CN104360455A - 一种空间遥感相机反射镜柔性虎克铰支撑机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于空间遥感相机反射镜的柔性虎克铰支撑机构，其结构包括：主体十字框架，双边铰链安装盖，上支撑座，下支撑座，单边铰链安装盖，柔性铰链，该机构使用四个三段式圆柱形柔性铰链，通过同轴对称的‘十’字布置形成虎克铰，实现镜面的两维转动。本系统的优点是：本机构的两维转动中心位于同一平面上，避免转动过程中被支撑镜体在两维方向上产生轴线漂移现象；使用柔性铰链可以消除摩擦，无润滑，无间隙，运动精度高，重复性好；采用对称的布局方式，消除附加位移，实现运动的平稳性。

Description

一种空间遥感相机反射镜柔性虎克铰支撑机构

技术领域：

一种空间遥感相机反射镜柔性虎克铰支撑机构，属于空间遥感技术领域中应用的一种反射镜中心支撑机构。 

背景技术：

在整个空间遥感领域的实际应用中，对实现小范围内偏转的支撑结构，不仅提出了高分辨率的要求，还要求结构上具有微小型化的要求。人们在经过对各类型的柔性支撑实验探索后，逐步开发出体积小、无机械摩擦、无间隙、运动灵活的柔性铰链。 

柔性铰链机构利用了弹性元件微小变形及其自回复的特性，消除了传动过程中的空程和机械摩擦，能获得超高的位移分辨率。随后，柔性铰链被广泛的应用于陀螺仪、加速度计、精密天平、导弹控制等仪器仪表中，并获得了前所未有的高精度和稳定性。柔性铰链用于绕轴作复杂运动的有限角位移，它的特点是：无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高。 

在空间遥感领域中，反射镜作为光学系统中的主要的光学元件占有十分重要的地位，其精度直接决定了整个光学系统的成像质量。而反射镜的支撑则是影响反射镜精度的关键因素，它的合理性直接决定的整个结构的整个系统的稳定性。因此在其支撑方式中加入一些柔性环节就很有必要。 

专利号CN201110046266.6公开了一种空间遥感器大口径反射镜球铰支撑机构，该结构在球铰四周均匀分布了四个L形沟槽，该设计有效的增加了弹性释放环节，降低了装配应力以及热应力对面形精度的影响，但是球铰自身存在 着许多非线性问题、装配要求极高，并且在极端工作环境下，球铰长时间工作易发生磨损、蠕变等病害，会对整个光学系统产生不可逆变的精度损耗。 

专利号CN201120469256.9公开了一种新型大行程柔性虎克铰，该虎克铰采用的柔性元件为簧片，可以二维输出较大的转动行程，但是由于运动过程中该虎克铰两维运动会发生耦合，簧片在运动时，自身的弯曲势必造成另外一维簧片的扭转，直接影响另外一维的运动稳定性，也会造成运动轴心的漂移此专利可应用于中等精度的工作环境，对于空间遥感领域的高精度的要求，此设计尚需进一步改进。 

发明内容

本发明公开了一种空间遥感相机反射镜柔性虎克铰支撑机构，用于实现空间反射镜的二维精细摆动，为高精度的空间反射镜支撑提供一种有效的技术途径。 

一种空间遥感相机反射镜柔性虎克铰支撑机构，其结构包括：主体十字框架1，双边铰链安装盖2，上支撑座3，下支撑座4，单边铰链安装盖5，柔性铰链6，其中： 

所述的主体十字框架1材料为钛合金，有四个相同的单元构成，四个单元上下、左右对称分布呈现为一个‘十’字对称结构，所述的单元结构为矩形中空结构，两端开有劣弧槽，圆弧半径等于柔性铰链6的半径，劣弧槽宽度等于柔性铰链6两端的宽度，每个劣弧槽两端开有螺纹孔； 

所述的双边铰链安装盖2为钛合金材料，整体结构为一个梯形块，梯形块两个下底角进行倒角处理，且下底边开有劣弧槽，圆弧半径大小等于柔性铰链6的半径，劣弧槽宽度等于柔性铰链6中间段的宽度，上底面中心线处开有两个紧钉螺纹孔，劣弧槽的两端各开有两个沉头孔； 

所述的上支撑座3和下支撑座4结构相同，材料均为钛合金，结构主体为中心一块矩形板，上端为一个圆柱凸台，凸台上开有螺纹孔，用于整个机构与上下部分的连接接口，且在凸台径向位置开有紧定螺纹孔；在凸台上开有两个线切割的槽，用于释放支撑座非转动维度的扭转，中心板的下端两侧各有一个矩形块，每个矩形块的下底边开有劣弧槽，圆弧半径大小等于柔性铰链6的半径，劣弧槽宽度等于柔性铰链6中间段的宽度，每个劣弧槽两端均开有两个螺纹孔，且两个劣弧槽同轴； 

所述的单边铰链安装盖5为钛合金材料，整体结构为一个梯形块，梯形块两个下底角进行倒角处理，且在下底边开有劣弧槽，圆弧半径大小等于柔性铰链6的半径，劣弧槽宽度等于柔性铰链6两端的宽度，劣弧槽的两端各开有一个沉头孔； 

主体十字框架1通过与8个单边铰链安装盖5螺纹连接来固定四个柔性铰链6的两端；上支撑座3、下支撑座4分别通过与两个双边铰链安装盖2螺钉连接来固定同轴的两个柔性铰链的中间段；上支撑座3固定主体十字框架1一个方向的两个柔性铰链6，下支撑座4固定主体十字框架1垂直方向的两个柔性铰链6，通过柔性铰链6的串联，使所有零件组装为一个整体，上支撑座3有与镜体法兰的连接接口螺纹以及紧定螺纹孔，下支撑座4加工有与底部支撑连接的接口螺纹以及紧定螺纹孔。 

所述的主体十字框架1中每个单元两端的劣弧槽的半径尺寸精度为H7，圆心高出弦平面0.25mm。 

所述的双边铰链安装盖2中下底边上的劣弧槽的半径尺寸精度为H7，圆心低于安装盖下底面0.25mm。 

所述的上支撑座3和下支撑座4下底边上的劣弧槽的半径尺寸精度为H7， 圆心低于支撑座下底面0.25mm。 

所述的单边铰链安装盖5下底边上的劣弧槽的半径尺寸精度为H7，圆心安装盖低于下底面0.25mm。 

整个机构的工作原理如下：当镜面发生平行于其中一维轴线的微转动时，由主体十字框架与单边铰链安装盖固定的铰链两端保持固定，上(下)支撑座连同双边铰链安装盖固定的铰链中段相对铰链两端发生扭转，转动过程中，转动轴线始终保持不变；当镜面为任意方向的轴线进行两维微转动时，转动将会被垂直的两维铰链中心轴线所分解，由主体十字框架连同单边铰链安装盖固定的铰链两端仍保持固定，上(下)支撑座连同双边铰链安装盖固定的铰链中段分别相对各自的铰链两端发生扭转，整个转动过程中，两条垂直的中轴线交点保持不变，即转动中心保持不变。整个运动过程中不存在任何轴线漂移现象。 

本空间遥感相机反射镜柔性虎克铰支撑机构与现有的技术相比，具有以下优点及有益效果： 

本发明的两维虎克铰在运动过程中始终保持状态稳定，两维转动之间不会产生耦合，始终满足装配时的精度要求，运动过程中不会产生轴线的漂移； 

完全使用柔性铰链作为支撑环节，避免使用传统球铰所带来的磨损，粘滞以及静态阻力等误差，使整个系统运动无摩擦，精度高，分辨率高等优点； 

本结构具有较强的可装配互换性能，其各个部件包括柔性铰链可以根据实际需要进行更换，并且装调后不会对机构的精度产生影响； 

采用对称的布局方式，可以有效的消除附加位移，保证运动的稳定性； 

本机构在两维工作方向上具有很高的精度，同时在非功能方向上也具有很好的刚度，可承受一定的载荷； 

整个铰链的刚度，转角量程等都是可以通过实际需求进行设计，故具有较 大的应用范围。 

附图说明：

图1是空间遥感相机反射镜柔性虎克铰支撑机构示意图，图中标号如下所示： 

1主体十字框架、2双边铰链安装盖、3上支撑座、4下支撑座、5单边铰链安装盖、6柔性铰链。 

图2是空间遥感相机反射镜柔性虎克铰支撑机构俯视图。 

图3是支撑机构主体十字框架结构图。 

图4是双边铰链安装盖。 

图5是支撑结构上、下支撑座结构图。 

图6是单边铰链安装盖。 

图7是柔性铰链示意图。 

具体实施方式：

为更好理解本发明，下面结合附图对本结构座进一步的说明，但是，本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表示的范围。 

如图1、2、3、4、5、6、7所示，一种空间遥感相机反射镜两维柔性虎克铰支撑机构主要包括：主体十字框架、双边铰链安装盖、上支撑座、下支撑座、单边铰链安装盖以及柔性铰链组成。 

主体十字框架材料为钛合金，整体形状为一个‘十’字对称结构，每个单元均为矩形中空结构，两端开有劣弧槽，圆弧半径等于柔性铰链的半径，精度为H7，圆心高出弦平面0.25mm，劣弧槽宽度等于柔性铰链两端的宽度，每个劣弧槽两端开有螺纹孔，四个单元分别固联在中心方板的上下左右，结构呈‘十’字分布，同一方向的四个劣弧槽同轴，两个方向的劣弧槽轴线呈‘十’ 字；同轴的两个铰链的支承座的同轴度的要求用于保证在转动过程中避免多余应力的出现；两维支承座的轴线一定要在同一个平面上，确保转动过程中不会出现中心的漂移；需要进行两维刚度计算；还需要进行轻量化设计。 

双边铰链安装盖材料为钛合金，整体结构为一个梯形块，且下底边开有劣弧槽，圆弧半径大小等于柔性铰链的半径，精度为H7，圆心低于下底面0.25mm，劣弧槽宽度等于柔性铰链中间段的宽度，上底面中心线处开有两个紧钉螺纹孔，劣弧槽的两端各开有两个沉头孔。 

为了降低加工设计复杂度，此设计中，下支撑座与上支撑座为相同的材料以及结构形式，结构主体为中心一块矩形板，上端为一个圆柱凸台，凸台上开有螺纹孔，用于整个机构与上下部分的连接接口，且在凸台径向位置开有紧定螺纹孔；在凸台上开有两个线切割的槽，用于释放支撑座非转动维度的扭转，中心板的下端两侧各有一个矩形块，每个矩形块的下底边开有劣弧槽，圆弧半径大小等于柔性铰链(6)的半径，精度为H7，圆心低于下底面0.25mm，劣弧槽宽度等于柔性铰链(6)中间段的宽度，每个劣弧槽两端均开有两个螺纹孔，且两个劣弧槽同轴，两劣弧槽间隔为主体十字框架中心方板的宽度与柔性铰链整体宽度的总和，以保证两边铰链不产生空间干涉，整个支撑座矩形板的厚度要满足垂直于轴线的另一维的刚度。 

所述的单边铰链安装盖材料为钛合金，整体结构为一个梯形块，且在下底边开有劣弧槽，圆弧半径大小等于柔性铰链的半径，精度为H7，圆心低于下底面0.25mm，劣弧槽宽度等于柔性铰链两端的宽度，劣弧槽的两端各开有一个沉头孔。 

根据整体结构的刚度需求，我们选择riverhawk公司的6000系列铰链，该柔性铰链为圆柱形铰链，柔性铰链外圆柱面分为三段，两端部分内部相连为一 个运动整体，与中间部分通过簧片弯曲发生相互运动，且每个侧端的宽度约为中间段的一半。 

整个机构零件的连接方式为：主体十字框架通过与8个单边铰链安装盖螺纹连接来固定四个柔性铰链的两端；上、下支撑座分别通过与两个双边铰链安装盖螺纹连接来固定同轴的两个柔性铰链的中间段；上支撑座固定主体十字框架一个维度的两个柔性铰链，下支撑座支承固定主体十字框架另一维度的两个铰链，通过柔性铰链的串联，使所有零件组装为一个整体；上支撑座有与镜体法兰的连接接口螺纹以及紧定螺纹孔，下支撑座加工有与底部支撑连接的接口螺纹以及紧定螺纹孔。 

整个机构的工作原理如下：当镜面发生平行于其中两个铰链中心轴线的微转动时，由主体十字框架与单边铰链安装盖固定的铰链两端保持固定，上(下)支撑座连同双边铰链安装盖固定的铰链中段相对铰链两端发生扭转，转动过程中，转动轴线始终保持不变；当镜面为任意方向的轴线进行两维微转动时，转动将会被垂直的两维铰链中心轴线所分解，由主体十字框架连同单边铰链安装盖固定的铰链两端仍保持固定，上(下)支撑座连同双边铰链安装盖固定的铰链中段分别相对各自的铰链两端发生扭转，整个转动过程中，两条垂直的中轴线交点保持不变，即转动中心保持不变。整个运动过程中不存在任何轴线漂移现象。 

为保证虎克铰两维运动的一致性，本发明中采用的4个同等型号的柔性铰链座为同样的刚度结构设计。 

结构中所有的连接方式均为螺纹连接，为保证连接可靠性，螺纹连接时须涂抹防松胶。 

为满足使用环境对机构的精度要求，本设计过程中，各部件要严格满足以 下加工装配要求： 

包括单(双)边铰链安装盖以及所有铰链安装接触面都要保证圆柱度IT7的要求。 

上支撑座(下支撑座)铰链安装处的同轴度IT7要求。 

主体十字框架上同一维度铰链安装处的同轴度IT7要求。 

铰链中心架上两维轴线垂直度IT7的要求。 

铰链中心架上两维轴线平面度IT7的要求。 

同一维上，两侧铰链安装处的对称度IT7要求。 

Claims (5)

1.一种空间遥感相机反射镜柔性虎克铰支撑机构，其结构包括：主体十字框架(1)，双边铰链安装盖(2)，上支撑座(3)，下支撑座(4)，单边铰链安装盖(5)，柔性铰链(6)，其特征在于：

所述的主体十字框架(1)材料为钛合金，有四个相同的单元构成，四个单元上下、左右对称分布呈现为一个‘十’字对称结构，所述的单元结构为矩形中空结构，两端开有劣弧槽，圆弧半径等于柔性铰链(6)的半径，劣弧槽宽度等于柔性铰链(6)两端的宽度，每个劣弧槽两端开有螺纹孔；

所述的双边铰链安装盖(2)为钛合金材料，整体结构为一个梯形块，梯形块两个下底角进行倒角处理，且下底边开有劣弧槽，圆弧半径大小等于柔性铰链(6)的半径，劣弧槽宽度等于柔性铰链(6)中间段的宽度，上底面中心线处开有两个紧钉螺纹孔，劣弧槽的两端各开有两个沉头孔；

所述的上支撑座(3)和下支撑座(4)结构相同，材料均为钛合金，结构主体为中心一块矩形板，上端为一个圆柱凸台，凸台上开有螺纹孔，用于整个机构与上下部分的连接接口，且在凸台径向位置开有紧定螺纹孔；在凸台上开有两个线切割的槽，用于释放支撑座非转动维度的扭转，中心板的下端两侧各有一个矩形块，每个矩形块的下底边开有劣弧槽，圆弧半径大小等于柔性铰链(6)的半径，劣弧槽宽度等于柔性铰链(6)中间段的宽度，每个劣弧槽两端均开有两个螺纹孔，且两个劣弧槽同轴；

所述的单边铰链安装盖(5)为钛合金材料，整体结构为一个梯形块，梯形块两个下底角进行倒角处理，且在下底边开有劣弧槽，圆弧半径大小等于柔性铰链(6)的半径，劣弧槽宽度等于柔性铰链(6)两端的宽度，劣弧槽的两端各开有一个沉头孔；

主体十字框架(1)通过与8个单边铰链安装盖(5)螺纹连接来固定四个柔性铰链(6)的两端；上支撑座(3)、下支撑座(4)分别通过与两个双边铰链安装盖(2)螺钉连接来固定同轴的两个柔性铰链的中间段；上支撑座(3)固定主体十字框架(1)一个方向的两个柔性铰链(6)，下支撑座(4)固定主体十字框架(1)垂直方向的两个柔性铰链(6)，通过柔性铰链(6)的串联，使所有零件组装为一个整体，上支撑座(3)有与镜体法兰的连接接口螺纹以及紧定螺纹孔，下支撑座(4)加工有与底部支撑连接的接口螺纹以及紧定螺纹孔。

2.根据权利要求1所述的一种空间遥感相机反射镜柔性虎克铰支撑机构，其特征在于：所述的主体十字框架(1)中每个单元两端的劣弧槽的半径尺寸精度为H7，圆心高出弦平面0.25mm。

3.根据权利要求1所述的一种空间遥感相机反射镜柔性虎克铰支撑机构，其特征在于：所述的双边铰链安装盖(2)中下底边上的劣弧槽的半径尺寸精度为H7，圆心低于安装盖下底面0.25mm。

4.根据权利要求1所述的一种空间遥感相机反射镜柔性虎克铰支撑机构，其特征在于：所述的上支撑座(3)和下支撑座(4)下底边上的劣弧槽的半径尺寸精度为H7，圆心低于支撑座下底面0.25mm。

5.根据权利要求1所述的一种空间遥感相机反射镜柔性虎克铰支撑机构，其特征在于：所述的单边铰链安装盖(5)下底边上的劣弧槽的半径尺寸精度为H7，圆心安装盖低于下底面0.25mm。