CN113532642A - 一种对称式柔性支撑机构 - Google Patents

Abstract

为克服传统动镜支撑机构寿命短、耦合位移大、位移输出端面易倾斜、运动行程小的缺点，本发明提供了一种对称式柔性支撑机构，包括四个动臂、两个固定体和一个运动体。四个动臂结构尺寸相同，均通过其中部的两个连接体与运动体相连，通过其两端部的补偿体与两个固定体相连，并且四个动臂在空间内关于运动体中心对称设置，且相邻两个动臂之间相隔90度；单个动臂上的连接体和补偿体均为柔性铰链，利用柔性铰链实现运动传递，具有无隙传动、无摩擦等优点，有效保证了机构的运动精度；单个动臂内形成双平行四边形嵌套，能有效增大动镜运动的行程且具有补偿功能，有利于提高成像光谱仪的光谱分辨率；本发明还具有结构简单紧凑、成本低、寿命长的优点。

Description

一种对称式柔性支撑机构

技术领域

本发明涉及光谱成像技术领域，具体涉及一种对称式柔性支撑机构。

背景技术

光谱成像技术是一种集光学、精密机械、电子技术、计算机技术和光谱学等于一体的新型探测技术，在获取目标几何形状信息的同时，可获得目标的光谱信息。干涉光谱成像技术基于光波干涉原理，通过测量目标的干涉图，利用目标光谱信息与干涉图的傅里叶变换对应关系，对干涉图进行傅里叶逆变换复原出目标的光谱信息。干涉光谱成像技术在物质定量定性方面有明显的优势，广泛应用于环境监测、医疗分析、空间探测及气象探测等领域。

时间调制型干涉光谱仪基于迈克尔逊干涉仪实现，具体工作原理如下(参照图1)：目标辐射经前置镜组成像于干涉仪物面，经准直后到达分束器；入射光束被分束器分为透射部分和反射部分，透射部分到达干涉仪动镜，反射部分到达干涉仪定镜；两部分光束经反射后分别原路返回，来自动镜的反射光束和来自定镜的透射光束经会聚镜成像于焦面处，同时产生干涉信号，探测器记录下该干涉信号。时间调制型干涉光谱仪通过系统内部动镜运动产生物面像元辐射的时间序列干涉图，通过对时间序列干涉图进行傅里叶变换，便可得到相应物面像元辐射的光谱图。

时间调制型干涉光谱仪的核心是高精度的动镜扫描系统。动镜动镜扫描系统的主要技术指标有：方向准确性、速度均匀性和最大运动行程。若动镜运动过程中发生倾斜或者横移，将会导致干涉效率退化，甚至不能发生干涉，在可见光波段对方向准确性性要求尤为苛刻；若动镜运动过程中速度不均匀，有可能导致光谱中出现“鬼线”，严重影响后期数据处理；动镜最大运动行程决定光谱仪所能达到的最大光程差，最大光程差与干涉光谱仪光谱分辨率密切相关。

动镜支撑机构是动镜扫描的关键部件，动镜支撑机构的性能直接影响动镜扫描精度，进一步将影响干涉光谱仪的性能。

传统的动镜支撑方式有三类：具体为直线轴承支撑方式、面弹簧支撑方式、磁悬浮支撑方式。

直线轴承支撑方式的关键部件直线轴承加工精度要求高、维护保养困难，并且随着磨损增加，轴承精度降低，动镜扫描系统的扫描精度也会降低，直接影响干涉光谱仪的测量精度。

面弹簧支撑方式通常采用平行四边形结构保证动镜与光轴垂直，随着动镜运动行程的增大，动镜耦合位移会增大，耦合位移过大会导致干涉效率退化。

磁悬浮支撑方式具有无摩擦、无磨损、可靠性高的优点，但存在磁悬浮技术路线复杂，研制成本高，系统质量体积大的缺点。

发明内容

基于上述背景，为了克服传统动镜支撑机构寿命短、耦合位移大、位移输出端面易倾斜、运动行程小的缺点，本发明提供了一种对称式柔性支撑机构。

本发明的技术方案是：

一种对称式柔性支撑机构，其特殊之处在于：包括第一动臂、第二动臂、第三动臂、第四动臂、第一固定体、第二固定体和运动体；

第一固定体、运动体和第二固定体沿光轴依次分布，且三者的几何中心均位于所述光轴上；第一固定体与第二固定体关于运动体对称；

第一动臂、第二动臂、第三动臂、第四动臂结构、尺寸均相同；

第一动臂包括第一中间体以及依次设置在第一中间体上的、相互平行的第一补偿体、第一连接体、第二连接体和第二补偿体；第一动臂通过所述第一连接体和第二连接体与所述运动体相连，通过所述第一补偿体与所述第一固定体相连，通过所述第二补偿体与所述第二固定体相连；

初始状态下，第一补偿体、第一连接体、第二连接体、第二补偿体均与第一中间体保持垂直；

第一补偿体和第一连接体之间的间距与第二连接体和第二补偿体之间的间距相等；第一补偿体与第二补偿体的长度相等；第一连接体与第二连接体的长度相等；

第二动臂包括第二中间体以及依次设置在第二中间体上的、相互平行的第三补偿体、第三连接体、第四连接体和第四补偿体；第二动臂通过所述第三连接体、第四连接体与所述运动体相连，通过所述第三补偿体与所述第一固定体相连，通过所述第四补偿体与所述第二固定体相连；

第三动臂包括第三中间体以及依次设置在第三中间体上的、相互平行的第五补偿体、第五连接体、第六连接体和第六补偿体；第三动臂通过所述第五连接体和第六连接体与所述运动体相连，通过所述第五补偿体与所述第一固定体相连，通过所述第六补偿体与所述第二固定体相连；

第四动臂包括第四中间体以及依次设置在第四中间体上的、相互平行的第七补偿体、第七连接体、第八连接体和第八补偿体；第四动臂通过所述第七连接体和第八连接体与所述运动体相连，通过所述第七补偿体与所述第一固定体相连，通过所述第八补偿体与所述第二固定体相连；

第一动臂、第二动臂、第三动臂、第四动臂在空间内关于运动体中心对称，其中，第一动臂与第三动臂呈180度分布，第二动臂与第四动臂呈180度分布；

所有连接体、补偿体均为柔性铰链。

进一步地，所述柔性铰链为倒圆角直梁型柔性铰链。

进一步地，所述对称式柔性支撑机构为整体式结构，是用整块弹性性能良好的金属材料加工而成；非柔性铰链部分采用机械铣削加工工艺加工，加工完成后去应力；柔性铰链部分采用电火花切割工艺加工或慢走丝线切割加工工艺。

进一步地，所述金属材料为铍青铜、锡青铜、硅青铜或碳素弹簧钢。

本发明的有益效果：

1.本发明适用于时间调制型干涉光谱仪的动镜扫描系统，采用柔性铰链实现运动传递，具有无隙传动、无摩擦等优点，有效保证了机构的运动精度。

2.本发明中单个动臂内形成双平行四边形嵌套结构，可有效增大动镜运动的行程，并且具有补偿功能，有利于提高成像光谱仪的光谱分辨率。

3.本发明采用对称式设计，包括各个平行四边形和各单元的对称，增加了运动的可靠性，可保证动镜运动的方向准确性。

4.本发明中第一动臂、第二动臂、第三动臂、第四动臂在空间内关于运动体呈中心对称，能够极大程度降低动镜镜面的倾斜量和横移量，提升成像光谱仪的调制效率，增大干涉区域。

5.本发明具有运动方向准确、运动速度均匀、运动行程大的优势，适用于精细光谱探测。

6.本发明为整体结构，避免了装配带来的误差。

7.本发明结构简单紧凑、成本低、寿命长。

附图说明

图1是时间调制型干涉光谱仪工作原理图。

图2是本发明对称式柔性支撑机构的结构示意图。

图2a-图2d分别是本发明中第一动臂、第二动臂、第三动臂、第四动臂的结构示意图。

图3是本发明中倒圆角直梁型柔性铰链的结构示意图。

图4是基于本发明对称式柔性支撑机构的干涉光谱仪动镜扫描系统的系统总体示意图。

图5是基于本发明对称式柔性支撑机构的干涉光谱仪动镜扫描系统的结构总体示意图。

图6是基于本发明对称式柔性支撑机构的干涉光谱仪动镜扫描系统中扫描系统底座的结构示意图。

图7是基于本发明对称式柔性支撑机构的干涉光谱仪动镜扫描系统中动镜驱动单元的结构示意图。

图8是本发明对称式柔性支撑机构的运动原理示意图。

附图标记说明：

1-动镜；

2-对称式柔性支撑机构；

21-第一动臂；211-第一连接体；212-第二连接体；213-第一补偿体；214-第二补偿体；215-第一中间体；

22-第二动臂；221-第三连接体；222-第四连接体；223-第三补偿体；224-第四补偿体；225-第二中间体；

23-第三动臂；231-第五连接体；232-第六连接体；233-第五补偿体；234-第六补偿体；235-第三中间体；

24-第四动臂；241-第七连接体；242-第八连接体；243-第七补偿体；244-第八补偿体；245-第四中间体；

25-第一固定体；26-第二固定体；27-运动体；

3-直线电机底座；

4-扫描系统底座；41-连接孔；42-连接孔；

5-直线电机；51-定子；52-动子。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图2所示，本发明所提供的对称式柔性支撑机构包括第一动臂21、第二动臂22、第三动臂23、第四动臂24、第一固定体25、第二固定体26和运动体27；

第一固定体25、运动体27和第二固定体26沿光轴依次分布，且三者的几何中心均位于所述光轴上；第一固定体25与第二固定体26关于运动体27对称；

第一动臂21、第二动臂22、第三动臂23、第四动臂24在空间内关于运动体27呈中心对称设置，其中，第一动臂21与第三动臂23呈180度分布，第二动臂22与第四动臂24呈180度分布；

第一动臂21、第二动臂22、第三动臂23、第四动臂24结构、尺寸完全相同。

如图2a所示，第一动臂21包括第一连接体211、第二连接体212、第一补偿体213、第二补偿体214和第一中间体215；第一中间体215为长条状，第一连接体211和第二连接体212对称设置在第一中间体215的中部，第一补偿体213和第二补偿体214对称设置在第一中间体215的两端部；第一补偿体213和第一连接体211之间的间距与第二连接体212和第二补偿体214之间的间距相等，具体间距可根据实际需求进行设计；第一补偿体213与第二补偿体214的长度相等，具体间距可根据实际需求进行设计；第一连接体211与第二连接体212的长度相等，具体间距可根据实际需求进行设计。

如图2b所示，第二动臂22包括第三连接体221、第四连接体222、第三补偿体223、第四补偿体224和第二中间体225；第二中间体225为长条状，第三连接体221和第四连接体222对称设置在第二中间体225的中部，第三补偿体223和第四补偿体224对称设置在第二中间体225的两端部。

如图2c所示，第三动臂23包括第五连接体231、第六连接体232、第五补偿体233、第六补偿体234和第三中间体235；第三中间体235为长条状，第五连接体231和第六连接体232对称设置在第三中间体235的中部，第五补偿体233和第六补偿体234对称设置在第三中间体235的两端部。

如图2d所示，第四动臂24包括第七连接体241、第八连接体242、第七补偿体243、第八补偿体244和第四中间体245；第四中间体245为长条状，第七连接体241、第八连接体242对称设置在第四中间体245的中部，第七补偿体243、第八补偿体244对称设置在第四中间体245的两端部。

运动体27通过第一连接体211、第二连接体212，第三连接体221、第四连接体222，第五连接体231、第六连接体232，第七连接体241、第八连接体242分别与第一动臂21、第二动臂22、第三动臂23、第四动臂24连接；

第一固定体25通过第一补偿体213、第三补偿体223、第五补偿体233、第七补偿体243分别与第一动臂21、第二动臂22、第三动臂23、第四动臂24连接；

第二固定体25通过第二补偿体214、第四补偿体224、第六补偿体234、第八补偿体244分别与第一动臂21、第二动臂22、第三动臂23、第四动臂24连接；

第一动臂21上的第一连接体211、第二连接体212和第一中间体215构成第一平行四边形，第一补偿体213、第二补偿体214和第一中间体215构成第二平行四边形；第一平行四边形与第二平行四边形相互嵌套。第二动臂22-第四动臂24与第一动臂21结构相同，在此不再赘述。

第一动臂21、第二动臂22、第三动臂23、第四动臂24上的所有连接体和补偿体均为柔性铰链，第一动臂21包含的第一连接体211、第二连接体212、第一补偿体213、第二补偿体214均采用倒圆角直梁型柔性铰链。第二动臂22、第三动臂23、第四动臂24包含的所有连接体、补偿体均采用倒圆角直梁型柔性铰链，如图3所示。

上述的对称式柔性支撑机构2为整体式结构，包括柔性铰链在内的整个机构是用整块弹性较好的金属材料(例如铍青铜、锡青铜、硅青铜或碳素弹簧钢)加工而成。非柔性铰链部分采用传统机械铣削加工工艺加工，这样有利于节约加工成本，加工完成后去应力，可以有效地降低残余应力对结构精度的影响；柔性铰链部分采用电火花切割工艺加工或其他高精度加工工艺加工(例如慢走丝线切割加工工艺)，柔性铰链均为倒圆角直梁型柔性铰链；在驱动力相同的情况下，倒圆角直梁型柔性铰链更易产生更大的转角偏移量，同时可以较好改善应力集中，提高机构寿命。

如图4-6所示是基于本发明所提供的对称式柔性支撑机构的干涉光谱仪动镜扫描系统，包括动镜1、定镜、激光器、分束器、动镜运动反馈单元、动镜运动控制单元、本发明所提供的对称式柔性支撑机构2、动镜运动驱动单元、扫描系统底座4。

激光器用于提供稳定光源，为扫描系统产生位置检测干涉信号。激光器输出的激光经分束器分为两束光线，分别到达动镜和定镜，两束光线经动镜和定镜反射原路返回，经分束器后发生干涉，得到位置检测干涉信号；

动镜运动反馈单元，包括传感器和传感电路；传感器用于检测和收集位置检测干涉信号；传感电路用于对传感器检测和收集到的位置检测干涉信号进行光电转换和信号处理产生干涉脉冲，该干涉脉冲作为动镜位置反馈信号；

动镜运动控制单元，包括反馈信号捕捉模块和反馈信号计算模块。反馈信号捕捉模块用于捕捉动镜运动反馈单元产生的动镜位置反馈信号，反馈信号计算模块利用上位机对动镜位置反馈信号进行控制处理(可采用传统的PID控制、鲁棒控制、自适应控制或者最新的智能控制等)，实现动镜1的闭环控制，产生用于控制动镜驱动单元产生的驱动力的大小和方向的控制信号，以保证动镜的速度稳定。

本发明所提供的对称式柔性支撑机构2用于支撑动镜1，对称式柔性支撑机构2通过连接孔41安装在扫描系统底座4上。

动镜运动驱动单元，包括直线电机5和直线电机底座3。直线电机底座3用于支撑直线电机5，直线电机5根据动镜运动控制单元输出的控制信号，驱动动镜1沿光路方向作往复运动；扫描系统底座4用于将整个干涉光谱仪动镜扫描系统固定于干涉仪底板上，以及用于固定支撑对称式柔性支撑机构2和动镜驱动单元；扫描系统底座4上部设置有第一连接孔41，下部设置有第二连接孔42；第一连接孔41用于连接固定对称式柔性支撑机构2和动镜驱动单元；第二连接孔42用于实现与干涉仪的连接。

如图5-7所示，动镜驱动单元中的直线电机5通过直线电机底座3固定安装在扫描系统底座4的连接孔41处；直线电机5包括定子51和动子52。定子51由外轭铁和线圈组成，定子51固定在直线电机底座3上；动子52由永磁体和内轭铁组成，永磁体与对称式柔性支撑机构2中运动体27的位移输入端连接；动镜1与支撑机构运动体27位移输出端连接。将驱动电压施加于定子51的线圈，会产生磁场，磁场的方向会随流过线圈的电流方向改变而改变，磁场强度会随流过线圈的电流大小改变而改变，线圈所产生的磁场会与动子52的永磁体产生的磁场相互作用(吸引或排斥力)。当动子52的永磁体与定子51的线圈产生磁力时，会推动动镜1沿光路方向作往复运动。

如图8所示，以对称式柔性支撑机构2的1/4部分为例，说明对称式柔性支撑机构2的工作原理。

初始状态下，各动臂上的补偿体和连接体均与相应的中间体保持垂直；

干涉光谱仪动镜扫描系统中动镜驱动单元的直线电机5根据动镜运动控制单元的输出指令，驱动对称式柔性支撑机构2的运动体27运动，运动体27的运动传至第一动臂21的第一连接体211和第二连接体212，第一动臂21的第一连接体211和第二连接体212均产生角度为β的旋转；

然后，第一动臂21的第一连接体211和第二连接体212的运动传至第一动臂21的中间体215，此时第一动臂21的中间体215会沿平行于光轴方向产生位移dz，同时也会向运动体27侧移，产生侧移位移dx；

第一动臂21的中间体215的运动再传至第一动臂21的第一补偿体213和第二补偿体214，第一动臂1的第一补偿体213和第二补偿体214均产生角度为α的旋转，此运动过程中动镜1沿光路方向运动了距离L。

对于对称式柔性支撑机构2整体结构而言，由于第一动臂21、第二动臂22、第三动臂23、第四动臂24在结构上具有一致性，并且第一动臂21、第二动臂22、第三动臂23、第四动臂24在空间位置上具有对称性，因此可以有效地保证动镜1运动方向的准确性。

Claims (4)

1.一种对称式柔性支撑机构，其特征在于：包括第一动臂(21)、第二动臂(22)、第三动臂(23)、第四动臂(24)、第一固定体(25)、第二固定体(26)和运动体(27)；

第一固定体(25)、运动体(27)和第二固定体(26)沿光轴依次分布，且三者的几何中心均位于所述光轴上；第一固定体(25)与第二固定体(26)关于运动体(27)对称；

第一动臂(21)、第二动臂(22)、第三动臂(23)、第四动臂(24)结构、尺寸均相同；

第一动臂(21)包括第一中间体(215)以及依次设置在第一中间体(215)上的、相互平行的第一补偿体(213)、第一连接体(211)、第二连接体(212)和第二补偿体(214)；第一动臂(21)通过所述第一连接体(211)和第二连接体(212)与所述运动体(27)相连，通过所述第一补偿体(213)与所述第一固定体(25)相连，通过所述第二补偿体(214)与所述第二固定体(25)相连；

初始状态下，第一补偿体(213)、第一连接体(211)、第二连接体(212)、第二补偿体(214)均与第一中间体(215)保持垂直；

第一补偿体(213)和第一连接体(211)之间的间距与第二连接体(212)和第二补偿体(214)之间的间距相等；第一补偿体(213)与第二补偿体(214)的长度相等；第一连接体(211)与第二连接体(212)的长度相等；

第二动臂(22)包括第二中间体(225)以及依次设置在第二中间体(225)上的、相互平行的第三补偿体(223)、第三连接体(221)、第四连接体(222)和第四补偿体(224)；第二动臂(22)通过所述第三连接体(221)、第四连接体(222)与所述运动体(27)相连，通过所述第三补偿体(223)与所述第一固定体(25)相连，通过所述第四补偿体(224)与所述第二固定体(25)相连；

第三动臂(23)包括第三中间体(235)以及依次设置在第三中间体(235)上的、相互平行的第五补偿体(233)、第五连接体(231)、第六连接体(232)和第六补偿体(234)；第三动臂(23)通过所述第五连接体(231)和第六连接体(232)与所述运动体(27)相连，通过所述第五补偿体(233)与所述第一固定体(25)相连，通过所述第六补偿体(234)与所述第二固定体(25)相连；

第四动臂(24)包括第四中间体(245)以及依次设置在第四中间体(245)上的、相互平行的第七补偿体(243)、第七连接体(241)、第八连接体(242)和第八补偿体(244)；第四动臂(24)通过所述第七连接体(241)和第八连接体(242)与所述运动体(27)相连，通过所述第七补偿体(243)与所述第一固定体(25)相连，通过所述第八补偿体(244)与所述第二固定体(25)相连；

第一动臂(21)、第二动臂(22)、第三动臂(23)、第四动臂(24)在空间内关于运动体(27)中心对称，其中，第一动臂(21)与第三动臂(23)呈180度分布，第二动臂(22)与第四动臂(24)呈180度分布；

所有连接体、补偿体均为柔性铰链。

2.根据权利要求1所述的对称式柔性支撑机构，其特征在于：所述柔性铰链为倒圆角直梁型柔性铰链。

3.根据权利要求1或2所述的对称式柔性支撑机构，其特征在于：所述对称式柔性支撑机构为整体式结构，是用整块弹性性能良好的金属材料加工而成；非柔性铰链部分采用机械铣削加工工艺加工，加工完成后去应力；柔性铰链部分采用电火花切割工艺加工或慢走丝线切割加工工艺。

4.根据权利要求3所述的对称式柔性支撑机构，其特征在于：所述金属材料为铍青铜、锡青铜、硅青铜或碳素弹簧钢。

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