二軸三驅動反射鏡的製作方法

2023-05-31 04:45:31

專利名稱：二軸三驅動反射鏡的製作方法
技術領域：
本實用新型二軸三驅動式反射鏡屬於光學領域中光電測量設備， 具體涉及二軸三驅動式反射鏡。
背景技術：
目前國內所採用的快速控制反射鏡(FSM)結構形式一般為有軸 系形式，也稱為X—Y軸框架形式。其結構形式多樣，但功能相似。 其特點是採用精密軸系支承兩維框架，外框架軸系的軸承座固定在 支撐架上，鑲嵌有反射鏡的內框架軸系安裝在外框架上。內外框架的
兩維轉角運動的驅動執行元件是旋轉電機，即兩維轉角運動用高度和 方位電機驅動。反射鏡轉角位置由光電檢測設備如光柵尺檢測，高低 和方位兩個轉角方向上各裝一套，完成二維角位置檢測。雖然使用非 接觸式直線光柵尺可以使結構相對緊湊，體積、慣量都有所下降，摩 擦力矩減小，但結構的特點決定指標精度比較低，由於摩擦力矩的存 在，使控制系統存在非線性，而且X—Y軸框架FSM諧振頻率比較 低，因此很難實現精密跟蹤。 發明內容
為了克服已有技術存在的缺點，本發明提供一種二軸三驅動式反 射鏡，實現快速控制精密跟蹤的目的。
本設計結合柔性支撐、動態連接和萬向運動於一體，使系統的體 積、慣量以及摩擦力矩明顯減小，而且諧振也比較高，它屬於二軸三驅動系統，即三個驅動器對稱分布在一個三角形上，形成兩個正交的 轉動軸，以實現系統的二維精密轉動，驅動器布局圖見附圖l。該結 構較為穩定，特點是完成繞二軸轉動的控制運動必須經過坐標轉換才 能驅動每個驅動器。其傾斜角度與三個驅動器的位移成一定的函數關
系，見公式(l)，其中，A、 B、 C分別為三個驅動器的位移，cc、 / 分 別為兩個軸向的轉角，z為鏡面所在平面在其法線上的位移。
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二軸三驅動式反射鏡結構圖見圖2。結構分為三個部分固定 部分、運動部分和連接部分，其中固定部分包括固定座、傳感器以及 其連接座、支撐軸、連接軸、底座和驅動器；運動部分包括預緊調節、 傳感器墊、鏡室、反射鏡、反射鏡連接座及二腳杆；連接部分包括V 型塊、連接杆、彈簧鉤和彈簧。
各部分的連接關係
反射鏡通過反射鏡連接座及二腳杆側面支撐固定在鏡室上，傳 感器及其連接座直接固定在固定座上，驅動器直接固定在底座上，底 座與固定座通過螺釘直接連接，支撐軸一端通過標準球軸承連接到鏡 室，另一端通過連接軸固定到底座上，型塊、彈簧和連接杆形成動態 連接，連接杆通過螺紋連接到預緊調節。
傳感器檢測到位移信息後，控制系統經過計算得到與實際的偏 差量，根據這個偏差實時控制快速反射鏡的傾斜，通過控制驅動器施加力的大小，可以控制運動部分的轉角，從而實現精密控制。 本發明的優點
二軸三驅動式反射鏡具有諧振頻率高、響應速度快、控制精度高 等特點，由它構成的精密跟蹤控制系統，可以有效地補償微小抖動等 誤差，因此在國內外得到了廣泛應用，尤其是在天文觀測設備、武器 控制系統以及雷射通訊等光電測量設備系統中起著非常重要的作用。

圖l驅動器布局圖。
圖2二軸三驅動式反射鏡結構剖視圖其中固定座l、傳感器及
其連接座2、支撐軸3、連接座4、底座5、驅動器6 、 V型塊7、 連接杆8、預緊調節9 、傳感器墊10、鏡室11、反射鏡12、彈 簧鉤13、彈簧14、反射鏡連接座15、 二腳杆16。
圖3傳感器布局圖其中傳感器26、 X軸27、鏡室背部28、 Y 軸29、旋轉中心30。
圖4 二腳杆簡化圖，其中支腿21、支腿22、連接塊23。
圖5動態連接示意圖，其中；V型槽/球24、平面/球25。
具體實施方式
結合附圖2說明具體實施方式
，採用的檢測元件是差動電渦流位 移傳感器KD5100。其顯著特點是每通道二個完全匹配的傳感器使分 辨率達到納米級精度，其布局圖如圖3，如果精度要求比較低也可以 採用3個均布傳感器。
鋁被認為是最可行的被測目標的材料。被測目標的厚度至少為0.022" (0. 56mm)。被測目標的橫截面積必須是1.5~2倍於傳感器的 直徑。驅動器為BEI公司的LA15-16-19A，其峰值驅動力超過60N， 行程為士3.18mm。每個驅動器兩側各有一個拉伸彈簧。
對於二維的快速控制反射鏡，要使其他4個自由度被充分限制。
在本結構中，V型槽/球24約束2個自由度，平面/球25約束l 個自由度，球軸承約束3個自由度，根據機構自由度的運動準則可以 計算系統的自由度『2。
反射鏡常用的支撐方式有側面支持、背部支撐和周邊支撐。本設 計採用二腳杆(bipod)側面支撐，由於採用柔性支撐結構，可消除 因裝配和環境溫度變化產生的應力，反射鏡的質量通過側面支撐結構 卸載到鏡室上。在本設計中，二腳杆(bipod)其可簡化為附圖4。
通過分析杆21和杆22的夾角為90。時，對反射鏡的支撐最優。 本設計的動態連接是1個V型槽/球24和2個平面/球25連接， 如附圖5所示，從而保證反射鏡運動在任何位置系統都是完全約束， 而不是過約束或欠約束。每個球與V型槽有2個接觸點，這樣設計可 以使系統中包含相似的零件，因此具有熱穩定性，與平面有一個接觸 點。如果施加預載荷可以獲得高剛度。如果球和溝槽的大小這些參數 確定，靜態剛度就可確定。因為連接具有對稱性，在垂直方向向中心 施加載荷，各接觸點具有相同的變形。接觸極限應力值決定於接觸材 料及熱處理條件。因此需要選用具力學性能良好，經熱處理後可以得 到高的表面硬度以及高的疲勞強度及良好的抗過熱性的材料40Cr。
權利要求1、一種二軸三驅動式反射鏡，包括二軸，二框架和反射鏡，其特徵在於具體結構分為三個部分固定部分、運動部分和連接部分，其中固定部分包括固定座(1)、傳感器及其連接座(2)、支撐軸(3)、連接軸(4)、底座(5)、驅動器(6)；運動部分包括預緊調節(9)、傳感器墊(10)、鏡室(11)、反射鏡(12)、反射鏡連接座(15)及二腳杆(16)；連接部分包括V型塊(7)、連接杆(8)、彈簧鉤(13)和彈簧(14)；各部分的連接關係反射鏡(12)通過反射鏡連接座(15)及二腳杆(16)側面支撐固定在鏡室(11)上，傳感器及其連接座(2)直接固定在固定座(1)上，驅動器(6)直接固定在底座(5)，底座(5)與固定座(1)通過螺釘直接連接，支撐軸(3)一端通過標準球軸承連接到鏡室(11)，另一端通過連接軸(4)固定到底座(5)上，V型塊(7)、彈簧(14)和連接杆(8)形成動態連接，連接杆(8)通過螺紋連接到預緊調節(9)。該二軸三驅動式反射鏡結合柔性支撐、動態連接和萬向運動於一體，三個驅動器對稱分布在一個三角形上，二對傳感器正交分布於二個轉動軸上，實現系統的二維精密轉動。
2、按照權利要求1所以上述的二軸三驅動式反射鏡，其特徵在 於為了保證反射鏡運動在任何位置系統都是完全約束，動態連接採用 1個V型槽/球(24)和2個平面/球(25)連接，為了消除因裝配和 環境溫度變化產生的應力，採用二腳杆(bipod)側面支撐。
3、按照權利要求1所以上述的二軸三驅動式反射鏡，其特徵在 於檢測元件是位移傳感器，其特點是可以採用差動式傳感器，每通道 二個完全匹配的傳感器使解析度達到納米級高精度；如果精度要求比 較低也可以採用3個均布傳感器。
專利摘要本實用新型二軸三驅動式反射鏡，屬於光學領域中光電測量設備。具體結構分為三個部分其中固定部分包括固定座、傳感器、支撐軸、連接軸、底座和驅動器；運動部分包括預緊調節、傳感器墊、鏡室、反射鏡、連接座及二腳杆；連接部分包括V型塊、連接杆、彈簧鉤和彈簧。其連接關係反射鏡通過反射鏡連接座及二腳杆側面支撐固定在鏡室上，傳感器及其連接座直接固定在固定座上，驅動器直接固定在底座上，支撐軸一端通過標準球軸承連接到鏡室，另一端通過連接軸固定到底座上，V型塊、彈簧和連接杆形成動態連接。本實用新型具有諧振頻率高、響應速度快、控制精度高等特點，可以補償微小抖動誤差，在天文觀測、武器控制系統、雷射通訊等領域中廣泛應用。
文檔編號G01D5/26GK201141935SQ20072009474
公開日2008年10月29日 申請日期2007年12月10日 優先權日2007年12月10日
發明者張麗敏, 飛 揚, 帥 王 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所