高精度大动态柔性快速偏转反射镜的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高精度大动态柔性快速偏转反射镜，包括底座、第一支板、第二支板、第三支板、第一侧板、第二侧板、第三侧板、第一智能材料驱动器、第二智能材料驱动器、顶盖、第一转接梁、第二转接梁、第一柔性铰链、第二柔性铰链、第三柔性铰链、第四柔性铰链、第五柔性铰链、托盘、镜子；本发明驱动器输出位移时在驱动器输出端产生的弯转力矩与镜面偏转方向相反，使用智能材料驱动器时不存在有效输出降低的问题，反而会提高有效输出。本发明有效降低弯转力矩大小，提高智能材料驱动器在结构应用中的可靠性。
【专利说明】高精度大动态柔性快速偏转反射镜
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高精度大动态柔性快速偏转反射镜，在各种光学系统中用于对准和稳定光束。
【背景技术】
[0002]快速偏转反射镜(以下简称快反镜)在各种光学系统中用来驱动和稳定光束。作为灵敏元件的设备，在天文学望远镜，激光通讯系统，图象稳定中等应用中非常有意义，它有多种结构形式。它的性能指标包括镜子的口径，所需驱动力的大小，倾斜运动与直线运动的耦合，倾斜角及位置的改变等，在设计过程中都成为相互影响的部分。
[0003]快反镜有两种运动方式:一维(单轴驱动)运动方式和二维(双轴驱动)运动方式。单轴驱动是指镜面具有I个绕控制轴旋转的自由度。其跟踪范围即快反镜偏转的最大范围确定了能补偿的范围。双轴驱动是指快反镜可以绕两个垂直的X-Y控制轴产生二维转角运动，镜面具有2个自由度，将跟踪范围扩展到二维。根据驱动器数量不同又可分为单驱动器单驱动轴快反镜和双驱动器单驱动轴快反镜以及三驱动器双驱动轴快反镜。
[0004]根据轴系种类快反镜结构可分为有刚性快反镜和柔性快反镜2种。刚性快反镜采用传统的机械轴系统，通过驱动机械轴带动反射镜的偏转；柔性快反镜结构中采用柔性铰链，在驱动快反镜运行时柔性铰链形成一条‘虚拟轴’，取代了机械轴带动反射镜的同步转动，柔性快反镜控制要求在结构分析和控制系统分析之间建立一套严格的数学关系，使用技术难度高于刚性快反镜且动态范围较小，但是采用柔性铰链配合智能驱动器的柔性快反镜具有响应快、精度高、无摩擦损耗及谐振频率高等优点。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种高精度大动态柔性快速偏转反射镜，在快速偏转镜中采用与结构壁面相连的柔性梁式放大机构，在保留柔性轴系快速偏转反射镜的响应快、精度高、无摩擦的优点并进一步提高谐振频率的同时，有效提高柔性快反镜的动态范围。
[0006]一种高精度大动态柔性快速偏转反射镜，包括底座、第一支板、第二支板、第三支板、第一侧板、第二侧板、第三侧板、第一智能材料驱动器、第二智能材料驱动器、顶盖、第一转接梁、第二转接梁、第一柔性铰链、第二柔性铰链、第三柔性铰链、第四柔性铰链、第五柔性铰链、托盘、镜子；
[0007]第一智能材料驱动器、第二智能材料驱动器的下端分别通过螺钉与底座相连，第一支板、第二支板、第三支板的下端分别通过螺钉与底座相连；第一侧板两侧通过螺钉与第一支板、第三支板相连；第二侧板两侧通过螺钉与第二支板、第一支板相连；第三侧板两侧通过螺钉与第二支板和第三支板相连；
[0008]第一柔性铰链的一端与第三支板上端通过螺钉相连，另一端通过螺纹连接第一转接梁；第二柔性铰链的一端与第二支板的上端通过螺钉相连，另一端通过螺纹连接第二转接梁；
[0009]第一智能材料驱动器的输出端穿过第一转接梁的通孔并用螺母固连；第二智能材料驱动器的输出端穿过第二转接梁的通孔并用螺母固连；
[0010]第一支板、第二支板、第三支板的上端分别通过螺钉与顶盖相连；
[0011]第三柔性铰链的一端与第一转接梁通过螺钉相连；第五柔性铰链的一端与第二转接梁通过螺钉相连；第四柔性铰链的一端与顶盖通过螺钉相连；
[0012]第三柔性铰链的另一端、第四柔性铰链的另一端、第五柔性铰链的另一端分别与托盘通过螺钉相连；
[0013]镜子通过胶粘接在托盘上；
[0014]顶盖开有两个槽，第一转接梁、第二转接梁、第一柔性铰链、第二柔性铰链与顶盖位于两个槽内，不与槽接触，与顶盖处于同一平面
[0015]本发明的优点在于:
[0016](I)驱动器输出位移时在驱动器输出端产生的弯转力矩与镜面偏转方向相反，使用智能材料驱动器时不存在有效输出降低的问题，反而会提高有效输出；
[0017](2)有效降低弯转力矩大小，提高智能材料驱动器在结构应用中的可靠性；
[0018](3)转接梁通过柔性铰链与支撑板相连，在驱动器工作时构成一个杠杆位移放大机构，大幅提高快反镜的动态范围；
[0019](4)快反镜的结构刚度加大，从而提高了整个结构的谐振频率；
[0020](5) 3个柔性铰链组成的2`个偏转轴构成的双轴驱动系统有效提高了快反镜的执行精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是现有智能材料驱动快反镜示意图；
[0022]图2是本发明的方案的示意图；
[0023]图3是本发明的整体外观示意图；
[0024]图4是本发明的具体结构示意图；
[0025]图中:
[0026]1-底座2-第一侧板3-第一支板
[0027]4-第二侧板5-第二支板6-第三侧板
[0028]7-第三支板8-第一智能材料驱动器9-第二智能材料驱动器
[0029]10-顶盖11-第一转接梁12-第二转接梁
[0030]13-第一柔性铰链 14-第二柔性铰链15-第三柔性铰链
[0031]16-第四柔性铰链 17-第五柔性铰链18-托盘
[0032]19-镜子
【具体实施方式】
[0033]下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0034]在快反镜结构中驱动器的输出端离镜面转动中心的支撑铰链距离越近得到的偏转角度越大，但是由于驱动器的尺寸限制双轴快反镜系统中驱动器输出端无法直接作用在离中心支撑铰链较近的距离，目前的方案是通过一个刚性转接件简单的将输出端的作用位置移轴到离中心支撑铰链较近的作用点，如图1所示。这种方案在使用中，当驱动器输出位移时会在驱动器输出端产生一个与镜面偏转方向相同的弯转力矩M，智能材料驱动器在承受弯矩时，内部芯棒产生与镜面偏转方向相同的弯曲变形，不仅使驱动器的有效输出大幅降低(实际上没有达到提高动态范围的效果)，也使抗弯强度很低的智能驱动器极易损坏。本发明设计的位移放大装置与快反镜的支撑板通过柔性铰链固连有效的解决了上述问题，如图2所示，同时另外采用3个柔性铰链组成的2个偏转轴构成的双轴驱动系统有效提高了快反镜的执行精度。
[0035]实施例1:
[0036]本发明的一种高精度大动态柔性快速偏转反射镜，如图3、图4所示，包括底座1、第一支板3、第二支板5、第三支板7、第一侧板2、第二侧板4、第三侧板6、第一智能材料驱动器8、第二智能材料驱动器9、顶盖10、第一转接梁11、第二转接梁12、第一柔性铰链13、第二柔性铰链14、第三柔性铰链15、第四柔性铰链16、第五柔性铰链17、托盘18、镜子19。
[0037]第一智能材料驱动器8、第二智能材料驱动器9的下端分别通过螺钉与底座I相连，第一支板3、第二支板5、第三支板7的下端分别通过螺钉与底座I相连；第一侧板2两侧通过螺钉与第一支板3、第三支板7相连；第二侧板4两侧通过螺钉与第二支板5、第一支板3相连；第三侧板6两侧通过螺钉与第二支板5和第三支板7相连；
[0038]第一柔性铰链13的一端与第三支板7上端通过螺钉相连，另一端通过螺纹连接第一转接梁11 ;第二柔性铰链14的一端与第二支板5的上端通过螺钉相连，另一端通过螺纹连接第二转接梁12 ；
[0039]第一智能材料驱动器8的输出端穿过第一转接梁11的通孔并用螺母固连；第二智能材料驱动器9的输出端穿过第二转接梁12的通孔并用螺母固连；
[0040]第一支板3、第二支板5、第三支板7的上端分别通过螺钉与顶盖10相连；
[0041]第三柔性铰链15的一端与第一转接梁11通过螺钉相连；第五柔性铰链17的一端与第二转接梁12通过螺钉相连；第四柔性铰链16的一端与顶盖10通过螺钉相连；
[0042]第三柔性铰链15的另一端、第四柔性铰链16的另一端、第五柔性铰链17的另一端分别与托盘18通过螺钉相连；
[0043]镜子19通过胶粘接在托盘18上。
[0044]顶盖10开有两个槽，第一转接梁11、第二转接梁12、第一柔性铰链13、第二柔性铰链14与顶盖10位于两个槽内，但是不与槽接触，与顶盖10处于同一平面
[0045]将底座I通过螺钉固定在安装座上，高精度大动态柔性快速偏转反射镜即可以开始工作。工作时驱动器输出位移，带动转接梁的转动，从而推动与托盘相连的柔性铰链并带动托盘及镜面的偏转，实现镜面偏转的功能。其中智能材料驱动器可使用磁致伸缩驱动器、压电驱动器及音圈电机等，柔性铰链可采用椭圆切口、直圆切口等切口的柔性铰链。
[0046]通过实验测得，当使用磁致伸缩驱动器和椭圆切口柔性铰链时采用本发明中的结构设计相较传统的偏转镜结构设计，动态范围可提高60%。
[0047]实施2:
[0048]若去掉本结构中的智能材料驱动器9、转接梁12、柔性铰链14、柔性铰17，其它连接与结构保持不变，则可以构成一个绕X轴旋转的单驱动器单驱动轴柔性快反镜。
【权利要求】
1.一种高精度大动态柔性快速偏转反射镜，包括底座、第一支板、第二支板、第三支板、第一侧板、第二侧板、第三侧板、第一智能材料驱动器、第二智能材料驱动器、顶盖、第一转接梁、第二转接梁、第一柔性铰链、第二柔性铰链、第三柔性铰链、第四柔性铰链、第五柔性铰链、托盘、镜子； 第一智能材料驱动器、第二智能材料驱动器的下端分别通过螺钉与底座相连，第一支板、第二支板、第三支板的下端分别通过螺钉与底座相连；第一侧板两侧通过螺钉与第一支板、第三支板相连；第二侧板两侧通过螺钉与第二支板、第一支板相连；第三侧板两侧通过螺钉与第二支板和第三支板相连； 第一柔性铰链的一端与第三支板上端通过螺钉相连，另一端通过螺纹连接第一转接梁；第二柔性铰链的一端与第二支板的上端通过螺钉相连，另一端通过螺纹连接第二转接梁； 第一智能材料驱动器的输出端穿过第一转接梁的通孔并用螺母固连；第二智能材料驱动器的输出端穿过第二转接梁的通孔并用螺母固连； 第一支板、第二支板、第三支板的上端分别通过螺钉与顶盖相连； 第三柔性铰链的一端与第一转接梁通过螺钉相连；第五柔性铰链的一端与第二转接梁通过螺钉相连；第四柔性铰链的一端与顶盖通过螺钉相连； 第三柔性铰链的另一端、第四柔性铰链的另一端、第五柔性铰链的另一端分别与托盘通过螺钉相连； 镜子通过胶粘接在托盘上； 顶盖开有两个槽，第一转接梁、第二转接梁、第一柔性铰链、第二柔性铰链与顶盖位于两个槽内，不与槽接触，与顶盖处于同一平面。
2.根据权利要求1所述的一种高精度大动态柔性快速偏转反射镜，所述的智能材料驱动器采用磁致伸缩驱动器或者压电驱动器或者音圈电机。
3.根据权利要求1所述的一种高精度大动态柔性快速偏转反射镜，所述的柔性铰链采用椭圆切口或者直圆切口的柔性铰链。
4.一种高精度大动态柔性快速偏转反射镜，包括底座、第一支板、第二支板、第三支板、第一侧板、第二侧板、第三侧板、第一智能材料驱动器、顶盖、第一转接梁、第一柔性铰链、第三柔性铰链、第四柔性铰链、托盘、镜子； 第一智能材料驱动器的下端分别通过螺钉与底座相连，第一支板、第二支板、第三支板的下端分别通过螺钉与底座相连；第一侧板两侧通过螺钉与第一支板、第三支板相连;第二侧板两侧通过螺钉与第二支板、第一支板相连；第三侧板两侧通过螺钉与第二支板和第三支板相连； 第一柔性铰链的一端与第三支板上端通过螺钉相连，另一端通过螺纹连接第一转接梁； 第一智能材料驱动器的输出端穿过第一转接梁的通孔并用螺母固连； 第一支板、第二支板、第三支板的上端分别通过螺钉与顶盖相连； 第三柔性铰链的一端与第一转接梁通过螺钉相连；第四柔性铰链的一端与顶盖通过螺钉相连； 第三柔性铰链的另一端、第四柔性铰链的另一端的另一端分别与托盘通过螺钉相连；镜子通过胶粘接在托盘上； 顶盖开有两个槽，第一转接梁、第一柔性铰链与顶盖位于两个槽内，不与槽接触，与顶盖处于同一平面。
5.根据权利要求1所述的一种高精度大动态柔性快速偏转反射镜，所述的智能材料驱动器采用磁致伸缩驱动器或者压电驱动器或者音圈电机。
6.根据权利要求1所述的一种高精度大动态柔性快速偏转反射镜，所述的柔性铰链采用椭圆切口或者直圆切口的柔性铰链`。
【文档编号】G02B26/08GK103869464SQ201410081008
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月6日 优先权日:2014年3月6日
【发明者】李琳, 薛铮, 李超 申请人:北京航空航天大学