CN110161643B - 一种基于运动学支撑的光学平台装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于运动学支撑的光学平台装置，包括平台主体及固定安装于所述平台主体的载荷平台安装面上的前端支撑腿、后端第一支撑腿和第二支撑腿，三个所述支撑腿呈三角形排布，所述后端第一支撑腿和第二支撑腿关于平台主体呈左右轴对称设置，所述第一柔性铰链C与所述第二柔性铰链D分别为在每个支撑腿的长度方向和宽度方向各设有一个双圆弧柔性铰链，所述双圆弧柔性铰链为两个背对背的弧形结构，其余部分为空隙，在第一柔性铰链C与第二柔性铰链D的截面上，铰链位置的两侧均为圆弧；所述第三柔性铰链E由在每个支撑腿的宽度方向设有按高度均匀分布的八个直圆柔性铰链组成，在第三柔性铰链E的截面上，铰链位置的一侧为圆弧，另一侧为直线。

Description

一种基于运动学支撑的光学平台装置
技术领域
本发明涉及空间遥感应用技术领域，特别是涉及一种基于运动学支撑的光学平台装置。
背景技术
受重力变化、温度变化、发射力学环境和空间辐射环境等影响，空间光学平台结构从地面到外太空的过程中，可能产生不可预期的变形，这种变形的量级可能超出光学允差，影响光学仪器性能。因此，对光学元件采取适当的隔离措施，以减少潜在的应力变形非常必要。常用的方法是采用运动学支撑对光学元件进行静定安装。
空间刚体共有六个运动自由度，即分别沿空间正交坐标系三轴的平移和旋转。空间刚体的每个运动自由度都恰好被限制时，称为完全约束。如果任何一个运动自由度被多次约束，刚体将会因额外约束产生应力和变形。运动学支撑即是约束不超过六个运动自由度的支撑方式。光学平台或元件采用运动学支撑时，支撑结构可以通过自身变形释放力热环境变化引起的应力，从而不对光学平台或元件的形状产生影响。
国内外高精度航天光学组件基本都采用专用的运动学设计，以此降低环境变化对结构形状的影响。但对基于运动学设计的高稳定性光学平台结构缺少成熟稳定的技术解决方案。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种适用于通用光学平台支撑的结构方案，解决上述问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种力热稳定性好、空间环境适应性强的光学平台装置，本发明采用如下技术方案：
一种基于运动学支撑的光学平台装置，包括平台主体及固定安装于所述平台主体的载荷平台安装面上的前端支撑腿、后端第一支撑腿和后端第二支撑腿，其特征在于：所述三个支撑腿呈三角形排布，所述后端第一支撑腿和所述后端第二支撑腿关于平台主体呈左右轴对称设置，每个支撑腿都具有三处柔性结构，所述三处柔性结构分别为第一柔性铰链C、第二柔性铰链D和第三柔性铰链E，所述第一柔性铰链C与所述第二柔性铰链D分别为在每个支撑腿的长度方向和宽度方向各设有一个双圆弧柔性铰链，所述双圆弧柔性铰链为两个背对背的弧形结构，其余部分为空隙，在第一柔性铰链C与第二柔性铰链D的截面上，铰链位置的两侧均为圆弧；所述第三柔性铰链E由在每个支撑腿的宽度方向设有按高度均匀分布的八个直圆柔性铰链组成,在第三柔性铰链E的截面上，每个直圆铰链位置的一侧为圆弧，另一侧为直线。
优选地，包括第一螺钉、第三螺钉、下层箱盖、上层箱盖和光学仪器，分别使用所述第一螺钉和所述第三螺钉将下层箱盖和所述上层箱盖安装于所述平台主体下方和上方，所述平台主体的上下安装面上安装有光学仪器。
优选地，还包括第四螺钉、第二螺钉和第五螺钉，所述第四螺钉、所述第二螺钉和所述第五螺钉分别将所述前端支撑腿、所述后端第一支撑腿和所述后端第二支撑腿安装与所述平台主体的载荷平台安装面上。
优选地，所述前端支撑腿、所述后端第一支撑腿和所述后端第二支撑腿的下端安装面上分别粘接前端垫片、后端第一垫片和后端第二垫片。
优选地，所述前端垫片、所述后端第一垫片和所述后端第二垫片采用隔热材料。
所述的一种基于运动学支撑的光学平台装置通过三个支撑腿与载荷平台安装面固定时，每个支撑腿的三轴柔性铰链将安装面的变形释放到柔性部分，减小平台主体的变形，同时不影响整体结构的强度和刚度；三个支撑腿的柔性结构释放了相应的自由度，保证光学平台装置恰好完全约束六个空间自由度，没有多余约束存在。
附图说明
图1为本发明的一种基于运动学支撑的光学平台装置的立体图；
图2为本发明的一种基于运动学支撑的光学平台装置的仰视图；
图3为本发明中一种基于运动学支撑的光学平台装置的一个支撑腿的局部放大图；
图4为本发明的第一柔性铰链C与第二柔性铰链D的截面图。
其中：1-前端支撑腿；2-前端垫片；3-平台主体；4-下层箱盖；5-第一螺钉；6-后端第一支撑腿；7-后端第一垫片；8-第二螺钉；9-上层箱盖；10-第三螺钉；11-光学仪器；12-第四螺钉；13-第五螺钉；14-后端第二支撑腿；15-后端第二垫片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
如图1所示:一种基于运动学支撑的光学平台装置，包括平台主体3及固定安装于平台主体3的载荷平台安装面上的前端支撑腿1、后端第一支撑腿6和后端第二支撑腿14，三个支撑腿呈三角形排布，后端第一支撑腿6和后端第二支撑腿14关于平台主体3呈左右轴对称设置，每个支撑腿都具有三处柔性结构，所述三处柔性结构分别为第一柔性铰链C、第二柔性铰链D和第三柔性铰链E，如图3所示：所述第一柔性铰链C与所述第二柔性铰链D分别为在每个支撑腿的长度方向和宽度方向各设有一个双圆弧柔性铰链，所述双圆弧柔性铰链为两个背对背的弧形结构，其余部分为空隙，在第一柔性铰链C与第二柔性铰链D的截面上，铰链位置的两侧均为圆弧，如图4所示：第一柔性铰链C和第二柔性铰链D剖面线为结构连接和承力路径，结构的上下两部分通过尺寸很小两圆弧间的结构相连，受力时可以绕圆弧间的结构转动；如图3所示：所述第三柔性铰链E由在每个支撑腿的宽度方向设有按高度均匀分布的八个直圆柔性铰链组成,在第三柔性铰链E的截面上，每个直圆铰链结构的一侧为直线，另一侧为圆弧，第三柔性铰链E的八个柔性铰链构成了空间柔性结构，支撑腿受力时既可以在宽度方向平移又可以绕铰链的直圆结构转动。
一个前端支撑腿和两个后端支撑腿都设置三轴柔性铰链提供三个旋转自由度和一个平移自由度，在每个支撑腿的宽度方向设有按高度均匀分布的八个直圆柔性铰链提供一个平移自由度和一个旋转自由度，在每个支撑腿的长度方向和宽度方向各设有一个双圆弧形柔性铰链提供一个旋转自由度，如图3所示：三轴柔性铰链设置在此位置是将安装面的变形释放到柔性部分，减小平台主体3的变形，同时不致于影响整体结构的强度和刚度。
具体地，每个支撑腿都具有的柔性结构分别为：第一柔性铰链C、第二柔性铰链D和第三柔性铰链E，每个支撑腿的第一柔性铰链C提供绕Y轴的旋转自由度，第二柔性铰链D提供绕X轴的旋转自由度，第三柔性铰链E提供沿Y轴方向的平移自由度和绕X轴的旋转自由度，第一柔性铰链C与第二柔性铰链D联合提供绕Z轴的旋转自由度。
可以理解，前端支撑腿和两个后端支撑腿采用柔性设计，在长度方向和垂直安装面的高度方向具有较高的结构刚度，宽度方向和绕三轴的旋转方向具有柔性；所述前端支撑腿和两个后端支撑腿各自质心在其柔性方向的运动轨迹交于一点，三个支撑腿组合可以恰好完全约束平台主体的六个空间自由度。能够应用于空间遥感、航空摄像、天文观测、环境监测、精密度测量等领域。
且平台主体3为一块金属材料锻造或铸造制成的整体式结构，采用整体式结构的平台主体3，其在空间三个方向都具有较大尺寸，抗弯曲能力强，具有结构组织一致性高、轻量化率高、力热稳定性能好的特点，解决了组合式结构力学性能差、轻量化率低、热稳定性不易保证的技术问题。
结合图1及图2：进一步地，第一螺钉5、第三螺钉10、下层箱盖4、上层箱盖9和光学仪器11，分别使用第一螺钉5和第三螺钉10将下层箱盖4和上层箱盖9安装于平台主体3下方和上方，平台主体3的上下安装面上安装有光学仪器11，光学仪器11的数量是根据需求设置，多个光学仪器共光轴安装，其光轴平行。
再进一步地，第四螺钉12、第二螺钉8和第五螺钉13分别将前端支撑腿1、后端第一支撑腿6和后端第二支撑腿14安装与平台主体3的载荷平台安装面上。
优选地，前端支撑腿1、后端第一支撑腿6和后端第二支撑腿14的下端安装面上分别粘接前端垫片2、后端第一垫片7和后端第二垫片15；前端支撑腿1、后端第一支撑腿6和后端第二支撑腿14采用高强度、高弹性模量、高热阻材料；前端垫片2、后端第一垫片7和后端第二垫片15采用隔热材料，使得平台主体3与各支撑腿组件的安装面之间能够实现隔热安装，可以减少平台主体3受安装面温度变化的影响。前端支撑腿和两个后端支撑腿与外界安装面处，每处用光学环氧胶分别粘接一个聚酰亚胺隔热垫片，用于减少与外界的热交换，保证平台主体结构的热稳定性。
各支撑腿、垫片及平台主体3间的安装步骤为：首先使用光学环氧胶将垫片胶粘在相应的支撑腿上组成支撑腿组件，再分别使用第四螺钉12、第二螺钉8与第五螺钉13分别将前端支撑腿1、后端第一支撑腿6和后端第二支撑腿14通过螺钉安装于平台主体3的载荷平台安装面上，安装光学仪器11后，分别使用螺钉将下层箱盖4和上层箱盖9安装于平台主体3下方和上方。
本发明的平台主体3容易受安装面变形影响而产生结构变形，上述的柔性支撑隔离安装面应力和变形向平台主体3的传递，解决平台稳定性问题。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种基于运动学支撑的光学平台装置，包括平台主体(3)及固定安装于所述平台主体(3)的载荷平台安装面上的前端支撑腿(1)、后端第一支撑腿(6)和后端第二支撑腿(14)，其特征在于：三个所述支撑腿呈三角形排布，所述后端第一支撑腿(6)和所述后端第二支撑腿(14)关于平台主体(3)呈左右轴对称设置，每个支撑腿都具有三处柔性结构，所述三处柔性结构分别为第一柔性铰链C、第二柔性铰链D和第三柔性铰链E，所述第一柔性铰链C与所述第二柔性铰链D分别为在每个支撑腿的长度方向和宽度方向各设有一个双圆弧柔性铰链，所述双圆弧柔性铰链为两个背对背的弧形结构，其余部分为空隙，在第一柔性铰链C与第二柔性铰链D的截面上，铰链位置的两侧均为圆弧；所述第三柔性铰链E由在每个支撑腿的宽度方向设有按高度均匀分布的八个直圆柔性铰链组成,在第三柔性铰链E的截面上，铰链位置的一侧为圆弧，另一侧为直线。
2.如权利要求1所述的基于运动学支撑的光学平台装置，其特征在于，还包括第一螺钉(5)、第三螺钉(10)、下层箱盖(4)、上层箱盖(9)和光学仪器(11)，分别使用所述第一螺钉(5)和所述第三螺钉(10)将下层箱盖(4)和所述上层箱盖(9)安装于所述平台主体(3)下方和上方，所述平台主体(3)的上下安装面上安装有光学仪器(11)。
3.如权利要求1所述的基于运动学支撑的光学平台装置，其特征在于，还包括第四螺钉(12)、第二螺钉(8)和第五螺钉(13)，所述第四螺钉(12)、所述第二螺钉(8)和所述第五螺钉(13)分别将所述前端支撑腿(1)、所述后端第一支撑腿(6)和所述后端第二支撑腿(14)安装于所述平台主体(3)的载荷平台安装面上。
4.如权利要求3所述的基于运动学支撑的光学平台装置，其特征在于，所述前端支撑腿(1)、所述后端第一支撑腿(6)和所述后端第二支撑腿(14)的下端安装面上分别粘接前端垫片(2)、后端第一垫片(7)和后端第二垫片(15)。
5.如权利要求4所述的基于运动学支撑的光学平台装置，其特征在于，所述前端垫片(2)、所述后端第一垫片(7)和所述后端第二垫片(15)采用隔热材料。
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