CN115079402B - 一种基于压电纤维作动的快反镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于压电纤维作动的快反镜，包括：反射镜、支撑结构、镜座、约束结构、压电纤维作动器以及底座；所述反射镜粘接于镜座上，与作动侧板之间具有间隙，与支撑侧板采用胶粘连接；所述支撑结构与反射镜以及镜座同轴放置，上端与镜座连接，下端与底座连接；所述镜座共八个侧板，其中四个侧板为作动侧板，四个侧板为反射镜支撑侧板；所述约束结构为环形结构上方与镜座相连，下方有四个支脚与底座相连接，每个连接处均设有直梁型柔性铰链，用于进行运动约束；所述压电纤维作动器包括凸台、柔性铰链、压电纤维薄片以及弹性薄片，规避了压电陶瓷作动器脆性大、易断裂等缺点，使快反镜具有精度高、响应快、低声阻抗、抗破坏能力强等优点。

Description

一种基于压电纤维作动的快反镜
技术领域
本发明涉及航天以及通信领域，尤其涉及一种基于压电纤维作动的快反镜。
背景技术
快速控制反射镜，简称快反镜，作为ATP系统的最终执行部件极为关键，其跟踪瞄准精度和控制带宽决定了整个通信链路的性能，直接决定了通信结果的可靠性和准确性。
快反镜根据偏转范围、响应速度、定位精度等指标，可采用不同类型的作动方式，常用的有音圈电机作动和压电陶瓷作动。其中压电式快反镜由于输出作用力大、体积较小、无电磁干扰、分辨率高、响应速度快等特点，在精密定位领域应用更为广泛。然而，传统的压电陶瓷存在许多缺陷：脆性大，容易出现脆性断裂，在处理和焊接时具有一定难度；不能承受较大的应变，耐冲击能力差，可靠性不高。此外，由于单个压电陶瓷作动行程极小，需要将压电陶瓷片叠层粘结共烧得到叠堆型压电陶瓷以获得更大的作动行程，此制作方法导致叠堆型压电陶瓷不能承受拉应力以及切向应力，只能承受压应力。因此，由于传统的压电陶瓷存在上述缺点，大大限制了压电陶瓷的更多场合的应用，基于此，MFC压电纤维复合材料应运而生。
MFC压电纤维复合材料是将压电陶瓷材料和柔性聚合物按一定的连通方式、一定体积或重量比例以及一定空间几何分布制成的材料，两种材料的复合起到优势互补的作用，不仅极大地提高了压电材料的柔韧性和作动性能，还保留了优良的压电性能，使其具有横向伸长、收缩、以及45°斜边伸长三种形变模式，可通过将压电纤维片与金属薄片粘结贴合的方式带动金属片发生弯曲、扭转等形变。
发明内容
本发明主要在于提供一种基于压电纤维作动的快反镜，采用新型压电纤维复合材料薄片作为快反镜的作动器，使快反镜具有精度高、响应快、低声阻抗、抗破坏能力强等优点。
为实现上述目的，本发明的一种基于压电纤维作动的快反镜，包括：反射镜、镜座、支撑结构、约束结构、压电纤维作动器以及底座；所述支撑结构中间为直圆型柔性铰链，共两个转动自由度，在作为运动副的同时也对反射镜提供支撑力；所述镜座共八个侧板，其中四个侧板为作动侧板，四个侧板为反射镜支撑侧板，均为两两对称分布；所述反射镜粘接于镜座上，与作动侧板之间具有间隙，与支撑侧板采用胶粘连接；所述反射镜粘接于镜座上，所述反射镜与作动侧板之间具有间隙，所述反射镜与支撑侧板采用胶粘连接；所述支撑结构与反射镜以及镜座同轴放置，所述支撑结构上端与镜座连接，所述支撑结构下端与底座连接，均采用螺钉进行固定连接；所述镜座的反射镜支撑侧板上具有柔性铰链以及注胶孔；所述约束结构为环形结构上方与镜座相连，下方有四个支脚与底座相连接，每个连接处均设有直梁型柔性铰链，用于进行运动约束；所述镜座的反射镜支撑侧板上具有柔性铰链以及注胶孔；所述压电纤维作动器包括凸台、柔性铰链、压电纤维薄片以及弹性薄片；
所述压电纤维作动器采取一体式设计加工；所述压电纤维作动器中弹性薄片共两个，对称分布于凸台下方；所述弹性薄片具有一定弯曲弧度；所述压电纤维薄片共两组，每组两片，分别位于弹性薄片的两侧；所述压电纤维作动器的凸台上方与镜座的作动侧板采用螺钉连接；所述压电纤维作动器下方固定于底座上方。
进一步地，镜座的作动侧板与压电纤维作动器的安装面，与反射镜的表面位于同一平面，经过仿真分析验证，当压电纤维作动器作动时，反射镜的偏转中心始终位于反射镜表面上。
进一步地，反射镜在安装时与镜座通过胶粘连接，安装部位有两处，分别是镜座表面上的三个安装点以及镜座的反射镜支撑侧板，前者约束了反射镜轴向自由度，后者约束了反射镜径向自由度，且一定程度衰减了结构振动。
进一步地，支撑结构上端与镜座螺钉连接，下端与底座螺钉连接，且上下两端的连接孔错开分布，便于安装和加工。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的一种基于压电纤维作动的快反镜采用了压电纤维薄片作为作动器，规避了传统压电陶瓷作动器脆性大、易断裂等缺点，使快反镜具有精度高、响应快、低声阻抗、抗破坏能力强等优点。
(2)本发明的一种基于压电纤维作动的快反镜的作动面位于镜座的作动侧板上，该作动面与反射镜表面处于同一平面上，经过仿真分析验证，当反射镜工作时，偏转中心始终位于反射镜表面。
(3)本发明的一种基于压电纤维作动的快反镜的压电纤维作动结构采用一体式设计加工，降低了装配难度，提高了机构精度。
(4)本发明的一种基于压电纤维作动的快反镜采用了约束结构对反射镜的偏转运动进行了约束，其上端与镜座连接，下端固连，可保证镜座在带动反射镜运动时，不会发生运动耦合，仅产生所需要的运动自由度。
(5)本发明的一种基于压电纤维作动的快反镜采用了大量柔性铰链作为连接运动部件，具有无摩擦无间隙等优点，增加了结构柔性一定程度上降低了外界环境振动对反射镜的影响。
附图说明
图1为本发明的一种基于压电纤维作动的快反镜装配图；
图2为本发明的一种基于压电纤维作动的快反镜压电纤维作动器示意图；
图3为本发明的一种基于压电纤维作动的快反镜约束结构示意图；
图4为本发明的一种基于压电纤维作动的快反镜镜座示意图；
图5为本发明的一种基于压电纤维作动的快反镜支撑结构示意图；
图6为本发明的压电纤维作动器作动过程示意图。
其中，1为反射镜；2为支撑结构；3为镜座；4为约束结构；5为压电纤维作动器；6为底座；5-1为凸台；5-2为柔性铰链；5-3为压电纤维薄片；5-4为弹性薄片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图1-5所示，本发明的一种基于压电纤维作动的快反镜，包括：反射镜1；支撑结构2；镜座3；约束结构4；压电纤维作动器5以及底座6；所述反射镜1粘接于镜座3上，所述反射镜1与作动侧板之间具有间隙，所述反射镜1与支撑侧板采用胶粘连接；所述支撑结构2与反射镜1以及镜座3同轴放置，支撑结构2上端与镜座3连接，支撑结构2下端与底座6连接，均采用螺钉进行固定连接；所述支撑结构2中间为直圆型柔性铰链，共两个转动自由度，在作为运动副的同时也对反射镜1提供支撑力；所述镜座3共八个侧板，其中四个侧板为作动侧板，四个侧板为反射镜支撑侧板，均为两两对称分布；所述镜座3的反射镜支撑侧板上具有柔性铰链以及注胶孔；所述约束结构4为环形结构上方与镜座相连，下方有四个支脚与底座相连接，每个连接处均设有直梁型柔性铰链，用于进行运动约束；所述压电纤维作动器5包括凸台5-1、柔性铰链5-2、压电纤维薄片5-3以及弹性薄片5-4；
如图2所示，所述压电纤维作动器5采取一体式设计加工，压电纤维薄片5-3粘接于结构上面；所述压电纤维作动器5中弹性薄片5-4共两个，对称分布于凸台5-1下方；所述弹性薄片5-4具有一定弯曲弧度；所述压电纤维薄片5-3共两组，每组两片，分别位于弹性薄片的两侧；所述压电纤维作动器5的凸台5-1上方与镜座3的作动侧板采用螺钉连接；所述压电纤维作动器5下方固定于底座6上方。
如图1所示，进一步优选的实施方案，镜座3的作动侧板与压电纤维作动器5的安装面，与反射镜1的表面位于同一平面，经过仿真分析验证，当压电纤维作动器5作动时，反射镜1的偏转中心始终位于反射镜表面上。
如图4所示，进一步优选的实施方案，反射镜1在安装时与镜座3通过胶粘连接，安装部位有两处，分别是镜座3表面上的三个安装点以及镜座3的反射镜支撑侧板，前者约束了反射镜1轴向自由度，后者约束了反射镜1径向自由度，且一定程度衰减了结构振动。
如图5所示，图5中上图为支撑结构2正视图，图5中下图为支撑结构2俯视图，进一步优选的实施方案，支撑结构2上端与镜座3螺钉连接，下端与底座6螺钉连接，且上下两端的连接孔错开分布，便于安装和加工。
如图6所示，在具体的实施例中，压电纤维作动器5共有三种状态，分别为初始位状态、伸长状态以及缩短状态，当其位于初始位时，弹性薄片5-4具有一定地初始弯曲弧度，压电纤维薄片5-3粘接于两侧，同样具有一定的初始弯曲角度，此时压电纤维未通电；当压电纤维作动器5处于伸长状态时，压电纤维薄片5-3通入正向电压伸长，带动弹性薄片5-4伸长，此时弯曲弧度减小，凸台5-1往上运动，完成向上作动；当压电纤维作动器5处于缩短状态时，压电纤维薄片5-3通入负向电压缩短，带动弹性薄片5-4缩短，此时弯曲弧度增大，凸台5-1往下运动，完成向下作动。
在具体的实施例中，所述压电纤维作动器5共四个，对称分布为两组，分别控制快反镜绕X轴和绕Y轴的转动自由度，实现快反镜的快速偏转运动。

Claims (5)

1.一种基于压电纤维作动的快反镜，其特征在于，包括：反射镜(1)、支撑结构(2)、镜座(3)、约束结构(4)、压电纤维作动器(5)以及底座(6)；所述支撑结构(2)中间为直圆型柔性铰链，共两个转动自由度，在作为运动副的同时也对反射镜(1)提供支撑力；所述镜座(3)共八个侧板，其中四个侧板为作动侧板，四个侧板为反射镜支撑侧板，均为两两对称分布；所述反射镜(1)粘接于镜座(3)上，所述反射镜(1)与作动侧板之间具有间隙，所述反射镜(1)与支撑侧板采用胶粘连接；所述支撑结构(2)与反射镜(1)以及镜座(3)同轴放置，所述支撑结构(2)上端与镜座(3)连接，所述支撑结构(2)下端与底座(6)连接，均采用螺钉进行固定连接；所述镜座(3)的反射镜支撑侧板上具有柔性铰链以及注胶孔；所述约束结构(4)为环形结构上方与镜座相连，下方有四个支脚与底座相连接，每个连接处均设有直梁型柔性铰链，用于进行运动约束；所述压电纤维作动器(5)包括凸台(5-1)、柔性铰链(5-2)、压电纤维薄片(5-3)以及弹性薄片(5-4)；
所述压电纤维作动器(5)采取一体式设计加工，压电纤维薄片(5-3)粘接于结构上面；所述压电纤维作动器(5)中弹性薄片(5-4)共两个，对称分布于凸台(5-1)下方；所述弹性薄片(5-4)具有一定弯曲弧度；所述压电纤维薄片(5-3)共两组，每组两片，分别位于弹性薄片的两侧；所述压电纤维作动器(5)的凸台(5-1)上方与镜座(3)的作动侧板采用螺钉连接；所述压电纤维作动器(5)下方固定于底座(6)上方。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电纤维作动的快反镜，其特征在于，镜座(3)的作动侧板与压电纤维作动器(5)的安装面，与反射镜(1)的表面位于同一平面，经过仿真分析验证，当压电纤维作动器(5)作动时，反射镜(1)的偏转中心始终位于反射镜表面上。
3.根据权利要求1所述的一种基于压电纤维作动的快反镜，其特征在于，反射镜(1)在安装时与镜座(3)通过胶粘连接，安装部位有两处，分别是镜座(3)表面上的三个安装点以及镜座(3)的反射镜支撑侧板，前者约束了反射镜(1)轴向自由度，后者约束了反射镜(1)径向自由度，且一定程度衰减了结构振动。
4.根据权利要求1所述的一种基于压电纤维作动的快反镜，其特征在于，支撑结构(2)上端与镜座(3)螺钉连接，下端与底座(6)螺钉连接，且上下两端的连接孔错开分布，便于安装和加工。
5.根据权利要求1所述的一种基于压电纤维作动的快反镜，其特征在于，采用了压电纤维薄片作为作动器，规避了传统压电陶瓷作动器脆性大、易断裂缺点，使快反镜具有精度高、响应快、低声阻抗、抗破坏能力强的优点。
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