CN113404812B - 一种用于快反镜的小型柔性支撑结构及成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于快反镜的小型柔性支撑结构及成型方法。小型柔性支撑结构，包括底部、第一连接部、第二连接部以及顶部；底部为平面结构，固定至基座连接结构；顶部为平面结构，固定至镜面连接结构；第一连接部和第二连接部连接底部和顶部，前后交叉设置；顶部在未受到驱动力作用时平行于底部，在受到驱动力作用时传递至两个连接部，改变二者的倾斜角度使得顶部倾斜。本发明柔性支撑结构生产工艺简单、加工技术成熟可靠，大幅减少了生产所需的成本。本发明体积小巧，尽可能的减小了占用的空间，能够适用于小型快反镜。本发明采用了十字交叉簧片设计，为一体结构，使得耐冲击振动能力大幅提升，显著提升了控制带宽和系统整体可靠性。

Description

一种用于快反镜的小型柔性支撑结构及成型方法

技术领域

本发明涉及快反镜技术领域，尤其涉及一种用于快反镜的小型柔性支撑结构及成型方法。

背景技术

快速反射镜是一种工作在光源或接收器与目标之间用于调整和稳定光学系统视轴或光束指向的部件，通过采用音圈电机精确控制反射镜偏转方向从而精确控制光束偏转角度，用于实现反射镜的“偏转-倾斜”方位角度的快速调整，可用于光电领域的视轴稳定或扫描补偿的应用。其作为光发射端与接收端之间控制光束指向的精密光学仪器，集光、机、电技术于一身，具有系统带宽宽、响应速度快、定位精度高、位置分辨率高等优点，被广泛应用在天文望远镜、自适应光学、像移补偿、自由空间光通信、精密跟踪等领域，成为光学系统中稳定光束和校正光束传播方向的关键性器件。

快速反射镜的承载形式主要包括刚性承载和柔性承载两种。与刚性承载式快速反射镜相比，柔性承载式快速反射镜利用柔性单元自身的变形来约束快速反射镜的自由度。为了提高快速反射镜系统的带宽和响应速度、减少摩擦力对系统闭环特性的影响，负载支撑方式通常采用无摩擦、无空回、无需润滑等优点的柔性支撑方式，柔性支撑的结构形式包括柔性铰链、柔性平板和柔性轴等。但由于快速反射镜的柔性承载结构与反射镜镜座不能一直完全接触，造成柔性承载结构与反射镜镜座之间会存在间隙，特别是当反射镜镜座运动时，这种间隙是不可避免的。这种间隙的存在会影响快速反射镜的指向精度。

现有技术方案中快速反射镜的柔性承载结构与反射镜镜座不能一直完全接触，这种间隙额存在会影响快速反射镜的指向精度。快速反射镜的一个重要指标就是工作带宽，而影响该指标的器件是其中的音圈电机，必须具有较高的出力和较短的阶跃响应时间。传统的快速反射镜，一般包括四个音圈电机。在每个旋转轴方向上采用两个音圈电机组成推拉式对，为反射镜提供平滑、均匀的扭矩。

为了满足指向精度的要求，反射镜的柔性承载结构存在体积大的问题，导致反射镜的小型化收到影响。另外柔性承载结构的制作工艺复杂，抗冲击振动能力差。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于快反镜的小型柔性支撑结构及成型方法，小型柔性支撑结构结构小巧，加工容易，且调节精度高。

为达到上述目的，本发明提供了一种用于快反镜的小型柔性支撑结构，包括底部、第一连接部、第二连接部以及顶部；

所述底部为平面结构，固定至基座连接结构；

所述顶部为平面结构，固定至镜面连接结构；

所述第一连接部和所述第二连接部连接所述底部和所述顶部，前后交叉设置，倾斜角均为45°；

所述顶部在未受到驱动力作用时平行于所述底部，在受到驱动力作用时传递至所述第一连接部和所述第二连接部，改变二者的倾斜角度使得所述顶部倾斜。

进一步地，所述第一连接部和所述第二连接部的宽度分别为所述底部宽度的一半，所述顶部的宽度与所述底部宽度相同。

进一步地，所述底部在其平面内沿第一方向延伸部向内弯折形成倾斜的所述第一连接部，所述第一连接部端部向内弯折形成所述顶部的一部分；

所述底部在其平面内沿第一方向反方向延伸部向内弯折形成倾斜的所述第二连接部，所述第二连接部端部向内弯折形成所述顶部的另一部分。

进一步地，所述第一连接部内侧边与所述第二连接部内侧边位于同一直线，所述第一连接部端部形成的所述顶部的一部分和所述第二连接部端部形成的所述顶部的另一部分，焊接形成所述顶部。

进一步地，用于快反镜的小型柔性支撑结构材料的弹性系数E为：

其中F为小型柔性支撑结构材料所受压力，S为小型柔性支撑结构材料截面面积，L为长度，ΔL为伸长量，σF为单位截面所受到的力，σL为单位长度所对应的伸长量。

进一步地，所述弯折的弯折半径r弧线的笛卡尔方程曲线为：

或者参数方程表示为：

其中，t为极角，x、y分别为笛卡尔坐标系的横、纵坐标，a为长轴长度，b为短轴长度。

进一步地，所述顶部和底部的面积A与弯折半径r的关系满足：

。

第二方面提供一种用于快反镜的小型柔性支撑悬挂系统，包括用于连接至基座的基座连接结构，用于固定镜面的镜面连接结构以及多个所述的用于快反镜的小型柔性支撑结构；

多个所述的用于快反镜的小型柔性支撑结构沿所述镜面连接结构的周向均匀分布，平行于镜面所需的每个倾斜轴设置一个小型柔性支撑结构或对称设置两个小型柔性支撑结构，小型柔性支撑结构的变形方向平行于对应的倾斜轴。

第三方面提供一种所述的用于快反镜的小型柔性支撑结构的成型方法，包括：

切割平面材料形成底面、第一延伸部和第二延伸部；所述第一延伸部在所述底部平面内沿第一方向延伸，所述第二延伸部在所述底部平面内沿第二方向延伸；

第一延伸部向内弯折形成倾斜的第一连接部，所述第一连接部端部向内弯折形成所述顶部的一部分；第二延伸部向内弯折形成倾斜的第二连接部，所述第二连接部端部向内弯折形成所述顶部的另一部分；

焊接所述顶部的一部分和另一部分形成顶部。

进一步地，切割采用线切割的方式，首先形成矩形，宽度为底面宽度，长度为底面长度的三倍和所述第一连接部长度的二倍之和；

选取所述第一方向或者所述第一方向的反方向为给进方向；

沿长度方向的中线切割，去除所述底部沿第一方向延伸非第一延伸部的部分以及沿第一方向反方向延伸非第二延伸部的部分，满足所述第一连接部内侧边与所述第二连接部内侧边位于同一直线。

进一步地，弯折采用冲压弯曲方式，折弯件的弯曲线垂直于扎纹方向，将相对光洁面作为弯曲件的外表面；弯折的弯折半径r弧线的笛卡尔方程曲线为：

或者参数方程表示为：

其中， t为极角，x、y分别为笛卡尔坐标系的横、纵坐标，a为长轴长度，b为短轴长度。

进一步地，根据所述顶部和底部的面积A确定弯折半径r，所述顶部和底部的面积A与弯折半径r的关系满足：

。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

（1）本发明柔性支撑结构生产工艺简单、加工技术成熟可靠，大幅减少了生产所需的成本。

（2）本发明体积小巧，尽可能的减小了占用的空间，能够适用于小型快反镜。

（3）本发明采用了十字交叉簧片设计，为一体结构，使得耐冲击振动能力大幅提升，显著提升了控制带宽和系统整体可靠性。

（4）本发明的支撑结构可以通过组合实现多方向精细角度控制；加工周期短，成品率高，适合大规模生产；使用寿命长，故障率低，稳定性和可靠性高。

附图说明

图1是本发明公开的柔性支撑结构悬架系统的透视图；

图2示出了根据本发明公开的柔性支撑结构十字交叉弹簧设计折叠后结构主视图；

图3示出了根据本发明公开的柔性支撑结构十字交叉弹簧角度变化示意图；

图4是本发明公开的柔性支撑结构尺寸工程图；

图5示出了根据本发明公开的柔性支撑结构十字交叉弹簧设计折叠后结构俯视图；

图6是沿x轴截取的根据本发明的悬架系统的正视图；

图7是沿y轴截取的根据本发明的悬架系统的正视图。

图8是成型方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明提供一种用于快反镜的小型柔性支撑结构，如图1、2所示，小型柔性支撑结构1包括底部1-1、第一连接部1-2、第二连接部1-3以及顶部1-4。

所述底部1-1为平面结构，固定至基座连接结构3，基座连接结构3固定至基座。

所述顶部1-4为平面结构，固定至镜面连接结构4，连接结构4为圆环结构，用于固定镜面。

所述第一连接部1-2和所述第二连接部1-3连接所述底部1-1和所述顶部1-4，前后交叉设置。

所述顶部1-4在未受到驱动力作用时平行于所述底部1-1，在受到驱动力作用时传递至所述第一连接部1-2和所述第二连接部1-3，改变二者的倾斜角度使得所述顶部倾斜1-3，结合图3。

进一步地，所述第一连接部1-2和所述第二连接部1-3的宽度分别为所述底部1-1宽度的一半，所述顶部1-4的宽度与所述底部1-1宽度相同。第一连接部1-2和所述第二连接部1-3之间存在微小间隔，没有相互接触；或者发生细微的接触，产生很小的摩擦力。柔性支撑结构1弯曲部分无相对接触且厚度较小，侧面光滑，在弯曲时侧边产生的摩擦力较小。

进一步地，结合图4，整个柔性支撑结构为单片平面材料弯折并焊接形成，所述底部1-1在其平面内沿第一方向延伸部向内弯折形成倾斜的所述第一连接部1-2，所述第一连接部1-2端部向内弯折形成所述顶部的一部分1-4-1。

所述底部1-1在其平面内沿第一方向反方向延伸部向内弯折形成倾斜的所述第二连接部1-3，所述第二连接部端部1-3向内弯折形成所述顶部的另一部分1-4-2。

所述第一连接部1-2内侧边与所述第二连接部1-3内侧边位于同一直线，所述第一连接部1-2端部形成的所述顶部的一部分1-4-1和所述第二连接部端部形成的所述顶部的另一部分1-4-2，弯折后两部分位于同一平面，沿连接线焊接形成所述顶部1-4。

用于快反镜的小型柔性支撑结构材料的弹性系数E为：

F为所受压力，S为截面面积，L为长度，ΔL为伸长量，σF为胁强，即单位截面所受到的力，σL为胁变，即单位长度所对应的伸长量。柔性支撑结构都是由单片材料形成。这种整体结构的优点在于它避免了对接头的需要，以及在这种接头处焊接、钎焊、粘结以及其他方式连接单个零件的需要。

在一个实施例中，柔性支撑结构采用Al6061材料加工制成，使得其具有良好的塑性和优良的耐蚀性。该柔性支撑结构无应力腐蚀开裂倾向，其焊接性优良，耐蚀性及冷加工性好。

进一步地，柔性支撑结构采用线切割的方式制作，采用线切割加工加工柔性支撑结构与内圆切片工艺相比具有弯曲度小、翘曲度小，平行度好，总厚度公差离散性小，刃口切割损耗小，表面损伤层浅，晶片表面粗糙度小等等诸多优点。

进一步地，将线切割得到的柔性支撑结构沿图4中实线进行弯折，采用冲压弯曲工艺将柔性支撑结构弯折，该工艺具有生产效率高、生产周期短等优点。

进一步的，将弯折后所得的柔性支撑结构进行焊接，焊接后俯视图，如图5所示。焊接采用钎焊工艺，具有变形小，接头光滑美观，适合于焊接精密、复杂和由不同材料组成的构件的优点。

本发明第二方面提供一种用于快反镜的小型柔性支撑悬挂系统，包括用于连接至基座的基座连接结构2，镜面连接结构4以及多个用于快反镜的小型柔性支撑结构1。

所述镜面连接结构4，为圆环结构，用于固定镜面，传动驱动力至容性支撑结构1并带动镜面调整角度。

所述基座连接结构2，为四个椭圆形截面的支座，固定至基座，保持镜面稳定。

所述的用于快反镜的小型柔性支撑结构1沿所述镜面连接结构4的周向均匀分布。多个所述的用于快反镜的小型柔性支撑结构1沿所述镜面连接结构4的周向均匀分布，平行于镜面所需的每个倾斜轴设置一个小型柔性支撑结构或对称设置两个小型柔性支撑结构，小型柔性支撑结构的变形方向平行于对应的倾斜轴。

在一个实施例中，如图6、图7所示，采用4个小型柔性支撑结构1，间隔90°设置，第一和第三快反镜的小型柔性支撑结构的变形方向平行于镜面所在平面的X轴方向，第二和第四快反镜的小型柔性支撑结构的变形方向平行于镜面所在平面的Y轴方向。进一步地，如果需要实现四个方向的倾斜，则可以设置8个小型柔性支撑结构1，分别沿四个方向对称设置。以此类推。

如图6、图7所示，为根据本发明公开的实施例，悬挂系统可以的基座安装结构可以相对于基座保持静止，而反射镜安装结构可以相对于基座围绕X轴或Y轴旋转。

进一步的，根据本发明公开的其他实例，可以沿倾斜轴方向增加柔性支撑结构数量。

进一步的，在图6中，柔性支撑结构处于中间位置。在中间位置，柔性支撑结构1平行与基座安装结构2，并且平行与镜面所在平面的X轴。在柔性支撑结构弯曲时，其相对于基座安装结构2在垂直于倾斜轴X轴的平面内倾斜，而基座安装结构保持与X轴平行。悬挂系统表现得像弹簧一样，因此在没有施加力的情况下，悬挂系统承载面将返回到中心或中性位置。此外，悬挂系统可以允许第一和第三快反镜的小型柔性支撑结构的变形，提供X轴方向的角度变化，允许第二和第四快反镜的小型柔性支撑结构的变形，提供Y轴方向的角度变化，同时提供相对更低的悬挂部件摩擦以允许更高的扫描频率。同时，悬挂系统提供了相对固定的旋转点，以最大程度减小承载反射镜的水平运动。例如，沿X轴和Y轴的行程角度可以为±10°。此外，悬挂系统可以有效的减少或消除故障点。

第三方面提供一种用于快反镜的小型柔性支撑结构的成型方法，结合图8，包括如下步骤：

（1）切割平面材料形成底面1-1、第一延伸部和第二延伸部；所述第一延伸部在所述底部平面内沿第一方向延伸，所述第二延伸部在所述底部平面内沿第二方向延伸。

切割采用线切割的方式，首先形成矩形，宽度为底面宽度，长度为底面长度的三倍加上所述第一连接部长度的二倍。

选取所述第一方向或者所述第一方向的反方向为给进方向；沿长度方向的中线切割，去除所述底部沿第一方向延伸非第一延伸部的部分以及沿第一方向反方向延伸非第二延伸部的部分，满足所述第一连接部内侧边与所述第二连接部内侧边位于同一直线。

切割形成的图形制作的平面图如图4所示。选取x方向为给进方向，加工指令为L，L后面数值表示以线段的起点为坐标原点，加工线段终点所在的象限的值。在加工过程中，还需要给毛坯材料留一点余量，以保证加工出来产品的质量。加工完成的柔性支撑结构具有弯曲度小、翘曲度小，平行度好，总厚度公差离散性小，刃口切割损耗小，表面损伤层浅，晶片表面粗糙度小等等诸多优点。

（2）第一延伸部向内弯折形成倾斜的第一连接部1-2，所述第一连接部1-2端部向内弯折形成所述顶部的一部分1-4-1；第二延伸部向内弯折形成倾斜的第二连接部1-3，所述第二连接部1-3端部向内弯折形成所述顶部的另一部分1-4-2。

进一步的，将线切割得到的柔性支撑结构沿图2中实线进行弯折，得到如图3所示的立体结构。采用冲压弯曲工艺将柔性支撑结构弯折，折弯件的弯曲线垂直于扎纹方向，将相对光洁面作为弯曲件的外表面，减少外层拉裂。折弯半径大小会影响变形区截面产生的变化和折弯成型后的回弹情况。折弯上下弧线的笛卡尔方程曲线为：

可以用参数方程表示为：

其中，t为极角，x、y分别为笛卡尔坐标系的横、纵坐标，a为长轴长度，b为短轴长度。对于一个指定弧线来说，a、b为定值，当a=b时，方程曲线为圆形。

随着r的增大，上下面的面积也逐渐增大，上下面面积与折弯半径的关系为：

因此根据所需的底部面积，确定弯折半径。

（3）焊接所述顶部的一部分1-4-1和另一部分1-4-2形成顶部1-4。

进一步的，将折弯后所得的柔性支撑结构进行焊接。采用钎焊工艺，焊接前要清除焊件表面及接合处的油污、氧化物、毛刺及其杂物，保证铜管端部及其接合面的清洁与干燥，另外还需要保证钎料的清洁与干燥。清理完成后检验焊件表面的清洁度和干燥度。焊接后柔性支撑结构具有变形小，接头光滑美观，适合于焊接精密、复杂和由不同材料组成的构件的优点。柔性支撑结构加工方便，可实现低成本、小体积制作。

进一步的，在镜面连接结构和基座连接结构上有用于定位的凹槽，将柔性支撑结构上下表面置于定位的凹槽内，进行焊接。柔性支撑结构X交叉点位于结构的几何中心。整体柔性支撑结构可以在±10°范围内进行转动。柔性支撑结构的弹性系数E为：

综上所述，本发明涉及一种用于快反镜的小型柔性支撑结构及成型方法。小型柔性支撑结构，包括底部、第一连接部、第二连接部以及顶部；底部为平面结构，固定至基座连接结构；顶部为平面结构，固定至镜面连接结构；第一连接部和第二连接部连接底部和顶部，前后交叉设置；顶部在未受到驱动力作用时平行于底部，在受到驱动力作用时传递至两个连接部，改变二者的倾斜角度使得顶部倾斜。本发明柔性支撑结构生产工艺简单、加工技术成熟可靠，大幅减少了生产所需的成本。本发明体积小巧，尽可能的减小了占用的空间，能够适用于小型快反镜。本发明采用了十字交叉簧片设计，为一体结构，使得耐冲击振动能力大幅提升，显著提升了控制带宽和系统整体可靠性。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (6)

1.一种用于快反镜的小型柔性支撑结构，其特征在于，包括底部、第一连接部、第二连接部以及顶部；

所述底部为平面结构，固定至基座连接结构；

所述顶部为平面结构，固定至镜面连接结构；

所述第一连接部和所述第二连接部连接所述底部和所述顶部，前后交叉设置，倾斜角均为45°；

所述底部在其平面内沿第一方向延伸部向内弯折形成倾斜的所述第一连接部，所述第一连接部端部向内弯折形成所述顶部的一部分；所述底部在其平面内沿第一方向反方向延伸部向内弯折形成倾斜的所述第二连接部，所述第二连接部端部向内弯折形成所述顶部的另一部分；

所述顶部在未受到驱动力作用时平行于所述底部，在受到驱动力作用时传递至所述第一连接部和所述第二连接部，改变二者的倾斜角度使得所述顶部倾斜；所述第一连接部内侧边与所述第二连接部内侧边位于同一直线，所述第一连接部端部形成的所述顶部的一部分和所述第二连接部端部形成的所述顶部的另一部分，焊接形成所述顶部；

用于快反镜的小型柔性支撑结构材料的弹性系数E为：

其中F为小型柔性支撑结构材料所受压力，S为小型柔性支撑结构材料截面面积，L为长度，ΔL为伸长量，σF为单位截面所受到的力，σL为单位长度所对应的伸长量；

所述弯折的弯折半径r弧线的笛卡尔方程曲线为：

或者参数方程表示为：

其中，t为极角，x、y分别为笛卡尔坐标系的横、纵坐标，a为长轴长度，b为短轴长度；

所述顶部和底部的面积A与弯折半径r的关系满足：

2.根据权利要求1所述的用于快反镜的小型柔性支撑结构，其特征在于，所述第一连接部和所述第二连接部的宽度分别为所述底部宽度的一半，所述顶部的宽度与所述底部宽度相同。

3.一种用于快反镜的小型柔性支撑悬挂系统，其特征在于，包括用于连接至基座的基座连接结构，用于固定镜面的镜面连接结构以及多个如权利要求1或2所述的用于快反镜的小型柔性支撑结构；

多个所述的用于快反镜的小型柔性支撑结构沿所述镜面连接结构的周向均匀分布，平行于镜面所需的每个倾斜轴设置一个小型柔性支撑结构或对称设置两个小型柔性支撑结构，小型柔性支撑结构的变形方向平行于对应的倾斜轴。

4.一种权利要求1或2所述的用于快反镜的小型柔性支撑结构的成型方法，其特征在于，包括：

切割平面材料形成底面、第一延伸部和第二延伸部；所述第一延伸部在所述底部平面内沿第一方向延伸，所述第二延伸部在所述底部平面内沿第二方向延伸；

第一延伸部向内弯折形成倾斜的第一连接部，所述第一连接部端部向内弯折形成所述顶部的一部分；第二延伸部向内弯折形成倾斜的第二连接部，所述第二连接部端部向内弯折形成所述顶部的另一部分；

焊接所述顶部的一部分和另一部分形成顶部。

5.根据权利要求4所述的成型方法，其特征在于，切割采用线切割的方式，首先形成矩形，宽度为底面宽度，长度为底面长度的三倍和所述第一连接部长度的二倍之和；

选取所述第一方向或者所述第一方向的反方向为给进方向；

沿长度方向的中线切割，去除所述底部沿第一方向延伸非第一延伸部的部分以及沿第一方向反方向延伸非第二延伸部的部分，满足所述第一连接部内侧边与所述第二连接部内侧边位于同一直线。

6.根据权利要求5所述的成型方法，其特征在于，弯折采用冲压弯曲方式，折弯件的弯曲线垂直于扎纹方向，将相对光洁面作为弯曲件的外表面；弯折的弯折半径r弧线的笛卡尔方程曲线为：

或者参数方程表示为：

其中，t为极角，x、y分别为笛卡尔坐标系的横、纵坐标，a为长轴长度，b为短轴长度；

根据所述顶部和底部的面积A确定弯折半径r，所述顶部和底部的面积A与弯折半径r的关系满足：

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