CN104536126B - 一种基于压电叠块的六自由度次镜调节机构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于同轴反射式望远镜调节机构领域，具体涉及一种基于压电叠块的六自由度次镜调节机构。该机构包括底板、调节单元和用于放置次镜的顶台；调节单元设置在底板和顶台之间，其特征在于：调节单元包括第一复合型柔性铰链、杠杆放大装置、固定框架、直梁型柔性铰链、压电叠块、以及第二复合型柔性铰链；第一复合型柔性铰链的一端与顶台连接，另一端与杠杆放大装置连接；杠杆放大装置通过直梁型柔性铰链与固定框架连接；压电叠块固定安装在固定框架内；第二复合型柔性铰链一端与固定框架连接，另一端与底板连接。通过使用该机构可实现次镜高精度定位和快速主动隔振的目的。
Description
技术领域
本发明属于同轴反射式望远镜调节机构领域，涉及一种次镜调节机构，具体涉及一种基于压电叠块的六自由度次镜调节机构。
背景技术
次镜调节机构是同轴反射式望远镜系统中的重要部件，次镜调节的高灵敏度和快速反应是望远镜系统成像质量的有效保证。作为调节机构的动力源，作动器(电机)的运动精度及响应频率对调节机构整体性能有着重要的影响。当望远镜处于未知环境中时，需要调节机构的快速响应以减小外界随机振动对望远镜成像的影响。
目前，人们大多采用直线步进电机作为次镜调节机构作动器。由于直线步进电机难以实现连续运动且其响应频率偏低，故基于直线步进电机的次镜调节机构难以实现高精度定位和快速主动隔振的目的。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提供一种可实现高精度定位和快速主动隔振的基于压电叠块的六自由度次镜调节机构。
本发明的具体技术方案是：
一种基于压电叠块的六自由度次镜调节机构，包括底板、调节单元和用于放置次镜的顶台；所述调节单元设置在底板和顶台之间，其特征在于：
所述调节单元包括第一复合型柔性铰链、杠杆放大装置、固定框架、直梁型柔性铰链、压电叠块、以及第二复合型柔性铰链；
所述第一复合型柔性铰链的一端与顶台连接，另一端与杠杆放大装置连接；所述杠杆放大装置通过直梁型柔性铰链与固定框架连接；所述压电叠块固定安装在固定框架内；所述第二复合型柔性铰链一端与固定框架连接，另一端与底板连接。
上述固定框架包括底梁以及与底梁垂直固连的直梁；所述直梁为四个且相互平行设置；所述压电叠块固定安装在中间两个直梁之间；所述直梁型柔性铰链为四个；所述杠杆放大装置通过四个直梁型柔性铰链与四个直梁连接。
上述杠杆放大装置包括相互平行设置的上连接板、第一平梁、第二平梁以及下连接板；
所述上连接板一端与第一复合型柔性铰链连接，另一端通过直梁型柔性铰链与第一平梁连接；所述第一平梁通过直梁型柔性铰链与第二平梁连接；所述下连接板一端通过直梁型柔性铰链与第二平梁连接，另一端与压电叠块连接。
上述第一复合型柔性铰链包括依次连接的第一偏转铰链、旋转铰链以及第二偏转铰链；
所述第一偏转铰链包括三个相互平行的第一薄片以及两个直梁型柔性铰链；所述两个直梁型柔性铰链分别固定在两个相邻的第一薄片之间；所述两个直梁型柔性铰链在同一平面投影相互垂直；
所述旋转铰链由两个完全相同方棱台及四块第二薄片组成；其中，一个方棱台底面与第一偏转铰链连接；另一个方棱台的底面与第二偏转铰链连接；所述两个完全相同的方棱台的顶面互不接触；所述两个完全相同方棱台的棱边均开设有凹槽；所述四块第二薄片通过凹槽将两个方棱台连接；
所述第一偏转铰链和第二偏转铰链的结构相同。
上述第二复合型柔性铰链与第一偏转铰链的结构相同。
上述调节单元有六个，六个调节单元在同一平面的投影构成一个六边形。
上述六边形为正六边形。
本发明的优点在于：
1、本发明采用压电叠块和杠杆放大装置的配合调节精度高，可实现连续运动的目的，且由于压电叠块的运动精度极高，将极大地提高次镜调节机构整体的调节精度；
2、本发明采用压电叠块作为作动器，响应频率高，由于压电叠块的高响应频率，将极大地提高次镜调节机构整体的调节精度，并可实现未知环境中对随机振动的主动隔振技术。
3、本发明采用直梁型柔性铰链连接运动精度高，可消除连接处的机械摩擦和运动间隙，容易得到较高的运动精度；
4、本发明的结构整体刚度高，使得次镜调节机构具有较高的整体刚度。
附图说明
图1为次镜调节机构示意图。
图2为调节单元机构部分结构示意图。
图3为柔性铰链示意图。
1-底板、2-调节单元、21-第一复合型柔性铰链、211-第一偏转铰链、2111-第一薄片、212-旋转铰链、2121-方棱台、2122-第二薄片、213-第二偏转铰链、22-杠杆放大装置、221-上连接板、222-第一平梁、223-第二平梁、224-下连接板、23-固定框架、231-底梁、232-直梁、24-直梁型柔性铰链、25-压电叠块、26-第二复合型柔性铰链；3-顶台。
具体实施方式
本发明提供一种基于压电叠块的六自由度次镜调节机构，如附图1所示，包括底板1、调节单元2和用于放置次镜的顶台3；调节单元2设置在底板1和顶台3之间，其特征在于：
具体地说，调节单元2包括第一复合型柔性铰链21、杠杆放大装置22、固定框架23、直梁型柔性铰链24、压电叠块25以及第二复合型柔性铰链26；
第一复合型柔性铰链21的一端与顶台3连接，另一端与杠杆放大装置22连接；杠杆放大装置22通过直梁型柔性铰链24与固定框架连23接；压电叠块25固定安装在固定框架23内；第二复合型柔性铰链26一端与固定框架23连接，另一端与底板1连接。
进一步地说：固定框架23的具体机构包括底梁231以及与底梁231垂直固连的直梁232；直梁232为四个且相互平行设置；压电叠块25固定安装在中间两个直梁232之间；直梁型柔性铰链24为四个；杠杆放大装置22通过四个直梁型柔性铰链24与四个直梁232连接。
进一步地说：杠杆放大装置22的具体机构包括相互平行设置的上连接板221、第一平梁222、第二平梁223以及下连接板224；
上连接板221一端与第一复合型柔性铰链21连接，另一端通过直梁型柔性铰链24与第一平梁222连接；第一平梁222通过直梁型柔性铰链24与第二平梁连接223；下连接板224一端通过直梁型柔性铰链24与第二平梁223连接，另一端与压电叠块25连接。
进一步地说：第一复合型柔性铰链21的具体机构包括依次连接的第一偏转铰链211、旋转铰链212以及第二偏转铰链213；
具体的说，第一偏转铰链211包括三个相互平行的第一薄片2111以及两个直梁型柔性铰链24；两个直梁型柔性铰链24分别固定在两个相邻的第一薄片2111之间；两个直梁型柔性铰链24在同一平面投影相互垂直；
具体地说，旋转铰链212由两个完全相同方棱台2121及四块第二薄片2122组成；其中，一个方棱台底面与第一偏转铰链连接；另一个方棱台的底面与第二偏转铰链连接；两个完全相同的方棱台2121的顶面互不接触；两个完全相同方棱台2121的棱边均开设有凹槽；所述四块第二薄片2122通过凹槽将两个方棱台2121连接；
需要说明的是，该结构中第一偏转铰链211和第二偏转铰链213的结构相同。第二复合型柔性铰链26与第一偏转铰链211的结构相同。
为了确保望远镜光学系统在六个方向的自由度均可调节，该结构中调节单元有六个，六个调节单元在同一平面的投影构成一个六边形，且六边形为正六边形。
以下对本结构的工作原理进行描述：
压电叠块25在通电后，其轴向尺寸发生变化，带动下连接板224进行轴向运动，产生一定的位移，下连接板224通过直梁型柔性铰链24与第二平梁223相连，且第二平梁223又通过直梁型柔性铰链24与固定框架23中的直梁232相连，于是当下连接板224运动时，通过杠杆效应，在第二平梁223的另一端将产生放大后的位移，该位移再通过第一平梁222的放大后，将作用于上连接板221，这样，通过两级平梁的杠杆效应将使压电叠块的位移得到充足的放大。放大后的位移通过上连接板和第一复合型柔性铰链作用于顶台3之上，六组调节单元不同的位移组合将会得到顶台不同的位姿，从而达到对次镜六自由度调节的目的。
根据望远镜光学系统的像差得出对次镜六个自由度调节的要求，计算出六个调节单元的运动距离及方向，再通过计算杠杆放大装置的放大系数来计算六个压电叠块的位移，分别控制六个压电叠块完成相应的运动，即可完成对次镜六个自由度的调节。
本发明的调节精度取决于压电叠块的运动精度、杠杆放大装置的放大系数和逆向求解精度。压电叠块的运动精度由其驱动器保证，因为压电叠块是根据压电效应制造而成的，其运动是由加载在压电叠块两端的电压驱动的，因此，为提高压电叠块的精度需要提高加载在其两端电压的精度，而这是由驱动器来保证的；杠杆放大装置的放大系数通过实验测得数据，进行数据处理而得；逆向求解精度通过实验结果与计算结果比较，并在计算过程中添加修正参数保证。
以上所述，仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于压电叠块的六自由度次镜调节机构，包括底板、调节单元和用于放置次镜的顶台；所述调节单元设置在底板和顶台之间，其特征在于：
所述调节单元包括第一复合型柔性铰链、杠杆放大装置、固定框架、直梁型柔性铰链、压电叠块、以及第二复合型柔性铰链；
所述第一复合型柔性铰链的一端与顶台连接，另一端与杠杆放大装置连接；所述杠杆放大装置通过直梁型柔性铰链与固定框架连接；所述压电叠块固定安装在固定框架内；所述第二复合型柔性铰链一端与固定框架连接，另一端与底板连接；
所述杠杆放大装置包括相互平行设置的上连接板、第一平梁、第二平梁以及下连接板；
所述上连接板一端与第一复合型柔性铰链连接，另一端通过直梁型柔性铰链与第一平梁连接；所述第一平梁通过直梁型柔性铰链与第二平梁连接；所述下连接板一端通过直梁型柔性铰链与第二平梁连接，另一端与压电叠块连接。
2.根据权利要求1所述的基于压电叠块的六自由度次镜调节机构，其特征在于：所述固定框架包括底梁以及与底梁垂直固连的直梁；所述直梁为四个且相互平行设置；所述压电叠块固定安装在中间两个直梁之间；所述直梁型柔性铰链为四个；所述杠杆放大装置通过四个直梁型柔性铰链与四个直梁连接。
3.根据权利要求1所述的基于压电叠块的六自由度次镜调节机构，其特征在于：所述第一复合型柔性铰链包括依次连接的第一偏转铰链、旋转铰链以及第二偏转铰链；
所述第一偏转铰链包括三个相互平行的第一薄片以及两个直梁型柔性铰链；所述两个直梁型柔性铰链分别固定在两个相邻的第一薄片之间；所述两个直梁型柔性铰链在同一平面投影相互垂直；
所述旋转铰链由两个完全相同方棱台及四块第二薄片组成；其中，一个方棱台底面与第一偏转铰链连接；另一个方棱台的底面与第二偏转铰链连接；所述两个完全相同的方棱台的顶面互不接触；所述两个完全相同方棱台的棱边均开设有凹槽；所述四块第二薄片通过凹槽将两个方棱台连接；
所述第一偏转铰链和第二偏转铰链的结构相同。
4.根据权利要求3所述的基于压电叠块的六自由度次镜调节机构，其特征在于：所述第二复合型柔性铰链与第一偏转铰链的结构相同。
5.根据权利要求1-4任一权利要求所述的基于压电叠块的六自由度次镜调节机构，其特征在于：所述调节单元有六个，六个调节单元在同一平面的投影构成一个六边形。
6.根据权利要求5所述的基于压电叠块的六自由度次镜调节机构，其特征在于：所述六边形为正六边形。
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