專利名稱：巨磁致伸縮快速轉(zhuǎn)向反射鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于天文望遠(yuǎn)鏡、激光通訊、圖像穩(wěn)定、復(fù)合軸精密跟蹤、瞄準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)中的反射鏡，具體地說，是指一種基于巨磁致伸縮材料驅(qū)動器的快速轉(zhuǎn)向反射鏡。
背景技術(shù)：
轉(zhuǎn)向反射鏡主要性能指數(shù)包括跟蹤范圍、諧振頻率和有效鏡面尺寸。跟蹤范圍即反射鏡偏轉(zhuǎn)的最大范圍，確定了能補償校正的范圍；諧振頻率直接關(guān)系到控制系統(tǒng)帶寬和響應(yīng)速度的問題；有效鏡面尺寸是反射鏡的通光孔徑，其大小影響結(jié)構(gòu)諧振頻率的提高。各主要結(jié)構(gòu)特性參數(shù)是相互影響的，在確定各參數(shù)時需要根據(jù)系統(tǒng)要求權(quán)衡考慮。
轉(zhuǎn)向反射鏡主要包括有底座、拋光鍍膜反射鏡、驅(qū)動器、反射鏡支撐。底座應(yīng)考慮具有足夠的剛度，以使驅(qū)動器的反作用力不影響底座的振動模態(tài)。反射鏡除了面形精度要求外，應(yīng)盡量減小質(zhì)量，以提高結(jié)構(gòu)諧振頻率。驅(qū)動器性能影響跟蹤范圍，也影響結(jié)構(gòu)諧振頻率，故要求其負(fù)載能力強(qiáng)，伸縮行程大，剛度高等。反射鏡支撐需要保持反射鏡在控制軸方向運動，不因驅(qū)動力影響反射鏡面形，同時限制別的自由度，位置穩(wěn)定、可靠。
轉(zhuǎn)向反射鏡根據(jù)其系統(tǒng)驅(qū)動器可分為兩大類，即由壓電驅(qū)動器驅(qū)動的快反鏡以及由音圈電機(jī)驅(qū)動的快反鏡系統(tǒng)。其中，壓電快反鏡動態(tài)范圍小、驅(qū)動電壓高、頻率帶寬窄，而音圈電機(jī)快反鏡動態(tài)范圍大，但驅(qū)動力小且諧振頻率低。然而，航空航天領(lǐng)域中高功率、長距離的光學(xué)傳輸系統(tǒng)需要大口徑、大傾角和高共振頻率的快速轉(zhuǎn)向反射鏡。為了適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用，要求快反鏡既有更大的動態(tài)范圍，又有一定帶寬的校正能力。與壓電材料相比，新型智能材料—巨磁致伸縮材料的應(yīng)變比壓電材料大一個數(shù)量級，輸出力是壓電材料的5倍，而且響應(yīng)速度快，工作頻率寬；與音圈電機(jī)相比，巨磁致伸縮驅(qū)動器具有很強(qiáng)的大推力優(yōu)勢。因此，設(shè)計和研制適合上述要求的新型驅(qū)動系統(tǒng)，以提高反射鏡口徑、傾角和諧振頻率，是一項具有挑戰(zhàn)性的研究課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種巨磁致伸縮快速轉(zhuǎn)向反射鏡，該轉(zhuǎn)向反射鏡通過兩個磁致伸縮驅(qū)動器和一個位移放大的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，滿足了反射鏡的大口徑需求，有效地改善了反射鏡的傾角范圍和諧振頻率。
本發(fā)明的一種巨磁致伸縮快速轉(zhuǎn)向反射鏡，包括有上下殼體、拋光鍍膜反射鏡、支撐板、底座、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、磁致伸縮驅(qū)動器A和磁致伸縮驅(qū)動器B，所述上殼體套裝在拋光鍍膜反射鏡的鏡座和支撐板之間，下殼體套裝在支撐板和底座之間，下殼體上設(shè)有電源接頭；所述支撐板與底座之間安裝有磁致伸縮驅(qū)動器A和磁致伸縮驅(qū)動器B；所述拋光鍍膜反射鏡的鏡座與支撐板之間安裝有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)；所述磁致伸縮驅(qū)動器A與所述磁致伸縮驅(qū)動器B結(jié)構(gòu)相同；所述磁致伸縮驅(qū)動器A的上磁軛、永磁圓筒、下磁軛、下永磁塊、磁致伸縮棒和上永磁塊構(gòu)成一路封閉磁路；上磁軛、激勵線圈、下磁軛、下永磁塊、磁致伸縮棒和上永磁塊構(gòu)成另一路封閉磁路；上磁軛和下磁軛設(shè)在永磁圓筒和激勵線圈兩端；所述轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)接件A、轉(zhuǎn)接件B、支撐軸和球鉸連桿構(gòu)成；支撐軸的一端連接在鏡座的底部，另一端連接在支撐板上；轉(zhuǎn)接件A的上部設(shè)有上連接孔，轉(zhuǎn)接件A的下部設(shè)有下連接孔；球鉸連桿放置在轉(zhuǎn)接件A的上連接孔內(nèi)，球鉸連桿放置在轉(zhuǎn)接件B的上連接孔內(nèi)；所述的巨磁致伸縮快速轉(zhuǎn)向反射鏡，其磁致伸縮驅(qū)動器A的上端蓋和磁致伸縮驅(qū)動器B的上端蓋為半法蘭結(jié)構(gòu)。
所述的巨磁致伸縮快速轉(zhuǎn)向反射鏡，其磁致伸縮驅(qū)動器A和磁致伸縮驅(qū)動器B安裝位置在底座的互相垂直的兩條中軸線上。
所述的巨磁致伸縮快速轉(zhuǎn)向反射鏡，其鏡座與磁致伸縮驅(qū)動器A的輸出桿、磁致伸縮驅(qū)動器B的輸出桿和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)形成位移放大球鉸。
所述的巨磁致伸縮快速轉(zhuǎn)向反射鏡，其磁致伸縮驅(qū)動器A的輸出桿與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)接件A的下連接孔是柔性連接，磁致伸縮驅(qū)動器B的輸出桿與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)接件B的下連接孔是柔性連接。
所述的巨磁致伸縮快速轉(zhuǎn)向反射鏡，其磁致伸縮驅(qū)動器A和磁致伸縮驅(qū)動器B的輸出桿與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)共同作用使安裝在鏡座上的拋光鍍膜反射鏡作傾斜運動。
所述的巨磁致伸縮快速轉(zhuǎn)向反射鏡，其磁致伸縮驅(qū)動器A和磁致伸縮驅(qū)動器B的位移輸出是沿其軸向方向的。
本發(fā)明巨磁致伸縮快速轉(zhuǎn)向反射鏡的優(yōu)點在于(1)適用于大口徑反射鏡；(2)機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)兩維高靈敏度轉(zhuǎn)角運動，其轉(zhuǎn)角范圍大；(3)結(jié)構(gòu)剛度好，機(jī)械諧振頻率高；(4)首次采用新型巨磁致伸縮材料作為驅(qū)動器的驅(qū)動主元。


圖1是本發(fā)明轉(zhuǎn)向反射鏡的外部結(jié)構(gòu)圖。
圖2是無外罩的轉(zhuǎn)向反射鏡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
圖3A是磁致伸縮驅(qū)動器的剖視圖。
圖3B是圖3A的A向視圖。
圖4A是轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。
圖4B是轉(zhuǎn)接件的剖視圖。
圖4C是鏡座的結(jié)構(gòu)圖。
圖中 1.轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 101.鏡座102.轉(zhuǎn)接件A 103.轉(zhuǎn)接件B104.球鉸連桿105.球鉸連桿 106.支撐軸 111.球鉸孔 112.球鉸孔113.球鉸孔 121.上連接孔 122.下連接孔2.磁致伸縮驅(qū)動器B 201.上端蓋 202.輸出桿203.殼體204.下端蓋 205.永磁圓筒 206.磁致伸縮棒 207.下永磁塊 208.上永磁塊209.電源輸出孔 210.安裝孔 211.連接孔 212.安裝孔213.彈簧215.上磁軛 216.下磁軛 217.激勵線圈3.磁致伸縮驅(qū)動器A 301.上端蓋 4.反射鏡 401.鏡蓋5.支撐板6.底座 7.上外罩8.下外罩 9.電源接頭具體實施方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
本發(fā)明是一種巨磁致伸縮快速轉(zhuǎn)向反射鏡，包括有上下殼體、拋光鍍膜反射鏡4、支撐板5、底座6、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)1、磁致伸縮驅(qū)動器A2和磁致伸縮驅(qū)動器B3，所述上殼體7套裝在拋光鍍膜反射鏡4的鏡座101和支撐板5之間，下殼體8套裝在支撐板5和底座6之間，下殼體8上設(shè)有電源接頭9；所述支撐板5與底座6之間安裝有磁致伸縮驅(qū)動器A2和磁致伸縮驅(qū)動器B3；所述拋光鍍膜反射鏡4的鏡座101與支撐板5之間安裝有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)1；所述磁致伸縮驅(qū)動器A2與所述磁致伸縮驅(qū)動器B3結(jié)構(gòu)相同，參見圖1、2所示。
在本發(fā)明中，提供了一種基于巨磁致伸縮材料驅(qū)動器的快速轉(zhuǎn)向反射鏡，作為在目標(biāo)和接收器之間控制光束方向的反射鏡裝置，可應(yīng)用在天文望遠(yuǎn)鏡、激光通訊、圖像穩(wěn)定、復(fù)合軸精密跟蹤、瞄準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)中。兩維快速轉(zhuǎn)向反射鏡由兩個巨磁致伸縮驅(qū)動器作為系統(tǒng)驅(qū)動器，經(jīng)過位移放大及支撐機(jī)構(gòu)與鏡座鉸接構(gòu)成。巨磁致伸縮驅(qū)動器由定向凝固巨磁致伸縮材料棒作為驅(qū)動主元。該快速轉(zhuǎn)向反射鏡既有大的動態(tài)范圍，又有一定帶寬的校正能力，可實現(xiàn)大范圍的快速高精度跟蹤。
如圖3A、3B所示，磁致伸縮驅(qū)動器應(yīng)用了專利公開號03264617.8的超磁致伸縮材料減振作動器的結(jié)構(gòu)，并對該公開的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相對應(yīng)的改進(jìn)處理，使在本發(fā)明中使用的驅(qū)動器具有更高的磁致伸縮性能。在本發(fā)明中磁致伸縮驅(qū)動器A2由磁致伸縮棒206(TbDyFe棒)為核心驅(qū)動元件，其包括有上端蓋201、下端蓋204、不銹鋼外套筒203、永磁圓筒205、激勵線圈217、磁致伸縮棒206，磁致伸縮棒206的外部套有激勵線圈217，激勵線圈217的外部套有永磁圓筒205，在磁致伸縮棒206、激勵線圈217和永磁圓筒205的兩端設(shè)有上磁軛215和下磁軛216，上磁軛215和下磁軛216形成一個封閉磁路。不銹鋼外套筒203套在永磁圓筒205的外部，且兩端部設(shè)有上端蓋201和下端蓋204；在磁致伸縮棒206的兩端分別安裝有上永磁塊208、下永磁塊207；在上磁軛215和上端蓋201上設(shè)有供輸出桿202伸出的孔，輸出桿202與上端蓋201底面凹槽處安裝有碟簧213；激勵線圈217為磁致伸縮棒206提供激勵磁場，永磁圓筒205套在激勵線圈217的外面為驅(qū)動棒提供偏置磁場。永磁圓筒205、激勵線圈217和磁致伸縮棒206的上下兩端的磁軛(上磁軛215、下磁軛216)形成封閉磁路。上磁軛215切有凹槽，與輸出桿202的上端蓋201(半個法蘭盤結(jié)構(gòu))的凸緣配合，以限制驅(qū)動器輸出桿202沿周向轉(zhuǎn)動。上端蓋201通過碟簧213及輸出桿202給磁致伸縮棒206施加預(yù)壓力。半法蘭上端蓋201上有兩個安裝調(diào)試孔212，在半法蘭部分上均勻分布有三個通孔，與快速轉(zhuǎn)向反射鏡的上支撐板5一起對驅(qū)動器的上端部起支撐固定作用。下端蓋204的底部設(shè)有連接孔211和安裝孔210，連接孔211用于實現(xiàn)與底座6固定。所述磁致伸縮驅(qū)動器A2的上磁軛215、永磁圓筒205、下磁軛216、下永磁塊207、磁致伸縮棒206和上永磁塊208構(gòu)成一路封閉磁路；上磁軛215、激勵線圈217、下磁軛216、下永磁塊207、磁致伸縮棒206和上永磁塊208構(gòu)成另一路封閉磁路。
如圖2所示，磁致伸縮驅(qū)動器A2和磁致伸縮驅(qū)動器B3安裝在底座6互相垂直的兩條中軸線上。兩個巨磁致伸縮驅(qū)動器正交分布沿著x軸與y軸在反射鏡背面，反射鏡利用驅(qū)動器的伸縮及鉸的運動分別產(chǎn)生繞X-Y軸的兩維轉(zhuǎn)動。驅(qū)動器的底部固定在系統(tǒng)的基座上，驅(qū)動器的輸出端通過位移放大機(jī)構(gòu)以鉸接的形式與反射鏡的鏡座相連。驅(qū)動器接收來自伺服系統(tǒng)的驅(qū)動信號，產(chǎn)生線位移，以中心支撐軸為支點，從而完成鏡子的轉(zhuǎn)角運動。由于系統(tǒng)用兩個驅(qū)動器正交布置，兩轉(zhuǎn)軸x、y不會產(chǎn)生移動，更不會混合。巨磁致伸縮快速轉(zhuǎn)向反射鏡是一新系統(tǒng)，可實現(xiàn)在負(fù)載、空間不變條件下的大范圍驅(qū)動，減小控制系統(tǒng)的非線性。結(jié)構(gòu)相對簡單，體積較小，反射鏡質(zhì)量較輕。
如圖4A、圖4B所示，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)1由轉(zhuǎn)接件A102、轉(zhuǎn)接件B103、支撐軸106和球鉸連桿構(gòu)成；支撐軸106的一端連接在鏡座104的底部，另一端連接在支撐板5上；轉(zhuǎn)接件A102的上部設(shè)有上連接孔121，轉(zhuǎn)接件A102的下部設(shè)有下連接孔122；球鉸連桿104放置在轉(zhuǎn)接件A102的上連接孔121內(nèi)，球鉸連桿105放置在轉(zhuǎn)接件B103的上連接孔內(nèi)。
在本發(fā)明中，鍍膜反射鏡片4裝在鏡座101上，不使用時可用鏡蓋401將其進(jìn)行保護(hù)，鍍膜反射鏡片4由轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)1支撐，或者說，是由磁致伸縮驅(qū)動器A2的輸出桿202、磁致伸縮驅(qū)動器B3的輸出桿的支撐軸106支撐，并通過驅(qū)動器的磁致伸縮性能使鍍膜反射鏡片4上照射的激光光源，經(jīng)鍍膜反射鏡片4反射到目標(biāo)上的照射點保持在同一點位置上。故鏡座101與磁致伸縮驅(qū)動器A2的輸出桿202、磁致伸縮驅(qū)動器B3的輸出桿和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)1形成位移放大球鉸。
在本發(fā)明中，反射鏡上的控制端接頭9用于與反射鏡控制系統(tǒng)的輸出信號端連接(圖1所示)。
對本發(fā)明中使用的巨磁致伸縮材料驅(qū)動器進(jìn)行輸出位移測試，其測試結(jié)果表明驅(qū)動器在水平放置，輸出端負(fù)載1Kg質(zhì)量塊，在±2A的輸入電流下，驅(qū)動器線性段位移輸出超過±40μm，經(jīng)過位移放大之后，在Φ110mm口徑的鏡面條件下，該快速轉(zhuǎn)向反射鏡的轉(zhuǎn)角范圍超過±10分，機(jī)械諧振頻率超過230Hz，閉環(huán)帶寬超過60Hz。
權(quán)利要求
1.一種巨磁致伸縮快速轉(zhuǎn)向反射鏡，包括有上下殼體、拋光鍍膜反射鏡(4)、支撐板(5)、底座(6)，其特征在于還包括有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)(1)、磁致伸縮驅(qū)動器A(2)和磁致伸縮驅(qū)動器B(3)，所述上殼體(7)套裝在拋光鍍膜反射鏡(4)的鏡座(101)和支撐板(5)之間，下殼體(8)套裝在支撐板(5)和底座(6)之間，下殼體(8)上設(shè)有電源接頭(9)；所述支撐板(5)與底座(6)之間安裝有磁致伸縮驅(qū)動器A(2)和磁致伸縮驅(qū)動器B(3)；所述拋光鍍膜反射鏡(4)的鏡座(101)與支撐板(5)之間安裝有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)(1)；所述磁致伸縮驅(qū)動器A(2)與所述磁致伸縮驅(qū)動器B(3)結(jié)構(gòu)相同；所述磁致伸縮驅(qū)動器A(2)的上磁軛(215)、永磁圓筒(205)、下磁軛(216)、下永磁塊(207)、磁致伸縮棒(206)和上永磁塊(208)構(gòu)成一路封閉磁路；上磁軛(215)、激勵線圈(217)、下磁軛(216)、下永磁塊(207)、磁致伸縮棒(206)和上永磁塊(208)構(gòu)成另一路封閉磁路；上磁軛(215)和下磁軛(216)設(shè)在永磁圓筒(205)和激勵線圈(217)兩端；所述轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)(1)由轉(zhuǎn)接件A(102)、轉(zhuǎn)接件B(103)、支撐軸(106)和球鉸連桿構(gòu)成；支撐軸(106)的一端連接在鏡座(104)的底部，另一端連接在支撐板(5)上；轉(zhuǎn)接件A(102)的上部設(shè)有上連接孔(121)，轉(zhuǎn)接件A(102)的下部設(shè)有下連接孔(122)；球鉸連桿(104)放置在轉(zhuǎn)接件A(102)的上連接孔(121)內(nèi)，球鉸連桿(105)放置在轉(zhuǎn)接件B(103)的上連接孔內(nèi)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巨磁致伸縮快速轉(zhuǎn)向反射鏡，其特征在于磁致伸縮驅(qū)動器A(2)的上端蓋(201)和磁致伸縮驅(qū)動器B(3)的上端蓋(301)為半法蘭結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巨磁致伸縮快速轉(zhuǎn)向反射鏡，其特征在于磁致伸縮驅(qū)動器A(2)和磁致伸縮驅(qū)動器B(3)安裝位置在底座(6)的互相垂直的兩條中軸線上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巨磁致伸縮快速轉(zhuǎn)向反射鏡，其特征在于鏡座(101)與磁致伸縮驅(qū)動器A(2)的輸出桿(202)、磁致伸縮驅(qū)動器B(3)的輸出桿和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)(1)形成位移放大球鉸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巨磁致伸縮快速轉(zhuǎn)向反射鏡，其特征在于磁致伸縮驅(qū)動器A(2)的輸出桿(202)與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)(1)的轉(zhuǎn)接件A(102)的下連接孔(122)是柔性連接，磁致伸縮驅(qū)動器B(3)的輸出桿與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)(1)的轉(zhuǎn)接件B(103)的下連接孔是柔性連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巨磁致伸縮快速轉(zhuǎn)向反射鏡，其特征在于磁致伸縮驅(qū)動器A(2)和磁致伸縮驅(qū)動器B(3)的輸出桿與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)(1)共同作用使安裝在鏡座(101)上的拋光鍍膜反射鏡(4)作傾斜運動。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巨磁致伸縮快速轉(zhuǎn)向反射鏡，其特征在于磁致伸縮驅(qū)動器A(2)和磁致伸縮驅(qū)動器B(3)的位移輸出是沿其軸向方向的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巨磁致伸縮快速轉(zhuǎn)向反射鏡，其特征在于轉(zhuǎn)向反射鏡的一維或二維運動采用一個、兩個或者四個巨磁致伸縮驅(qū)動器驅(qū)動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種巨磁致伸縮快速轉(zhuǎn)向反射鏡，包括有上下殼體、拋光鍍膜反射鏡、支撐板、底座、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、磁致伸縮驅(qū)動器A和磁致伸縮驅(qū)動器B，所述上殼體套裝在拋光鍍膜反射鏡的鏡座和支撐板之間，下殼體套裝在支撐板和底座之間，下殼體上設(shè)有電源接頭；所述支撐板與底座之間安裝有磁致伸縮驅(qū)動器A和磁致伸縮驅(qū)動器B；所述拋光鍍膜反射鏡的鏡座與支撐板之間安裝有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)；所述磁致伸縮驅(qū)動器A與所述磁致伸縮驅(qū)動器B結(jié)構(gòu)相同。本發(fā)明反射鏡作為在目標(biāo)和接收器之間控制光束方向的反射鏡裝置，可應(yīng)用在天文望遠(yuǎn)鏡、激光通訊、圖像穩(wěn)定、復(fù)合軸精密跟蹤、瞄準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)中。兩維快速轉(zhuǎn)向反射鏡由兩個巨磁致伸縮驅(qū)動器作為系統(tǒng)驅(qū)動器，經(jīng)過位移放大及支撐機(jī)構(gòu)與鏡座鉸接構(gòu)成。巨磁致伸縮驅(qū)動器由定向凝固巨磁致伸縮材料棒作為驅(qū)動主元。該快速轉(zhuǎn)向反射鏡既有大的動態(tài)范圍，又有一定帶寬的校正能力，可實現(xiàn)大范圍的快速高精度跟蹤。
文檔編號F16F15/03GK1808186SQ200610002870
公開日2006年7月26日 申請日期2006年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月9日
發(fā)明者蔣成保, 毛劍琴, 李琳, 徐惠彬, 張?zhí)禧? 楊勇, 彭劍, 李超, 張臻, 郭雪蓮, 馬艷華 申請人:北京航空航天大學(xué)