CN112377533B - 一种高轴向刚度的扭矩限制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高轴向刚度的扭矩限制器，所述高轴向刚度的扭矩限制器包括外法兰、内法兰以及连接所述外法兰和所述内法兰的柔性连接组件，所述柔性连接组件包括多个间隔均布于所述外法兰和所述内法兰之间的柔性板，所述柔性板为金属薄板，因此所述高轴向刚度的扭矩限制器具有较高的轴向刚度并具有小于硬点的其他元器件的扭转刚度，能够在所述硬点的两端存在相对扭转位移时为所述硬点提供大部分扭转位移，以减小所述硬点中的其他元器件受到的扭矩，解决了六杆硬点定位机构工作过程中硬点内部扭矩过大影响拉压力传感器测量精度和主镜形状及望远镜成像质量的问题。

Description

一种高轴向刚度的扭矩限制器

技术领域

本发明涉及光学望远镜主镜定位及位姿调节技术领域，特别是涉及一种高轴向刚度的扭矩限制器。

背景技术

随着大口径地基光电望远镜技术的发展，相关领域对望远镜主镜位姿进行主动调节的需求越来越普遍。常见的主镜位姿调节系统包括六杆硬点定位机构，使用六杆硬点定位机构可以实现主镜位姿主动调节。六杆硬点定位机构由6个相同结构的硬点组成，主镜、硬点、镜室共同组成一个类似六自由度平台的结构，硬点相当于六自由度平台中的推杆。所述主镜位姿调节系统能够起到调节和保持主镜和镜室的相对位姿的作用。当主镜和镜室的结构一定时，所述主镜位姿调节系统的固有频率完全取决于硬点的轴向刚度，因此硬点中的元器件均应具有足够高的轴向刚度。

硬点的轴向刚度要求较高、位移精度要求较高，常规的胡克铰链和球形铰链刚度低、拉压时存在间隙，故无法满足要求，因此硬点使用两个双轴柔性铰链提供弯曲自由度，但双轴柔性铰链不能为硬点提供绕中心轴旋转的自由度，在主镜位姿调节系统工作的过程中，硬点两端的相对扭转位移只能由其内部各元件的扭转弹性变形提供，然而上述元件的扭转刚度均较高，因此硬点内部会产生较大的扭矩，不仅会影响拉压力传感器的测量精度，也会对主镜的形状和大口径地基光电望远镜的成像质量产生影响。

发明内容

本发明的一目的是，提供一种高轴向刚度的扭矩限制器，所述高轴向刚度的扭矩限制器具有较高的轴向刚度并具有小于硬点的其他元器件的扭转刚度，因此能够在所述硬点的两端存在相对扭转位移时为所述硬点提供大部分扭转位移，以减小所述硬点中的其他元器件受到的扭矩，解决了六杆硬点定位机构工作过程中硬点内部扭矩过大影响拉压力传感器测量精度和主镜形状及望远镜成像质量的问题。

一种高轴向刚度的扭矩限制器，包括外法兰、内法兰以及连接所述外法兰和所述内法兰的柔性连接组件，所述柔性连接组件包括多个柔性板和多个中心块，各所述中心块一体形成于对应的所述柔性板，多个所述柔性板以两端分别刚性连接于所述外法兰和所述内法兰的状态被间隔均布于所述外法兰和所述内法兰之间。

在本发明的一实施例中，所述中心块一体形成于所述柔性板的中部，即所述中心块将所述柔性板等分为两个部分。

在本发明的一实施例中，各所述中心块的厚度大于对应的所述柔性板的厚度，在所述高轴向刚度的扭矩限制器的中轴线的延伸方向上，所述中心块具有与所述柔性板相同的尺寸。

在本发明的一实施例中，各所述中心块的横截面形状为圆角矩形。

在本发明的一实施例中，相邻的两个所述柔性板之间的夹角角度在12°～120°。

在本发明的一实施例中，所述柔性板为金属薄板。

在本发明的一实施例中，所述内法兰的上表面略低于所述外法兰的上表面且所述内法兰的下表面略低于所述外法兰的下表面。

在本发明的一实施例中，所述外法兰、所述内法兰以及所述柔性连接组件的中轴线位于同一直线上。

在本发明的一实施例中，所述外法兰和所述内法兰设置有多个间隔分布的安装孔，以供所述高轴向刚度的扭矩限制器能够与其他元器件连接。

本发明的有益效果是：

1、本发明的所述高轴向刚度的扭矩限制器利用了金属柔性薄板受弯曲时刚度较小、而受剪切时刚度较大的特点，当所述柔性板连接的所述外法兰和所述内法兰之间受扭矩作用时，所述柔性板发生较大的弯曲变形，可容许所述外法兰和所述内法兰之间一定的扭转相对位移，因此所述高轴向刚度的扭矩限制器的扭转刚度远小于所述硬点中的其他元器件的扭转刚度，当所述硬点的上、下两端存在相对扭转位移时，绝大部分扭转位移由所述高轴向刚度的扭矩限制器提供，极大地减小了所述硬点中其他元器件受到的扭矩，起到限制扭矩的作用。

2、所述柔性板受扭转时变形较大，但是受剪切力时的变形较小，因此所述高轴向刚度的扭矩限制器具有较高的轴向刚度，将其安装在所述硬点中并不会过度降低所述硬点的轴向刚度，可以保证主镜位姿调节系统的固有频率指标。

3、与同样能提供扭转运动的各类轴承元件不同，本发明的所述高轴向刚度的扭矩限制器的各部分之间均为刚性连接，且与所述硬点中其他元器件亦为刚性连接，因此本发明受拉压力时不会产生间隙，也不会降低所述硬点的轴向位移精度。

通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。

附图说明

图1为根据本发明的一优选实施例的所述高轴向刚度的扭矩限制器的立体图。

图2为根据本发明的上述优选实施例的所述高轴向刚度的扭矩限制器的俯视图。

图3为根据本发明的上述优选实施例的所述高轴向刚度的扭矩限制器在硬点中的安装示意图。

图4为根据本发明的上述优选实施例的所述硬点构成的六杆硬点定位机构的结构示意图。

附图标号说明：高轴向刚度的扭矩限制器10；外法兰11；内法兰12；柔性连接组件13；柔性板131；中心块132；安装孔14；硬点20；双轴柔性铰链21；拉压力传感器22；线性位移促动器23；主镜位姿调节系统100；主镜背板30；镜室40。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图2所示，根据本发明的一优选实施例的所述高轴向刚度的扭矩限制器10的具体结构被阐明。所述高轴向刚度的扭矩限制器10包括外法兰11、内法兰12以及连接所述外法兰11和所述内法兰12的柔性连接组件13，所述柔性连接组件13包括多个柔性板131和多个中心块132，各所述中心块132一体形成于对应的所述柔性板131，多个所述柔性板131以两端分别刚性连接于所述外法兰11和所述内法兰12的状态被间隔均布于所述外法兰11和所述内法兰12之间。

特别地，所述柔性板131为金属薄板。可以理解的是，本发明的所述高轴向刚度的扭矩限制器10的所述柔性板131采用金属薄板结构，利用金属薄板受弯曲时刚度较小能够产生较大的弯曲变形，而受剪切时刚度较大的特点，在所述外法兰11和所述内法兰12之间产生相对扭转位移时，所述柔性板131能够提供大部分的扭矩位移，以使得所述高轴向刚度的扭矩限制器10在被应用在硬点20中时，能够提供大部分的扭矩位移，从而起到减小所述硬点20中其他元器件的扭矩作用，即起到限制扭矩的作用。在所述外法兰11和所述内法兰12之间沿所述高轴向刚度的扭矩限制器10的中轴线的延伸方向产生相对位移时，即所述外法兰11和所述内法兰12受拉压力作用时，所述柔性板131受剪切力的作用，剪切力的方向与所述柔性板131的表面并行，由于所述柔性板131为金属薄板，因此所述柔性板131抵抗该剪切力作用下变形的刚度远高于弯曲刚度，因此所述柔性板131受剪切力变形相对较小，即所述高轴向刚度的扭矩限制器10具有较高的轴向刚度，有利于在所述高轴向刚度的扭矩限制器10被应用于所述硬点20时，确保所述硬点20整体结构的轴向刚度。

值得一提的是，所述中心块132一体形成于所述柔性板131的中部，即所述中心块132将所述柔性板131等分为两个部分。各所述中心块132的厚度大于对应的所述柔性板131的厚度，在所述高轴向刚度的扭矩限制器10的中轴线的延伸方向上，所述中心块132具有与所述柔性板131相同的尺寸。且各所述中心块132的横截面形状为圆角矩形。

可以理解的是，本发明的所述柔性板131的中部一体形成有所述中心块132，所述中心块132将所述柔性板131等分成两个部分，且所述中心块132的厚度大于所述柔性板131的厚度，在所述高轴向刚度的扭矩限制器10的中轴线的延伸方向上，所述中心块132具有与所述柔性板131相同的尺寸，各所述中心块132的横截面形状为圆角矩形。通过这样的结构设计，减小了所述柔性板131在所述高轴向刚度的扭矩限制器10的径向方向的尺寸，有利于提高发生薄板失稳所需的拉压力阈值，即所述中心块132能够防止所述柔性板131失稳，有利于确保所述高轴向刚度的扭矩限制器10的整体结构的稳定性。

值得一提的是，相邻的两个所述柔性板131之间的夹角角度在12°～120°，也就是说，所述柔性连接组件13可以包括3～30个所述柔性板131，相对应地，所述柔性连接组件13也包括3～30个所述中心块132。所述柔性板131数量的设置依据是：所述高轴向刚度的扭矩限制器10所受扭矩越大则所述柔性板131对应的数量应越多，所述高轴向刚度的扭矩限制器10需要承担的轴向力越大则所述柔性板131对应的数量应越多。本发明对所述柔性连接组件13包含的所述柔性板131和所述中心块132的数量不作限制。

特别地，所述内法兰12的上表面略低于所述外法兰11的上表面且所述内法兰12的下表面略低于所述外法兰11的下表面。

可以理解的是，本发明的在所述高轴向刚度的扭矩限制器10被应用于所述硬点20中时，所述高轴向刚度的扭矩限制器10的所述外法兰11刚性连接于所述硬点20的拉压力传感器22，所述高轴向刚度的扭矩限制器10的所述内法兰12刚性连接于所述硬点20的线性位移促动器23，其中所述内法兰12的上表面略低于所述外法兰11的上表面，且所述内法兰12的下表面略低于所述外法兰11的下表面，如此能够在所述硬点20受扭矩时，避免所述内法兰12的上表面与所述拉压力传感器22发生摩擦，并避免所述外法兰11的下表面与所述线性位移促动器23发生摩擦。

值得一提的是，所述外法兰11、所述内法兰12以及所述柔性连接组件13的中轴线位于同一直线上，即所述外法兰11、所述内法兰12以及所述柔性连接组件13被同轴设置以确保所述高轴向刚度的扭矩限制器10整体结构的一致性和稳定性。

此外，还值得一提的是，所述外法兰11和所述内法兰12设置有多个间隔分布的安装孔14，以供所述高轴向刚度的扭矩限制器10能够与其他元器件连接。

如图3所示，所述外法兰11和所述内法兰12可以通过所述安装孔14与其他元器件刚性连接，从而形成所述硬点20。也就是说，本发明在另一方面还提供了一种硬点20，所述硬点20包括依次刚性连接的双轴柔性铰链21、拉压力传感器22、所述高轴向刚度的扭矩限制器10、线性位移促动器23以及双轴柔性铰链21，其中所述高轴向刚度的扭矩限制器10的所述外法兰11刚性连接于所述拉压力传感器22，所述高轴向刚度的扭矩限制器10的所述内法兰12刚性连接于所述线性位移促动器23。

可以理解的是，由于所述高轴向刚度的扭矩限制器10的扭转刚度远小于所述硬点20中的所述拉压力传感器22和所述线性位移促动器23的扭转刚度，当所述硬点20的两端存在相对扭矩位移时，绝大部分的扭转位移由所述高轴向刚度的扭矩限制器10提供，因此能够减小所述硬点20中的所述拉压力传感器22和所述线性位移促动器23收到的扭矩，起到限制扭矩的作用，解决了所述硬点20内部扭矩过大而影响拉压力传感器22测量精度和主镜形状及望远镜成像质量的问题。

还可以理解的是，所述高轴向刚度的扭矩限制器10中的所述外法兰11、所述内法兰12以及所述柔性连接组件13之间均为刚性连接，在所述硬点20时，所述双轴柔性铰链21、所述拉压力传感器22、所述高轴向刚度的扭矩限制器10以及所述线性位移促动器23也均为刚性连接，因此所述高轴向刚度的扭矩限制器10和所述硬点20在受拉压力时不会产生间隙，也不会降低所述硬点20的轴向位移精度。

还可以理解的是，如图4所示，本发明在另一方面还提供了一种主镜位姿调节系统100，所述主镜位姿调节系统100包括主镜背板30、镜室40以及六杆硬点20定位机构，所述六杆硬点20定位机构由六个所述硬点20构成，具体地，所述硬点20的上端与所述主镜背板30刚性连接，所述硬点20的下端与所述镜室40刚性连接。通过六自由度平台原理调整主镜相对于镜室40的位姿，在所述主镜位姿调节系统100工作时，所述硬点20的上、下两端存在相对扭转位移，所述硬点20中的元器件均会受扭矩作用，扭矩一旦超标，对所述硬点20中的所述拉压力传感器22的测量精度和主镜的形状均产生影响，由于所述硬点20安装有所述高轴向刚度的扭矩限制器10，能够为所述硬点20提供绝大部分的扭转位移，因此能够减小所述硬点20中的其他元器件受到的扭矩，避免对所述拉压力传感器22的测量精度和主镜的形状产生影响。

具体地，所述高轴向刚度的扭矩限制器10被安装在所述硬点20中，其扭转刚度远小于所述硬点20中的其他元器件的扭转刚度，因此当所述硬点20的上、下两端存在相对扭转位移时，绝大部分扭转位移由所述高轴向刚度的扭矩限制器10提供，极大地减小了所述硬点20中其他元器件受到的扭矩，起到限制扭矩的作用，且由于其本身的轴向刚度较高，因此将其安装在所述硬点20中并不会过度降低硬点20的轴向刚度，可以保证所述主镜位姿调节系统100的固有频率指标。

综上所述，本发明提供一种高轴向刚度的扭矩限制器10，所述高轴向刚度的扭矩限制器10具有较高的轴向刚度并具有小于所述硬点20的其他元器件的扭转刚度，因此能够在所述硬点20的两端存在相对扭转位移时为所述硬点20提供大部分扭转位移，以减小所述硬点20中的其他元器件受到的扭矩，解决了六杆硬点20定位机构工作过程中硬点20内部扭矩过大影响拉压力传感器22测量精度和主镜形状及望远镜成像质量的问题。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种高轴向刚度的扭矩限制器，用于望远镜，其特征在于，包括外法兰、内法兰以及连接所述外法兰和所述内法兰的柔性连接组件，所述柔性连接组件包括多个柔性板和多个中心块，各所述中心块一体形成于对应的所述柔性板，多个所述柔性板以两端分别刚性连接于所述外法兰和所述内法兰的状态被间隔均布于所述外法兰和所述内法兰之间，所述高轴向刚度的扭矩限制器利用所述柔性板受弯曲时刚度较小、而受剪切时刚度较大的特点，为望远镜的硬点提供绝大部分的扭转位移，从而减小所述硬点中其他元器件受到的扭矩，起到限制扭矩的作用；利用所述柔性板受扭转时变形较大，但是受剪切力时的变形较小的特点，所述高轴向刚度的扭矩限制器具有较高的轴向刚度；所述中心块用于提高发生所述柔性板失稳所需的拉压力阈值。

2.根据权利要求1所述的高轴向刚度的扭矩限制器，其特征在于，所述中心块一体形成于所述柔性板的中部，即所述中心块将所述柔性板等分为两个部分。

3.根据权利要求1所述的高轴向刚度的扭矩限制器，其特征在于，各所述中心块的厚度大于对应的所述柔性板的厚度，在所述高轴向刚度的扭矩限制器的中轴线的延伸方向上，所述中心块具有与所述柔性板相同的尺寸。

4.根据权利要求1所述的高轴向刚度的扭矩限制器，其特征在于，各所述中心块的横截面形状为圆角矩形。

5.根据权利要求1所述的高轴向刚度的扭矩限制器，其特征在于，相邻的两个所述柔性板之间的夹角角度范围为12°～120°。

6.根据权利要求1所述的高轴向刚度的扭矩限制器，其特征在于，所述柔性板为金属薄板。

7.根据权利要求1所述的高轴向刚度的扭矩限制器，其特征在于，所述内法兰的上表面略低于所述外法兰的上表面且所述内法兰的下表面略低于所述外法兰的下表面。

8.根据权利要求1-7中任一所述的高轴向刚度的扭矩限制器，其特征在于，所述外法兰、所述内法兰以及所述柔性连接组件的中轴线位于同一直线上。

9.根据权利要求1-7中任一所述的高轴向刚度的扭矩限制器，其特征在于，所述外法兰和所述内法兰设置有多个间隔分布的安装孔，以供所述高轴向刚度的扭矩限制器能够与其他元器件连接。

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