本发明属于空间航天技术领域，具体涉及一种单自由度转轴、whiffletree支撑结构及反射镜支撑装置。
背景技术：
随着空间遥感技术在众多领域中的应用，人们对空间遥感器的性能提出了越来越高的要求，高分辨率和大视场逐渐成为其发展方向。主反射镜是空间遥感相机中最重要的光学元件，反射镜面形精度的高低直接关系着遥感器成像质量的好坏。随着主反射镜的口径增大，需要增加支撑点数，因此会带来支撑结构的超静定问题，在重力载荷、温度载荷及装配应力载荷下保证面形精度越难，反射镜对支撑结构的要求也就越高。
2016年1月20日公开的中国发明专利申请cn105259635a提出了一种应用于大口径反射镜静定支撑中的whiffletree支撑结构，在反射镜背部六点支撑中，两两一组通过whiffletree支撑结构连接。如图1所示，在一组whiffletree支撑结构内，两个柔性杆1约束两个移动自由度，等效于约束了一个移动自由度和一个转动自由度。当没有中间转动自由度释放结构时，由加工和装配误差引起的柔性杆的长度不一会导致反射镜2的镜面因过约束而产生变形，如图中实线部分所示，从而使得镜面面形精度变差。为实现静定支撑，通过whiffletree中的单自由度转轴3释放掉多余约束的转动自由度，使得镜面因过约束引起的变形大大减小，如图中虚线部分所示。通过三组whiffletree将六点支撑转化为三点支撑，约束空间一个移动自由度和两个转动自由度，周边支撑约束剩下的三个自由度，从而实现反射镜的静定支撑。如图2所示，单自由度转轴3包括横杠连接法兰31、竖直柔性薄板32、水平柔性薄板33和支撑板连接法兰34。横杠连接法兰31与whiffletree支撑结构的横杠4固定连接，竖直柔性薄板32与水平柔性薄板33垂直交叉布置构成梁结构。单自由度转轴3通过这一梁结构的扭转来释放转动自由度。
该支撑结构的缺点是：为了充分释放转动自由度，在绕垂直于横杠的水平轴上要有足够低的转动刚度，需增加转轴的跨距，减小柔性薄片的厚度和宽度，这样会导致光轴方向的轴向刚度及绕光轴的转动刚度降低，在重力作用下沿光轴方向位移增大，反射镜组件的基频也会大大降低，从而难以适应遥感相机在转运和发射过程中恶劣的振动环境；且由于转轴的横截面并非圆形，扭转变形后，会产生翘曲现象，从而影响定位支撑精度，引起反射镜面形精度发生变化；同时，在温度载荷作用下，由于传统单自由度转轴两端固定约束会受力产生热变形，结构的热稳定性变差。
技术实现要素：
本发明目的是提供一种单自由度转轴、whiffletree支撑结构及反射镜支撑装置，解决了现有的基于whiffletree支撑结构的反射镜存在的结构刚度低、支撑效果差的技术问题。
本发明的技术解决方案是：一种单自由度转轴，其特殊之处在于：包括单自由度柔性铰链和位于单自由度柔性铰链内的自由度限制装置；
所述单自由度柔性铰链包括位于自由度限制装置上方的上法兰和位于自由度限制装置下方的下法兰，所述上法兰通过两个位于两端的柔性板与下法兰相连；
所述自由度限制装置包括内框和外框，所述内框通过在两个相对侧面上对称设置的圆柱滚子与外框相连，所述圆柱滚子的滚动方向与所述柔性板的扭转方向相同；所述内框与圆柱滚子相连的外侧面是与圆柱滚子相切的圆弧面；所述内框与上法兰固定连接，所述外框与下法兰固定连接。
进一步地，上述外框包括上半外框和下半外框，所述上半外框与下半外框之间设置有隔板；
所述上半外框与内框之间设置有两个圆柱滚子，两个圆柱滚子位于内框的两个相对的圆弧面上；
所述下半外框与内框之间设置有两个圆柱滚子，两个圆柱滚子位于内框的两个相对的圆弧面上。
进一步地，上述上半外框与圆柱滚子相连的内侧面包括自上向下平滑过渡的上外圆弧面和上内圆弧面，所述上外圆弧面的曲率半径小于上内圆弧面的曲率半径，所述上内圆弧面的中心轴与单自由度柔性铰链的转动中心轴重合；
所述下半外框与圆柱滚子相连的内侧面包括自下向上平滑过渡的下外圆弧面和下内圆弧面，所述下外圆弧面的曲率半径小于下内圆弧面的曲率半径，所述下内圆弧面的中心轴与单自由度柔性铰链的转动中心轴重合。
进一步地，上述外框与下法兰之间设置有下修研垫，所述内框与上法兰之间设置有上修研垫。
进一步地，上述内框的中心设置有圆形通孔，所述上修研垫与内框中心的圆形通孔形成轴孔配合。
进一步地，上述单自由度柔性铰链的上法兰和下法兰是直径相同的圆形法兰盘；所述自由度限制装置的外框和内框是相互嵌套的矩形框。
进一步地，上述单自由度柔性铰链的材质为钛合金，所述自由度限制装置的外框和内框的材质均为铟钢，所述圆柱滚子的材质为铝基碳化硅。
本发明还提供一种基于上述单自由度转轴的whiffletree支撑结构，其特殊之处在于：包括横杠、单自由度转轴和两个柔性杆，所述横杠的中心与单自由度转轴的上法兰固定连接，所述横杠的转动中心与单自由度转轴的转动中心重合，两个柔性杆对称设置于横杠的两端，所述柔性杆垂直于横杠。
本发明还提供一种基于上述whiffletree支撑结构的反射镜支撑装置，其特殊之处在于：包括支撑背板，支撑背板上设置三个whiffletree支撑结构，所述whiffletree支撑结构通过单自由度转轴的下法兰与支撑背板固定连接；所述whiffletree支撑结构的柔性杆与反射镜背面的殷钢嵌件固定连接。
进一步地，上述支撑背板的端部设置有三组侧向支撑柔性两脚杆；所述侧向支撑柔性两脚杆与反射镜侧面通过胶粘固定连接。
本发明的有益效果在于：
1.刚度高。传统单自由度转轴由于梁结构的跨度大，且为充分释放转动自由度导致梁的截面参数值变小，导致在其他自由度方向上刚度下降。本发明在单自由度柔性铰链的基础上增加了自由度限制装置，单自由度柔性铰链能够释放转动自由度rx，且本身在移动自由度tz上具有较高的刚度；自由度限制装置采用定位预紧的方式，既能实现消隙又能提高自身刚度，只释放一个转动自由度rx，在其他自由度方向上具有较高的刚度，弥补了单自由度柔性铰链在转动自由度rz上刚度的不足，大大提升了反射镜组件的共振频率。
2.热稳定性好。传统单自由度转轴的两端为固定约束，在温度载荷作用下，会因为热应力而产生变形。本发明的结构更加紧凑，在各个方向上尺寸都小于传统转轴，在热载荷作用下变形很小；在工作时下法兰为固定约束，上法兰可以看作为自由端，在受到热载荷作用时可以充分释放热变形，不会产生大的内应力；自由度限制装置本身自成一预紧的封闭系统，热应力不会传递给上、下法兰。
3.面形精度高。传统单自由度转轴受其他自由度方向刚度的约束，无法充分释放转动自由度，whiffletree中各个柔性杆支撑力有明显差异，且由于横截面为非圆形，在扭转时会发生翘曲，导致反射镜面形精度变差。本发明中的单自由度转轴在工作时，由柔性薄板的弯曲释放转动自由度，自由度限制装置的转动中心与单自由度柔性铰链的转动中心重合，在工作时不会产生多余弯矩，能够提高其他自由度方向刚度的同时充分释放转动自由度rx，能够消除加工和装配过程中带来的误差且使得whiffletree支撑结构更接近等力支撑，反射镜镜面能够得到更高的面形精度。
4.安全性好。传统单自由度转轴所承受的弯矩与角变形成正比关系，在恶劣的振动环境下或受到突发性载荷作用时，主镜组件会因应力过大产生较大变形而被破坏。本发明中，上半外框、下半外框与圆柱滚子的配合面包含两段不同曲率的圆弧面，通过配磨隔板厚度能够使单自由度转轴具有不同的转动特性，当横杠倾角超过界限时反作用力会迅速增大，且两段圆弧面平滑过渡，不会产生刚性冲击，能够有效防止主镜组件在外界载荷作用下被破坏。
附图说明
图1为whiffletree支撑结构的工作原理示意图。
图2为现有技术中单自由度转轴的结构示意图。
图3为本发明较佳实施例单自由度转轴的结构示意图。
图4为本发明较佳实施例单自由度转轴中自由度限制装置的结构示意图。
图5为本发明较佳实施例单自由度转轴的俯视图。
图6为本发明较佳实施例单自由度转轴的仰视图。
图7为本发明较佳实施例单自由度转轴的工作原理示意图。
图8为本发明较佳实施例单自由度转轴的剖面图。
图9为图8中a处的局部放大图。
图10为本发明基于单自由度转轴的whiffletree支撑结构示意图。
图11为本发明基于whiffletree支撑结构的反射镜支撑装置示意图。
图12为本发明反射镜支撑装置的装配示意图。
其中，附图标记如下：1-柔性杆，2-反射镜，3-单自由度转轴，31-横杠连接法兰，32-竖直柔性薄板，33-水平柔性薄板，34-支撑板连接法兰，4-横杠，5-单自由度柔性铰链，51-上法兰，511-上法兰固定孔，512-上法兰螺栓，52-下法兰，521-下法兰固定孔，522-下法兰螺栓，53-柔性板，6-自由度限制装置，61-内框，62-外框，621-上半外框，622-下半外框，623-隔板，63-圆柱滚子，71-上修研垫，72-下修研垫，8-支撑背板，9-侧向支撑柔性两脚杆。
具体实施方式
如图3所示，本发明为一种单自由度转轴，其较佳实施例的结构主要包括单自由度柔性铰链5和位于单自由度柔性铰链5内的自由度限制装置6；
单自由度柔性铰链5包括位于自由度限制装置6上方的上法兰51和位于自由度限制装置6下方的下法兰52，上法兰51通过两个位于两端的柔性板53与下法兰52相连；为了结构的整体性，将单自由度柔性铰5设计为一个整体。
本实施例单自由度转轴可以应用于whiffletree支撑结构中。基于图3所示的三维直角坐标系，通过单自由度柔性铰链5中柔性板53的弯曲变形可以释放过约束的转动自由度rx，从而使whiffletree支撑结构将两点转为一点，实现静定支撑。同时，自由度限制装置6可以释放转动自由度rx，并且在转动自由度rz和移动自由度tz上具有较高的刚度，提升了单自由度转轴的力学特性和反射镜组件的基频。
如图4所示，自由度限制装置6具体包括内框61和外框62，内框和外框是相互嵌套的矩形框。内框61通过在两个相对侧面上对称设置的圆柱滚子63与外框相连，圆柱滚子63的滚动方向与柔性板53的扭转方向相同；内框61与圆柱滚子63相连的外侧面是与圆柱滚子63相切的圆弧面。外框62包括上半外框621和下半外框622，上半外框621与下半外框622之间设置有隔板623。外框62上设置有四个螺纹孔624和两个销钉孔625，螺纹孔624用于安装预紧螺钉，结合配磨隔板623的厚度，可以调节上半外框621、下半外框622以及隔板623之间的预紧程度；销钉孔625用于安装定位销，以便对上半外框621、下半外框622以及隔板623的相对位置进行定位。
内框61设置有四个螺栓通孔，用于与上法兰51固定连接；外框62也分别设置有四个螺栓通孔，用于与下法兰52固定连接。参见图5和图6，上法兰51和下法兰52是直径相同的圆形法兰盘，上法兰51上设置有六个上法兰固定孔511和四个上法兰螺栓512，下法兰52上设置有六个下法兰固定孔521和四个下法兰螺栓522。上法兰固定孔511和下法兰固定孔521分别用于将上法兰51或下法兰52与对应的支撑装置或支撑对象进行固定连接。例如在基于whiffletree支撑结构的反射镜支撑装置内，上法兰51通过上法兰固定孔511与whiffletree支撑结构的横杠固定连接，下法兰52通过下法兰固定孔521与反射镜的支撑背板固定连接。上法兰螺栓512与内框61上设置的四个螺栓通孔的位置对应，用于将上法兰51与内框61固定连接。下法兰螺栓522与外框62上设置的四个螺栓通孔的位置对应，用于将下法兰52与外框62固定连接。
如图7所示，whiffletree支撑结构中两个柔性杆的加工误差和装配误差将导致单自由度柔性铰链中的柔性板受到弯矩作用，其挠曲线方程和转角方程分别为：
其中，e为弹性模量，i为柔性板横截面的惯性矩，m为弯矩，h为柔性板高度，ω是在弯矩m作用下单自由度柔性铰链的挠度，θ是在弯矩m作用下单自由度柔性铰链的转角。
由于转角θ极小，因此有：
θ＝tanθ
在弯矩m作用下，柔性板顶端的切线或是上法兰中心点的法线始终与对称线相交于o点，可理解为上法兰的转动中心轴在柔性板高度方向的二分之一处。在装配时，将自由度限制装置的转动中心与单自由度柔性铰链上法兰的转动中心重合，这样能够避免单自由度转轴在工作过程中因柔性板在弯曲时受力不均匀而产生应力集中。
如图8所示，基于以上原理，本实施例在外框62与下法兰52之间设置有下修研垫72，在内框61与上法兰51之间设置有上修研垫71。内框61的中心设置有圆形通孔，上修研垫71与内框中心的圆形通孔形成轴孔配合。通过配磨上修研垫71、下修研垫72，可以保证上法兰51与内框61的平行度及间距和下法兰52与外框62的平行度及间距，并且保证了自由度限制装置6的转动中心与单自由度柔性铰链5的转动中心重合。
较佳地，上半外框621与内框61之间设置有两个圆柱滚子63，两个圆柱滚子位于内框的两个相对的圆弧面上。
如图9所示，上半外框621与圆柱滚子63相连的内侧面包括自上向下平滑过渡的上外圆弧面r1和上内圆弧面r2，上外圆弧面r1的曲率半径小于上内圆弧面r2的曲率半径，上内圆弧面r2的中心轴与单自由度柔性铰链5的转动中心轴重合。圆柱滚子63在上内圆弧面r2内转动时不受约束，在上外圆弧面r1内转动时随着转角的增大约束力会迅速增大，对反射镜组件起到保护作用；由于上外圆弧面r1、上内圆弧面r2平滑过渡，因此在振动时不会产生刚性冲击。通过配磨隔板623的厚度，结合调节预紧螺钉可以设置不同的转动特性。
相应地，下半外框622与内框61之间也设置有两个圆柱滚子63，两个圆柱滚子位于内框的两个相对的圆弧面上。
下半外框622与圆柱滚子63相连的内侧面包括自下向上平滑过渡的下外圆弧面和下内圆弧面，下外圆弧面的曲率半径小于下内圆弧面的曲率半径，下内圆弧面的中心轴与单自由度柔性铰链的转动中心轴重合。其整体结构与上半外框621内的两个圆弧面对称设置。
单自由度柔性铰链5的材质为钛合金，自由度限制装置6的外框62和内框61的材质均为铟钢，圆柱滚子63的材质为铝基碳化硅。
图10所示是一种基于本实施例单自由度转轴的whiffletree支撑结构，包括横杠4、单自由度转轴3和两个柔性杆1，横杠4的中心与单自由度转轴3的上法兰固定连接，横杠4的长度方向与单自由度转轴3的扭转方向相同，两个柔性杆1对称设置于横杠4的两端，柔性杆1垂直于横杠4。
图11和图12所示是以三组基于本实施例单自由度转轴的whiffletree支撑结构作为主要支撑部分的反射镜支撑装置，其结构包括支撑背板8，支撑背板8的上各设置三组whiffletree支撑结构，whiffletree支撑结构通过单自由度转轴的下法兰与支撑背板8固定连接；whiffletree支撑结构的柔性杆与反射镜2背面的殷钢嵌件固定连接。支撑背板8的端部设置有侧向支撑柔性两脚杆9；侧向支撑柔性两脚杆9与反射镜侧面通过胶粘固定连接。三组whiffletree支撑结构将六点支撑转化为三点支撑，共同约束三个空间自由度：rx、ry、tz；三个侧向支撑柔性两脚杆9共同约束三个空间自由度：tx、ty、rz。
使用该反射镜支撑装置对反射镜进行支撑的装配过程如下：
首先装配自由度限制装置6，在具有相对运动的地方使用少量的mos2润滑脂，通过配磨隔板623调整上半外框621与下半外框622的间隙，完成后使用调节预紧螺钉连接固定。通过配磨上修研垫71、下修研垫72确保单自由度柔性铰链5的转动中心与自由度限制装置组件6的转动中心重合，用上法兰螺栓512和下法兰螺栓522连接单自由度柔性铰链5与自由度限制装置6。
在单自由度转轴安装完成后，分别安装三组whiffletree支撑结构。首先使用环氧胶将背部殷钢嵌件与反射镜2粘接在一起，压紧固化一周时间后，依次使用螺钉连接背部殷钢嵌件与whiffletree支撑结构的柔性杆、柔性杆与横杠、横杠与单自由度转轴。安装完三组whiffletree支撑结构后，使用螺钉连接紧固支撑背板8。
在背部支撑组件安装完成后，通过配磨支撑背板8与侧向支撑柔性两脚杆9之间的修研垫，保证支撑中心面与反射镜2重心所在平面重合，并通过环氧胶将侧向支撑柔性两脚杆9与反射镜2粘接在一起，最后通过配作打孔用螺钉固定侧向支撑柔性两脚杆9，并用定位销定位，完成反射镜支撑结构的装配。