反射镜背支撑两自由度旋转柔性铰链

摘要

本发明提供了一种反射镜背支撑两自由度旋转柔性铰链，所述的柔性铰链包括三自由度平台、五自由度柔性结构、固定筒。三自由度平台与五自由度柔性结构通过第五矩形柔性片连接；三自由度平台中的四个矩形柔性片沿载物平台的中心轴线均匀布置，分别与载物平台、固定筒固定连接，五自由度柔性结构通过第二连接块的底部与A固定连接。本发明能够实现载物平台绕x、y轴线的两自由度旋转运动，具有附加运动量小、结构简单紧凑、工艺性好、易于调节的优点。

权利要求

1.一种反射镜背支撑两自由度旋转柔性铰链，其特征在于：所述的柔性铰链包括三自由度平台、五自由度柔性结构、固定筒（10）；所述的三自由度平台与五自由度柔性结构构成一个柔性系统；所述的三自由度平台含有载物平台（1）、第一矩形柔性片（2）、第二矩形柔性片（3）、第三矩形柔性片（4）、第四矩形柔性片（5）；所述的五自由度柔性结构含有第一连接块（6）、第二连接块（7）；其连接关系是，所述的第一矩形柔性片（2）、第二矩形柔性片（3）、第三矩形柔性片（4）、第四矩形柔性片（5）沿载物平台（1）的中心轴线均匀布置，分别与载物平台（1）固定连接；所述的第一连接块（6）上设有第五矩形柔性片（8），第二连接块（7）上设有第六矩形柔性片（9），第一连接块（6）、第二连接块（7）通过第六矩形柔性片（9）固定连接；所述的第五矩形柔性片（8）的中心平面与第六矩形柔性片（9）的中心平面垂直；所述的三自由度平台与五自由度柔性结构通过第五矩形柔性片（8）固定连接，三自由度平台的中心轴线与五自由度柔性结构的中心轴线重合；所述的三自由度平台通过第一矩形柔性片（2）、第二矩形柔性片（3）、第三矩形柔性片（4）、第四矩形柔性片（5）分别与固定筒（10）固定连接，五自由度柔性结构通过第二连接块（7）的底部与固定筒（10）固定连接。

2.根据权利要求1所述的反射镜背支撑两自由度旋转柔性铰链，其特征在于：所述的第一矩形柔性片（2）、第二矩形柔性片（3）、第三矩形柔性片（4）、第四矩形柔性片（5）的形状和尺寸均相同。

3.根据权利要求1所述的反射镜背支撑两自由度旋转柔性铰链，其特征在于：所述的第五矩形柔性片（8）与第六矩形柔性片（9）的形状和尺寸相同。

4.根据权利要求1所述的反射镜背支撑两自由度旋转柔性铰链，其特征在于：所述的载物平台（1）的宽度和厚度大于第一矩形柔性片（2）、第二矩形柔性片（3）、第三矩形柔性片（4）、第四矩形柔性片（5）的宽度和厚度。

说明书

反射镜背支撑两自由度旋转柔性铰链

技术领域

[0001] 本发明属于精密机械结构设计技术领域，具体涉及一种反射镜背支撑两自由度旋转柔性铰链，能够用于实现诸如反射镜等被调节元器件两维旋转运动角度的精密调整。

背景技术

[0002] 柔性铰链是由一个或多个具有特定形状的柔性元件组合而成的精密传动机构，其利用柔性元件的弹性变形来产生有限的高精度运动，被广泛应用于精密机械与仪器的设计中。

[0003] 随着光学技术的发展，对光学元件的装调精度提出了更高的要求，传统的安装方法已难以满足。柔性铰链因体积小、无摩擦、无间隙、灵敏度高、重复性好以及运动平稳等诸多优点，越来越多的被高精度光学元件的安装与调整结构设计所采用。

[0004] 目前的反射镜背支撑调整机构多采用混合型并联柔性铰链来实现大口径反射镜的精密调整。该柔性铰链具有三个转动自由度，可以使得反射镜绕三个轴转动，即绕镜面内轴线和镜面法线的转动。而反射镜仅需做绕镜面内轴线的转动，单纯采用这种结构的柔性铰链时，反射镜存在绕镜面法线的附加转动，因此，需要通过其他方式对其进行限制。

发明内容

[0005] 本发明的目的是：提供一种反射镜背支撑两自由度旋转柔性铰链。

[0006] 本发明解决上述技术问题的方案是：

[0007] 本发明的反射镜背支撑两自由度旋转柔性铰链，其特点是，所述的柔性铰链包括三自由度平台、五自由度柔性结构、固定筒。所述的三自由度平台含有载物平台、第一矩形柔性片、第二矩形柔性片、第三矩形柔性片、第四矩形柔性片。所述的五自由度柔性结构含有第一连接块、第二连接块。其连接关系是，所述的第一矩形柔性片、第二矩形柔性片、第三矩形柔性片、第四矩形柔性片沿载物平台的中心轴线均匀布置，分别与载物平台固定连接。所述的第一连接块上设有第五矩形柔性片，第二连接块上设有第六矩形柔性片，第一连接块、第二连接块通过第六矩形柔性片固定连接。所述的第五矩形柔性片的中心平面与第六矩形柔性片的中心平面垂直。所述的三自由度平台与五自由度柔性结构通过第五矩形柔性片固定连接，三自由度平台的中心轴线与五自由度柔性结构的中心轴线重合。所述的三自由度平台通过第一矩形柔性片、第二矩形柔性片、第三矩形柔性片、第四矩形柔性片分别与固定筒固定连接，五自由度柔性结构通过第二连接块的底部与固定筒固定连接。

[0008] 所述的第一矩形柔性片、第二矩形柔性片、第三矩形柔性片、第四矩形柔性片的形状和尺寸均相同。

[0009] 所述的第五矩形柔性片与第六矩形柔性片的形状和尺寸相同。

[0010] 所述的载物平台的宽度和厚度大于第一矩形柔性片、第二矩形柔性片、第三矩形柔性片、第四矩形柔性片的宽度和厚度。

[0011] 本发明中的三自由度平台与五自由度柔性结构构成一个柔性系统，固定筒为柔性系统的刚性支撑部件。所述的三自由度平台、五自由度柔性结构能够加工为一个零件。

[0012] 本发明中的每个矩形柔性片具有三个自由度，通过第一矩形柔性片、第二矩形柔性片、第三矩形柔性片和第四矩形柔性片的弹性变形使得载物平台具有三个自由度，即绕x、y轴的转动自由度和沿z轴的移动自由度，五自由度柔性结构则限制了载物平台沿z轴的移动移动自由度，组合后载物平台仅具有绕x、y轴的旋转自由度。

[0013] 本发明的原理：通过矩形柔性片的弹性变形产生可逆的有限精密运动，并且通过矩形柔性片的组合排布，从而约束载物平台的三个移动自由度和绕z的旋转自由度，从而使得平台仅存在绕x、y轴的转动自由度。将诸如反射镜等被调节元件与载物平台固连，利用精密驱动装置驱动，即可实现被调节元器件的两自由度旋转的精密调整。

[0014] 本发明能够用于实现诸如反射镜等被调节元器件两维旋转运动角度的精密调整，本发明的两自由度旋转柔性铰链具有附加运动量小和结构简单紧凑、工艺性好、易于调节的优点。

附图说明

[0015] 图1为本发明的两自由度旋转柔性铰链结构示意图；

[0016] 图2为本发明中的柔性系统的结构示意图；

[0017] 图3为本发明中的柔性系统绕x轴旋转变形的结构示意图；

[0018] 图4为本发明中的柔性系统绕y轴旋转变形的结构示意图；

[0019] 图5为本发明的柔性系统中载物平台的旋转刚度计算用的结构示意图；

[0020] 图6为本发明在反射镜背支撑柔性调节机构中应用的结构示意图。

[0021] 图中，1. 载物平台  2.第一矩形柔性片  3.第二矩形柔性片  4.第三矩形柔性片  5.第四矩形柔性片  6.第一连接块  7.第二连接块  8.第五矩形柔性片  9.第六矩形柔性片  10.固定筒  11. 反射镜  12.第一粘接块  13.两自由度旋转柔性铰链  14.固定支架  15.第一精密驱动装置  16.第二粘接块  17.第二精密驱动装置  18.第三粘接块。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图对本发明做详细描述

[0023] 实施例1

[0024] 图1为本发明的两自由度旋转柔性铰链结构示意图，图2为本发明中的柔性系统的结构示意图，图3为本发明中的柔性系统绕x轴旋转变形的结构示意图，图4为本发明中的柔性系统绕y轴旋转变形的结构示意图。在图1～图4中，本发明的反射镜背支撑两自由度旋转柔性铰链，包括三自由度平台、五自由度柔性结构、固定筒10。所述的三自由度平台与五自由度柔性结构构成一个柔性系统。所述的三自由度平台含有载物平台1、第一矩形柔性片2、第二矩形柔性片3、第三矩形柔性片4、第四矩形柔性片5。所述的五自由度柔性结构含有第一连接块6、第二连接块7。其连接关系是，所述的第一矩形柔性片2、第二矩形柔性片3、第三矩形柔性片4、第四矩形柔性片5沿载物平台1的中心轴线均匀设置，第一矩形柔性片2、第二矩形柔性片3、第三矩形柔性片4、第四矩形柔性片5的一端分别与载物平台1固定连接。所述的第一连接块6设有第五矩形柔性片8，第二连接块7设有第六矩形柔性片9，第一连接块6、第二连接块7通过第六矩形柔性片9固定连接。所述的第五矩形柔性片8的中心平面与第六矩形柔性片9的中心平面垂直。所述的三自由度平台与五自由度柔性结构通过第五矩形柔性片8固定连接，三自由度平台的中心轴线与五自由度柔性结构的中心轴线重合。所述的三自由度平台通过第一矩形柔性片2、第二矩形柔性片3、第三矩形柔性片4、第四矩形柔性片5的另一端分别与固定筒10固定连接，五自由度柔性结构通过第二连接块7的底部与固定筒10固定连接。

[0025] 所述的第一矩形柔性片2、第二矩形柔性片3、第三矩形柔性片4、第四矩形柔性片5的结构相同。

[0026] 所述的第五矩形柔性片8、第六矩形柔性片9的结构相同。

[0027] 所述的载物平台1的宽度和厚度大于第一矩形柔性片2、第二矩形柔性片3、第三矩形柔性片4、第四矩形柔性片5的宽度和厚度。

[0028] 本发明中的每个矩形柔性片具有三个自由度，通过第一矩形柔性片2、第二矩形柔性片3、第三矩形柔性片4和第四矩形柔性片5的弹性变形使得载物平台1具有三个自由度，即绕x、y轴的转动自由度和沿z轴的移动自由度，五自由度柔性结构则限制了载物平台1沿z轴的移动移动自由度，即组合后载物平台1仅具有绕x、y轴的转动旋转自由度，如图3、图4所示。

[0029] 图5为本发明的柔性系统中载物平台的旋转刚度计算用的结构示意图，本发明的柔性系统中载物平台的旋转刚度是重要的运动参数，因此，在实际的应用中需要进行设计计算。

[0030] 图5中，本发明的柔性系统中载物平台的旋转刚度的计算公式如下：由本发明的结构对称性可知，载物平台分别绕x轴和y轴旋转的刚度相同，而且由于五自由度柔性结构的旋转刚度通常比三自由度平台的旋转刚度要小许多，因此，可以忽略其对本发明的旋转刚度的影响，即本发明的旋转刚度可以由三自由度平台的旋转刚度近似代替。每个矩形柔性片具有相同的外形尺寸，载物平台长度和宽度相同，l表示矩形柔性片长度，w表示矩形柔性片宽度，t表示矩形柔性片的厚度，e表示载物平台的长度，K1表示载物平台1绕x轴或y轴的旋转刚度，K2表示载物平台1绕z轴的旋转刚度。推导出K1和K2的近似计算公式为：

[0031]

[0032]

[0033] 式中，E表示本发明所采用材料的弹性模量，ν表示本发明所采用材料的泊松比，a表示矩形柔性片的厚度和长度的比值且a=t/l，b表示举行柔性片的宽度和长度的比值且b=w/l，c表示载物平台1的长度与矩形柔性片的长度的比值且c=e/l。通常，在设计时a远小于1且远小于b，因此公式（1）可以表示为:

[0034]

[0035] λ表示载物平台1绕z轴的旋转刚度K2与绕x轴或y轴的旋转刚度K1的比值，表征了附加位移量的大小。根据公式（2）和公式（3）可得：

[0036]  

[0037] 通过合理的选择材料和优化结构参数a、b、c，可以得到合理的旋转刚度值，并且可以使得λ远大于1，进而减小附加运动量。

[0038] 图6为本发明在反射镜背支撑柔性调节机构中应用的结构示意图。图6中，反射镜背支撑柔性调节结构主要包括：反射镜11、第一粘接块12、本发明的两自由度旋转柔性铰链13、固定支架14、第一精密驱动装置15、第二粘接块16、第二精密驱动装置17、第三粘接块
18。其连接关系是，反射镜11通过第一粘接块12与两自由度旋转柔性铰链13的载物平台1连接，通过第二粘接块16和第三粘接块18分别与第一精密驱动装置15和第二精密驱动装置17连接。两自由度旋转柔性铰链13、第一精密驱动装置15、第二精密驱动装置17分别固定在固定支架14上。通过第一精密驱动装置15和第二精密驱动装置17调整第二粘接块16和第三粘接块18沿反射镜11镜面法线方向的位移，使得反射镜11分别产生绕x、y轴的精密旋转转动，从而实现精密调整反射镜11的两维旋转角度。

[0039] 安装有本发明的两自由度旋转柔性铰链的反射镜背支撑柔性调节机构的反射镜调整过程如下：

[0040] （1）调整第一精密驱动装置15和第二精密驱动装置17，使得第二粘接块16和第三粘接块18沿反射镜11镜面法线产生同向等量的位移，从而使得反射镜11仅绕y轴旋转。

[0041] （2）调整第一精密驱动装置15和第二精密驱动装置17，使得第二粘接块16和第三粘接块18沿反射镜11镜面法线产生反向等量的位移，从而使得反射镜11仅绕x轴旋转。

[0042] （3）调整第一精密驱动装置15和第二精密驱动装置17，使得第二粘接块16和第三粘接块18沿反射镜11镜面法线产生一定量的位移，从而使得反射镜11同时绕x和y轴旋转，通过控制第一精密驱动装置15和第二精密驱动装置17所产生的法线位移量及方向，可以精密调节反射镜11分别绕x轴和y轴的角度。

[0043] 本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。