专利名称：正切驱动式微秒级高精度角度调节机构的制作方法
技术领域：
本实用新型属于精密机械领域，具体涉及一种正切驱动式角度微调节机构。
背景技术：
正切驱动的微秒级高精度角度调节机构的主要功能是对同步辐射双晶单色器的双平晶体进行角度微调，保证第一晶体和第二晶体的平行度在使用所需的范围之内。同步辐射双晶单色器主要原理是利用Bragg衍射定理2dX sin θ Β=η λ，其中d为晶体的晶格常数，η为衍射级数，在同步辐射中η—般取1，通过改变Bragg角θ Β即可得到不同的波长λ，从而实现同步辐射白光的单色化。在单色器的实际使用过程中，第一晶体及第二晶体偏离理想位置，由此引起的双晶不平行性导致Bragg角偏差Λ ΘΒ变大，最终导致晶体的衍射效率下降。因此需要设置微调机构来调整晶体的位置，保证入射光束在双晶上产生的Bragg角误差足够小，以获得较高的衍射率，达到提高单色器性能的目的。晶体微调机构主要对晶体的投角Λ ΘΡ、滚角Λ θ ^和摆角Λ 0y调节，其中投角Δ θ p是指晶体绕Bragg转轴的小角度偏转，主要起细分Bragg转角提高能量分辨和抑制高次谐波的作用，因此对晶体设置投角方向的微调机构，对有效提高单色器的单色化性能具有重要意义；滚角Λ Θ ^是指晶体绕光轴的小角度偏转，通过滚角调节机构可以保证双晶体的平行和校正光束线下游光斑的位置，设置滚角微调机构对提高光斑的稳定性同样具有重要意义；摆角Λ Θ丨是绕晶体面法线的偏转，设置摆角调节机构主要是消除晶体的晶胞缺陷等。在已有的调节机 构中，往往是通过切槽晶体(在一块晶体上切出一个平行槽)、使用精密轴系或者使用偏转台进行调节，保证两晶体的理想平行位置。但切槽晶体是一种固定结构，靠加工保证两晶体平行度，在使用过程中不能动态调节；使用精密轴系或偏转台测量精度不高，驱动调节过程具有回程间隙等缺点。为了能使单色器能提供高质量的同步辐射光，必须寻求一种新型的高精度角度调节机构。
实用新型内容为了解决背景技术中存在的技术问题，本实用新型提供了一种正切驱动式微秒级高精度角度调节机构，以满足对同步辐射双晶单色器中两晶体的投角、滚角和摆角的微秒级无间隙动态调节，从而提供实验所需的高质量同步辐射光。本实用新型的技术方案如下:一种正切驱动式微秒级高精度角度调节机构，其特征在于:包括上板、下板、柔性铰链、弹簧复位机构、直线位移进给机构、传力顶杆和用以检测直线微位移器当前位移量的直线位移传感系统；所述上板和下板均具有平板部和偏置于平板部侧面的弯折部；上板的平板部与下板的平板部平行相对，所述柔性铰链位于这两个平板部之间，柔性铰链两端的连接板分别经螺钉与这两个平板部固定连接，上板的弯折部与下板的弯折部也平行相对，形成上板与下板的整体相合；[0008]所述弹簧复位机构和直线位移进给机构均安装于下板的弯折部；弹簧复位机构的弹簧心轴穿过下板的弯折部与上板的弯折部固定连接，套接在弹簧心轴上的弹簧通过压紧螺母压接于下板的弯折部的外侧；传力顶杆安装于上板的弯折部，并与直线位移进给机构的输出端顶紧，能够使得直线位移进给机构经传力顶杆输出的微位移反作用于下板的弯折部，进而使下板的平板部以柔性铰链为旋转关节产生正向偏转，所述弹簧的压力产生下板的平板部负向偏转的势能。基于上述基本技术方案，本实用新型还作如下优化限定和改进:上述柔性铰链采用余弦柔性铰链(即具有余弦形状的切口，两个余弦形状切口形成柔性旋转关节)。上述直线位移进给机构包括直线微位移器、球形螺帽和屏蔽外壳，其中直线微位移器集成有编码器和齿轮减速器，采用直流伺服电机驱动，直线微位移器通过球形螺帽与传力顶杆顶紧，实现精密传动；屏蔽外壳用于屏蔽同步辐射光对直线位移器的损伤。上述直线位移传感系统包括相对设置的直线位移传感器和传感系统顶杆，分别安装于上板的弯折部和下板的弯折部，传感系统顶杆与直线位移传感器的测量端相接触以测量直线位移器的位移量。在直线位移进给机构、传力顶杆、弹簧复位机构的弹簧芯棒、以及直线位移传感系统顶杆的固定位置均设置有夹紧槽；上板和下板的平板部均设置有用以安装柔性铰链的卡槽。上述弹簧心轴穿过下板的弯折部上的通孔采用固定销钉与上板的弯折部固定连 接。上述柔性铰链的其中一个连接板的内侧面两翼设置有半圆突起(其作用为在不破坏柔性铰链性能范围内限定柔性铰链最大偏转范围)。在上板的平板部与下板的平板部之间还设置有用以限制偏转范围的限位系统。上述限位系统包括电限位开关和机械限位块，均通过螺钉固定于下板的平板部。机械限位块用来限制因突然事故冲破电限位而损坏余弦柔性铰链，电限位用来限制工程设备所需调节范围。本实用新型具有以下技术效果是:采用柔性铰链连接上板与下板形成调节机构旋转的柔性关节。柔性铰链体积小、无机械摩擦、无间隙、稳定性好、灵敏度高等特点，提高了角度调节的灵敏度和精度。采用上板、柔性铰链和下板把直线位移进给机构的微小移动转换为下板的角度微小偏转，只需选用高精度的直线微位移器，就可实现足够高的角度调节精度。基于本实用新型的结构，可以通过加长直线位移进给机构的作用力臂(即直线位移进给机构轴线与柔性旋转关节之间的垂直距离)来提高角度调节精度，调节精度可达微秒级甚至更高。采用弹簧复位机构给调节机构提供复位偏转力，当柔性铰链没有偏转时，直线位移器提供的推力和弹簧压力相平衡；当直线位移器前进一定距离时，直线微位移器提供的推力与弹簧压力和使柔性铰链产生偏转的力形成平衡力系，柔性铰链带动下板产生正向偏转；当直线微位移器后退时，弹簧的压力与直线位移器提供的推力和使柔性铰链产生偏转的力形成平衡力系，柔性铰链带动下板产生负向偏转。[0022]采用机械限位块对调节机构的极限调节范围进行机械限定，电限位开关对使用中所需调节范围进行限定，当突然事件使旋转角度过大，突破限位开关限定范围时，可由机械限位块进行机械限位，避免过大的旋转范围损坏余弦柔性铰链、直线微位移器和直线位移传感器。采用直线位移传感器反馈当前位移，可以更直观的反映当前位置和角度输出，直线位移传感器反馈绝对位置信息，不需要直线微位移器回零来寻找参考点，间隔一段时间回零可用于标校直线位移传感器的零点漂移。
图1是本实用新型提供的调节机构的示意图。图2是图1另一个视角的示意图。图3是本实用新型采用的柔性铰链的结构示意图。附图标号说明:1-上板；2_余弦柔性铰链；3_直线位移进给机构；4_弹簧复位机构；5_下板；6-直线位移传感系统；7_传力顶杆；8-限位系统。
具体实施方式以余弦柔性铰链为例，具体阐述本实用新型技术方案。首先，余弦柔性铰链是具有余弦函数形状切口的柔性铰链，能够得到准确的角偏移量和力与位移之间的关系，通过理论计算得到使用过程中的偏转角度ΘΖ的准确表达式为:
权利要求1.一种正切驱动式微秒级高精度角度调节机构，其特征在于:包括上板(I)、下板(5)、柔性铰链、弹簧复位机构(4)、直线位移进给机构(3)、传力顶杆(7)和用以检测直线微位移器当前位移量的直线位移传感系统(6);所述上板(I)和下板(5)均具有平板部和偏置于平板部侧面的弯折部；上板(I)的平板部与下板(5)的平板部平行相对，所述柔性铰链位于这两个平板部之间，柔性铰链两端的连接板分别经螺钉与这两个平板部固定连接，上板(I)的弯折部与下板(5)的弯折部也平行相对，形成上板(I)与下板(5)的整体相合； 所述弹簧复位机构(4)和直线位移进给机构(3)均安装于下板(5)的弯折部；弹簧复位机构(4)的弹簧心轴穿过下板(5)的弯折部与上板(I)的弯折部固定连接，套接在弹簧心轴上的弹簧通过压紧螺母压接于下板(5)的弯折部的外侧；传力顶杆(7)安装于上板(I)的弯折部，并与直线位移进给机构(3)的输出端顶紧，能够使得直线位移进给机构(3)经传力顶杆(7)输出的微位移反作用于下板的弯折部，进而使下板(5)的平板部以柔性铰链为旋转关节产生正向偏转，所述弹簧的压力产生下板(5)的平板部负向偏转的势能。
2.根据权利要求1所述的正切驱动式微秒级高精度角度调节机构，其特征在于:所述柔性铰链采用余弦柔性铰链。
3.根据权利要求1或2所述的正切驱动式微秒级高精度角度调节机构，其特征在于:所述直线位移进给机构(3)包括直线微位移器、球形螺帽和屏蔽外壳，其中直线微位移器集成有编码器和齿轮减速器，采用直流伺服电机驱动，直线微位移器通过球形螺帽与传力顶杆顶紧，实现精密传动；屏蔽外壳用于屏蔽同步辐射光对直线位移器的损伤。
4.根据权利要求1或2所述的正切驱动式微秒级高精度角度调节机构，其特征在于:所述直线位移传感系统(6)包括相对设置的直线位移传感器和传感系统顶杆，分别安装于上板(I)的弯折部和下板(5)的弯折部，传感系统顶杆与直线位移传感器的测量端相接触，以测量直线位移器的位移量。
5.根据权利要求1或2所述的正切驱动式微秒级高精度角度调节机构，其特征在于:在直线位移进给机构(3)、传力顶杆、弹簧复位机构的弹簧芯棒、以及直线位移传感系统顶杆的固定位置均设置有夹紧槽；上板(I)和下板(5)的平板部均设置有用以安装柔性铰链的卡槽。
6.根据权利要求1或2所述的正切驱动式微秒级高精度角度调节机构，其特征在于:所述弹簧心轴穿过下板(5)的弯折部上的通孔采用固定销钉与上板(I)的弯折部固定连接。
7.根据权利要求1或2所述的正切驱动式微秒级高精度角度调节机构，其特征在于:柔性铰链的其中一个连接板的内侧面两翼设置有半圆突起。
8.根据权利要求1或2所述的正切驱动式微秒级高精度角度调节机构，其特征在于:在上板的平板部与下板的平板部之间还设置有用以限制偏转范围的限位系统。
9.根据权利要求8所述的正切驱动式微秒级高精度角度调节机构，其特征在于:所述限位系统包括电限位开关和机械限位块，均通过螺钉固定于下板的平板部。
专利摘要本实用新型提供了一种正切驱动式微秒级高精度角度调节机构，以满足对同步辐射双晶单色器中两晶体的投角、滚角和摆角的微秒级无间隙动态调节，从而提供实验所需的高质量同步辐射光。本实用新型采用柔性铰链连接上板与下板形成调节机构旋转的柔性关节；上板、柔性铰链和下板把直线位移进给机构的微小移动转换为下板的角度微小偏转；采用弹簧复位机构给调节机构提供复位偏转力；当直线位移器前进一定距离时，直线微位移器提供的推力与弹簧压力和使柔性铰链产生偏转的力形成平衡力系，柔性铰链带动下板产生正向偏转；当直线微位移器后退时，弹簧的压力与直线位移器提供的推力和使柔性铰链产生偏转的力形成平衡力系，柔性铰链带动下板产生负向偏转。
文档编号G05D3/12GK203133617SQ20132007021
公开日2013年8月14日 申请日期2013年2月6日 优先权日2013年2月6日
发明者江波, 周泗忠, 韩俊锋, 赵相国, 邓小国 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所