CN107121753A - 一种一体化两维转动柔性铰链 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体化两维转动柔性铰链，包括对称布置的四处簧片柔节，每处柔节是由交叉簧片连接的上下双层结构，双层结构上分别布置安装接口面和内圈、外圈连接接口，通过连接结构将四处柔节上下交错相连。运动时上下接口面分别固定在需要两维转动的零部件上，相对转动由交叉簧片的弹性变形提供。本专利的优点有：结构刚度较高，用作反射镜支撑时可以提高反射镜的面形水平；运动时无摩擦，无启动力矩，无需润滑，寿命长，且精度高、重复性好、运行平稳；同时结构紧凑，特别适用于重量和体积受限的场合；具有安全限位结构，避免簧片超过行程发生失效。

Description

一种一体化两维转动柔性铰链

技术领域：

本发明涉及天文观测仪器研制技术领域，特别涉及一种用于快速摆镜支撑用两维转动柔性铰链。

背景技术：

在天文观测仪器的实际应用中，由于天文观测需要长时间的积分，天文观测仪器在长时间内保持视轴的稳定，而地基或空间天文望远镜会受到仪器内部和外部的振动干扰，造成结构振动引起视轴的抖动，需要利用快速摆镜对视轴的抖动进行实时补偿。快速摆镜在运动过程中，镜面和驱动器之间存在两维角度的偏转，在驱动组件与反射镜镜体间需要安装两维转动铰链。结合快摆机构应用的要求，对两维铰链提出以下需求：

运动的灵敏度高，具有高的分辨率。摆镜是维持视轴稳定的，通常要将光斑稳定在亚像素量级，因此需要在运行过程中具有较高的运动灵敏度，这样才能维持摆镜的运动连续性。

在具有转动柔度的方向上，刚度越低越好，在其他四维上的刚度越高越好。转动维度的刚度低，运动时附加在镜面的力就越小，反射镜的面形就越好。其他四维的刚度高，这样不但有助于提高系统的模态，而且有助于提高反射镜的在重力作用下的面形。

目前常用的两维柔性铰链有以下几种：

1.采用两维相对滑动的轴承，滑动界面之间可以利用固体润滑膜或者润滑脂。利用这种轴承可以实现两维转动，但是存在启动摩擦力矩，进而造成运动分辨率低，无法用于控制带宽高和运动精度要求高的场合。此外该种铰链还存在着磨损等问题，限制了它的应用。

2.采用圆柱切槽的方式，利用强度较高的圆柱形材料，在圆柱上切槽，形成相互垂直的簧片，利用簧片的变形提供两维柔度。如图3示。

这两种目前都有应用，特别是圆柱切槽的方式应用较为广泛，但是对于面形要求高、控制带宽较高的场合需要有更高性能的两维转动铰链。

发明内容：

为了进一步提高快速摆镜的面形水平和快速摆镜机构的基频，本发明提出了一种新型一体化两维转动柔性铰链。该铰链可以利用3D成型技术制作，生产效率高，结构紧凑，轻量化程度高、非运动维度具有较高的刚度。它用快速摆镜的支撑结构中，可有效的提高反射镜的面形水平和基频。

本发明的柔性铰链是一体化结构，如附图所示。可由钛合金、铝合金、树脂等可3D成形的材料制作。结构包括：簧片柔节A1、簧片柔节B2、簧片柔节C3、簧片柔节D4、内圈连接结构5、外圈连接结构6、安装接口A9、安装接口B10。簧片柔节A1、簧片柔节B2、簧片柔节C3、簧片柔节D4具有相同的结构形式，由接口层结构11、连接层结构12、交叉簧片13组成，接口层结构11包含安装接口16，连接层结构12包含内圈连接接口14、外圈连接接口15。簧片柔节A1与簧片柔节C3同轴布置，同轴的轴线形成转动轴A8，其安装接口16布置在同侧，形成安装接口A9。簧片柔节B2与簧片柔节D4同轴布置，同轴的轴线形成转动轴B9，与转动轴A8垂直，其安装接口16布置在同侧，并与安装接口A9方向相反，形成安装接口B10。根据权利要求1、2、3所述的结构，簧片柔节A1和簧片柔节C3的内圈连接接口14通过内圈连接结构5与簧片柔节B2和簧片柔节D4的内圈连接接口14连接，形成上下交错连接。簧片柔节A1和簧片柔节C3的外圈连接接口15通过外圈连接结构6与簧片柔节B2和簧片柔节D4的外圈连接接口15连接，形成上下交错连接。两维转动柔性铰链具有行程限制功能，根据交叉簧片13的厚度、材料等参数可以确定其最大的行程，调节上下层之间的距离t，即可限制其最大行程，为交叉簧片13提供保护。转动轴A7和转动轴B8相互垂直并相交于一点，运动中保持不变。根据权利要求1、2所述的机构，安装接口16上加工螺纹，用于与外部零件连接。

本发明的两维转动柔性铰链的优点是：

1.一体化结构，结构紧凑，体积小，特别适用于对重量、体积有严格要求的场合。本发明充分考虑到3D打印的成型工艺，成型之后只需去掉少量辅助支撑并根据要求加工接口面即可，生产效率高；

2.在两维转动维度之外的四维刚度较高，用于反射镜支撑时可以提高反射镜的面形水平和系统基频；

3.相比传统摩擦球铰，本发明避免了界面的磨损，粘滞以及静态阻力等误差，在运动时无摩擦，无启动力矩，运动分辨率高，运动精度高；

4.通过合理选择簧片厚度、材料可以适用于不同的应用场合，并保证长寿命的使用；

5.在计算许用行程内，其转动维度的刚度波动较小，受力和变形之间的线性度较好，便于应用。

附图说明：

图1是一体化两维柔性铰链示意图：

1簧片柔节A 2簧片柔节B 3簧片柔节C

4簧片柔节D 5内圈连接结构 6外圈连接结构

7转动轴A 8转动轴B 9安装接口A

10安装接口B W柔性铰链宽度

图2是簧片柔节示意图：

11接口层结构 12连接层结构 13交叉簧片

14内圈连接接口 15外圈连接接口 16安装接口

图3是簧片柔节参数示意图：

α簧片交叉角度 t簧片厚度

D簧片高度 L簧片柔节宽度

b₁、b₂、b₃交叉簧片宽度

图4是柱切槽两维柔性铰链：

图5是新型两维转动柔性铰链使用示意图：

17零部件A 18安装螺钉 19零部件B

20两维转动柔性铰链

具体实施方式：

为下面结合附图予以详细描述，以便能更好地说明本发明的结构特征和功能特点，而不是限定本发明的保护范围。

见附图1，本发明的两维转动柔性铰链由一个零件构成。使用3D打印技术中的选择性激光熔化技术制作，材料钛合金TC4。加工成形后的抗拉强度σ_b为1040MPa至1100MPa之间，屈服强度σ_0.2为870MPa至1030MPa之间，材料弹性模量E＝113GPa。

该零件的转动维扭转刚度的可以利用以下公式进行估算：

系数2表示同轴布置的两个簧片柔节具有相同的交叉簧片参数，E表示材料的弹性模量，D簧片高度，I_i表示第i片中心簧片的截面惯性矩，b_i表示簧片的宽度，t表示簧片的厚度，如图3所示。

本例中，E＝113GPa，D＝10mm，b₁＝b₃＝4.5mm，b₂＝11mm，t＝1mm，W＝57.4mm依据上述公式可以计算出：

该公式仅用于前期设计进行估算，未考虑变形的非线性、连接处的圆角对刚度的影响，初步设计完成后，需要利用有限元进行复算，对设计进行调整。通过对模型进行有限元分析，分析结果如下：在上述条件下两位转动柔性铰链的转动维刚度值为K_θ＝844.5N·mm/°，在30N·mm的力矩作用下，铰链转动128"，交叉簧片的应力为5.53MPa，远低于钛合金的微屈服强度50MPa。

柔性铰链的安装和使用见附图1，本发明的两维转动柔性铰链由一个零件构成，提供两个安装接口分别是安装接口A2和安装接口B3，用于安装连接需要进行两维相对转动位移的零部件。

图4所示的是本发明的典型应用，零部件A9和零部件B11是需要进行两维摆动的零件，在快速摆镜的应用中，零部件A9是快速摆镜，零部件B11是驱动机构，两零件会发生两维转动。零部件A9与安装接口A2、零部件B11与安装接口B3之间通过安装螺钉10连接。这里螺钉连接只是一种连接方式，实际应用中，可以进行调整。

安装接口A2和安装接口B的形式也可以进行调整，只需要接口与交叉簧片6保持连接即可。

在本发明设计和加工过程中，需满足要求：

1)安装接口A中各面的平面度要求。

2)安装接口A中各面的平面度要求。

Claims (2)

1.一种一体化两维转动柔性铰链，包括：簧片柔节A(1)、簧片柔节B(2)、簧片柔节C(3)、簧片柔节D(4)、内圈连接结构(5)、外圈连接结构(6)、安装接口A(9)、安装接口B(10)；其特征在于：

所述的簧片柔节A(1)、簧片柔节B(2)、簧片柔节C(3)、簧片柔节D(4)均由半圆弧形接口层结构(11)、连接层结构(12)、交叉簧片(13)组成，接口层结构(11)包含安装接口(16)，连接层结构(12)包含内圈连接接口(14)、外圈连接接口(15)；簧片柔节A(1)与簧片柔节C(3)同轴布置，同轴的轴线形成转动轴A(8)，其安装接口(16)布置在同侧，形成安装接口A(9)。簧片柔节B(2)与簧片柔节D(4)同轴布置，同轴的轴线形成转动轴B(9)，与转动轴A(8)垂直，其安装接口(16)布置在同侧，并与安装接口A(9)方向相反，形成安装接口B(10)；安装接口A(9)和安装接口B(10)分别安装需两维转动的零部件；转动轴A(7)和转动轴B(8)相互垂直并相交于一点，运动中保持不变；簧片柔节A(1)和簧片柔节C(3)的内圈连接接口(14)通过内圈连接结构(5)与簧片柔节B(2)和簧片柔节D(4)的内圈连接接口(14)连接，形成上下交错连接；簧片柔节A(1)和簧片柔节C(3)的外圈连接接口(15)通过外圈连接结构(6)与簧片柔节B(2)和簧片柔节D(4)的外圈连接接口(15)连接，形成上下交错连接。

2.根据权利要求1所述的机构，其特征在于：所述的安装接口(16)上有用于与外部零件连接的螺纹。