CN111123469B - 一种金属反射镜旋转自由度调整结构及调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属反射镜旋转自由度调整结构及调整方法，属于高精密光学元件支撑及调整机构技术领域，目的在于提供一种集成的反射镜旋转自由度调整方法，简化调整过程，并降低调整过程中可能对反射镜造成的不良影响。本发明包括一个金属反射镜，三个正交的旋转自由度调整件，其中金属反射镜通过背部支撑与一个旋转自由度调整件连接。金属反射镜为6061铝镜，采用背部支撑结构设计；三个正交的旋转自由度调整件，分别用以实现对金属反射镜三个旋转自由度的调节，简化调整过程。本发明的金属反射镜旋转自由度调整结构，可应用于需要进行精密角度调节的光机系统中。

Description

一种金属反射镜旋转自由度调整结构及调整方法

技术领域

本发明属于高精密光学元件支撑及调整机构技术领域，涉及一种金属反射镜旋转自由度调整结构及调整方法，通过各旋转自由度调整结构的旋转运动实现反射镜的旋转自由度调节。

背景技术

在反射式光学系统中，随着加工成本的进一步降低，可进行轻量化设计的金属反射镜获得了越来越广泛的应用，且金属反射镜多采用集成式安装结构，结构简便，便于大批量的制造。另外，金属反射镜在使用过程中，经常需要进行角度调整，快捷且低成本的装调也需求越来越迫切。

因此，进行合理的调整结构设计，在满足实用需求的同时，尽量简化角度调整环节，并有效减小或是消除调整带来的不利影响，对提高装配效率，降低成本具有重要意义。

现有金属反射镜的角度调节常采用安装面夹角调整的方式，实现这一调整方式目前主要有两种途径，一是提高相关零件的加工精度，二是通过较高的装调水平来通过调整实现，容易造成较高的加工、装调成本或较长的产品制造周期。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种金属反射镜旋转自由度调整结构及调整方法，通过调整结构各构件的角度旋转运动，直接实现金属反射镜的旋转自由度调整，同时具有良好的角度调整效果。

技术方案

一种金属反射镜旋转自由度调整结构，其特征在于包括X轴旋转自由度调整件2、Y轴旋转自由度调整件3、Z轴旋转自由度调整件4、转接件5、第一平面弹簧6、第二平面弹簧7和安装座8；X轴旋转自由度调整件2插入Y轴旋转自由度调整件3中部的矩形通孔，通过第一平面弹簧6与Y轴旋转自由度调整件3固定；X轴旋转自由度调整件2的侧边与Y轴旋转自由度调整件3的V1、V2面衔接，且Y轴旋转自由度调整件3的V1、V2面组成的V型结构的内切圆直径，与X轴旋转自由度调整件2的X1圆柱面同心且直径一致；X轴调整孔A位于X轴旋转自由度调整件2的侧边中部，Y轴旋转自由度调整件3侧边的矩形孔内；当X轴调整孔A移动时，X轴旋转自由度调整件2在Y轴旋转自由度调整件3的V型结构中，沿圆柱面X1的轴线旋转；再将Y轴旋转自由度调整件3置于Z轴旋转自由度调整件3的两个V型结构之间，通过第二平面弹簧7与Z轴旋转自由度调整件3固定，Y轴旋转自由度调整件3的另一个侧边设有转接件5，其上设有Y轴调整孔B，Z轴旋转自由度调整件3的V3、V4面组成的V型结构的内切圆直径，与Y轴旋转自由度调整件3的X2圆柱面同心且直径一致，当移动Y轴调整孔B时，Y轴旋转自由度调整件3在Z轴旋转自由度调整件4的V型结构中，沿圆柱面Y1的轴线旋转；Z轴旋转自由度调整件4安装在安装座8的沉台中，沉台的直径与Z轴旋转自由度调整件4的Z1面直径相同，Z轴调整孔C位于Z轴旋转自由度调整件4的圆柱面Z1上，当移动Z轴调整孔C时，Z轴旋转自由度调整件4在安装座8的沉台中沿圆柱面Z1的轴线旋转。

一种利用所述金属反射镜旋转自由度调整结构进行金属反射镜旋转自由度调整的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：首先将金属反射镜1通过4个螺钉固定在X轴旋转自由度调整件2上；并将各紧固件紧固；

步骤2：松开Z轴旋转自由度调整件4的紧固螺钉，通过将Z轴旋转自由度调整件4，相对安装座8进行旋转，将金属反射镜1Z轴方向上的旋转自由度调整到位后，再将各紧固螺钉拧紧固定；

步骤3：松开Y轴旋转自由度调整件4、第二平面弹簧7的紧固螺钉，通过将Y轴旋转自由度调整件3，相对Z轴旋转自由度调整件4进行旋转，将金属反射镜1Y轴方向上的旋转自由度调整到位后，再将各紧固螺钉拧紧固定；

步骤4：松开X轴旋转自由度调整件2、第二平面弹簧6的紧固螺钉，通过将X轴旋转自由度调整件2，相对Y轴旋转自由度调整件3进行旋转，将金属反射镜1X轴方向上的旋转自由度调整到位后，再将各紧固螺钉拧紧固定；

步骤5：若有偏差或是重新调整的需要，则重复步骤2至步骤4直至满足要求。

有益效果

本发明提出的一种金属反射镜旋转自由度调整结构及调整方法，金属反射镜为圆形结构，采用背部支撑结构，通过背部安装结构实现与旋转自由度调整结构的连接；三个旋转自由度调整部件，各自实现一个旋转自由度调整，且采用嵌套构型，结构紧凑；其中，X轴旋转自由度调整部件由X轴旋转自由度调整件2、Y轴旋转自由度调整件3、第一平面弹簧6组成，Y轴旋转自由度调整部件由X轴旋转自由度调整部件、Z轴旋转自由度调整件4、第二平面弹簧7组成，Z轴旋转自由度调整部件由Y轴旋转自由度调整部件、安装座8组成。各旋转自由度调整件，在结构设计上采用V型结构与局部圆柱面相配合的结构形式，通过结构间的相对旋转运动实现各旋转自由度调整。

本发明包括一个金属反射镜，三个正交的旋转自由度调整件，其中金属反射镜通过背部支撑与一个旋转自由度调整件连接。金属反射镜为6061铝镜，采用背部支撑结构设计；三个正交的旋转自由度调整件，分别用以实现对金属反射镜三个旋转自由度的调节，简化调整过程。本发明的金属反射镜旋转自由度调整结构，可应用于需要进行精密角度调节的光机系统中。

本发明的积极效果：本发明的旋转自由度调整结构，通过相互独立的三个旋转自由度调整结构，能够有效简化金属反射镜的角度调整过程，降低加工成本，且具有连接可靠、便于调整等优点。

附图说明

图1是本发明中反射镜旋转自由度调整结构的示意图；

图2是本发明中反射镜旋转自由度调整结构的剖视图；

图3是本发明中X轴旋转自由度调整部件的组成示意图；

图4是本发明中X轴旋转自由度调整部件的剖视图；

图5是本发明中X轴旋转自由度调整部件的安装过程示意图；

图6是本发明中X轴旋转自由度调整部件V型结构示意图,右侧小图为V型结构放大图；

图7是本发明中Y轴旋转自由度调整部件示意图；

图8是本发明中X轴旋转自由度调整部件的剖视图；

图9是本发明中Y轴旋转自由度调整部件的安装过程示意图；

图10是本发明中Y轴旋转自由度调整部件V型结构示意图,右侧小图为V型结构放大图；

图11是本发明中Z轴旋转自由度调整部件示意图；

图12是本发明中反射镜旋转自由度调整结构各自由度调整位置示意图；

图13是本发明中Y轴旋转自由度顺时针调整极限角度示意图；

图14是本发明中Y轴旋转自由度逆时针调整极限角度示意图；

图15是本发明中X轴旋转自由度顺时针调整极限角度示意图；

图16是本发明中X轴旋转自由度逆时针调整极限角度示意图；

图中的附图标记表示为：

1—金属反射镜；2—X轴旋转自由度调整件；3—Y轴旋转自由度调整件；4—Z轴旋转自由度调整件；5—转接件；6—第一平面弹簧；7—第二平面弹簧；8—支撑结构；9-X轴旋转自由度调整件与Y轴旋转自由度调整件螺钉连接孔；10-X轴旋转自由度调整件与Y轴旋转自由度调整件的连接螺钉；11-Z轴旋转自由度调整件与转接件的螺钉连接孔；A-X轴调整孔；B-Y轴调整孔；C-Z轴调整孔；X1—X轴旋转自由度调整件2与Y轴旋转自由度调整件3V型结构相切的外圆面；Y1—Y轴旋转自由度调整件3与Z轴旋转自由度调整件4V型结构相切的外圆面；Z1—Z轴旋转自由度调整件4与支撑结构8安装时的定位止口；V1、V2—Y轴旋转自由度调整件3V型结构的组成平面，与X轴旋转自由度调整件2外圆面X1相切；V3、V4—Z轴旋转自由度调整件4V型结构的组成平面，与Y轴旋转自由度调整件3外圆面Y1相切。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

金属反射镜旋转自由度调整结构，包括金属反射镜1、X轴旋转自由度调整件2、Y轴旋转自由度调整件3、Z轴旋转自由度调整件4、转接件5、第一平面弹簧6、第二平面弹簧7、安装座8。

其中，如图3所示，所述X轴旋转自由度调整件2、第一平面弹簧6、Y轴旋转自由度调整件3组成X轴旋转自由度调整部件，安装过程示意图如图5所示；如图6所示Y轴旋转自由度调整件3的V1、V2面组成的V型结构的内切圆直径，与X轴旋转自由度调整件2的X1圆柱面同心且直径一致，X轴旋转自由度调整件2可在Y轴旋转自由度调整件3的V型结构中，沿圆柱面X1的轴线旋转。

如图7所示，所述X轴旋转自由度调整件2、第一平面弹簧6、Y轴旋转自由度调整件3、转接件5、第二平面弹簧7、Z轴旋转自由度调整件4组成Y轴旋转自由度调整部件，安装过程示意图如图9所示；如图10所示Z轴旋转自由度调整件3的V3、V4面组成的V型结构的内切圆直径，与Y轴旋转自由度调整件3的X2圆柱面同心且直径一致，Y轴旋转自由度调整件3可在Z轴旋转自由度调整件4的V型结构中，沿圆柱面Y1的轴线旋转。

所述X轴旋转自由度调整件2、第一平面弹簧6、Y轴旋转自由度调整件3、转接件5、第二平面弹簧7、Z轴旋转自由度调整件4、安装座8组成Z轴旋转自由度调整部件，Z轴旋转自由度调整件4安装在安装座8的沉台中，沉台的直径与Z轴旋转自由度调整件4的Z1面直径相同，Z轴旋转自由度调整件4可在安装座8的沉台中沿圆柱面Z1的轴线旋转。

所述金属反射镜1通过4个M2.5螺钉固定在X轴旋转自由度调整件2上；所述X轴旋转自由度调整件2和第一平面弹簧6分别通过4个M2螺钉固定在Y轴旋转自由度调整件3上，所述转接件5通过2个M2螺钉固定在Y轴旋转自由度调整件3上；所述Y轴旋转自由度调整件3和第二平面弹簧7，分别通过4个M2螺钉固定在Z轴旋转自由度调整件4上；所述Z轴旋转自由度调整件4，别通过4个M2.5螺钉固定在Z轴旋转自由度调整件4上。

所述金属反射镜1采用背部支撑结构，利用背部空间进行旋转自由度调整结构设计，调整结构远离反射镜且不会对反射镜造成遮拦。

所述旋转自由度调整结构位于金属反射镜1背部，各自实现一个旋转自由度调整，构型设计上采用嵌套设计，其中X轴旋转自由度调整件2嵌套在Y轴旋转自由度调整件3内，Y轴旋转自由度调整件3嵌套在Z轴旋转自由度调整件4内，结构紧凑。

所述旋转自由度调整结构在结构设计上采用V型结构与局部圆柱面相配合的结构形式，既保证了较好的调整效果，又降低了加工难度；另因实际使用过程中反射镜旋转自由度调整角度一般较小，采用局部圆柱面在有限角度内进行旋转运动，即可满足各旋转自由度的调整需求，且可以有效较小调整结构所需空间。

所述X轴旋转自由度调整件2与金属反射镜1直接连接，其安装平面需要较高的平面精度要求，而Y轴旋转自由度调整件3和Z轴旋转自由度调整件4的安装平面离金属反射镜1镜面距离较远，可按一般经济精度进行加工，降低加工成本。

旋转自由度调整结构，在完成旋转自由度调整结构与金属反射镜1的预装配后，反射镜的旋转自由度调整过程如下：

首先进行金属反射镜1Z轴方向上的旋转自由度调整：先松开Z轴旋转自由度调整件4的紧固螺钉，借助调整孔将Z轴旋转自由度调整件4，相对安装座8进行旋转，将金属反射镜1Z轴方向上的旋转自由度调整到位后，再将各紧固螺钉拧紧固定；

其次进行金属反射镜1Y轴方向上的旋转自由度调整：先松开Y轴旋转自由度调整件4、第二平面弹簧7的紧固螺钉，借助调整孔将Y轴旋转自由度调整件3，相对Z轴旋转自由度调整件4进行旋转，将金属反射镜1Y轴方向上的旋转自由度调整到位后，再将各紧固螺钉拧紧固定；

然后进行金属反射镜1X轴方向上的旋转自由度调整：先松开X轴旋转自由度调整件2、第二平面弹簧6的紧固螺钉，借助调整孔将X轴旋转自由度调整件2，相对Y轴旋转自由度调整件3进行旋转，将金属反射镜1X轴方向上的旋转自由度调整到位后，再将各紧固螺钉拧紧固定；

最后，若有偏差或是重新调整的需要，则重新进行以上三个自由度中的相应调整环节直至满足要求。

其中，金属反射镜1、X轴旋转自由度调整件2、Y轴旋转自由度调整件3、Z轴旋转自由度调整件4、转接件5、安装座8材料为铝合金6061，第一平面弹簧6、第二平面弹簧7材料为弹簧钢65Mn。

金属反射镜1为离轴抛物面镜，直径为100mm，镜厚比介于4.7与3.4之间，轻量化率约为50％；支撑结构位于背部中心，通过4个M2.5的螺钉与调整结构连接，其中与X轴旋转自由度调整件2对接的安装平面直径为40mm，平面度精度等级为4级。

X轴旋转自由度调整件2厚度为12mm，X1面圆柱面区域约为41.3°，直径为φ34mm，两侧边缘均有倒斜角处理，通过4个M2的螺钉与Y轴旋转自由度调整件3连接，且安装孔设计为U型孔；对应的Y轴旋转自由度调整件3的V型结构宽度为14mm，V型面的夹角为160°，内切圆直径为φ34mm，二者结合可实现反射镜绕X轴约±1°的旋转自由度调整，调整范围如图13、图14所示。

Y轴旋转自由度调整件3厚度为23mm，Y1面圆柱面区域约为38.4°。直径为φ70mm，两侧边缘均有倒斜角处理,通过4个M2的螺钉与Z轴旋转自由度调整件4连接，且安装孔设计为U型孔，转接件5通过2个M2的螺钉与Y轴旋转自由度调整件3连接，其上设计有调整孔；Z轴旋转自由度调整件4的V型结构宽度为24mm，V型面的夹角为160°，内切圆直径为φ70mm，二者结合可实现反射镜绕Y轴约±1°的旋转自由度调整，调整范围如图15、图16所示。

Z轴旋转自由度调整件4厚度为32.5mm，Z1外圆直径为φ124mm；通过4个M3的螺钉与支撑结构8连接，其安装孔直径为φ4.5，可实现反射镜绕Z轴约±1°的旋转自由度调整。

Claims (2)

1.一种金属反射镜旋转自由度调整结构，其特征在于包括X轴旋转自由度调整件(2)、Y轴旋转自由度调整件(3)、Z轴旋转自由度调整件(4)、转接件(5)、第一平面弹簧(6)、第二平面弹簧(7)和安装座(8)；X轴旋转自由度调整件(2)插入Y轴旋转自由度调整件(3)中部的矩形通孔，通过第一平面弹簧(6)与Y轴旋转自由度调整件(3)固定；X轴旋转自由度调整件(2)的侧边与Y轴旋转自由度调整件(3)的V1、V2面衔接；且Y轴旋转自由度调整件(3)的V1、V2面组成的V型结构的内切圆直径，与X轴旋转自由度调整件(2)的圆柱面X1同心且直径一致；X轴调整孔A位于X轴旋转自由度调整件(2)的侧边中部；当X轴调整孔A移动时，X轴旋转自由度调整件(2)在Y轴旋转自由度调整件(3)的V型结构中，沿圆柱面X1的轴线旋转；再将Y轴旋转自由度调整件(3)置于Z轴旋转自由度调整件(3)的两个V型结构之间，通过第二平面弹簧(7)与Z轴旋转自由度调整件(3)固定，Y轴旋转自由度调整件(3)的另一个侧边设有转接件(5)，其上设有Y轴调整孔B，Z轴旋转自由度调整件(3)的V3、V4面组成的V型结构的内切圆直径，与Y轴旋转自由度调整件(3)的圆柱面Y1同心且直径一致，当移动Y轴调整孔B时，Y轴旋转自由度调整件(3)在Z轴旋转自由度调整件(4)的V型结构中，沿圆柱面Y1的轴线旋转；Z轴旋转自由度调整件(4)安装在安装座(8)的沉台中，沉台的直径与Z轴旋转自由度调整件(4)的圆柱面Z1直径相同，Z轴调整孔C位于Z轴旋转自由度调整件(4)的圆柱面Z1上，当移动Z轴调整孔C时，Z轴旋转自由度调整件(4)在安装座(8)的沉台中沿圆柱面Z1的轴线旋转。

2.一种利用权利要求1所述金属反射镜旋转自由度调整结构进行金属反射镜旋转自由度调整的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：首先将金属反射镜(1)通过4个螺钉固定在X轴旋转自由度调整件(2)上；并将各螺钉紧固；

步骤2：松开Z轴旋转自由度调整件(4)的紧固螺钉，通过将Z轴旋转自由度调整件(4)，相对安装座(8)进行旋转，将金属反射镜(1)Z轴方向上的旋转自由度调整到位后，再将Z轴旋转自由度调整件的各紧固螺钉拧紧固定；

步骤3：松开Y轴旋转自由度调整件(4)、第二平面弹簧(7)的紧固螺钉，通过将Y轴旋转自由度调整件(3)，相对Z轴旋转自由度调整件(4)进行旋转，将金属反射镜(1)Y轴方向上的旋转自由度调整到位后，再将Y轴旋转自由度调整件的各紧固螺钉拧紧固定；

步骤4：松开X轴旋转自由度调整件(2)、第一平面弹簧(6)的紧固螺钉，通过将X轴旋转自由度调整件(2)，相对Y轴旋转自由度调整件(3)进行旋转，将金属反射镜(1)X轴方向上的旋转自由度调整到位后，再将X轴旋转自由度调整件的各紧固螺钉拧紧固定；

步骤5：若有偏差或是重新调整的需要，则重复步骤2至步骤4直至满足要求。

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