CN110082904B - 适用于空间环境的高精度和稳定性摆镜装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

适用于空间环境的高精度和稳定性摆镜装置及其工作方法，摆镜安装于摆镜镜室中，特征是摆镜镜室前段通过两个柔性结构上、下对称地安装于固定前面板上，无冲击力保证调节稳定性；摆镜镜室后端安装调节杆，调节杆另一头安装调节促动器，精密调节摆镜位置；摆镜镜室侧面安装高精密传感器，高精密传感器和传感器连接板与两个柔性结构件、摆镜镜室、调节促动器、调节杠杆共同形成实时闭环控制。本发明能够保证柔性结构调节中心重合，最大限度保证调节方向准确性和稳定性。高精密传感器实时检测摆镜位置信息，在摆镜工作中因温度和振动等载荷激励导致摆镜位置会有所漂移，则通过精密传感器位置反馈信息，通过促动器校正摆镜位置，保证摆镜位置精度。

Description

适用于空间环境的高精度和稳定性摆镜装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种摆镜机构及装置。涉及到航天、航空、天文终端仪器、光学检测等技术领域，特别是涉及一种适用真空或空间环境使用的超高分辨和稳定性的摆镜调节机构及装置，具体更涉及一种应用于引力波望远镜空间对接过程中光路扫描和自动对准摆镜装置。本发明还涉及这种装置的工作方法。

背景技术

1916 年爱因斯坦发表广义相对论，在理论上预言引力波的存在。在爱因斯坦的广义相对论中，时空几何并不只是物理运动的背景，它有着自身的动力学内涵，描述引力源所产生的引力场。

空间引力波探测时需要6个望远镜，在空间太阳轨道上两两对接相距几百万公里形成3个干涉臂。激光干涉时光线先通过望远镜，然后进过摆镜进入激光干涉仪中。由于引力波探测时稳定性需要控制在皮米级，因此对摆镜结构稳定性和对准精度提出的极高要求。

摆镜机构通常作为一个整体使用，在设计中需要设计成一个整体。摆镜机构通过三个支撑脚固定在连接板上，根据实际需求调整灵活、实用和便捷。在望远镜两两对接的时候，由于距离太远且精度要求极高，单靠卫星平台调整精度无法满足实际需，需要设计出高精度、宽范围和超高稳定性的摆镜机构。现有技术中的摆镜结构的稳定性和对准精度等性能尚不够理想。

发明内容

为了解决现有技术中望远镜对接过程中精度和稳定性不能满足使用要求的问题，本发明提供一种超高分辨和稳定性摆镜调节装置。本发明是一种柔性调整机构，能够克服传统转动机构不能满足工作精度和稳定性要求等不足。本发明装置通过压电陶瓷、闭环反馈和杠杆联合作用能够获得极高的调整精度。本发明结构简单可靠性高。在保证精度要求前提下，减少摆镜调整装置体积，降低狭小空间内机械结构干涉风险。本发明还提供这种装置的工作方法。

完成上述发明任务的技术方案是，一种适用于空间环境的高精度和稳定性摆镜装置，所述摆镜安装于摆镜镜室中，其特征在于，该摆镜镜室前段通过两个柔性结构上、下对称地安装于固定前面板上，通过这两个柔性结构件调节，无冲击力保证调节稳定性；所述摆镜镜室后端安装调节杆，该调节杆另一头安装调节促动器，精密调节摆镜位置；摆镜镜室侧面安装高精密传感器，该高精密传感器和传感器连接板与两个柔性结构件、摆镜镜室、调节促动器、调节杠杆共同形成实时闭环控制。

上述方案中的调节促动器，采用压电陶瓷调节促动器。

所述的两个背向安装的柔性调节机构中，采用高精密定位销配合，保证上下对称的柔性结构件中心旋转轴同心，进而保证调节过程旋转稳定性。

换言之，本发明的适用于空间环境的高精度和稳定性的摆镜装置，由一个摆镜，两个柔性结构，一个调节杠杆，一个调节促动器（压电陶瓷）和一个高精度传感器组成，其特征在于，所述摆镜安装于摆镜镜室中，该摆镜镜室前段通过两个柔性结构安装与固定前面板上，通过上下对称的两个柔性结构件调节，无冲击力保证调节稳定性；摆镜镜室后端安装调节杆，该调节杆另一头安装调节促动器，精密调节摆镜位置；摆镜镜室侧面安装高精密传感器形成实时闭环控制。

本发明所述的通过两个柔性结构作为转轴调节摆镜，即通过上下共计八个定位销固定上下对称柔性结构相对位置（构成“特征旋转轴”），保证柔性结构调节中心重合，最大限度保证调节方向准确性和稳定性。

更详细地说，本发明包括高精密摆镜调整系统和高精密位置实时反馈系统；高精密摆镜调整系统包括旋摆镜镜室、调节杠杆、两个柔性结构件和精密促动器；高精密位置实时反馈系统包括摆镜镜室、高精密传感器和传感器连接板组成。

所述调整方式是：采用两个背向安装的柔性调节机构，该运动机构可以通过柔性结构件调节；为保证调节的稳定性和高精度要求，采用高精密定位销配合，保证上下对称的柔性结构件中心旋转轴同心，进而保证调节过程旋转稳定性；调节时通过杠杆和促动器配合方式实现，促动器分辨率为1微米，在通过杠杆放大，调节分辨率小于1μrad，满足使用要求。

在优化方案中，所述摆镜调整过程，增加高精密传感器形成闭环，实时记录摆镜位置信息；同时在摆镜工作中由于温度和振动等载荷激励导致摆镜位置会有所漂移，可通过精密传感器位置反馈信息，在通过促动器校正摆镜位置，保证摆镜位置精度。

所述特征旋转轴（两个柔性结构件）安装在摆镜镜室上下对称位置，连接通过四个高精度定位销将两个柔性结构件精确的安装在摆镜镜室上，保证上下对称的柔性结构件中心旋转轴同心，进而保证调节过程旋转稳定性。

摆镜姿态调整采用自动调节，实现自动无人值守，该系统对摆镜具有较好的保护作用。

更具体和更详细地说，本发明的高精度和高稳定性摆镜装置参照图1-1、图1-2、图2。其中图2为摆镜调整装置3D剖视图，采用两个背向安装的柔性调节机构，该运动机构可以通过柔性结构件调节；为保证调节的稳定性和高精度要求，采用高精密定位销配合，保证上下对称的柔性结构件中心旋转轴同心，进而保证调节过程旋转稳定性；调节时通过杠杆和促动器配合方式实现，尽可能提高调整分辨率。

完成本申请第二个发明任务的技术方案是，上述适用于空间环境的高精度和稳定性摆镜装置的工作方法，包括以下两种摆镜的工作方式：“摆镜扫描对准”和对准后“位置保持”两种状态；其特征在于，步骤如下：

摆镜扫描对准时，上、下两个对称柔性结构件起旋转轴作用，压电陶瓷促动器通过调节杠杆带动摆镜镜室和摆镜偏转，对准过程中采用步进式搜索；

扫描到摆镜工作位置时停止扫描，高精度传感器记录工作位置；

对准后“位置保持”时为摆镜工作状态：通过高精度传感器和促动器形成闭环控制，实时补充工作时外界载荷误差引起摆镜位置变化。

根据本发明的设计，由于安装、拆卸和调试方便，不存在任何阻碍，使用定位和夹紧机构具有一定预紧力的定位环，同时调整平稳且定位精度高。

本发明特色创造之一为：柔性结构件做转动轴。传统转动机构是通过轴承配合进行转动，在空间环境中需要特殊订做，成为极高；本发明中通过两个柔性结构作为转轴调节摆镜，即通过上下共计四个定位销固定上下对称柔性结构相对位置，保证柔性结构调节中心重合，最大限度保证调节方向准确性和稳定性。

本发明特色创造之二为：高精密传感器实时检测摆镜位置信息，在摆镜工作中由于温度和振动等载荷激励导致摆镜位置会有所漂移，可通过精密传感器位置反馈信息，在通过促动器校正摆镜位置，保证摆镜位置精度。

本发明特色创造之三为：传统的摆镜旋转轴多为轴承配合或者轴套等硬旋转轴，目前专利申请中未见柔性旋转轴的摆镜机构。本发明提出的柔性旋转轴相对传统旋转轴具有无间隙的优点。

附图说明

图1-1、图1-2为本发明的总体结构图；

图2为本发明的摆镜调整结构图；

图3为本发明的总框图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的实施例，以详细说明技术方案。

实施例1，一种适用于空间环境的高精度和稳定性的摆镜装置，图1-1、图1-2是本发明的总体结构图，为整体结构系统方案。由摆镜高精度调整系统和摆镜位置实时反馈系统有两个子系统组成。

摆镜工作方式有两种，一种是摆镜扫描对准和对准后位置保持两种状态；

摆镜扫描对准时，上下两个对称柔性结构件12起旋转轴作用，压电陶瓷促动器11通过调节杠杆13带动摆镜镜室5和摆镜3偏转，对准过程中采用步进式搜索，扫描到摆镜工作位置时停止扫描，高精度传感器记录工作位置。

摆镜工作状态时，通过高精度传感器和促动器形成闭环控制，实时补充工作时外界载荷误差引起摆镜位置变化。

总体结构图精确的描述了本发明摆镜调整原理，压电陶瓷促动器11提供调整动力输出，通过调节杠杆13带动摆镜镜室5和摆镜3偏转，摆镜镜室5上下对称安装柔性结构件12替代传统旋转轴，高精密传感器4实时反馈摆镜位置，形成实时闭环反馈系统，完成摆镜调整和位置实时补偿。

图3是摆镜装置的结构外框图，柔性结构件通过四个定位销和四个螺钉和摆镜镜室连接，同样下面柔性结构件亦如此，这样设计可最大限度保证上下对称柔性结构件中心重合，保证摆镜调节时的旋转稳定性。

压电陶瓷促动器11安装在压电陶瓷连接板10上，压电陶瓷连接板10安装在中间板8上，调节杠杆13和压电陶瓷促动器11连接孔位尺寸略大，补偿调节杠杆13和压电陶瓷促动器11连接时安装误差。

高精度传感器4通过两个圆弧形槽和调节螺钉安装，调整好高精度传感器位置时调节螺钉挤压安装槽固定其位置，方便安装和拆卸。

该高分辨光谱仪狭缝切换和夹紧机构材料表面全部发黑处理，降低杂散光对光谱仪或者相关检测设备的性能影响。

本发明不限于上述设施方式，凡是在本发明权利要求1技术方案基础上作简单变形，都在本发明意图保护范围之内。

Claims (2)

1.一种适用于空间环境的高精度和稳定性摆镜装置，所述摆镜安装于摆镜镜室中，其特征在于，该摆镜镜室前段通过两个柔性结构上、下对称地安装于固定前面板上，通过这两个柔性结构件调节，无冲击力保证调节稳定性；所述摆镜镜室后端安装调节杠杆，该调节杠杆另一头安装调节促动器，精密调节摆镜位置；摆镜镜室侧面安装高精密传感器，该高精密传感器和传感器连接板与两个柔性结构件、摆镜镜室、调节促动器、调节杠杆共同形成实时闭环控制；

所述的调节促动器，采用压电陶瓷调节促动器；压电促动器安装在压电陶瓷连接板上，压电陶瓷连接板安装在中间板上；两个背向安装的柔性调节机构中，采用高精密定位销配合，柔性结构件通过四个定位销和四个螺钉和摆镜镜室连接，保证上下对称的柔性结构件中心旋转轴同心，进而保证调节过程旋转稳定性。

2.权利要求1所述的适用于空间环境的高精度和稳定性摆镜装置的工作方法，包括以下两种摆镜的工作方式：“摆镜扫描对准”和对准后“位置保持”两种状态；其特征在于，步骤如下：

摆镜扫描对准时，上、下两个对称柔性结构件起旋转轴作用，压电陶瓷促动器通过调节杠杆带动摆镜镜室和摆镜偏转，对准过程中采用步进式搜索；

扫描到摆镜工作位置时停止扫描，高精度传感器记录工作位置；

对准后“位置保持”时为摆镜工作状态：通过高精度传感器和促动器形成闭环控制，实时补充工作时外界载荷误差引起摆镜位置变化。

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