CN117111251A - 一种可调六自由度位姿的支撑结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调六自由度位姿的支撑结构，其包括：底座(1)、柔性支撑(2)、微调螺柱(3)、镜片(5)；底座(1)固定布置，其上间隔开设有多个连接螺钉孔，用于固定柔性支撑(2)；柔性支撑(2)上加工有中心螺纹孔，微调螺柱(3)通过其下部外螺纹与中心螺纹孔配合实现与柔性支撑(2)相连；镜片(5)支撑在微调螺柱(3)顶部。本发明可以根据实际装调需求，反复调整光学镜片相对于安装基座的姿态，在小范围内可将光学镜片固定在任意姿态而不引入过大的装配应力；本发明结构紧凑，利于向空间受限的光机系统内部集成。

Description

一种可调六自由度位姿的支撑结构

技术领域

本发明属于精密光机设计技术领域，涉及一种可微幅调整光学零件六自由度位姿的支撑结构。

背景技术

机载光电探测设备是当代战场情报获取装备中不可或缺的重要组成部分，其内部光机系统需要承受外部振动扰动，因此其支撑结构需要满足一定的刚度要求。离轴光学系统在光电探测设备中的应用为机载光机支撑结构装调提出了更高的要求。离轴光学系统对其各光学元件的相对位姿要求更高，在初期装调过程中，必须精确调整光学元件之间的相对位姿，以满足光学设计要求；虽然可以通过采用包括金刚石单点切削在内的超精密加工技术，直接加工保证光学零件支撑结构件的尺寸精度与形位公差，进而实现光学零件的高精度快捷装配。但是由于光学元件通常存在物理参数，如折射率，误差以及加工制造误差累积，使得设计阶段无法精确确定所有光学元件之间的相对位姿，因此，光机装调过程中的光学元件微调在所难免。因此，设计允许调整光学元件六自由度位姿的高刚度支撑结构具有重要的应用价值。

文章《Asmall,lowstress,stable,3DOFmirrormountwithone arc-secondtip/tiltresolution》介绍了一种用于光学镜片的多自由度微调支撑机构，实现了高精度的倾斜调整，但缺少两个平动自由度调整能力，且相关设计结构较为复杂，不利于向紧凑的光机结构中集成。

申请号为CN103344203A的专利公开了一种三坐标测量仪六自由度微调工作平台，该机构通过球铰与微调螺纹连接件实现了六自由度姿态微调，但机构体积较大、调节精度有限。

申请号为CN114187961A的专利公开了一种可释放热变形的六自由度微位移工作台系统，通过引入测量反射镜作为测量基准，在实现精确微动定位的同时实时反馈微动台的位移信息并释放热变形。该发明涉及的机构复杂、不适用于机载光电系统装调过程中镜片微幅调整。

申请号为CN113894564A、CN114114667A、CN111281005A、CN108941523A、CN110837173A等公开的微调机构仅能实现特定几个自由度的调节，无法同时实现六自由度位姿调节。

综上，目前公开资料中所述的支撑或姿态调整机构，或无法同时实现六自由度的姿态调整，或机构复杂、体积较大，均无法直接应用于本专利涉及的机载光电系统中。本专利将柔性支撑结构应用于光学零件的固定支撑，在实现高刚度支撑的同时，允许微幅调整被支撑光学零件的六自由度姿态，因此相较现有公开资料中显示的相关机构，具有明显的创新性。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：为了满足以上机载光电探测设备对允许六自由度姿态微幅调整的高刚度支撑机构的需求，本发明提出一种可微幅调整光学零件六自由度位姿的支撑结构，利用柔性薄壁结构在不同方向上存在的显著刚度差异，在不引入过大的装配应力的前提下，实现对光学零件的高刚度支撑与六自由度姿态微幅调整。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种可调六自由度位姿的支撑结构，其包括：底座1、柔性支撑2、微调螺柱3、镜片5；底座1固定布置，其上间隔开设有多个连接螺钉孔，用于固定柔性支撑2；柔性支撑2上加工有中心螺纹孔，微调螺柱3通过其下部外螺纹与中心螺纹孔配合实现与柔性支撑2相连；镜片5支撑在微调螺柱3顶部。

其中，所述柔性支撑2上还加工有径向螺纹孔，径向螺纹孔与中心螺纹孔垂直连通，紧定螺钉6穿过侧向螺纹孔实现对微调螺柱3定位。

其中，所述柔性支撑2为一体结构，可分为上、中、下三层；上层中心设有一中心螺纹孔用于对外连接，侧面设有与中心螺纹孔垂直且连通的径向螺纹孔2-3用于安装紧定螺钉6；下层两侧设有通孔用于与底座1连接；中间层设有两个串联柔性薄壁结构。

其中，两个所述串联柔性薄壁结构分别记为：第一薄壁结构2-1、第二薄壁结构2-2，第一薄壁结构2-1、第二薄壁结构2-2分别通过在柔性支撑2基体上切割出贯通槽形成，两个薄壁结构垂直布置。

其中，形成所述第一薄壁结构2-1时，在通过柔性支撑2中轴线的第一对称面两侧，对称开设两个第一贯通槽，第一贯通槽靠近第一对称面处具有较宽大的截面，从而形成第一薄壁结构2-1，在远离第一对称面处贯通槽斜向下收窄，并形成第一开口，使得处于第一薄壁结构2-1上下两侧的结构通过薄壁结构2-1相连。

其中，形成所述第二薄壁结构2-2时，在通过柔性支撑2中轴线的第二对称面两侧，对称开设两个第二贯通槽，第二贯通槽靠近第二对称面处具有较宽大的截面，第二对称面与第一对称面垂直，在远离第二对称面处，第二贯通槽斜向上收窄，并形成第二开口，第二开口位于第一开口上方；使得处于第二薄壁结构2-2上下两侧的结构通过第二薄壁结构2-2相连。

其中，所述镜片5为金属材质，镜片5直接支撑布置在微调螺柱3顶部。

其中，所述镜片5为玻璃材质，将镜片5粘接在镜框4上，镜框4周向设置支耳，支耳采用连接螺钉与微调螺柱3中心开设的螺纹孔连接。

其中，所述镜框4外周设有三个支耳，顶面加工有镜片安装槽，镜框4采用与镜片5具有接近热膨胀系数的金属材料制成。

其中，所述微调螺柱3上部为六方形，顶部中心设有螺纹孔，下部为螺柱。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的可调六自由度位姿的支撑结构，可以根据实际装调需求，反复调整光学镜片相对于安装基座的姿态，在小范围内可将光学镜片固定在任意姿态而不引入过大的装配应力；本发明结构紧凑，利于向空间受限的光机系统内部集成。

附图说明

图1为本发明实施例可调六自由度位姿的支撑结构的结构示意图。

图2-1为柔性支撑的正视图。

图2-2为柔性支撑的右视图。

图2-3为柔性支撑的轴侧图。

图3为微调螺柱结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1所示，本实施例可调六自由度位姿的支撑结构包括底座1、柔性支撑2、微调螺柱3、镜框4、镜片5、紧定螺钉6与连接螺钉7。

底座1固定布置，其上间隔开设有多个连接螺钉孔，用于固定柔性支撑2；

柔性支撑2上加工有两个垂直连通的螺纹孔和一组通孔，两个相垂直的螺纹孔分别为中心螺纹孔和径向螺纹孔，柔性支撑2通过连接螺钉7穿过通孔实现柔性支撑2与底座1相连，微调螺柱3通过其下部外螺纹与中心螺纹孔配合实现与柔性支撑2相连，紧定螺钉6穿过侧向螺纹孔实现对微调螺柱3定位。

如果镜片5为玻璃材质，将镜片5粘接在镜框4上，镜框4周向的支耳采用连接螺钉与微调螺柱3中心开设的螺纹孔连接；若镜片5为金属材质，则将镜片5直接支撑布置在微调螺柱3顶部。

根据系统性能要求，通过调整三个微调螺柱3的相对高度和镜片/镜框在镜面内三个自由度上的位姿，使得镜片5处于期望的位姿后，通过连接螺钉7将镜片/镜框与微调螺柱3固连，最后通过紧定螺钉6将微调螺柱3与柔性支撑2的相对位置锁死。

如图2-1、图2-2和图2-3所示，所述柔性支撑2为一体结构，可分为上、中、下三层；上层中心设有一中心螺纹孔用于对外连接，侧面设有与中心螺纹孔垂直且连通的径向螺纹孔2-3用于安装紧定螺钉6；下层两侧设有通孔用于与底座1连接；中间层设有两个串联柔性薄壁结构：第一薄壁结构2-1、第二薄壁结构2-2，第一薄壁结构2-1、第二薄壁结构2-2分别通过在柔性支撑2基体上切割出贯通槽形成，两个薄壁结构垂直布置；为形成所述第一薄壁结构2-1，在通过柔性支撑2中轴线的对称面两侧，对称开设两个第一贯通槽，第一贯通槽靠近对称面处具有较宽大的截面，从而形成第一薄壁结构2-1，在远离对称面处贯通槽斜向下收窄，并形成开口，使得处于第一薄壁结构2-1上下两侧的结构仅通过薄壁结构2-1相连；与第一薄壁结构2-1类似，为形成所述第二薄壁结构2-2，在通过柔性支撑2中轴线的另一对称面两侧，对称开设两个第二贯通槽，此处所述对称面与前述第一薄壁结构2-1的对称面垂直，第二贯通槽截面与前述第一薄壁结构2-1两侧的第一贯通槽相似，在远离对称面处，第二贯通槽斜向上收窄，并形成开口，使得处于第二薄壁结构2-2上下两侧的结构仅通过第二薄壁结构2-2相连。由于第一薄壁结构2-1和第二薄壁结构2-2在小角度范围内具有较低的转动刚度，可以分别近似绕位于第一薄壁结构2-1和第二薄壁结构2-2最薄处转动，因此柔性支撑2的上层结构相对于下层结构产生小角度转动时引入的内部应力较低；同时由于第一薄壁结构2-1和第二薄壁结构2-2其他自由度上的支撑刚度较大，因此除前述两个转动自由度以外，柔性支撑2的下层结构能够为其上层结构提供的较高的支撑刚度。

所述镜框4外周设有三个支耳，顶面加工有镜片安装槽。镜框4采用与镜片5具有相近热膨胀系数的金属材料制成；所述的镜片5可以是一般的平面反射镜，也可以是其他形状的透镜或反射镜；镜片5材料可以为玻璃材质，也可以由金属材料加工而成；若镜片5材料为金属，则可去除所述的镜框，直接将镜片安装在微调螺柱3上。

图3所示为微调螺柱，其上方为六方形，顶部中心设有螺纹孔，下部为螺柱。

在光机系统装调过程中，如果镜片5为玻璃材质，则首先将镜片5粘接在镜框4上；若镜片5为金属材质，则此步可忽略；接下来将三个微调螺柱3分别与柔性支撑2连接并固定于底座1上；大致调整，使得三个微调螺柱3的高度一致，然后将镜片5与镜框4的组合体置于三个微调螺柱3形成的支撑平面上，并检测镜片与其理想位置的偏差，通过这些偏差计算三个微调螺柱3的高度调整量，通过调节三个微调螺柱3的高度，实现对镜片两个转动与一个平动的姿态调整，同时借助外部工装，调整镜片5在平行于镜框底面内的两个平动与一个转动姿态，然后重新检测镜片5位置与理想位置的偏差并重复以上过程，直至将镜片5姿态调整至偏差允许范围内；最后通过紧定螺钉6将微调螺柱3与柔性支撑2固紧，通过连接螺钉7将镜片5/镜框4与微调螺柱3固连。初始设计时，三个微调螺柱高度一致时，镜片即处于理想位姿。实际装调过程中，由于零件加工误差与装配误差的累积，镜片4实际理想位姿与设计值存在微幅偏差；按照前述调整方法将镜片4调整到位后，三个微调螺柱3将存在微幅的高度差，此时将镜框4与微调螺柱3固连后，微调螺柱3将发生微幅偏转，这些偏转可通过柔性支撑薄壁结构在其弱刚度方向上的变形实现而不会产生过大的装配应力；柔性支撑2允许这些偏转发生，而不会引入过大的内部应力，因此可以保护镜片5，大幅降低其在装配过程中产生的面型变化。三组由柔性支撑2和微调螺柱3构成的支撑结构能够完全限制镜框4/镜片5的所有运动自由度，且通过合理设计的柔性支撑2的几何参数，可以达到较高的支撑刚度，因此所述的可调六自由度位姿的支撑结构可以满足光机系统对镜片支撑刚度的要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可调六自由度位姿的支撑结构，其特征在于，包括：底座(1)、柔性支撑(2)、微调螺柱(3)、镜片(5)；底座(1)固定布置，其上间隔开设有多个连接螺钉孔，用于固定柔性支撑(2)；柔性支撑(2)上加工有中心螺纹孔，微调螺柱(3)通过其下部外螺纹与中心螺纹孔配合实现与柔性支撑(2)相连；镜片(5)支撑在微调螺柱(3)顶部。

2.如权利要求1所述的可调六自由度位姿的支撑结构，其特征在于，所述柔性支撑(2)上还加工有径向螺纹孔，径向螺纹孔与中心螺纹孔垂直连通，紧定螺钉(6)穿过侧向螺纹孔实现对微调螺柱(3)定位。

3.如权利要求2所述的可调六自由度位姿的支撑结构，其特征在于，所述柔性支撑(2)为一体结构，可分为上、中、下三层；上层中心设有一中心螺纹孔用于对外连接，侧面设有与中心螺纹孔垂直且连通的径向螺纹孔(2-3)用于安装紧定螺钉(6)；下层两侧设有通孔用于与底座(1)连接；中间层设有两个串联柔性薄壁结构。

4.如权利要求3所述的可调六自由度位姿的支撑结构，其特征在于，两个所述串联柔性薄壁结构分别记为：第一薄壁结构(2-1)、第二薄壁结构(2-2)，第一薄壁结构(2-1)、第二薄壁结构(2-2)分别通过在柔性支撑(2)基体上切割出贯通槽形成，两个薄壁结构垂直布置。

5.如权利要求4所述的可调六自由度位姿的支撑结构，其特征在于，形成所述第一薄壁结构(2-1)时，在通过柔性支撑(2)中轴线的第一对称面两侧，对称开设两个第一贯通槽，第一贯通槽靠近第一对称面处具有较宽大的截面，从而形成第一薄壁结构(2-1)，在远离第一对称面处贯通槽斜向下收窄，并形成第一开口，使得处于第一薄壁结构(2-1)上下两侧的结构通过薄壁结构(2-1)相连。

6.如权利要求5所述的可调六自由度位姿的支撑结构，其特征在于，形成所述第二薄壁结构(2-2)时，在通过柔性支撑(2)中轴线的第二对称面两侧，对称开设两个第二贯通槽，第二贯通槽靠近第二对称面处具有较宽大的截面，第二对称面与第一对称面垂直，在远离第二对称面处，第二贯通槽斜向上收窄，并形成第二开口，第二开口位于第一开口上方；使得处于第二薄壁结构(2-2)上下两侧的结构通过第二薄壁结构(2-2)相连。

7.如权利要求6所述的可调六自由度位姿的支撑结构，其特征在于，所述镜片(5)为金属材质，镜片(5)直接支撑布置在微调螺柱(3)顶部。

8.如权利要求6所述的可调六自由度位姿的支撑结构，其特征在于，所述镜片(5)为玻璃材质，将镜片(5)粘接在镜框(4)上，镜框(4)周向设置支耳，支耳采用连接螺钉与微调螺柱(3)中心开设的螺纹孔连接。

9.如权利要求8所述的可调六自由度位姿的支撑结构，其特征在于，所述镜框(4)外周设有三个支耳，顶面加工有镜片安装槽，镜框(4)采用与镜片(5)具有接近热膨胀系数的金属材料制成。

10.如权利要求7或9所述的可调六自由度位姿的支撑结构，其特征在于，所述微调螺柱(3)上部为六方形，顶部中心设有螺纹孔，下部为螺柱。