的C向视图，显示了大口径反射镜1、镜片背板2、转接板3、柔铰支链4、支撑板5、螺杆9之间的连接关系。
本发明中的柔铰支链4、滑动柔铰支座6中的柔铰块、柔铰连杆8的切槽后最小铰链厚度决定了整体结构的稳定性和运动精度，切槽宽度限制了转动的最大极限位置，保证结构不会过度弯曲。
本发明中的大口径反射镜1的俯仰运动实现为：两个驱动系统7推动滑动柔铰支座6，使得大口径反射镜1绕过转接板3中心线、平行于镜片短边、镜片中性面三者相交的轴线做俯仰运动。
所述大口径反射镜1的偏转运动实现为：两个驱动系统7推动滑动柔铰支座6一前一后运动，使得大口径反射镜1绕镜片短轴中心面作偏转运动，同时柔性连杆8限制反射镜的面内旋转运动，保证偏转运动的运动精确性。
所述柔铰支链4、滑动柔铰支座6中的柔铰块、柔铰连杆8采用线切割的加工方法。
本发明的工作原理是：
本发明中的一个柔铰支链4约束一个轴向自由度，放开其它五个自由度，三个柔铰支链4与转接板3在一起构成组合铰链后，三个被约束的轴向自由度经坐标分解，变成约束大口径反射镜1的三个平动自由度，即组合铰链约束镜片的三个平动自由度，放开镜片的三个旋转自由度。滑动柔铰支座6与驱动系统7连接，每个滑动柔铰支座6中的柔铰块只约束其轴向自由度，可以补偿驱动方向上的微小偏移量，两个驱动系统7同进同退或一进一退实现大口径反射镜1的俯仰和偏转运动，调整结束后驱动锁紧，约束住大口径反射镜1的两个旋转自由度。大口径反射镜1的面内旋转由柔铰连杆8约束，柔铰连杆8的转动轴与大口径反射镜1的短轴中心面重合，使得大口径反射镜1的偏转运动始终与其短轴中心面重合。
由于柔铰材料适宜选用易于变形但不易于破坏的材料，即要求材料强度-刚度比足够大，柔铰选用钛合金制作。
为减小热应力，与反射镜直接接触的螺杆9和镜片背板2选择铟钢，其热膨胀系数与反射镜材料的热膨胀系数接近。
柔铰支链4、滑动柔铰支座6中的柔铰块、柔铰连杆8结构的具体切槽尺寸关系到大口径反射镜的稳定性和调节精度，根据力学计算结构得出。
实施例2
本实施例与实施例的结构相同，不同之处是，柔铰支链、滑动柔铰支座、柔铰连杆选用铍青铜制作。
Claims (7)
1.一种大口径反射镜用背部柔性支撑装置,其特征在于:所述的支撑装置包括大口径反射镜(1)、用于安装大口径反射镜(1)的镜片背板(2)、驱动系统（7）、用于安装驱动系统（7）的支撑板（5）、转接板（3）、柔铰支链（4）、柔铰连杆（8），用于连接大口径反射镜(1)、镜片背板(2)、转接板（3）的螺杆（9），其中，驱动系统(7)包括伺服电机（10）、波纹管联轴器（11）、角接触珠轴承（12）、直线丝杆（13）、直线滚珠导套（14）、滑动柔铰支座（6）；其连接关系是，所述的驱动系统(7)中的伺服电机（10）通过波纹管联轴器（11）、角接触珠轴承（12）与直线丝杆（13）连接，直线丝杆（13）通过直线滚珠导套（14）与滑动柔铰支座（6）连接；所述大口径反射镜(1)背部开有三个盲孔，镜片背板(2)与大口径反射镜(1)之间通过螺杆（9）连接，螺杆（9）端部与大口径反射镜(1)盲孔粘接；所述支撑板（5）与镜片背板(2)平行设置，转接板（3）、三个柔铰支链（4）、柔铰连杆（8）、滑动柔铰支座（6）位于支撑板（5）与镜片背板(2)之间，柔铰支链（4）一端与转接板（3）的一端螺接，另一端与支撑板（5）螺接，转接板（3）的另一端与镜片背板(2)螺接，柔铰支链（4）的中轴线与大口径反射镜(1)法线之间有一夹角；所述柔铰连杆（8）与支撑板（5）、镜片背板(2) 分别螺接；所述驱动系统（7）一端通过滑动柔铰支座（6）与镜片背板(2)之间螺接，驱动系统（7）中部与支撑板（5）螺接。
2.根据权利要求1所述的大口径反射镜用背部柔性支撑装置，其特征在于：所述大口径反射镜(1)与地面成任意角度放置。
3.根据权利要求1所述的大口径反射镜用背部柔性支撑装置，其特征在于：所述大口径反射镜(1)背部设置的三个盲孔的位置由力学计算得出，呈等腰三角形排布。
4.根据权利要求1所述的大口径反射镜用背部柔性支撑装置，其特征在于：所述三个柔铰支链（4）之间夹角均为120°；每个柔铰支链（4）中轴线与大口径反射镜(1)镜面法线之间的夹角均为60°。
5.根据权利要求1所述的大口径反射镜用背部柔性支撑装置，其特征在于：所述三个柔铰支链（4）之间的中轴线交点在大口径反射镜(1)的中性面。
6.根据权利要求1所述的大口径反射镜用背部柔性支撑装置，其特征在于：所述螺杆（9）与大口径反射镜（1）之间的粘接材料为室温硫化硅橡胶。
7.根据权利要求1所述的大口径反射镜用背部柔性支撑装置，其特征在于：所述螺杆（9）、镜片背板(2)采用铟钢材料制作；所述柔铰支链（4）、滑动柔铰支座（6）、柔铰连杆（8）均采用钛合金或铍青铜制作。
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