[发明专利]一种一体化两维转动柔性铰链

说明书

技术领域：

本发明涉及天文观测仪器研制技术领域，特别涉及一种用于快速摆镜支撑用两维转动柔性铰链。

背景技术：

在天文观测仪器的实际应用中，由于天文观测需要长时间的积分，天文观测仪器在长时间内保持视轴的稳定，而地基或空间天文望远镜会受到仪器内部和外部的振动干扰，造成结构振动引起视轴的抖动，需要利用快速摆镜对视轴的抖动进行实时补偿。快速摆镜在运动过程中，镜面和驱动器之间存在两维角度的偏转，在驱动组件与反射镜镜体间需要安装两维转动铰链。结合快摆机构应用的要求，对两维铰链提出以下需求：

运动的灵敏度高，具有高的分辨率。摆镜是维持视轴稳定的，通常要将光斑稳定在亚像素量级，因此需要在运行过程中具有较高的运动灵敏度，这样才能维持摆镜的运动连续性。

在具有转动柔度的方向上，刚度越低越好，在其他四维上的刚度越高越好。转动维度的刚度低，运动时附加在镜面的力就越小，反射镜的面形就越好。其他四维的刚度高，这样不但有助于提高系统的模态，而且有助于提高反射镜的在重力作用下的面形。

目前常用的两维柔性铰链有以下几种：

1.采用两维相对滑动的轴承，滑动界面之间可以利用固体润滑膜或者润滑脂。利用这种轴承可以实现两维转动，但是存在启动摩擦力矩，进而造成运动分辨率低，无法用于控制带宽高和运动精度要求高的场合。此外该种铰链还存在着磨损等问题，限制了它的应用。

2.采用圆柱切槽的方式，利用强度较高的圆柱形材料，在圆柱上切槽，形成相互垂直的簧片，利用簧片的变形提供两维柔度。如图3示。

这两种目前都有应用，特别是圆柱切槽的方式应用较为广泛，但是对于面形要求高、控制带宽较高的场合需要有更高性能的两维转动铰链。

发明内容：

为了进一步提高快速摆镜的面形水平和快速摆镜机构的基频，本发明提出了一种新型一体化两维转动柔性铰链。该铰链可以利用3D成型技术制作，生产效率高，结构紧凑，轻量化程度高、非运动维度具有较高的刚度。它用快速摆镜的支撑结构中，可有效的提高反射镜的面形水平和基频。

本发明的柔性铰链是一体化结构，如附图所示。可由钛合金、铝合金、树脂等可3D成形的材料制作。结构包括：簧片柔节A1、簧片柔节B2、簧片柔节C3、簧片柔节D4、内圈连接结构5、外圈连接结构6、安装接口A9、安装接口B10。簧片柔节A1、簧片柔节B2、簧片柔节C3、簧片柔节D4具有相同的结构形式，由接口层结构11、连接层结构12、交叉簧片13组成，接口层结构11包含安装接口16，连接层结构12包含内圈连接接口14、外圈连接接口15。簧片柔节A1与簧片柔节C3同轴布置，同轴的轴线形成转动轴A8，其安装接口16布置在同侧，形成安装接口A9。簧片柔节B2与簧片柔节D4同轴布置，同轴的轴线形成转动轴B9，与转动轴A8垂直，其安装接口16布置在同侧，并与安装接口A9方向相反，形成安装接口B10。根据权利要求1、2、3所述的结构，簧片柔节A1和簧片柔节C3的内圈连接接口14通过内圈连接结构5与簧片柔节B2和簧片柔节D4的内圈连接接口14连接，形成上下交错连接。簧片柔节A1和簧片柔节C3的外圈连接接口15通过外圈连接结构6与簧片柔节B2和簧片柔节D4的外圈连接接口15连接，形成上下交错连接。两维转动柔性铰链具有行程限制功能，根据交叉簧片13的厚度、材料等参数可以确定其最大的行程，调节上下层之间的距离t，即可限制其最大行程，为交叉簧片13提供保护。转动轴A7和转动轴B8相互垂直并相交于一点，运动中保持不变。根据权利要求1、2所述的机构，安装接口16上加工螺纹，用于与外部零件连接。

本发明的两维转动柔性铰链的优点是：

1.一体化结构，结构紧凑，体积小，特别适用于对重量、体积有严格要求的场合。本发明充分考虑到3D打印的成型工艺，成型之后只需去掉少量辅助支撑并根据要求加工接口面即可，生产效率高；

2.在两维转动维度之外的四维刚度较高，用于反射镜支撑时可以提高反射镜的面形水平和系统基频；

3.相比传统摩擦球铰，本发明避免了界面的磨损，粘滞以及静态阻力等误差，在运动时无摩擦，无启动力矩，运动分辨率高，运动精度高；

4.通过合理选择簧片厚度、材料可以适用于不同的应用场合，并保证长寿命的使用；

5.在计算许用行程内，其转动维度的刚度波动较小，受力和变形之间的线性度较好，便于应用。

附图说明：

图1是一体化两维柔性铰链示意图：

1簧片柔节A 2簧片柔节B 3簧片柔节C

4簧片柔节D 5内圈连接结构6外圈连接结构