一種空間遙感相機反射鏡柔性虎克鉸支撐機構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于空間遙感相機反射鏡的柔性虎克鉸支撐機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)包括：主體十字框架，雙邊鉸鏈安裝蓋，上支撐座，下支撐座，單邊鉸鏈安裝蓋，柔性鉸鏈，該機構(gòu)使用四個三段式圓柱形柔性鉸鏈，通過同軸對稱的‘十’字布置形成虎克鉸，實現(xiàn)鏡面的兩維轉(zhuǎn)動。本系統(tǒng)的優(yōu)點是：本機構(gòu)的兩維轉(zhuǎn)動中心位于同一平面上，避免轉(zhuǎn)動過程中被支撐鏡體在兩維方向上產(chǎn)生軸線漂移現(xiàn)象；使用柔性鉸鏈可以消除摩擦，無潤滑，無間隙，運動精度高，重復(fù)性好；采用對稱的布局方式，消除附加位移，實現(xiàn)運動的平穩(wěn)性。
【專利說明】一種空間遙感相機反射鏡柔性虎克鉸支撐機構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]一種空間遙感相機反射鏡柔性虎克鉸支撐機構(gòu)，屬于空間遙感【技術(shù)領(lǐng)域】中應(yīng)用的一種反射鏡中心支撐機構(gòu)。

【背景技術(shù)】
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[0002]在整個空間遙感領(lǐng)域的實際應(yīng)用中，對實現(xiàn)小范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)的支撐結(jié)構(gòu)，不僅提出了高分辨率的要求，還要求結(jié)構(gòu)上具有微小型化的要求。人們在經(jīng)過對各類型的柔性支撐實驗探索后，逐步開發(fā)出體積小、無機械摩擦、無間隙、運動靈活的柔性鉸鏈。
[0003]柔性鉸鏈機構(gòu)利用了彈性元件微小變形及其自回復(fù)的特性，消除了傳動過程中的空程和機械摩擦，能獲得超高的位移分辨率。隨后，柔性鉸鏈被廣泛的應(yīng)用于陀螺儀、加速度計、精密天平、導(dǎo)彈控制等儀器儀表中，并獲得了前所未有的高精度和穩(wěn)定性。柔性鉸鏈用于繞軸作復(fù)雜運動的有限角位移，它的特點是:無機械摩擦、無間隙、運動靈敏度高。
[0004]在空間遙感領(lǐng)域中，反射鏡作為光學(xué)系統(tǒng)中的主要的光學(xué)元件占有十分重要的地位，其精度直接決定了整個光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。而反射鏡的支撐則是影響反射鏡精度的關(guān)鍵因素，它的合理性直接決定的整個結(jié)構(gòu)的整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此在其支撐方式中加入一些柔性環(huán)節(jié)就很有必要。
[0005]專利號CN201110046266.6公開了一種空間遙感器大口徑反射鏡球鉸支撐機構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在球鉸四周均勻分布了四個L形溝槽，該設(shè)計有效的增加了彈性釋放環(huán)節(jié)，降低了裝配應(yīng)力以及熱應(yīng)力對面形精度的影響，但是球鉸自身存在著許多非線性問題、裝配要求極高，并且在極端工作環(huán)境下，球鉸長時間工作易發(fā)生磨損、蠕變等病害，會對整個光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生不可逆變的精度損耗。
[0006]專利號CN201120469256.9公開了一種新型大行程柔性虎克鉸，該虎克鉸采用的柔性元件為簧片，可以二維輸出較大的轉(zhuǎn)動行程，但是由于運動過程中該虎克鉸兩維運動會發(fā)生耦合，簧片在運動時，自身的彎曲勢必造成另外一維簧片的扭轉(zhuǎn)，直接影響另外一維的運動穩(wěn)定性，也會造成運動軸心的漂移此專利可應(yīng)用于中等精度的工作環(huán)境，對于空間遙感領(lǐng)域的高精度的要求，此設(shè)計尚需進一步改進。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明公開了一種空間遙感相機反射鏡柔性虎克鉸支撐機構(gòu)，用于實現(xiàn)空間反射鏡的二維精細擺動，為高精度的空間反射鏡支撐提供一種有效的技術(shù)途徑。
[0008]一種空間遙感相機反射鏡柔性虎克鉸支撐機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)包括:主體十字框架1，雙邊鉸鏈安裝蓋2，上支撐座3，下支撐座4，單邊鉸鏈安裝蓋5，柔性鉸鏈6，其中:
[0009]所述的主體十字框架I材料為鈦合金，有四個相同的單元構(gòu)成，四個單元上下、左右對稱分布呈現(xiàn)為一個‘十’字對稱結(jié)構(gòu)，所述的單元結(jié)構(gòu)為矩形中空結(jié)構(gòu)，兩端開有劣弧槽，圓弧半徑等于柔性鉸鏈6的半徑，劣弧槽寬度等于柔性鉸鏈6兩端的寬度，每個劣弧槽兩端開有螺紋孔；
[0010]所述的雙邊鉸鏈安裝蓋2為鈦合金材料，整體結(jié)構(gòu)為一個梯形塊，梯形塊兩個下底角進行倒角處理，且下底邊開有劣弧槽，圓弧半徑大小等于柔性鉸鏈6的半徑，劣弧槽寬度等于柔性鉸鏈6中間段的寬度，上底面中心線處開有兩個緊釘螺紋孔，劣弧槽的兩端各開有兩個沉頭孔；
[0011]所述的上支撐座3和下支撐座4結(jié)構(gòu)相同，材料均為鈦合金，結(jié)構(gòu)主體為中心一塊矩形板，上端為一個圓柱凸臺，凸臺上開有螺紋孔，用于整個機構(gòu)與上下部分的連接接口，且在凸臺徑向位置開有緊定螺紋孔；在凸臺上開有兩個線切割的槽，用于釋放支撐座非轉(zhuǎn)動維度的扭轉(zhuǎn)，中心板的下端兩側(cè)各有一個矩形塊，每個矩形塊的下底邊開有劣弧槽，圓弧半徑大小等于柔性鉸鏈6的半徑，劣弧槽寬度等于柔性鉸鏈6中間段的寬度，每個劣弧槽兩端均開有兩個螺紋孔，且兩個劣弧槽同軸；
[0012]所述的單邊鉸鏈安裝蓋5為鈦合金材料，整體結(jié)構(gòu)為一個梯形塊，梯形塊兩個下底角進行倒角處理，且在下底邊開有劣弧槽，圓弧半徑大小等于柔性鉸鏈6的半徑，劣弧槽寬度等于柔性鉸鏈6兩端的寬度，劣弧槽的兩端各開有一個沉頭孔；
[0013]主體十字框架I通過與8個單邊鉸鏈安裝蓋5螺紋連接來固定四個柔性鉸鏈6的兩端；上支撐座3、下支撐座4分別通過與兩個雙邊鉸鏈安裝蓋2螺釘連接來固定同軸的兩個柔性鉸鏈的中間段；上支撐座3固定主體十字框架I 一個方向的兩個柔性鉸鏈6，下支撐座4固定主體十字框架I垂直方向的兩個柔性鉸鏈6，通過柔性鉸鏈6的串聯(lián)，使所有零件組裝為一個整體，上支撐座3有與鏡體法蘭的連接接口螺紋以及緊定螺紋孔，下支撐座4加工有與底部支撐連接的接口螺紋以及緊定螺紋孔。
[0014]所述的主體十字框架I中每個單元兩端的劣弧槽的半徑尺寸精度為H7，圓心高出弦平面0.25mm。
[0015]所述的雙邊鉸鏈安裝蓋2中下底邊上的劣弧槽的半徑尺寸精度為H7，圓心低于安裝蓋下底面0.25mm。
[0016]所述的上支撐座3和下支撐座4下底邊上的劣弧槽的半徑尺寸精度為H7，圓心低于支撐座下底面0.25mm。
[0017]所述的單邊鉸鏈安裝蓋5下底邊上的劣弧槽的半徑尺寸精度為H7，圓心安裝蓋低于下底面0.25mm。
[0018]整個機構(gòu)的工作原理如下:當(dāng)鏡面發(fā)生平行于其中一維軸線的微轉(zhuǎn)動時，由主體十字框架與單邊鉸鏈安裝蓋固定的鉸鏈兩端保持固定，上(下)支撐座連同雙邊鉸鏈安裝蓋固定的鉸鏈中段相對鉸鏈兩端發(fā)生扭轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動過程中，轉(zhuǎn)動軸線始終保持不變；當(dāng)鏡面為任意方向的軸線進行兩維微轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)動將會被垂直的兩維鉸鏈中心軸線所分解，由主體十字框架連同單邊鉸鏈安裝蓋固定的鉸鏈兩端仍保持固定，上(下)支撐座連同雙邊鉸鏈安裝蓋固定的鉸鏈中段分別相對各自的鉸鏈兩端發(fā)生扭轉(zhuǎn)，整個轉(zhuǎn)動過程中，兩條垂直的中軸線交點保持不變，即轉(zhuǎn)動中心保持不變。整個運動過程中不存在任何軸線漂移現(xiàn)象。
[0019]本空間遙感相機反射鏡柔性虎克鉸支撐機構(gòu)與現(xiàn)有的技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點及有益效果:
[0020]本發(fā)明的兩維虎克鉸在運動過程中始終保持狀態(tài)穩(wěn)定，兩維轉(zhuǎn)動之間不會產(chǎn)生耦合，始終滿足裝配時的精度要求，運動過程中不會產(chǎn)生軸線的漂移；
[0021]完全使用柔性鉸鏈作為支撐環(huán)節(jié)，避免使用傳統(tǒng)球鉸所帶來的磨損，粘滯以及靜態(tài)阻力等誤差，使整個系統(tǒng)運動無摩擦，精度高，分辨率高等優(yōu)點；
[0022]本結(jié)構(gòu)具有較強的可裝配互換性能，其各個部件包括柔性鉸鏈可以根據(jù)實際需要進行更換，并且裝調(diào)后不會對機構(gòu)的精度產(chǎn)生影響；
[0023]采用對稱的布局方式，可以有效的消除附加位移，保證運動的穩(wěn)定性；
[0024]本機構(gòu)在兩維工作方向上具有很高的精度，同時在非功能方向上也具有很好的剛度，可承受一定的載荷；
[0025]整個鉸鏈的剛度，轉(zhuǎn)角量程等都是可以通過實際需求進行設(shè)計，故具有較大的應(yīng)用范圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
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[0026]圖1是空間遙感相機反射鏡柔性虎克鉸支撐機構(gòu)示意圖，圖中標號如下所示:
[0027]I主體十字框架、2雙邊鉸鏈安裝蓋、3上支撐座、4下支撐座、5單邊鉸鏈安裝蓋、6柔性鉸鏈。
[0028]圖2是空間遙感相機反射鏡柔性虎克鉸支撐機構(gòu)俯視圖。
[0029]圖3是支撐機構(gòu)主體十字框架結(jié)構(gòu)圖。
[0030]圖4是雙邊鉸鏈安裝蓋。
[0031]圖5是支撐結(jié)構(gòu)上、下支撐座結(jié)構(gòu)圖。
[0032]圖6是單邊鉸鏈安裝蓋。
[0033]圖7是柔性鉸鏈示意圖。

【具體實施方式】
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[0034]為更好理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖對本結(jié)構(gòu)座進一步的說明，但是，本發(fā)明要求保護的范圍并不局限于實施方式表不的范圍。
[0035]如圖1、2、3、4、5、6、7所示，一種空間遙感相機反射鏡兩維柔性虎克鉸支撐機構(gòu)主要包括:主體十字框架、雙邊鉸鏈安裝蓋、上支撐座、下支撐座、單邊鉸鏈安裝蓋以及柔性鉸鏈組成。
[0036]主體十字框架材料為鈦合金，整體形狀為一個‘十’字對稱結(jié)構(gòu)，每個單元均為矩形中空結(jié)構(gòu)，兩端開有劣弧槽，圓弧半徑等于柔性鉸鏈的半徑，精度為H7，圓心高出弦平面0.25_，劣弧槽寬度等于柔性鉸鏈兩端的寬度，每個劣弧槽兩端開有螺紋孔，四個單元分別固聯(lián)在中心方板的上下左右，結(jié)構(gòu)呈‘十’字分布，同一方向的四個劣弧槽同軸，兩個方向的劣弧槽軸線呈‘十’字；同軸的兩個鉸鏈的支承座的同軸度的要求用于保證在轉(zhuǎn)動過程中避免多余應(yīng)力的出現(xiàn)；兩維支承座的軸線一定要在同一個平面上，確保轉(zhuǎn)動過程中不會出現(xiàn)中心的漂移；需要進行兩維剛度計算；還需要進行輕量化設(shè)計。
[0037]雙邊鉸鏈安裝蓋材料為鈦合金，整體結(jié)構(gòu)為一個梯形塊，且下底邊開有劣弧槽，圓弧半徑大小等于柔性鉸鏈的半徑，精度為H7，圓心低于下底面0.25mm,劣弧槽寬度等于柔性鉸鏈中間段的寬度，上底面中心線處開有兩個緊釘螺紋孔，劣弧槽的兩端各開有兩個沉頭孔。
[0038]為了降低加工設(shè)計復(fù)雜度，此設(shè)計中，下支撐座與上支撐座為相同的材料以及結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)主體為中心一塊矩形板，上端為一個圓柱凸臺，凸臺上開有螺紋孔，用于整個機構(gòu)與上下部分的連接接口，且在凸臺徑向位置開有緊定螺紋孔；在凸臺上開有兩個線切割的槽，用于釋放支撐座非轉(zhuǎn)動維度的扭轉(zhuǎn)，中心板的下端兩側(cè)各有一個矩形塊，每個矩形塊的下底邊開有劣弧槽，圓弧半徑大小等于柔性鉸鏈￠)的半徑，精度為H7，圓心低于下底面0.25mm，劣弧槽寬度等于柔性鉸鏈￠)中間段的寬度，每個劣弧槽兩端均開有兩個螺紋孔，且兩個劣弧槽同軸，兩劣弧槽間隔為主體十字框架中心方板的寬度與柔性鉸鏈整體寬度的總和，以保證兩邊鉸鏈不產(chǎn)生空間干涉，整個支撐座矩形板的厚度要滿足垂直于軸線的另一維的剛度。
[0039]所述的單邊鉸鏈安裝蓋材料為鈦合金，整體結(jié)構(gòu)為一個梯形塊，且在下底邊開有劣弧槽，圓弧半徑大小等于柔性鉸鏈的半徑，精度為H7，圓心低于下底面0.25mm，劣弧槽寬度等于柔性鉸鏈兩端的寬度，劣弧槽的兩端各開有一個沉頭孔。
[0040]根據(jù)整體結(jié)構(gòu)的剛度需求，我們選擇riverhawk公司的6000系列鉸鏈，該柔性鉸鏈為圓柱形鉸鏈，柔性鉸鏈外圓柱面分為三段，兩端部分內(nèi)部相連為一個運動整體，與中間部分通過簧片彎曲發(fā)生相互運動，且每個側(cè)端的寬度約為中間段的一半。
[0041]整個機構(gòu)零件的連接方式為:主體十字框架通過與8個單邊鉸鏈安裝蓋螺紋連接來固定四個柔性鉸鏈的兩端；上、下支撐座分別通過與兩個雙邊鉸鏈安裝蓋螺紋連接來固定同軸的兩個柔性鉸鏈的中間段；上支撐座固定主體十字框架一個維度的兩個柔性鉸鏈，下支撐座支承固定主體十字框架另一維度的兩個鉸鏈，通過柔性鉸鏈的串聯(lián)，使所有零件組裝為一個整體；上支撐座有與鏡體法蘭的連接接口螺紋以及緊定螺紋孔，下支撐座加工有與底部支撐連接的接口螺紋以及緊定螺紋孔。
[0042]整個機構(gòu)的工作原理如下:當(dāng)鏡面發(fā)生平行于其中兩個鉸鏈中心軸線的微轉(zhuǎn)動時，由主體十字框架與單邊鉸鏈安裝蓋固定的鉸鏈兩端保持固定，上(下)支撐座連同雙邊鉸鏈安裝蓋固定的鉸鏈中段相對鉸鏈兩端發(fā)生扭轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動過程中，轉(zhuǎn)動軸線始終保持不變；當(dāng)鏡面為任意方向的軸線進行兩維微轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)動將會被垂直的兩維鉸鏈中心軸線所分解，由主體十字框架連同單邊鉸鏈安裝蓋固定的鉸鏈兩端仍保持固定，上(下)支撐座連同雙邊鉸鏈安裝蓋固定的鉸鏈中段分別相對各自的鉸鏈兩端發(fā)生扭轉(zhuǎn)，整個轉(zhuǎn)動過程中，兩條垂直的中軸線交點保持不變，即轉(zhuǎn)動中心保持不變。整個運動過程中不存在任何軸線漂移現(xiàn)象。
[0043]為保證虎克鉸兩維運動的一致性，本發(fā)明中采用的4個同等型號的柔性鉸鏈座為同樣的剛度結(jié)構(gòu)設(shè)計。
[0044]結(jié)構(gòu)中所有的連接方式均為螺紋連接，為保證連接可靠性，螺紋連接時須涂抹防松膠。
[0045]為滿足使用環(huán)境對機構(gòu)的精度要求，本設(shè)計過程中，各部件要嚴格滿足以下加工裝配要求:
[0046]包括單(雙)邊鉸鏈安裝蓋以及所有鉸鏈安裝接觸面都要保證圓柱度IT7的要求。
[0047]上支撐座(下支撐座)鉸鏈安裝處的同軸度IT7要求。
[0048]主體十字框架上同一維度鉸鏈安裝處的同軸度IT7要求。
[0049]鉸鏈中心架上兩維軸線垂直度IT7的要求。
[0050]鉸鏈中心架上兩維軸線平面度IT7的要求。
[0051] 同一維上，兩側(cè)鉸鏈安裝處的對稱度IT7要求。
【權(quán)利要求】
1.一種空間遙感相機反射鏡柔性虎克鉸支撐機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)包括:主體十字框架(1)，雙邊鉸鏈安裝蓋(2)，上支撐座(3)，下支撐座(4)，單邊鉸鏈安裝蓋(5)，柔性鉸鏈(6)，其特征在于: 所述的主體十字框架(I)材料為鈦合金，有四個相同的單元構(gòu)成，四個單元上下、左右對稱分布呈現(xiàn)為一個‘十’字對稱結(jié)構(gòu)，所述的單元結(jié)構(gòu)為矩形中空結(jié)構(gòu)，兩端開有劣弧槽，圓弧半徑等于柔性鉸鏈(6)的半徑，劣弧槽寬度等于柔性鉸鏈(6)兩端的寬度，每個劣弧槽兩端開有螺紋孔； 所述的雙邊鉸鏈安裝蓋(2)為鈦合金材料，整體結(jié)構(gòu)為一個梯形塊，梯形塊兩個下底角進行倒角處理，且下底邊開有劣弧槽，圓弧半徑大小等于柔性鉸鏈￠)的半徑，劣弧槽寬度等于柔性鉸鏈￠)中間段的寬度，上底面中心線處開有兩個緊釘螺紋孔，劣弧槽的兩端各開有兩個沉頭孔； 所述的上支撐座(3)和下支撐座(4)結(jié)構(gòu)相同，材料均為鈦合金，結(jié)構(gòu)主體為中心一塊矩形板，上端為一個圓柱凸臺，凸臺上開有螺紋孔，用于整個機構(gòu)與上下部分的連接接口，且在凸臺徑向位置開有緊定螺紋孔；在凸臺上開有兩個線切割的槽，用于釋放支撐座非轉(zhuǎn)動維度的扭轉(zhuǎn)，中心板的下端兩側(cè)各有一個矩形塊，每個矩形塊的下底邊開有劣弧槽，圓弧半徑大小等于柔性鉸鏈(6)的半徑，劣弧槽寬度等于柔性鉸鏈(6)中間段的寬度，每個劣弧槽兩端均開有兩個螺紋孔，且兩個劣弧槽同軸； 所述的單邊鉸鏈安裝蓋(5)為鈦合金材料，整體結(jié)構(gòu)為一個梯形塊，梯形塊兩個下底角進行倒角處理，且在下底邊開有劣弧槽，圓弧半徑大小等于柔性鉸鏈￠)的半徑，劣弧槽寬度等于柔性鉸鏈(6)兩端的寬度，劣弧槽的兩端各開有一個沉頭孔； 主體十字框架(I)通過與8個單邊鉸鏈安裝蓋(5)螺紋連接來固定四個柔性鉸鏈(6)的兩端；上支撐座(3)、下支撐座(4)分別通過與兩個雙邊鉸鏈安裝蓋(2)螺釘連接來固定同軸的兩個柔性鉸鏈的中間段；上支撐座(3)固定主體十字框架(I) 一個方向的兩個柔性鉸鏈出)，下支撐座(4)固定主體十字框架(I)垂直方向的兩個柔性鉸鏈￠)，通過柔性鉸鏈(6)的串聯(lián)，使所有零件組裝為一個整體，上支撐座(3)有與鏡體法蘭的連接接口螺紋以及緊定螺紋孔，下支撐座(4)加工有與底部支撐連接的接口螺紋以及緊定螺紋孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間遙感相機反射鏡柔性虎克鉸支撐機構(gòu)，其特征在于:所述的主體十字框架(I)中每個單元兩端的劣弧槽的半徑尺寸精度為H7，圓心高出弦平面 0.25mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間遙感相機反射鏡柔性虎克鉸支撐機構(gòu)，其特征在于:所述的雙邊鉸鏈安裝蓋(2)中下底邊上的劣弧槽的半徑尺寸精度為H7，圓心低于安裝蓋下底面0.25mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間遙感相機反射鏡柔性虎克鉸支撐機構(gòu)，其特征在于:所述的上支撐座(3)和下支撐座(4)下底邊上的劣弧槽的半徑尺寸精度為H7，圓心低于支撐座下底面0.25mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間遙感相機反射鏡柔性虎克鉸支撐機構(gòu)，其特征在于:所述的單邊鉸鏈安裝蓋(5)下底邊上的劣弧槽的半徑尺寸精度為H7，圓心安裝蓋低于下底面0.25mm。
【文檔編號】G02B7/182GK104360455SQ201410546524
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月16日
【發(fā)明者】陳洪達, 魏傳新, 鄭庚, 尹達一 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所