CN106291865A - 基于新型柔性铰链的快速反射镜 - Google Patents

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Abstract

基于新型柔性铰链的快速反射镜包括：柔性铰链、基座、反射镜平台、作动器、转角反馈。基座固连大地，反射镜平台连接反射镜，基座与反射镜平台通过柔性铰链相连，实现基座与反射镜平台的两轴转动。作动器一端与基座相连，另一端与反射镜平台相连，实现对反射镜的驱动。快速反射镜通过粘贴在柔性铰链上的应变片实现角度反馈，从而得到高精度的转角控制。本发明的柔性铰链结构简单，可将转轴设计在几何包络之外，为快速反射镜的设计提供灵活性；测角的应变片小且轻，使得快速反射镜可以实现小型化与轻量化。

Description

基于新型柔性铰链的快速反射镜
技术领域
本发明涉及基于新型柔性铰链的快速反射镜，属于精密光机电技术领域。
背景技术
快速反射镜(Fast Steering Mirror，FSM)通常由反射镜、镜架、作动器、铰链、传感器、基座组成，是光学成像系统、光通信系统中改变光束传播方向与相位的关键器件，被广泛用于天文望远镜、激光通讯、图像稳定系统、自适应光学系统、光学跟踪瞄准和激光发射系统。
柔性铰链是通过特定设计的形状或者利用弹性材料，来达到工作方向刚度小、非工作方向刚度大的特性。由于具有运动平稳、不需要润滑、无空程和滞回、寿命长、工作温度范围广、振动环境中可靠性高等优点，柔性铰链被广泛用作快速反射镜的支撑机构。
目前大部分两轴旋转柔性铰链的两轴转心在柔性部分中心，本发明的柔性铰链两轴的旋转中心位置可设计为同一点，并且该点可设计于柔性铰链的实体包络范围之外，为快速反射镜的设计提供了很大的便利性。大部分快速反射镜转角需要通过测量镜面或镜架等机构间接测得，这些测量仪器增大了设备体积、重量并且增加了快速反射镜的机构复杂度。本发明的柔性铰链可以通过粘贴在铰链柔性部分的应变片得到转角反馈，降低了机构复杂度，实现快速反射镜的小型化与轻量化设计。
发明内容
本发明基于新型的柔性铰链设计快速反射镜，以实现快速反射镜对转轴位置可灵活设计的要求，并且实现快速反射镜小型化与轻量化。
基于新型柔性铰链的快速反射镜包括：柔性铰链、基座、反射镜平台、作动器、转角反馈。它们的连接关系为：基座固连大地，反射镜平台连接反射镜，基座与反射镜平台通过柔性铰链相连，作动器一端与基座相连，另一端与反射镜平台相连，转角反馈所用应变片粘贴在柔性铰链上。
所述的柔性铰链包括：8块不锈钢膜簧、膜簧连接环、16个膜簧压片、32个M2螺钉。其中四块不锈钢膜簧的一端连接基座、另一端连接膜簧连接环，膜簧通过弹性变形来使得膜簧连接环相对于基座产生单轴转动，称此轴为X轴。另外四个不锈钢膜簧的一端连接反射镜平台、另一端连接膜簧连接环，膜簧通过弹性变形来使得反射镜平台相对于膜簧连接环产生单轴转动，称此轴为Y轴。因此，反射镜平台相对于基座可以产生两自由度的扭转。X轴的位置取决于固定膜簧的基座与膜簧连接环的角度；Y轴的位置取决于固定膜簧的反射镜平台与膜簧连接环的角度。其连接方式为：第一组膜簧的一端通过螺钉和膜簧压片固定在基座上，另一端通过螺钉和膜簧压片固定在膜簧连接环上；第二组膜簧的一端通过螺钉和膜簧压片固定在膜簧连接环上，另一端通过螺钉和膜簧压片固定在反射镜平台上。膜簧、膜簧连接环、膜簧压片根据对于刚度的需要自主设计。M2螺钉是市购产品。
所述的基座根据与外部连接方式需要自主设计；基座上连接膜簧部分的角度根据所需X轴的位置自主设计。
所述的反射镜平台根据搭载的反射镜自主设计；反射镜平台上连接膜簧部分的角度根据所需Y轴的位置自主设计。
所述的作动器可选择音圈电机或压电陶瓷，根据快速反射镜所需角度、加速度与控制带宽设计。
所述的转角反馈部分包括8个电阻应变片、动态电阻应变仪。膜簧有一定面积的平面可以粘贴应变片来获得转角反馈。X、Y轴的4个膜簧各粘贴1个电阻应变片，通过“全桥”式电桥测量应变。柔性环节应变与转角的对应关系通过标定获得。电阻应变片根据所需分辨率选购；动态电阻应变仪根据控制带宽与分辨率选购。
本发明的优点在于：
本发明中柔性铰链的转动中心可以任意设置，可以将转轴设计在实体包络之外，使得快速反射镜的设计灵活。
本发明中柔性铰链构造简单，通过应变片直接测量变形提供两轴反馈，利于实现快速反射镜的小型化、轻量化。
附图说明
图1是本发明的等轴测图
图2是本发明的爆炸图
图3是柔性铰链结构示意图
图4是柔性铰链转轴位置示意图
图5应变片粘贴位置与测量电桥示意图
具体实施方案
下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明提出一种基于新型柔性铰链的快速反射镜，以实现快速反射镜对转轴位置可灵活设计的要求，并且实现快速反射镜小型化与轻量化。
本发明的基于新型柔性铰链的快速反射镜如图1所示。基于新型柔性铰链的快速反射镜包括：柔性铰链、基座、反射镜平台、作动器、转角反馈，如图2所示。它们的连接关系为：基座6固连大地，反射镜平台1连接反射镜，基座6与反射镜平台1通过柔性铰链(2～5)相连，作动器(图中未给出)一端与基座6相连，另一端与反射镜平台1，转角反馈所用应变片粘贴在不锈钢膜簧3上。
所述的柔性铰链包括：膜簧连接环2、8块不锈钢膜簧3、32个M2螺钉4、16个膜簧压片5，如图3所示。其中四块不锈钢膜簧(X1～X4)的一端连接基座6、另一端连接膜簧连接环2，膜簧通过弹性变形来使得膜簧连接环2相对于基座可以产生单轴转动，称此轴为X轴。另外四个不锈钢膜簧(Y1～Y4)的一端连接反射镜平台1、另一端连接膜簧连接环2，膜簧通过弹性变形来使得膜簧连接环2相对于反射镜平台1可以产生单轴转动，称此轴为Y轴。因此，反射镜平台1相对于基座6可以产生两自由度的扭转。X轴的位置取决于固定膜簧的基座6与膜簧连接环2的角度；Y轴的位置取决于固定膜簧的反射镜平台1与膜簧连接环2的角度。每个轴相邻两个膜簧(如X1与X2)成一定角度可增加平动刚度。其连接方式为：第一组膜簧的一端通过螺钉4和膜簧压片5固定在基座6上，另一端通过螺钉4和膜簧压片5固定在膜簧连接环2上；第二组膜簧的一端通过螺钉4和膜簧压片5固定在膜簧连接环2上，另一端通过螺钉4和膜簧压片5固定在反射镜平台1上。膜簧、膜簧连接环、膜簧压片根据对于刚度的需要自主设计。M2螺钉是市购产品。
所述的基座6与外部连接根据需要自主设计；基座6上连接膜簧部分的角度1根据所需X轴的位置自主设计，如图4所示。
所述的反射镜平台1根据搭载的镜子自主设计；反射镜平台1上连接膜簧部分的角度2根据所需Y轴的位置自主设计，如图4所示。
所述的作动器可选择音圈电机或压电陶瓷，根据快速反射镜所需角度、加速度与控制带宽设计。
所述的转角反馈部分包括8个电阻应变片(Rx1～Rx4，Ry1～Ry4)、动态电阻应变仪。膜簧3有一定面积的平面可以粘贴应变片来获得转角反馈。X的四个膜簧各粘贴一个电阻应变片，通过“全桥”式电桥测量应变，图5展示了X轴四个膜簧粘贴应变片(Rx1～Rx4)位置与电桥连接方法，应变片方向垂直于转轴轴线。Y轴同理，图中未给出Y轴应变片Ry1～Ry4。由于工作中四个膜簧的应变关系如下式：
ε＝εX1＝εX2＝-εX3＝-εX4
因此电桥输出：
ΔUout＝KUε
其中ΔUout是输出电压的变化，U是输入电压，K是应变片系数，ε是应变。
膜簧的应变与转角的对应关系通过标定获得。应变片型号是JSGS120-1-V2M，是市购产品；动态电阻应变仪型号是YD-28A，是市购产品。

Claims (3)

1.基于新型柔性铰链的快速反射镜，其特征在于包括：柔性铰链、基座、反射镜平台、作动器、转角反馈；它们的连接关系为：基座固连大地，反射镜平台连接反射镜，基座与反射镜平台通过柔性铰链相连，作动器一端与基座相连，另一端与反射镜平台，转角反馈所用应变片粘贴在柔性铰链上；
所述的柔性铰链包括：8块不锈钢膜簧、膜簧连接环、16个膜簧压片、32个M2螺钉；其中四块不锈钢膜簧的一端连接基座、另一端连接膜簧连接环，膜簧通过弹性变形来使得膜簧连接环相对于基座可以产生单轴转动，称此轴为X轴；另外四个不锈钢膜簧的一端连接反射镜平台、另一端连接膜簧连接环，膜簧通过弹性变形来使得膜簧连接环相对于反射镜平台可以产生单轴转动，称此轴为Y轴；因此，反射镜平台相对于基座可以产生两自由度的扭转；X轴的位置取决于固定膜簧的基座与膜簧连接环的角度；Y轴的位置取决于固定膜簧的反射镜平台与膜簧连接环的角度。其连接方式为：第一组膜簧的一端通过螺钉和膜簧压片固定在基座上，另一端通过螺钉和膜簧压片固定在膜簧连接环上；第二组膜簧的一端通过螺钉和膜簧压片固定在膜簧连接环上，另一端通过螺钉和膜簧压片固定在反射镜平台上；膜簧、膜簧连接环、膜簧压片根据对于刚度的需要自主设计；M2螺钉是市购产品；
所述的基座与外部连接根据需要自主设计；基座上连接膜簧部分的角度根据所需X轴的位置自主设计；
所述的反射镜平台根据搭载的镜子自主设计；反射镜平台上连接膜簧部分的角度根据所需Y轴的位置自主设计；
所述的作动器可选择音圈电机或压电陶瓷，根据快速反射镜所需角度、加速度与控制带宽设计；
所述的转角反馈部分包括8个电阻应变片、动态电阻应变仪。膜簧有一定面积的平面可以粘贴应变片来获得转角反馈。X、Y轴的4个膜簧各粘贴1个电阻应变片，通过“全桥”式电桥测量应变；柔性环节应变与转角的对应关系通过标定获得；电阻应变片根据所需分辨率选购；动态电阻应变仪根据控制带宽与分辨率选购。
2.如权利要求1所述的基于新型柔性铰链的快速反射镜，其特征在于：所述的柔性铰链由8块不锈钢的膜簧、膜簧连接环、16个膜簧压片、32个M2螺钉组成，转轴位置由安装角度决定。
3.如权利要求1所述的基于新型柔性铰链的快速反射镜，其特征在于：应变片粘贴在不锈钢膜簧上、测量转角的“全桥”电路与应变片连接对应关系。
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