CN111624730B - 双柔性结构的快速反射镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双柔性结构的快速反射镜，包括依次安装的反射镜、用于安装反射镜的背板、用于反射镜一维和/或二维转动的双柔性结构组件、作为驱动组件的音圈电机组、底座组件；双柔性结构组件包括为并联形式且回转轴重合的中心柔性轴和固定柔性单元；中心柔性轴为柱状体结构并设有多个用于安装定位的凸柱环，中心柔性轴与固定柔性单元回转中心重合处的任意剖面都为对称弧形向内凹陷结构。本发明通过采用两种柔节采用不同柔性结构，通过叠加双柔节不同方向上的刚度，来获得总体刚度的提高。柔性结构采用双柔性单元并联，可以提高承载能力；可以通过快速替换其中一柔性元件来实现不同刚度的柔性支撑效果，以此来获得需要的固有频率和系统带宽。

Description

双柔性结构的快速反射镜

技术领域

本发明涉及反射镜领域，尤其涉及双柔性结构的快速反射镜。

背景技术

快速发射镜是近几年来发展起来的用于高精度光束控制的光学装置，可以实现光学稳像、补偿像移等功能，广泛应用于航空光电载荷、激光武器和光通信等技术领域。

快速反射镜系统通常采用柔性结构来提供的支撑，可以实现无摩擦和快速响应。随着科技的迅速进步，整个光学系统向着灵巧型、轻质和高分辨率的方向发展，因此，光学系统对快速反射镜装置的体积和重量等提出了更高的要求，并要求装配的快速性与模块化。现有技术的快速反射镜实现了快速反射镜的二维转动，但是其柔性结构包括中心柔性连接件和侧边柔性连接件，由于尺寸较大且柔性结构为分离结构，不便于集成化装配。

发明内容

本发明创造的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种双柔性结构的快速反射镜，通过设置两种不同的柔性结构单元实现反射镜的转动。

本发明是通过以下的技术方案实现的：

一种双柔性结构的快速反射镜，包括依次安装的反射镜、用于安装所述反射镜的背板、用于所述反射镜一维和/或二维转动的双柔性结构组件、作为驱动组件的音圈电机组、底座组件；所述双柔性结构组件包括为并联形式且回转轴重合的中心柔性轴和固定柔性单元；所述中心柔性轴为柱状体结构并设有多个用于安装定位的凸柱环，所述中心柔性轴与所述固定柔性单元回转中心重合处的任意剖面都为对称弧形向内凹陷结构。

优选的，凸柱环包括设置中心柔性轴一端带外螺纹的第一凸柱环和设置在另一端伸出并抵接所述固定柔性单元的第二凸柱环。

优选的，凸柱环还包括用于辅助安装带外螺纹的第三凸柱环。

优选的，第二凸柱环前端部设有与其同轴的凸柱体，所述凸柱体的端口设有用于旋转的一字型结构。

优选的，固定柔性单元包括用于安装所述中心柔性轴的安装板和设置在所述安装板上呈十字型分部的第一弧形柔性组和第二弧形柔性组，所述第一弧形柔性组远离所述安装板的一端通过连接板连接，所述第二弧形柔性组远离所述安装板一端的每个单元分别设有定位板。

优选的，第一弧形柔性组和第二弧形柔性组的每个单元的截面为轴对称的弧形内凹结构。

优选的，固定柔性单元包括圆柱状的十字型柔性轴承、用于安装所述十字型柔性轴承的轴承夹具组、用于组装所述十字型柔性轴承、轴承夹具组和中心柔性轴的凸台夹具组。

优选的，轴承夹具组由两块夹块组成，夹块上设置有与所述十字型柔性轴承对应的柱状凹部。

优选的，凸台夹具组包括第一夹台和第二夹台，第一夹台包括凸台和设置在所述凸台两侧底端用于安装所述轴承夹具组的安装脚；第二夹台为由三块平板组成的U型台，相对设计的两平板上开设由用于安装十字型柔性轴承的孔位。

优选的，反射镜的连接面设有用于连接的第一凸环；所述背板用于连接所述反射镜的连接面设有与所述第一凸环胶接对应的第二凸环。

有益效果：两种柔节采用不同柔性结构，通过叠加双柔节不同方向上的刚度，来获得总体刚度的提高。柔性结构采用双柔性单元并联，可以提高承载能力；可以通过快速替换其中一柔性元件来实现不同刚度的柔性支撑效果，以此来获得需要的固有频率和系统带宽。

附图说明

图1为本申请其中一种实施例的整体结构一视觉下的爆炸图；

图2为本申请其中一种实施例的组作组件二视觉下的爆炸图；

图3为本申请其中一种实施例的底座安装面结构示意图；

图4为本申请其中一种实施例的中心柔性轴的结构示意图；

图5为本申请第一种实施例的固定柔性单元的结构示意图；

图6为本申请第二种实施例的固定柔性单元的爆炸图；

图7为本申请第二种实施例的固定柔性单元一视觉下的结构示意图；

图8为本申请第二种实施例的固定柔性单元二视觉下的结构示意图；

图9为本申请其中一种实施例的整体结构剖面图；

图10为本申请其中一种实施例背板的结构示意图；

图11为本申请其中一种实施例的去除背板的结构示意图；

图12为本申请其中一种实施例的音圈电机结构示意图；

图13为本申请其中一种实施例的底座组件下表面的结构示意图；

图14为本申请其中一种实施例的底座组件的部分放大图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1、图2和图4所示，一种双柔性结构的快速反射镜，包括依次安装的反射镜1、用于安装所述反射镜1的背板2、可实现单轴或双轴转动的双柔性结构组件3、作为驱动组件的音圈电机组、用于安装的底座组件；所述双柔性结构组件3包括为并联形式且回转轴重合的中心柔性轴31和固定柔性单元；所述中心柔性轴31为柱状体结构并设有多个用于安装定位的凸柱环，所述中心柔性轴31与所述固定柔性单元回转中心重合处的任意剖面都为对称弧形向内凹陷结构；所述固定柔性单元用于所述反射镜1的二维转动。

如图1-图2所示，优选的一种实施例，反射镜1的安装面也就是非工作面设置有第一凸环11，所述反射镜1为对称的多边形设计当然也可以为圆形，第一凸环11的中心点与发射镜1的中心点重合；第一凸环11是为了与背板2上设置的第二凸环21安装而设置，为了安装方便，第一凸环外表面111呈锥面，就相当于第一凸环11的外侧面为圆台侧面设计，第一凸环11的口径由外到内逐渐增大，这里所述的外是指接近背板2的方向。背板2上的第二凸环21上设有第二凸环内表面211，第二凸环内表面211的锥度与第一凸环外表面111的锥度相同，第一凸环11可通过第二凸环内表面211插入到第二凸环21中并与之胶接完成反射镜1与背板2的安装。背板2的设置形状与反射镜1所设置的形状保持一致，如反射镜1为正八边形，那么背板2也为正八边形。反射镜1的材料可以为SiC或者单晶体Si材质。背板2的材质可以为殷钢材质。因为殷钢与SiC或者单晶体Si等材质的热膨胀系数相似。可以提高快速反射镜装置温度环境适应性，让其在温度变化时使反射镜面形不受外力作用，可以实现自由膨胀。例如当温度变化时，所有结构件会发生热胀冷缩，由于反射镜1和背板2的热膨胀系数一致，会同时膨胀或者收缩，不会产生外力作用。

如图1、图2和图10所示，优选的一种实施例，背板2的另一面也就是非反射镜1的安装面用于安装音圈电机组，背板2的非安装反射镜1的的一面设置有十字型凸台22，十字型凸台22中心设有方形孔222，方形孔222为了方便固定柔性单元与背板2的安装而设置，有节省空间的作用。可通过中心柔性轴31和固定柔性单元实现对反射镜1的一维或二维转动；背板2上设置有与之对应的音圈电机安装孔221，音圈电机安装孔221设置在十字型凸台22的端部，每个端部的端角处设置一个音圈电机安装孔221，例如图10，十字型凸台22一共有8个端角，所以一共设置8个音圈电机安装孔221。

如图1、图2、图4、图5、图6、图7和图8，所述双柔性结构组件3通过背板2控制反射镜1的一维或二维转动，双柔性结构组件3由中心柔性轴31和固定柔性单元组成，固定柔性单元的设置有用于安装中心柔性轴31的结构使两者形成一个模块组，在优选的一个实施例中，中心柔性轴31一端设有所述第一凸柱环311，所述第一凸柱环311上设有外螺纹；外螺纹可与固定柔性单元对应位置上的内螺纹相配合，用于中心柔性轴31在固定柔性单元中的安装。所述中心柔性轴31的另一端设有伸出并抵接所述固定柔性单元的第二凸柱环312。第二凸柱环312远离第一凸柱环311的端部设置有与其同轴的凸柱体313，所述凸柱体313内部设有用于旋转安装所述中心柔性轴31的一字型结构316。

如图7，优选的一字型结构316为向内凹陷的一字型凹部，可通过一字螺丝刀对一字型结构316进行旋转，使中心柔性轴31上的螺纹与固定柔性单元的内螺纹配合。第二凸柱环312的抵接面3121用于抵接固定柔性单元的底面，例如在如图5的一种实施例的固定柔性单元，抵接面3121伸出连接板324并与其抵接，例如在又一实施例的固定柔性单元，如图6，抵接面3121伸出第二夹台335并抵接第二夹台335的工型面板。中心柔性轴31还设置有第三凸柱环314，第三凸柱环314上也设有外螺纹。例如一种实施例，如图6，第一凸柱环311旋入第一夹台334时，第三凸柱环314可旋入第二夹台335，在第一夹台334和第二夹台335上分别设置有与第一凸柱环311和第三凸柱环314配合的孔位，孔位内设置有与其配合的内螺纹。又例如一种实施例，如图5，当第一凸柱环311旋入安装板321的对应孔位使时，第三凸柱环314旋入连接板324的对应孔位；同样连接板324与安装板321的对应位置设置有用于安装中心柔性轴31的孔位，孔位的内表面设置有内螺纹分别与第三凸柱环314、第一凸柱环311的外螺纹配合。在第一凸柱环311和第三凸柱环314中间设置对称弧形向内凹陷结构，该结构如图4所示的315标号位置，该结构为柔性结构，该结构的具体尺寸根据反射镜装置系统的固有频率决定。在如图6的实施例中，对称弧形向内凹陷结构设置在十字型柔性轴承331中心的空隙中；在这里，第一凸柱环311和第三凸柱环314上的外螺纹是经过一次加工形成的，所以，当在安装时，两者是同时在对应安装孔中进行旋转安装。如图5所示的实施例，该结构与第一弧形柔性组322和第二弧形柔性组323中轴对称的弧形内凹结构保持在同一水平面上。中心柔性轴31的旋转中心与固定柔性单元的旋转中心重合。中心柔性轴31可通过旋转安装等方式实现对反射镜装置的快速更换柔性单元作业，也就是对于要求作业刚度不同的反射镜装置来说，可通过调整中心柔性轴31的型号来调整，对于此，本设计的中心轴柔性轴可通过螺纹连接的方式轻松做到。

优选的一种实施例，如图5所示，固定柔性单元包括用于安装所述中心柔性轴31的安装板321和设置在所述安装板321上呈十字型分部的第一弧形柔性组322和第二弧形柔性组323，所述第一弧形柔性组322远离所述安装板321的一端设有连接板324，所述第二弧形柔性组323远离所述安装板321一端的每个单元分别设有定位板325。第一弧形柔性组322和第二弧形柔性组323的每个单元的截面为轴对称的弧形内凹结构。第一弧形柔性组322和第二弧形柔性组323是一圆柱结构通过四次线切割加工形成，例如第一弧形柔性组322是圆柱体在Y轴方向沿如图5所示的弧形结构对圆柱体进行左右切割，然后，圆柱体在X轴方向上沿如图5所示的弧形结构对圆柱体进行左右切割形成第二弧形柔性组323。对于此实施例下的固定柔性单元，在其安装上，如图5、图2和图3所示，固定柔性单元的连接板324的底面这里所说的底面是指的是图5所示连接板324的下底面，也就是第二凸柱环312伸出且卡接的平面与组座组件5上的底座安装面52安装连接，连接方式可以为螺母连接等。如图5和图10，两侧的定位板325分别通过设置在背板2的十字型凸台22上的固定柔性单元安装孔223进行安装。

如图1、图2、图6、图7和图8所示，固定柔性单元包括圆柱状的十字型柔性轴承331、用于安装所述十字型柔性轴承331的轴承夹具组332、333、用于组装所述十字型柔性轴承331、轴承夹具组332、333和中心柔性轴31的凸台夹具组334、335。轴承夹具组332、333由两块夹块组成，夹块上设置有与十字型柔性轴承331应的柱状凹部。凸台夹具组334、335包括第一夹台334和第二夹台335，第一夹台334包括凸台3341和设置在所述凸台3341两侧底端用于安装所述轴承夹具组332、333的安装脚3342；第二夹台335为由三块平板组成的U型台，相对设计的两平板上开设由用于安装十字型柔性轴承的孔位。如图6，十字型柔性轴承331由四个圆柱状结构组成且两个相对呈十字排列。且相对的圆柱体的中心轴是重合的。一组相对的两个圆柱体的柔性轴承是平行于X轴设置，另一组是平行于Y轴设置，两组圆柱体柔性轴承的中心轴相交于一点，而中心柔性轴31通过该点。轴承夹具组332、333包括设置在接近第一夹台334一侧的第一轴承夹332和接近第二夹台335一侧的第二轴承夹333，第一轴承夹332的四个端角处设置有轴承夹定位孔3321，并且第一轴承夹332为块状设计且与十字型柔性轴承331的安装面设置有与其对应的十字型弧形凹部，第二轴承夹333也有相似设计，第二轴承夹333用于安装十字型柔性轴承331的平面设置有与其对应的十字型弧形凹部，当第一轴承架332和第二轴承夹333对十字型柔性轴承331进行安装时，可通过轴承夹定位孔3321对对应设计在第二轴承夹333上的轴承夹定位孔3321进行安装固定。第二轴承夹333上设置有轴承夹具组安装孔3331，在第一夹台334的梯形安装脚3342的上体面上设置有与其对应的轴承夹具组安装孔3331，可以与第二轴承夹333上的轴承夹具组安装孔3331对安装了十字型柔性轴承331的轴承夹具组332、333进行固定安装。如图6和图7所示，第二夹台335的表面与中心柔性轴31的第二凸柱环312可抵接。在第二夹台335上对应位置上同样设置轴承夹定位孔3321，也就是可通过轴承夹定位孔3321安装连接第二夹台335和安装了十字型柔性轴承331的轴承夹具组332、333。如图8所示，第一夹台334上设置有为了方便安装第二夹台335的避让孔3343，避让孔3343的设计使凸台3341的横截面呈“王”字型。本实施例下的固定柔性单元的第一台夹334和第二台夹335是通过分别于轴承夹具组332、333安装实现的模块化。

如图6和图11所示，在安装脚3342的下梯面设有用于和背板2上的双柔性结构组件安装孔223配合安装的安装脚定位孔3344，双柔性结构组件安装孔223与安装脚定位孔3344通过螺母连接，在螺母安装柱上还套设有弹性件3345，弹性件3345可以是弹簧或波形垫圈，当双柔性结构组件3安装时，可起到弹性预紧的作用。

如图6，在其中一安装脚3342的下梯面的中间设有腰圆孔3346，在另一安装脚3342的下体面中间设有定位销孔3347，如图11，在定位销孔3347和腰圆孔3346上的X轴方向上设有直线槽3348，腰圆孔3346和也是在X轴方向设置。定位销孔3347的直径和腰圆孔3346的宽度是一致的。当背板2与双柔性结构组件3安装时，定位销与定位销孔3347紧密配合，另一导向销位腰圆孔3346中间。所以通过背板2和双柔性结构组件3的接触面设置弹性件3345进行弹性预紧连接，并通过定位销、导向销、腰圆孔3346、定位销孔3347来消除热膨胀对反射镜面形的影响。

如图1、图2、图10、图11 和图12所示，音圈电机组包括4个柱状体的音圈电机4，四个音圈电机4呈十字型分部，音圈电机4包括线圈41和磁钢42，线圈41的机械结构件上设置有均匀分布的切槽413，如图12，均匀角度间隔设计的8个切槽413，铜线412沿线圈41的机械结构件外圈缠绕。在线圈41的安装面上有两个安装孔位414，与背板2上的十字型凸台22中的音圈电机安装孔221相对应，通过螺钉螺母压紧的方式安装。

如图1、图2、图13、图14所示，底座组件5上设有传感器51。底座组件5上设置有安装传感器51的安装通孔即安装传感器51的固定压块53，传感器51为圆柱形，安装在安装通孔中。传感器51的固定压块53包括外圆柱面531、内圆柱面532和导向平面533，导向平面533是底座组件上的底板上的腰型孔内壁。固定压块53内圆柱面532的半径尺寸与传感器51的半径尺寸相同，表面加工有螺纹，提高了压紧后的摩擦力。导向平面533可以在底板中的腰形导向槽中移动，实现对传感器51的压紧，外圆柱面531设置有上斜面5311、锥孔5312和下斜面5313，当传感器固定压块53压紧传感器51时，止动螺丝542通过底座组件5的螺纹孔压紧锥孔5312，止动螺丝543通过底座组件5的螺纹孔压紧下斜面5313，止动螺丝541通过底座组件5的螺纹孔压紧上斜面5311，实现固定压块53的定位。

音圈电机4的切槽413结构可以补偿温度的影响，同时可以减小反电动势，改善快速反射镜的动态性能。传感器51的固定压块53采用相同材质，保证两者的膨胀系数一致，可实现快速装调、快速压紧，保证振动环境下传感器51的定位精度。

对于本申请其中一实施例的工作，如图5所示，本实施例的固定柔性单元提供X轴和Y轴的二维转动，也就是说固定柔性单元绕X轴和Y轴的刚度较低，其他方向上的刚度较高。第一弧形柔性组322提供的转动方向为绕Y轴的转动，第二弧形柔性组323提供的转动方向为绕X轴的转动。第一弧形柔性组322和第二弧形柔性组323共同转动，实现反射镜1的x轴和y轴的复合转动。第二弧形柔性组323的一端与安装板321相连接，另一端与定位板325相连接，定位板325与反射镜1相连接。定位板325和反射镜1组成绕X轴的运动部分，其他部分为固定部分。当反射镜1绕X轴转动时，第一弧形柔性组322实现支撑作用，并提供绕X轴转动自由度。第一弧形柔性组322的一端与安装板321相连接，另一端与连接板324相连接，连接板324为固定部分，反射镜1、定位板325、第二弧形柔性组323和安装板321组成绕Y轴的运动部分，当反射镜1绕Y轴转动时，第二弧形柔性组323实现支撑作用，并提供绕Y轴转动自由度。所述中心柔性轴31的对称弧形结构中心点在本实施例的固定柔性单元的XY平面内，同理，中心柔性轴31提供绕X轴和Y轴的二维转动。

如图2所示的一种实施例和图6所示的一种实施例，电机4a和电机4b放置于X轴上，关于YZ平面对称。电机4a和电机4b一推一拉产生倾斜运动，驱动反射镜1绕X轴转动。电机4c和电机4d放置于Y轴上，关于XZ平面对称。电机4c和电机4d一推一拉产生倾斜运动，驱动反射镜1绕Y轴转动。4个电机共同驱动时，实现反射镜1绕X轴和Y轴的复合转动。

以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种双柔性结构的快速反射镜，其特征在于，包括依次安装的反射镜、用于安装所述反射镜的背板、用于所述反射镜一维和/或二维转动的双柔性结构组件、作为驱动组件的音圈电机组、底座组件；

所述双柔性结构组件包括为并联形式且回转轴重合的中心柔性轴和固定柔性单元；

所述中心柔性轴为柱状体结构并设有多个用于安装定位的凸柱环，所述中心柔性轴与所述固定柔性单元回转中心重合处的任意剖面都为对称弧形向内凹陷结构；

所述音圈电机组包括4个柱状体的音圈电机，所述音圈电机包括线圈和磁钢，所述线圈的机械结构件上设置有均匀分布的切槽，所述线圈的铜线沿所述线圈的机械结构件外圈缠绕。

2.根据权利要求1所述的双柔性结构的快速反射镜，其特征在于，所述凸柱环包括设置中心柔性轴一端带外螺纹的第一凸柱环和设置在另一端伸出并抵接所述固定柔性单元的第二凸柱环。

3.根据权利要求2所述的双柔性结构的快速反射镜，其特征在于，所述凸柱环还包括用于辅助安装带外螺纹的第三凸柱环。

4.根据权利要求2所述的双柔性结构的快速反射镜，其特征在于，所述第二凸柱环前端部设有与其同轴的凸柱体，所述凸柱体的端口设有用于旋转的一字型结构。

5.根据权利要求1所述的双柔性结构的快速反射镜，其特征在于，所述固定柔性单元包括用于安装所述中心柔性轴的安装板和设置在所述安装板上呈十字型分部的第一弧形柔性组和第二弧形柔性组，所述第一弧形柔性组远离所述安装板的一端通过连接板连接，所述第二弧形柔性组远离所述安装板一端的每个单元分别设有定位板。

6.根据权利要求5所述的双柔性结构的快速反射镜，其特征在于，所述第一弧形柔性组和第二弧形柔性组的每个单元的截面为轴对称的弧形内凹结构。

7.根据权利要求1所述的双柔性结构的快速反射镜，其特征在于，所述固定柔性单元包括圆柱状的十字型柔性轴承、用于安装所述十字型柔性轴承的轴承夹具组、用于组装所述十字型柔性轴承、轴承夹具组和中心柔性轴的凸台夹具组。

8.根据权利要求7所述的双柔性结构的快速反射镜，其特征在于，所述轴承夹具组由两块夹块组成，夹块上设置有与所述十字型柔性轴承对应的柱状凹部。

9.根据权利要求7所述的双柔性结构的快速反射镜，其特征在于，所述凸台夹具组包括第一夹台和第二夹台，第一夹台包括凸台和设置在所述凸台两侧底端用于安装所述轴承夹具组的安装脚；第二夹台为由三块平板组成的U型台，相对设计的两平板上开设由用于安装十字型柔性轴承的孔位。

10.根据权利要求1所述的双柔性结构的快速反射镜，其特征在于，所述反射镜的连接面设有用于连接的第一凸环；所述背板用于连接所述反射镜的连接面设有与所述第一凸环胶接对应的第二凸环。

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