一种高精度稳瞄系统中万向柔性铰链连接的快速反射镜系统

摘要

本发明提出一种高精度稳瞄系统中万向柔性铰链连接的快速反射镜系统，采用一组音圈电机作为驱动器，驱动反射镜高频运动；一组光栅测微仪作为角位置传感器，实时反馈角位置信号；万向柔性铰链支承反射镜两自由度运动的方案。并根据反射镜运动特性设计音圈电机及万向柔性铰链的材料组成及结构形式，在使用最少驱动器以及最简易支撑机构的前提下，解决光学系统二级稳定回路残余误差的补偿问题。

说明书

技术领域

本发明涉及光学控制技术领域，具体为一种高精度稳瞄系统中万向柔性铰链连接的快速反射镜系统。

背景技术

在高精度稳瞄系统中，快速反射镜(Fast Steering Mirror，FSM)已成为不可缺少的装置之一，它作为光学系统中稳定光束和校正光束传播方向的关键性器件，已广泛应用于自适应光学、精密跟踪、光束控制及光通信等领域。

现有的快速反射镜多使用2组对称分布的音圈电机(快速反射镜初始安装位置平面内X、Y轴分别设置2个音圈电机)作为驱动器，这样的做法能够使反射镜获得均匀分布的驱动力，但相应的结构形式更为复杂，负载输出功耗也大幅增加。

中科院长春光学精密机械与物理研究所周子云等人设计的FSM系统(周子云，高云国，邵帅，薛向尧.采用柔性铰链的快速反射镜设计[J].光学精密工程，2014，22(6)： 1548-1554.)，外框架轴系的轴承座固定在基座上，镶嵌着反射镜的内框架轴系安装在外框架上。其优点在于反射境内外框架基本无耦合，因此可以分别对其进行控制。不足之处在于机构传动比较复杂，转动惯量大。

华中科技大学吴鑫设计的FSM系统(吴鑫.高性能快速控制反射镜研究[D].武汉：华中科技大学，2012)，主要有主反射镜系统、直线音圈电机、主壳、反射角探测系统、底壳组成。本方案的优点在于4个音圈电机对称分布，驱动结构均匀稳定，同时反射镜无框架，减少了结构的体积与重量；不足之处在于音圈电机数量过多，增加了系统的输出功率及生产成本。

国防科技大学鲁亚飞设计的两轴FSM系统(鲁亚飞.快速反射镜机械结构特性设计问题研究[D].长沙：国防科技大学，2009.)，该系统充分考虑的结构的几何对称性和质量对称性，采用无框架反射镜结构设计。系统的优点在于音圈电机直接驱动反射镜运动，提高了驱动效能，同时使用柔性支承作为反射镜与基座的连接部件，解决的反射镜偏转带来的弯曲形变问题。不足之处在于四个音圈电机占据了轴向边沿位置，传感器安装于轴向内侧靠近中心位置，因此测量精度受到一定的限制。

发明内容

本发明的目的是设计一种高精度稳瞄系统中万向柔性铰链连接的两自由度FSM系统，通过分析一组驱动器(X、Y轴分别设置1个音圈电机)是否能够满足反射镜转动需求，同时验证万向铰链能否支承反射镜在两自由度的偏转，最终使得FSM系统能够达到补偿二级稳定回路残余误差，提高光电系统稳瞄、跟踪精度的目的。

本发明的技术方案为：

所述一种高精度稳瞄系统中万向柔性铰链连接的快速反射镜系统，其特征在于：包括基座、反射镜、音圈电机、光栅测微仪、支承盖板、柔性支承；基座起固定快速反射镜系统作用，支承盖板连接基座与反射镜，一个万向柔性铰链、两个音圈电机和两个光栅测微仪固定在支承盖板上，其中万向柔性铰链位于支承盖板中心位置，两个音圈电机和两个光栅测微仪位于万向柔性铰链四周，并呈十字分布，且两个音圈电机相邻分布，两个光栅测微仪相邻分布；反射镜中心与万向柔性铰链连接，音圈电机以及光栅测微仪通过弧形柔性铰链连接反射镜；音圈电机接收外部控制系统提供的驱动信号，驱动反射镜补偿光学系统扰动误差，光栅测微仪测量反射镜位移。

进一步的优选方案，所述一种高精度稳瞄系统中万向柔性铰链连接的快速反射镜系统，其特征在于：支承盖板起固定音圈电机、光栅测微仪，同时连接反射镜系统与基座的作用；基座对整个快速反射镜系统起支承作用，并能够与外界系统安装接触面紧固连接。

进一步的优选方案，所述一种高精度稳瞄系统中万向柔性铰链连接的快速反射镜系统，其特征在于：反射镜用于不同波段光束的光路控制，反射镜具有结构的几何对称性和质量对称性，且几何中心与质心重合。

有益效果

本发明与现有相关的FSM系统相比，在保证反射镜偏转角度不变的前提下，将驱动器的数量减少为原先的一半。不但可以减少系统的转动惯量以及功耗，而且可以降低成本，能够满足发明的工程化需求。

本发明解决的一个关键问题在于万向铰链的抗弯曲能力。万向柔性铰链应该既能承受反射镜偏转时的弯曲形变，不发生断裂现象；又能够在反射镜回到零位置时，恢复原有形状。因此，对反射镜及万向柔性铰链进行有限元分析，一方面仿真计算万向柔性铰链最易弯曲断裂处的受力情况，另一方面求得反射镜在偏转±2°情况下万向柔性铰链的弯曲形变情况。

对仿真结果进行分析，万向柔性铰链中心部位受力最大，N＝1.89×103MPa，中心部位最大位移为d＝0.017mm，因此，参照设计参数进行比对，证明该设计能够达到预期的发明效果。

附图说明

图1：FSM系统外形图；

图2：关键组件结构位置关系图；

图3：万向柔性铰链结构示意图；

图4：万向柔性铰链外形尺寸示意图(单位mm)；

图5：FSM系统组成框图。

其中：1、弧形柔性铰链；2、万向柔性铰链；3、光栅测微仪；4、音圈电机；5、基座；6、支承盖板。

具体实施方式

本发明提出的两自由度FSM系统既要保证一定的驱动能力，使反射镜实现一定角度的偏转量，同时需要控制系统的重量，减少转动惯量，并且从经济角度降低成本。本方案采用光学口径为Φ100mm的大口径反射镜；以直线型音圈电机作为电机，驱动反射镜在两自由度高频偏转；光栅测微仪作为角位置传感器，能够实时读取反射镜角位置量，并且反馈给FSM系统，实现位置环闭环控制；中心位置的万向柔性铰链能够支持反射镜在任意角度的偏转，四周分布的弧形柔性铰链能够支持音圈电机及光栅测微仪的直线运动。FSM系统结构图如附图1所示；将反射镜隐藏，并切剖万向柔性铰链一侧安装端面，关键组件结构位置关系图如附图2所示。万向柔性铰链选取钛合金作为制作材料，其重量≤50g，中心部分最大位移≥0.025mm，中心抗压力≥2.3×10³MPa，上下端面最大位移≥0.56mm。万向柔性铰链结构图如附图3所示，外形尺寸示意图如图4所示。

FSM系统结构主要包括基座、反射镜、音圈电机、光栅测微仪、支承盖板、柔性支承，系统组成框图如附图5所示。其中，基座起到固定FSM系统的作用，支承盖板连接基座与反射镜，音圈电机作为驱动器，接收外部控制系统根据外界扰动信号及光栅测微仪实时提供的角位置信号得到的驱动信号，驱动反射镜补偿光学系统扰动误差。音圈电机与光栅测微仪固定在支承盖板上，反射镜与支承盖板通过万向柔性铰链连接，音圈电机与光栅测微仪通过弧形柔性铰链连接，支承盖板固定在基座上。

下面具体说明本实施例中的各个组件：

支承盖板及基座

支承盖板在系统中起到了固定音圈电机、光栅测微仪等工作器件，同时连接反射镜系统及基座的作用。基座一方面能够对整个FSM运动单元起到支承作用，另一方面还需与相应接触面进行紧固。

反射镜

反射镜作为FSM系统主要负载与工作部件，用于不同波段光束的光路控制。从结构上分析，反射镜的设计应该考虑结构的几何对称性和质量对称性，使几何转动中心与质心重合，这样的目的是将两个期望转动自由度之间尽量的解耦。

音圈电机

本发明中选用质量-阻尼型内磁式、短音圈、动线圈音圈电机，作为唯一的驱动电机，在X方向和Z方向上各放置一个。其中，定子由磁轭、永磁体构成；动线圈采用无骨结构设计，由铜线缠绕在模具制成，可以减少线圈的厚度及重量。

光栅测微仪

本发明使用的光栅测微仪采用自制的小型精密滑轨、增量式光栅、单准直光源、贴片式光电三极管阵列接收器实现微位移的精确快速测量，精度高、可靠性强、抗冲击性能优异，并能提供高分辨力的数字量位移信息输出和绝对零点位置。

柔性支承

本发明使用两种柔性支承结构，一种为万向柔性铰链，用于连接反射镜与支承盖板。因为反射镜需要在两个自由度上往复运动，因此需要此柔性铰链具有多个自由度的弯曲形变；另一种为弧形柔性铰链，用于连接音圈电机和反射镜、以及光栅测微仪与反射镜。