專利名稱：無模態(tài)耦合兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在地球觀測、天文望遠(yuǎn)、運(yùn)載工具、激光通信和光電跟蹤設(shè)備等光電 系統(tǒng)中的精密跟蹤儀器，以及在納米級(jí)機(jī)床、動(dòng)力調(diào)諧陀螺等精密儀器中的高精度、高帶 寬角位移控制器。
背景技術(shù)：
在天文望遠(yuǎn)的干涉成像中為抑制由于大氣湍流引起的恒星光在很寬頻帶范圍內(nèi)的抖 動(dòng)，在激光通信系統(tǒng)中為保證長距離傳輸(數(shù)百公里)的準(zhǔn)確性，在移動(dòng)式跟蹤設(shè)備中為 抑制飛機(jī)、艦船和火箭等運(yùn)載工具所帶來的高頻大幅抖動(dòng)等等，都要用到對(duì)系統(tǒng)兩個(gè)方向 角誤差的實(shí)時(shí)測量、實(shí)時(shí)控制。為達(dá)到干涉成像，抑制系統(tǒng)運(yùn)載工具所帶來的高頻大幅抖 動(dòng)，保證系統(tǒng)的精密定位往往需要角位移控制器在較大的矯正范圍(幾度或幾十分)內(nèi)達(dá) 到極高的閉環(huán)精度一微弧度量級(jí)，亞微弧度量級(jí)，甚至納弧度量級(jí)，同時(shí)要求角位移控制 器閉環(huán)帶寬(-3db)達(dá)到幾百赫茲，甚至幾千赫茲。
目前這類系統(tǒng)有采用壓電陶瓷作為支撐直接驅(qū)動(dòng)偏轉(zhuǎn)塊實(shí)現(xiàn)兩軸偏轉(zhuǎn)的，有采用柔性 支撐和傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)副結(jié)合支撐結(jié)構(gòu)，也有只使用柔性支撐作為支撐實(shí)現(xiàn)兩軸偏轉(zhuǎn)的。柔性支 撐的特性反映出與傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)副有很大的不同，柔性支承有著結(jié)構(gòu)緊湊，無摩擦，無間隙， 以及高分辨率等特點(diǎn)。在上述高精度微定位系統(tǒng)中采用的多自由度柔性鉸鏈的運(yùn)動(dòng)位移在 幾毫米和幾微米，幾度和幾十分的范圍內(nèi)，但其分辨率、定位精度和重復(fù)定位精度在納米， 納弧度量級(jí)的范圍內(nèi)。因此，柔性支撐以其高精度、無摩擦、無間隙在是兩軸偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)起 著非常重要的作用。
但是，柔性支撐結(jié)構(gòu)如果設(shè)計(jì)不合理，例如兩偏轉(zhuǎn)方向間的不正交，在除使用自由 度外的其它某個(gè)或某些方向的支撐剛度低，高階振動(dòng)模態(tài)與低級(jí)振動(dòng)模態(tài)間的耦合等，這 些影響了系統(tǒng)整體性能，制約系統(tǒng)精度的提高，也就是說限制了整機(jī)的性能和精度。圖l 所示的是美國的高精度兩軸偏轉(zhuǎn)FSM，雖然該系統(tǒng)的閉環(huán)精度很高，但是該結(jié)構(gòu)在橫向的 支撐剛度低，即橫向模態(tài)低，在系統(tǒng)控制帶寬范圍內(nèi)。圖2所示的是美國HABE實(shí)驗(yàn)室設(shè) 計(jì)的兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)，三根柔性桿支撐在偏轉(zhuǎn)塊側(cè)面，但是這種柔性支撐在平移方 向上的支撐剛度很低，使得偏轉(zhuǎn)塊在鏡面平面上的平移模態(tài)很低，也在系統(tǒng)控制帶寬范圍 內(nèi)。圖3也是一種兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在國內(nèi)外都有使用這種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，圖4就
是基于這種柔性支撐設(shè)計(jì)的兩軸偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，ESO系統(tǒng)的快速反射鏡；但是圖3所示的柔性 支撐結(jié)構(gòu)在繞圖所示的坐標(biāo)系的Z軸的旋轉(zhuǎn)剛度較低，使得系統(tǒng)很容易在控制帶寬范圍內(nèi) 存在模態(tài)耦合。圖5所示的是BEI公司設(shè)計(jì)的兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)，雖然這種結(jié)構(gòu)在很 寬的范圍內(nèi)沒有模態(tài)耦合，但是該結(jié)構(gòu)的尺寸大，所占空間很大，且加工比較復(fù)雜，特別 是在偏轉(zhuǎn)塊尺寸很大時(shí)，該結(jié)構(gòu)所需空間更大，不利于減小系統(tǒng)的空間尺寸。長春光機(jī)所 設(shè)計(jì)的兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)也是模仿了 BEI公司的這種結(jié)構(gòu)。
因此，可以這樣說柔性支撐在高精度、高帶寬系統(tǒng)中起著決定性的作用，而柔性支撐 的不合理結(jié)構(gòu)中存在的高階振動(dòng)模態(tài)與低級(jí)振動(dòng)模態(tài)間的耦合使得設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了諧 振與反諧振，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)對(duì)象的動(dòng)力學(xué)特性過于復(fù)雜，從而控制系統(tǒng)隨之變得更加復(fù)雜，并 且，由于耦合的不確定性，耦合程度隨振動(dòng)環(huán)境變化而變化將導(dǎo)致對(duì)象動(dòng)力學(xué)特性的變化， 使得控制系統(tǒng)失穩(wěn)，這些就制約了系統(tǒng)精度的提高，限制了系統(tǒng)帶寬的增加。
雖然目前國內(nèi)、國外使用的兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)很多，高精度、高帶寬系統(tǒng)中使用 兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)也很多，但是這些柔性支撐結(jié)構(gòu)在除使用自由度外的其它某個(gè)或某 些方向的支撐剛度低，高階振動(dòng)模態(tài)與低級(jí)振動(dòng)模態(tài)間的耦合以及結(jié)構(gòu)尺寸大的問題。目 前國內(nèi)、國外未見此種無模態(tài)耦合兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種無模態(tài)耦合兩軸偏轉(zhuǎn) 柔性支撐結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠提供兩軸偏轉(zhuǎn)的柔性支撐，且支撐剛度很低，所需偏轉(zhuǎn)力矩很 小，并且該結(jié)構(gòu)在除偏轉(zhuǎn)方向外的其它方向的支撐剛度很高，使得系統(tǒng)在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)無模 態(tài)耦合，有效降低了結(jié)構(gòu)對(duì)象動(dòng)力學(xué)特性的復(fù)雜度和控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，利于系統(tǒng)穩(wěn)定 和帶寬提高。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是無模態(tài)耦合兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)，其特征在于包括柔 性板、柔性桿、偏轉(zhuǎn)塊和電機(jī)；三個(gè)或四個(gè)柔性板分別沿偏轉(zhuǎn)塊旋轉(zhuǎn)軸的切線方向均勻分 布固定在固定架上，柔性桿則在偏轉(zhuǎn)塊的軸向方向固定在固定架上；電機(jī)與偏轉(zhuǎn)塊連接。
所述的柔性板為厚0.02 4mm，短邊寬3 10 mm，長邊寬度27 90mm的梯形柔性板。
所述的柔性桿為直徑0.1 6mm的圓柱桿。
所述的偏轉(zhuǎn)塊可以是反射鏡，也可以是支架，'這樣就使得偏轉(zhuǎn)塊能在較小的作用力下 偏轉(zhuǎn)較大的角度。
本發(fā)明的原理是柔性板支撐于偏轉(zhuǎn)塊側(cè)面，提供給在水平方向極高的平移支撐剛度， 同時(shí)在旋轉(zhuǎn)方向的也給予偏轉(zhuǎn)塊很髙的支撐剛度，但是在所需的偏轉(zhuǎn)方向上的支撐剛度很 低；柔性桿支撐于偏轉(zhuǎn)塊中心軸線方向上，提供子偏傳塊在軸向方詢箭高的支撐剛度，同
時(shí)在所需偏轉(zhuǎn)方向上的支撐剛度也很低，這樣在復(fù)合柔性支撐的作用下偏轉(zhuǎn)塊在除偏轉(zhuǎn)方 向外的支撐剛度都極高，降低系統(tǒng)的耦合程度。
本發(fā)明與已有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)系統(tǒng)高階模態(tài)的諧振頻率很髙，低階模態(tài)的諧 振頻率很低，系統(tǒng)的高階模態(tài)的諧振頻率設(shè)計(jì)在系統(tǒng)帶寬范圍外。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、 安裝方便，且偏轉(zhuǎn)精度高，無模態(tài)耦合。該結(jié)構(gòu)在偏轉(zhuǎn)塊結(jié)構(gòu)尺寸大，質(zhì)量重時(shí)也能把模 態(tài)賴合控制在系統(tǒng)帶寬范圍外。


圖1為美國的高精度兩軸偏轉(zhuǎn)FSM結(jié)構(gòu)示意圖2為美國HABE實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)示意圖3為現(xiàn)有的一種兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)示意；
圖4為現(xiàn)有的基于這種柔性支撐設(shè)計(jì)的兩軸偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖5為BEI公司設(shè)計(jì)的兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)示意圖6為本發(fā)明采用的由4個(gè)梯形柔性板組成的無模態(tài)耦合兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)俯視
圖7為本發(fā)明釆用的由4個(gè)梯形柔性板組成的無模態(tài)耦合兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)主視
圖8為本發(fā)明采用的由3個(gè)梯形柔性板組成的無模態(tài)耦合兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)俯視
圖9為本發(fā)明采用的由3個(gè)梯形柔性板組成的無模態(tài)耦合兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)俯視
圖IO為本發(fā)明中的梯形柔性板結(jié)構(gòu)示意圖； 圖11為本發(fā)明中的柔性桿結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，1.梯形柔性支撐；2.柔性桿；3.固定架；4.偏轉(zhuǎn)塊；5.底板；6.電機(jī)。
具體實(shí)施例方式
如圖6、 7所示為本發(fā)明由四個(gè)梯形柔性板1、柔性桿2、四個(gè)固定架3、偏轉(zhuǎn)塊4、底 板5、電機(jī)6組成。四個(gè)梯形柔性板l分別固定在四個(gè)固定架3上，固定架3剛性固連在底 板5上，底板5固定在平臺(tái)上，電機(jī)6的定子安裝在底板5上，動(dòng)子安裝在偏轉(zhuǎn)塊4，動(dòng)子 施加作用力于偏轉(zhuǎn)塊4上實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)塊的偏轉(zhuǎn)。梯形柔性板1結(jié)構(gòu)尺寸厚度0.2 0.6mm，梯 形板短邊寬度約4mm，長邊寬度約36mm,高度約40mm。這樣的四個(gè)柔性板1分別安裝在 偏轉(zhuǎn)塊4側(cè)面的切線方向上，就為偏轉(zhuǎn)塊4提供了沿X軸、Y軸很高的平移剛度及繞Z軸 很高的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，同時(shí)偏轉(zhuǎn)塊4繞.X軸和Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的剛搜'很低'，但是此時(shí)偏轉(zhuǎn)塊4在沿Z
軸方向的平移剛度很低；柔性桿2在沿Z軸方向固定在偏轉(zhuǎn)塊中心，且柔性桿2另一段則 固定在底板5上，柔性桿2直徑約2.5mm、長度約30mm。此時(shí)柔性桿2就為偏轉(zhuǎn)塊4提 供了較高的Z軸方向的平移剛度，并且因柔性桿2在繞X軸和Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的剛度很低，所以 柔性桿2的增加對(duì)偏轉(zhuǎn)塊4繞X軸和Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的影響較小，這樣就實(shí)現(xiàn)了偏轉(zhuǎn)塊4繞 X軸和Y軸的偏轉(zhuǎn)。
在控制偏轉(zhuǎn)塊4繞X軸和Y軸的偏轉(zhuǎn)的耦合時(shí)，需在設(shè)計(jì)加工時(shí)提高安裝梯形柔性板 1位置相互間的垂直度，以盡量減小偏轉(zhuǎn)塊4繞X軸和Y軸偏轉(zhuǎn)間的耦合。
系統(tǒng)工作時(shí)，控制電機(jī)6的前后運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)偏轉(zhuǎn)塊偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了兩軸偏轉(zhuǎn)，由于該結(jié) 構(gòu)在除偏轉(zhuǎn)方向外的其它方向上的支撐剛度很高，控制帶寬內(nèi)無模態(tài)耦合，降低了控制系 統(tǒng)的復(fù)雜程度，實(shí)現(xiàn)了高帶寬和高精度。
如圖8、 9所示為本發(fā)明由三個(gè)梯形柔性板1、柔性桿2、三個(gè)固定架3、偏轉(zhuǎn)塊4、底 板5和電機(jī)6組成。三個(gè)梯形柔性板1分別均勻分布固定在三個(gè)固定架3上，每個(gè)固定架3 剛性固連在底板5上，底板5固定在平臺(tái)上，電機(jī)6的定子安裝在底板5上，動(dòng)子安裝在偏 轉(zhuǎn)塊4，動(dòng)子施加作用力于偏轉(zhuǎn)塊4上實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)塊的偏轉(zhuǎn)。梯形柔性板1結(jié)構(gòu)尺寸厚度 0.3~0.7mm,梯形板短邊寬度約4mm，長邊寬度約36mm，高度約40mm。這樣的三個(gè)柔性 板分別安裝在偏轉(zhuǎn)塊4側(cè)面的切線方向上，這樣三個(gè)梯形柔性板1就為偏轉(zhuǎn)塊4提供了沿X 軸,Y軸很高的平移剛度以及繞Z軸很高的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，同時(shí)偏轉(zhuǎn)塊4繞X軸和Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的剛 度很低，但是此時(shí)偏轉(zhuǎn)塊4在沿Z軸方向的平移剛度很低；柔性桿2在沿Z軸方向固定在 偏轉(zhuǎn)塊中心，且柔性桿2另一段則固定在底板5上，柔性桿2直徑約2.5mm、長度約30m m，此時(shí)柔性桿2就為偏轉(zhuǎn)塊4提供了較高的Z軸方向的平移剛度，并且因柔性桿2在繞 X軸和Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的剛度很低，所以柔性桿2的增加對(duì)偏轉(zhuǎn)塊4繞X軸和Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的影 響較小，這樣就實(shí)現(xiàn)了偏轉(zhuǎn)塊4繞X軸和Y軸的偏轉(zhuǎn)，且系統(tǒng)在其它方向上的支撐剛度也 很高。
如圖10所示，三個(gè)安裝件7、 8、 9是該柔性板的安裝固定部分，安裝件9固定在偏轉(zhuǎn) 塊4上，安裝件7固定在固定架3上，安裝件8是該柔性板1的核心部分，它實(shí)現(xiàn)了柔性 板1的主要功能一為偏轉(zhuǎn)塊4提供了沿X軸、Y軸很高的平移剛度及繞Z軸很高的轉(zhuǎn)動(dòng)剛 度，并且偏轉(zhuǎn)塊4繞X軸和Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的剛度很低。
如圖11所示，安裝件10、 11和12是柔性桿2的安裝固定部分，安裝件10固定在偏 轉(zhuǎn)塊4上，安裝件12固定在固定架3上，安裝件11是柔性桿2的核心部分，它實(shí)現(xiàn)了柔 性桿2的主要功能一為偏轉(zhuǎn)塊4提供了較高的Z軸方向的平移剛度，并且偏轉(zhuǎn)塊4繞X軸 和Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的剛度很低-。. 在圖6、圖7，或圖8、圖9所示的無模態(tài)耦合兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)中，當(dāng)去掉柔性 桿2時(shí)，偏轉(zhuǎn)塊4就能實(shí)現(xiàn)繞X軸的偏轉(zhuǎn)，繞Y軸的偏轉(zhuǎn)以及實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)塊沿Z軸方向的平 移。在這種結(jié)構(gòu)中，四個(gè)或三個(gè)柔性板1分別安裝在偏轉(zhuǎn)塊4側(cè)面的切線方向上，為偏轉(zhuǎn) 塊4提供了沿X軸、Y軸很高的平移剛度及繞Z軸很高的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，同時(shí)偏轉(zhuǎn)塊4繞X軸 和Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的剛度很低，但是此時(shí)由于柔性板1在沿Z軸方向的平移剛度很低，使得偏轉(zhuǎn) 塊4在沿Z軸方向的平移剛度也很低，即是說，偏轉(zhuǎn)塊4可以沿Z軸方向上下平移，且偏 轉(zhuǎn)塊4沿Z軸方向上下平移的分辨率很高，這種柔性支撐的分辨率將達(dá)到納米級(jí)，這可以 精密控制和補(bǔ)償光學(xué)系統(tǒng)的光程差，在干涉成像系統(tǒng)中有著特別重要的作用。
權(quán)利要求
1、無模態(tài)耦合兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)，其特征在于包括柔性板、柔性桿、偏轉(zhuǎn)塊和電機(jī)；三個(gè)或四個(gè)柔性板分別沿偏轉(zhuǎn)塊旋轉(zhuǎn)軸的切線方向均勻分布固定在固定架上，柔性桿則在偏轉(zhuǎn)塊的軸向方向固定在固定架上；電機(jī)與偏轉(zhuǎn)塊連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的無模態(tài)耦合兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的柔 性板為厚0.02 4mm、短邊寬3 10mm、長邊寬度27 90mm的梯形柔性板。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無模態(tài)耦合兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的柔性桿為直徑0.1 6mm的圓柱桿。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的無模態(tài)耦合兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的固定架上剛性固連在底板上，底板固定在平臺(tái)上。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的無模態(tài)耦合兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的偏 轉(zhuǎn)塊為反射鏡或支架。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的無模態(tài)耦合兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)，其特征在于所述 的電機(jī)的定子安裝在底板上，動(dòng)子安裝在偏轉(zhuǎn)塊上。
7、 無模態(tài)耦合兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)，其特征在于包括柔性板、偏轉(zhuǎn)塊和電機(jī)；三 個(gè)或四個(gè)柔性板分別沿偏轉(zhuǎn)塊旋轉(zhuǎn)軸的切線方向均勻分布固定在固定架上；電機(jī)與偏轉(zhuǎn)塊 連接。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的無模態(tài)耦合兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的 柔性板為厚0.02 4mm、短邊寬3 10mm、長邊寬度27 卯mm的梯形柔性板。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的無模態(tài)耦合兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的 固定架上剛性固連在底板上，底板固定在平臺(tái)上。
10、根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的無模態(tài)耦合兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)，其特征在于所 述的電機(jī)的定子安裝在底板上，動(dòng)子安裝在偏轉(zhuǎn)塊上。
全文摘要
無模態(tài)耦合兩軸偏轉(zhuǎn)柔性支撐結(jié)構(gòu)包括柔性板、柔性桿、偏轉(zhuǎn)塊、電機(jī)和固定板；三個(gè)或四個(gè)柔性板分別沿偏轉(zhuǎn)塊旋轉(zhuǎn)軸的切線方向均勻分布固定在固定架上，柔性桿則在偏轉(zhuǎn)塊的軸向方向固定在固定架上；電機(jī)與偏轉(zhuǎn)塊連接。本發(fā)明把高階模態(tài)設(shè)計(jì)的很高，克服了低階和高階間的模態(tài)耦合。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、安裝方便，且偏轉(zhuǎn)精度高。
文檔編號(hào)G02B7/00GK101187721SQ20071017873
公開日2008年5月28日 申請(qǐng)日期2007年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月4日
發(fā)明者戈 任, 起 彭, 王繼紅, 陳洪斌 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所