接触力可实时测量调控的反射镜装置

本发明涉及反射镜装置，具体涉及一种接触力可实时测量调控的反射镜装置。

背景技术：

1、随着航天工程登学科的迅速发展，反射镜在天望远镜、激光加工等领域应用广泛，研究人员致力于开发具有快速反应的反射镜。压电陶瓷作为一种可以提供微位移的精密驱动功能材料在光学反射镜装置中有重要应用，而目前使用的压电陶瓷驱动反射镜时的精度会受到接触力改变的极大影响，而压电式的接触力测量机构对微小接触力为线性响应，响应速度慢，测量精度低。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的问题，对结构内接触力实时测量，本发明的目的在于提供接触力可实时测量调控的高精度反射镜装置，采用接触式电信号提供反馈控制，驱动精度高，响应快，同时该装置还有着体积小，结构紧凑的特点。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、接触力可实时测量调控的反射镜装置，包括底座1，均匀安装在底座1上的多个非对称多边形，非对称多边形两侧约束刚度不等，竖直安装于每个非对称多边形内部的驱动压电陶瓷，与每个非对称多边形上端连接的半球摩擦副，布置在每个半球摩擦副上部的凹面滚动槽，与每个凹面滚动槽连接的支撑梁，设置在多个支撑梁上反射镜支撑平台8，设置在反射镜支撑平台8上的反射镜9，安装在底座1中央的限位柱10，限位柱10上端布置有中央柔性铰链6，中央柔性铰链6与反射镜支撑平台8螺栓连接，通过中央柔性铰链6与反射镜支撑平台8之间的螺栓紧度调节半球摩擦副和凹面滚动槽的接触力；差动驱动多个驱动压电陶瓷，推动对应支撑梁和反射镜支撑平台8偏转，能够实现大角度的三轴偏转；具体方法为：使反射镜9绕某轴心转动时，将转动位移分解为三轴偏转运动，由于非对称多边形两侧约束刚度不等，对每个驱动压电陶瓷施加电场，在产生输出线位移的同时发生偏转，该运动合成为绕轴心的偏转运动；多个驱动压电陶瓷采用相同的工作方式，三轴运动能合成为绕反射镜中心的偏转运动。

4、凹面滚动槽与半球摩擦副之间接触力可调，根据接触电阻与接触面所受正压力的非线性关系，通过调节限位柱10上端中央柔性铰链6与反射镜支撑平台8之间的螺栓紧度，反射镜支撑平台8下端面的每个凹面滚动槽与对应半球摩擦副的接触力随之改变，相对应的接触面积也改变，产生的接触电阻随之变化；在对应的半球摩擦副与凹面滚动槽之间连接电荷表，能实时观测电流信号，记录初始状态电流读数，随着螺钉拧紧，增大预紧力的同时增大了接触电阻，产生的电流信号逐渐减小，通过拧松螺钉使预紧力正常，则电流信号恢复正常水平；记录多组接触面的接触电阻变化的平均值，通过实验测得接触电阻变化率最大的电流信号，则此时对应的预紧力为反射镜装置最佳预紧力。

5、通过接触电阻变化检测反射镜装置工作状态接触力状态；在每个半球摩擦副的表面上进行介电材料表面处理，加工出螺线形或网格形图案接触面，使得其接触电阻随接触力变化而指数级变化，电流信号通过阻值的改变对接触力响应。

6、所述介电材料表面处理为化学蚀刻、溅射工艺或激光微纳加工方法。

7、使用pid反馈控制系统调节反射镜支撑平台8偏转角度变化，反射镜支撑平台8与未驱动之前的位置的夹角的变化会引起凹面滚动槽与半球摩擦副的接触力的变化，通过检测接触电流信号，将电流信号作为反馈信号控制接触力，进而控制偏转角度的变化；通过对接触力的监控，在接触力达到结构容许最大压力时断电锁止，即可提高反射镜的使用寿命。

8、每个非对称多边形的多边形外侧连接梁和多边形内侧连接梁具有不同的连接角度和厚度，多边形外侧连接梁刚度小于多边形内侧连接梁的刚度；所述非对称多边形采用慢走丝工艺一次性加工成型。

9、所述非对称多边形的数量为三个，分别为第一非对称多边形2-1、第二非对称多边形2-2和第三非对称多边形2-3，竖直安装于第一非对称多边形2-1内部的第一驱动压电陶瓷3-1，竖直安装于第二非对称多边形2-2内部的第二驱动压电陶瓷3-2，竖直安装于第三非对称多边形2-3内部的第三驱动压电陶瓷3-3，与第一非对称多边形2-1上端连接的第一半球摩擦副4-1，与第二非对称多边形2-2上端连接的第二半球摩擦副4-2，与第三非对称多边形2-3上端连接的第三半球摩擦副4-3，布置在第一半球摩擦副4-1上部的第一凹面滚动槽5-1，布置在第二半球摩擦副4-2上部的第二凹面滚动槽5-2，布置在第三半球摩擦副4-3上部的第三凹面滚动槽5-3，与第一凹面滚动槽5-1连接的第一支撑梁7-1，与第二凹面滚动槽5-2连接的第二支撑梁7-2，与第三凹面滚动槽5-3连接的第三支撑梁7-3，第一支撑梁7-1、第二支撑梁7-2与第三支撑梁7-3所成夹角均为120度。

10、和现有技术相比，本发明具有如下优点：

11、1、采用接触式电信号提供反馈控制，驱动精度高，响应快。

12、2、可以对反射镜装置的接触力即预紧力进行测量，并可以通过调节预紧力从而减小因磨损造成的接触面失效影响。

13、3、本发明通过对半球摩擦副表面处理，改变了接触面形状，同时设计的表面图案可以增强微小接触力下的电信号输出。

14、4、本发明结构紧凑，体积小，质量轻，通过pid驱动仅需三个压电堆便可完成光学偏转。

技术特征：

1.接触力可实时测量调控的反射镜装置，其特征在于：包括底座(1)，均匀安装在底座(1)上的多个非对称多边形，非对称多边形两侧约束刚度不等，竖直安装于每个非对称多边形内部的驱动压电陶瓷，与每个非对称多边形上端连接的半球摩擦副，布置在每个半球摩擦副上部的凹面滚动槽，与每个凹面滚动槽连接的支撑梁，设置在多个支撑梁上反射镜支撑平台(8)，设置在反射镜支撑平台(8)上的反射镜(9)，安装在底座(1)中央的限位柱(10)，限位柱(10)上端布置有中央柔性铰链(6)，中央柔性铰链(6)与反射镜支撑平台(8)螺栓连接，通过中央柔性铰链(6)与反射镜支撑平台(8)之间的螺栓紧度调节半球摩擦副和凹面滚动槽的接触力；差动驱动多个驱动压电陶瓷，推动对应支撑梁和反射镜支撑平台(8)偏转，能够实现大角度的三轴偏转；具体方法为：使反射镜(9)绕某轴心转动时，将转动位移分解为三轴偏转运动，由于非对称多边形两侧约束刚度不等，对每个驱动压电陶瓷施加电场，在产生输出线位移的同时发生偏转，该运动合成为绕轴心的偏转运动；多个驱动压电陶瓷采用相同的工作方式，三轴运动能合成为绕反射镜中心的偏转运动。

2.根据权利要求1所述的接触力可实时测量调控的反射镜装置，其特征在于：凹面滚动槽与半球摩擦副之间接触力可调，根据接触电阻与接触面所受正压力的非线性关系，通过调节限位柱(10)上端中央柔性铰链(6)与反射镜支撑平台(8)之间的螺栓紧度，反射镜支撑平台(8)下端面的每个凹面滚动槽与对应半球摩擦副的接触力随之改变，相对应的接触面积也改变，产生的接触电阻随之变化；在对应的半球摩擦副与凹面滚动槽之间连接电荷表，能实时观测电流信号，记录初始状态电流读数，随着螺钉拧紧，增大预紧力的同时增大了接触电阻，产生的电流信号逐渐减小，通过拧松螺钉使预紧力正常，则电流信号恢复正常水平；记录多组接触面的接触电阻变化的平均值，通过实验测得接触电阻变化率最大的电流信号，则此时对应的预紧力为反射镜装置最佳预紧力。

3.根据权利要求1所述的接触力可实时测量调控的反射镜装置，其特征在于：通过接触电阻变化检测反射镜装置工作状态接触力状态；在每个半球摩擦副的表面上进行介电材料表面处理，加工出螺线形或网格形图案接触面，使得其接触电阻随接触力变化而指数级变化，电流信号通过阻值的改变对接触力响应。

4.根据权利要求3所述的接触力可实时测量调控的反射镜装置，其特征在于：所述介电材料表面处理为化学蚀刻、溅射工艺或激光微纳加工方法。

5.根据权利要求1所述的接触力可实时测量调控的反射镜装置，其特征在于，使用pid反馈控制系统调节反射镜支撑平台8偏转角度变化，反射镜支撑平台(8)与未驱动之前的位置的夹角的变化会引起凹面滚动槽与半球摩擦副的接触力的变化，通过检测接触电流信号，将电流信号作为反馈信号控制接触力，进而控制偏转角度的变化；通过对接触力的监控，在接触力达到结构容许最大压力时断电锁止，即可提高反射镜的使用寿命。

6.根据权利要求1所述的接触力可实时测量调控的反射镜装置，其特征在于：每个非对称多边形的多边形外侧连接梁和多边形内侧连接梁具有不同的连接角度和厚度，多边形外侧连接梁刚度小于多边形内侧连接梁的刚度；所述非对称多边形采用慢走丝工艺一次性加工成型。

7.根据权利要求1所述的接触力可实时测量调控的反射镜装置，其特征在于：所述非对称多边形的数量为三个，分别为第一非对称多边形(2-1)、第二非对称多边形(2-2)和第三非对称多边形(2-3)，竖直安装于第一非对称多边形(2-1)内部的第一驱动压电陶瓷(3-1)，竖直安装于第二非对称多边形(2-2)内部的第二驱动压电陶瓷(3-2)，竖直安装于第三非对称多边形(2-3)内部的第三驱动压电陶瓷(3-3)，与第一非对称多边形(2-1)上端连接的第一半球摩擦副(4-1)，与第二非对称多边形(2-2)上端连接的第二半球摩擦副(4-2)，与第三非对称多边形(2-3)上端连接的第三半球摩擦副(4-3)，布置在第一半球摩擦副(4-1)上部的第一凹面滚动槽(5-1)，布置在第二半球摩擦副(4-2)上部的第二凹面滚动槽(5-2)，布置在第三半球摩擦副(4-3)上部的第三凹面滚动槽(5-3)，与第一凹面滚动槽(5-1)连接的第一支撑梁(7-1)，与第二凹面滚动槽(5-2)连接的第二支撑梁(7-2)，与第三凹面滚动槽(5-3)连接的第三支撑梁(7-3)，第一支撑梁(7-1)、第二支撑梁(7-2)与第三支撑梁(7-3)所成夹角均为120度。

技术总结
接触力可实时测量调控的反射镜装置，该装置包括底座，安装于底座之上控制镜面三轴偏转的多个非对称多边形组及其驱动压电陶瓷，与每个非对称多边形上端连接的半球摩擦副，布置在每个半球摩擦副上部的凹面滚动槽，与每个凹面滚动槽连接的支撑梁，设置在多个支撑梁上反射镜支撑平台，设置在反射镜支撑平台上的反射镜连接反射镜支撑平台与中央柔性铰链的螺栓，连接中央柔性铰链和底座的限位柱，采用差动驱动压电陶瓷的方式同时驱动多个压电陶瓷，即可实现对应的镜面偏转位移；本发明使用刚度不对称的非对称多边形结构套在压电陶瓷外，将压电陶瓷的直线位移输出转化为所需的镜面偏转，同时本发明反射镜装置具有结构紧凑，易于装配的特点。

技术研发人员：李一凡,翟崇朴,徐明龙,李亮
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15