CN110687657A - 一种高精度转角控制柔性调节装置 - Google Patents

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欧阳志康
耿自嫣
刘海啸
孙伟
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Abstract

本发明公开了一种高精度转角控制柔性调节装置，包括控制单元、驱动装置、中心轴及支撑装置、柔性转动铰和转角调整装置。由控制单元产生控制信号输入至驱动装置而产生转动扭矩，并将该扭矩信息传递给中心轴。柔性转动铰的内圈和中心轴通过过盈配合而获得扭矩信息并作为其弹性变形的载荷，同时柔性转动铰的外圈全约束固定获得位移边界条件，然后柔性转动铰会发生弹性变形从而带动中心轴产生相应的转动角位移。因此，固定于中心轴的转角调整装置可以获得对应的高精度的转动角位移，从而达到转动角度的高精度控制。此系统可用于光学成像系统等领域的高精度转角控制。

Description

一种高精度转角控制柔性调节装置
技术领域
本发明涉及一种高精度转角控制柔性调节装置，尤其针对光学领域的微小转动高精度控制调节装置。
背景技术
柔性调节装置是一种通过柔性转动铰实现转角的高精度控制装置，柔性转动铰具有一体化加工、免装配、无摩擦磨损等特点，是通过柔性结构本身的弹性变形达到运动的高精度控制。在高精度精密加工、机器人高精度运动控制领域具有重要的应用价值，特别是在精密光学支撑领域具有很大的应用前景。例如中国专利申请201711298124.2公开了一种反射镜偏转系统，通过驱动组件对反射镜座进行位置调整，同时利用传感器组件实现对反射镜座位置的实时监测并作为反馈控制驱动组件的运动，但是其中为反射镜组件提供支撑以及弹性回复力的柔性弹片支撑组件，其柔性结构本身的刚度特性对反射镜结构的性能影响并未进行分析考虑。中国专利申请201721555410.8公开了一种扇形反射镜转动微调装置，包括操作手柄，通过连接架对弧形架的端部进行对接的扇形反射镜，此装置可以对扇形反射镜进行转动微调，但是因其反射镜与装置的控制部分采用传统的机械结构而存在摩擦易产生磨损变形，在长时间的使用下，机构的精度难以得到保证。同时也证明了基于柔性转动铰的高精度转角控制调节装置的必要性。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术的不足，提供一种高精度转角控制柔性调节装置，通过柔性转动铰的弹性变形来实现所调节部件的转动角度的高精度控制。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种高精度转角控制柔性调节装置，包括控制单元、驱动装置、中心轴及支撑装置、柔性转动铰和转角调整装置，控制单元产生控制信号并输入至驱动装置，驱动装置依据输入控制信号产生所需的转动扭矩，并将该扭矩信息传递给中心轴及支撑装置，中心轴及支撑装置通过支撑结构固定在底座两端，支撑整个系统和固定柔性转动铰，并通过中心轴实现从驱动装置到柔性转动铰的扭矩信号传递，柔性转动铰通过自身的弹性变形实现输入扭矩到转动角位移的变化，转角调整装置通过一个固定箍与中心轴及支撑装置相连，利用可调节夹具对反射镜进行固定，实现反射镜的高精度转角控制。
优选地，驱动装置包括一个电机连接一个齿轮组，通过控制单元产生输出控制信号，控制电机和齿轮组依据输入控制信号产生所需的转动扭矩，并将该扭矩传入中心轴。
优选地，中心轴及支撑装置包括底座、支撑结构、轴承、压板、螺栓和中心轴，支撑结构固定在底座两端，用以支撑整个系统，将中心轴穿过装有轴承的支撑结构，并利用压板与螺栓配合对柔性转动铰外圈施加约束载荷，实现输入扭矩到转动位移的变化。
优选地，柔性转动铰是一种通过结构的弹性变形而产生转动角位移的柔性铰链，通常由高弹性材料制成，通过柔性转动铰的柔性刚性综合的拓扑优化设计获得。
优选地，转角调整装置包括螺母、弹簧、反射镜、可调节夹具一和可调节夹具二，利用固定箍将可调节固定夹具一、二与中心轴相连，通过中心轴传递的扭矩信号，带动夹具上的反射镜转动，可调节夹具一与可调节夹具二通过弹簧施加约束，依据被调整对象自由调整夹具大小，实现对反射镜的固定，并达到转动角度的高精度控制。
1.控制单元，为系统控制单元部分，此部分通过控制单元来产生控制信号并输入到驱动装置。
2.驱动装置，包括电机和齿轮组，此部分依据输入的控制信号通过电机连接齿轮组产生所需的转动扭矩，并将该扭矩传入中心轴。
3.中心轴及支撑装置，包括具有凹槽的底座、支撑结构、轴承、具有孔深度一致的压板、螺栓、中心轴，此部分用以支撑整个系统和固定柔性转动铰，将中心轴穿过装有轴承的支撑结构，利用压板与螺栓配合对柔性转动铰外圈施加约束载荷，实现输入扭矩到转动角位移的变化。
4.柔性转动铰，材料为硅胶或其他弹性材料，通过柔性转动铰的柔性刚性综合的拓扑优化设计获得，该结构具有类似铰链的可以实现较大弹性变形的结构。柔性转动铰与中心轴采用过盈配合，中心轴的扭矩作为柔性转动铰变形的输入扭矩，通过柔性转动铰的弹性变形实现输入扭矩到转动角位移的变化，可以实现高精度的转动角度控制。
5.转角调整装置，此部分主要是被调整对象，可以为光学领域的反射镜，包括螺母、弹簧、反射镜、可调节夹具一和可调节夹具二。固定箍将可调节固定夹具一、二与中心轴相连，通过中心轴传递的扭矩信号，带动固定夹具上的反射镜转动，可调节夹具一、二通过弹簧施加约束，可根据被调整对象自由调整夹具大小，实现对反射镜的固定，并达到转动角度的高精度控制。
本系统具体的装置包括装置底座、支撑结构、轴承、压板、螺栓、柔性转动铰、中心轴、固定箍、螺母、可调节固定夹具、弹簧、反射镜、电机和齿轮组。
系统结构工作时，将支撑结构固定在具有凹槽的装置底座的两端，并将两个轴承分别置入带孔的支撑结构中，对柔性转动铰的叶片利用具有五个孔深度一致的压板和螺栓配合施加全约束固定获得位移边界条件，将柔性转动铰固定住，利用螺栓与螺母将固定箍一端固定在中心轴上，并通过螺栓与螺母将可调节固定夹具与固定箍另一端连接，将中心轴同时穿过柔性转动铰和轴承固定在支撑结构上，再通过电机与齿轮组配合以控制中心轴的转动，带动柔性铰转动产生角位移，从而带动可调节夹具上的反射镜转动。
本发明中的关键模块采用不同的方案实现：
1.施加载荷的方式可以有不同的方式，方式一：控制单元控制电机输入扭矩；方式二：采用拉力计等输入力的设备通过转动中心轴，实现扭矩的输入。
2.柔性转动铰可以采用不同的形式，这些方案的适用条件有所不同，但是都可以达到转动角度的高精度控制。
3.转角调整装置的固定方案可以采用多种形式，方式一可以使用固定箍的形式；方式二可以在中心轴上钻孔用于固定被调整部件；方式三：考虑被调整部件如反射镜的通用性，设计可调节的固定夹具，可以依据被调整部件大小自由调整夹具。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：
1.柔性铰链机构其本身具有无摩擦磨损、运动灵敏度高等特点，基于柔性机构这些特性，本发明用柔性转动铰替代传统的刚性支撑结构，一方面有效的提高反射镜的面形精度和微小转角的控制精度，另一方面在一定程度上避免摩擦磨损等问题，以提高整个调节装置的使用寿命；
2.考虑反射镜的通用性，设计可调节的固定夹具，可以依据反射镜大小自由调整夹具。
附图说明
图1高精度转角控制柔性调节装置工作流程图。
图2高精度转角控制柔性调节装置的整体结构示意图。
图3高精度转角控制柔性调节装置的爆炸主视图。
图4高精度转角控制柔性调节装置的整体装配图及剖视图。
图5柔性转动铰的结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1～图5，一种高精度转角控制柔性调节装置，包括控制单元、驱动装置、中心轴及支撑装置、柔性转动铰和转角调整装置，其特征在于：控制单元产生控制信号并输入至驱动装置，驱动装置依据输入信号产生转动扭矩，并将该扭矩信息传递给中心轴及支撑装置，中心轴及支撑装置通过支撑结构支撑整个系统和固定柔性转动铰，并通过中心轴传递扭矩信号到柔性转动铰，柔性转动铰通过自身的弹性变形实现输入扭矩到转动角位移的变化，转角调整装置通过一个固定箍与中心轴及支撑装置相连，实现反射镜的高精度转角控制。
驱动装置包括一个电机13连接一个齿轮组14，通过控制单元产生输出控制信号，控制电机13和齿轮组14依据输入控制信号产生所需的转动扭矩，并将该扭矩传入中心轴。
中心轴及支撑装置包括底座1、支撑结构2、轴承3、压板4、螺栓5和中心轴7，支撑结构2固定在底座1两端，用以支撑整个系统，将中心轴7穿过装有轴承3的支撑结构2，并利用压板4与螺栓5配合对柔性转动铰6外圈施加约束载荷，实现输入扭矩到转动位移的变化。
柔性转动铰6是一种通过结构的弹性变形而产生转动角位移的柔性铰链，通常由高弹性材料制成，通过柔性转动铰的柔性刚性综合的拓扑优化设计获得。
转角调整装置包括螺母9、弹簧11、反射镜12、可调节夹具一15和可调节夹具二16，利用固定箍8将可调节固定夹具一、二15，16与中心轴7相连，通过中心轴7传递的扭矩信号，带动夹具上的反射镜12转动，可调节夹具一15与可调节夹具二16通过弹簧11施加约束，依据被调整对象自由调整夹具大小，实现对反射镜12的固定，并达到转动角度的高精度控制。
下面结合附图2，3，4，利用本实施例本高精度转角控制柔性调节装置工作流程如下：
第一步，将支撑结构2固定在带有凹槽的底座1的两端，并将两个轴承3分别置入带孔的支撑结构2中。
第二步，将柔性转动铰6的叶片利用具有五个孔深度一致的压板4和螺栓5配合施加约束载荷，将柔性转动铰6固定住，其中柔性转动铰可以采用如图5所示的a，b，c，d四种方案，这些方案的适用条件有所不同，但是都可以达到转动角度的高精度控制。
第三步，中心轴7采用过盈配合同时穿过柔性转动铰6和轴承3固定在支撑结构2上，其中保证支撑结构的高度需与柔性转动铰机构的圆心高度一致。
第四步，利用螺栓5与螺母9将固定箍8一端固定在中心轴7上，并通过螺栓5与螺母9将可调节固定夹具10与固定箍8另一端连接。
第五步，将反射镜12用可调节固定夹具10进行安装固定。
第六步，再通过控制单元驱动电机13与齿轮组14配合以控制中心轴7的转动，带动柔性铰转动产生角位移，从而带动可调节固定夹具10上的反射镜12转动，其中驱动方式还可以采用拉力计等输入力的设备通过转动中心轴，实现扭矩的输入。
总之，本实施例高精度转角控制柔性调节装置，包括控制单元、驱动装置、中心轴及支撑装置、柔性转动铰和转角调整装置。由控制单元产生控制信号输入至驱动装置而产生转动扭矩，并将该扭矩信息传递给中心轴。柔性转动铰的内圈和中心轴通过过盈配合而获得扭矩信息并作为其弹性变形的载荷，同时柔性转动铰的外圈全约束固定获得位移边界条件，然后柔性转动铰会发生弹性变形从而带动中心轴产生相应的转动角位移。因此，固定于中心轴的转角调整装置可以获得对应的高精度的转动角位移，从而达到转动角度的高精度控制。此系统可用于光学成像系统等领域的高精度转角控制。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明高精度转角控制柔性调节装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高精度转角控制柔性调节装置，包括控制单元、驱动装置、中心轴及支撑装置、柔性转动铰和转角调整装置，其特征在于：所述控制单元产生控制信号并输入至驱动装置，驱动装置依据输入信号产生转动扭矩，并将该扭矩信息传递给中心轴及支撑装置，中心轴及支撑装置通过支撑结构支撑整个系统和固定柔性转动铰，并通过中心轴传递扭矩信号到柔性转动铰，柔性转动铰通过自身的弹性变形实现输入扭矩到转动角位移的变化，转角调整装置通过一个固定箍与中心轴及支撑装置相连，实现反射镜的高精度转角控制。
2.根据权利要求1所述的高精度转角控制柔性调节装置，其特征在于：所述驱动装置包括一个电机(13)连接一个齿轮组(14)，通过控制单元产生输出控制信号，控制电机(13)和齿轮组(14)依据输入控制信号产生所需的转动扭矩，并将该扭矩传入中心轴。
3.根据权利要求1所述的高精度转角控制柔性调节装置，其特征在于：所述中心轴及支撑装置包括底座(1)、支撑结构(2)、轴承(3)、压板(4)、螺栓(5)和中心轴(7)，所述支撑结构(2)固定在底座(1)两端，用以支撑整个系统，将中心轴(7)穿过装有轴承(3)的支撑结构(2)，并利用压板(4)与螺栓(5)配合对柔性转动铰(6)外圈施加约束载荷，实现输入扭矩到转动位移的变化。
4.根据权利要求1所述的高精度转角控制柔性调节装置，其特征在于：所述柔性转动铰(6)是一种通过结构的弹性变形而产生转动角位移的柔性铰链，通常由高弹性材料制成，通过柔性转动铰的柔性刚性综合的拓扑优化设计获得。
5.根据权利要求1所述的高精度转角控制柔性调节装置，其特征在于：所述转角调整装置包括螺母(9)、弹簧(11)、反射镜(12)、可调节夹具一(15)和可调节夹具二(16)，利用固定箍(8)将可调节固定夹具一、二(15，16)与中心轴(7)相连，通过中心轴(7)传递的扭矩信号，带动夹具上的反射镜(12)转动，所述可调节夹具一(15)与可调节夹具二(16)通过弹簧(11)施加约束，依据被调整对象自由调整夹具大小，实现对反射镜(12)的固定，并达到转动角度的高精度控制。
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