專利名稱：正切驅(qū)動式微秒級高精度角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密機(jī)械領(lǐng)域，具體涉及一種正切驅(qū)動式角度微調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
正切驅(qū)動的微秒級高精度角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的主要功能是對同步輻射雙晶單色器的雙平晶體進(jìn)行角度微調(diào)，保證第一晶體和第二晶體的平行度在使用所需的范圍之內(nèi)。同步福射雙晶單色器主要原理是利用Bragg衍射定理2dX sin Θ B = η λ，其中d為晶體的晶格常數(shù)，η為衍射級數(shù)，在同步輻射中η —般取1，通過改變Bragg角θ Β即可得到不同的波長λ，從而實(shí)現(xiàn)同步輻射白光的單色化。在單色器的實(shí)際使用過程中，第一晶體及第二晶體偏離理想位置，由此引起的雙晶不平行性導(dǎo)致Bragg角偏差Λ θ Β變大，最終導(dǎo)致晶體的衍射效率下降。因此需要設(shè)置微調(diào)機(jī)構(gòu)來調(diào)整晶體的位置，保證入射光束在雙晶上產(chǎn)生的Bragg角誤差足夠小，以獲得較高的衍射率，達(dá)到提高單色器性能的目的。晶體微調(diào)機(jī)構(gòu)主要對晶體的投角Λ ΘΡ、滾角Λ θ ^和擺角Λ 0y調(diào)節(jié)，其中投角Δ θ p是指晶體繞Bragg轉(zhuǎn)軸的小角度偏轉(zhuǎn)，主要起細(xì)分Bragg轉(zhuǎn)角提高能量分辨和抑制高次諧波的作用，因此對晶體設(shè)置投角方向的微調(diào)機(jī)構(gòu)，對有效提高單色器的單色化性能具有重要意義；滾角Λ Θ ^是指晶體繞光軸的小角度偏轉(zhuǎn)，通過滾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以保證雙晶體的平行和校正光束線下游光斑的位置，設(shè)置滾角微調(diào)機(jī)構(gòu)對提高光斑的穩(wěn)定性同樣具有重要意義；擺角Λ Θ丨是繞晶體面法線的偏轉(zhuǎn)，設(shè)置擺角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要是消除晶體的晶胞缺陷等。在已有的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中，往往是通過切槽晶體(在一塊晶體上切出一個(gè)平行槽)、使用精密軸系或者使用偏轉(zhuǎn)臺進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證兩晶體的理想平行位置。但切槽晶體是一種固定結(jié)構(gòu)，靠加工保證兩晶體平行度，在使用過程中不能動態(tài)調(diào)節(jié)；使用精密軸系或偏轉(zhuǎn)臺測量精度不高，驅(qū)動調(diào)節(jié)過程 具有回程間隙等缺點(diǎn)。為了能使單色器能提供高質(zhì)量的同步輻射光，必須尋求一種新型的高精度角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決背景技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種正切驅(qū)動式微秒級高精度角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以滿足對同步輻射雙晶單色器中兩晶體的投角、滾角和擺角的微秒級無間隙動態(tài)調(diào)節(jié)，從而提供實(shí)驗(yàn)所需的高質(zhì)量同步輻射光。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種正切驅(qū)動式微秒級高精度角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其特征在于:包括上板、下板、柔性鉸鏈、彈簧復(fù)位機(jī)構(gòu)、直線位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)、傳力頂桿和用以檢測直線微位移器當(dāng)前位移量的直線位移傳感系統(tǒng)；所述上板和下板均具有平板部和偏置于平板部側(cè)面的彎折部；上板的平板部與下板的平板部平行相對，所述柔性鉸鏈位于這兩個(gè)平板部之間，柔性鉸鏈兩端的連接板分別經(jīng)螺釘與這兩個(gè)平板部固定連接，上板的彎折部與下板的彎折部也平行相對，形成上板與下板的整體相合；
所述彈簧復(fù)位機(jī)構(gòu)和直線位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)均安裝于下板的彎折部；彈簧復(fù)位機(jī)構(gòu)的彈簧心軸穿過下板的彎折部與上板的彎折部固定連接，套接在彈簧心軸上的彈簧通過壓緊螺母壓接于下板的彎折部的外側(cè)；傳力頂桿安裝于上板的彎折部，并與直線位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)的輸出端頂緊，能夠使得直線位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)經(jīng)傳力頂桿輸出的微位移反作用于下板的彎折部，進(jìn)而使下板的平板部以柔性鉸鏈為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)產(chǎn)生正向偏轉(zhuǎn)，所述彈簧的壓力產(chǎn)生下板的平板部負(fù)向偏轉(zhuǎn)的勢能?；谏鲜龌炯夹g(shù)方案，本發(fā)明還作如下優(yōu)化限定和改進(jìn):上述柔性鉸鏈采用余弦柔性鉸鏈(即具有余弦形狀的切口，兩個(gè)余弦形狀切口形成柔性旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié))。上述直線位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)包括直線微位移器、球形螺帽和屏蔽外殼，其中直線微位移器集成有編碼器和齒輪減速器，采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動，直線微位移器通過球形螺帽與傳力頂桿頂緊，實(shí)現(xiàn)精密傳動；屏蔽外殼用于屏蔽同步輻射光對直線位移器的損傷。上述直線位移傳感系統(tǒng)包括相對設(shè)置的直線位移傳感器和傳感系統(tǒng)頂桿，分別安裝于上板的彎折部和下板的彎折部，傳感系統(tǒng)頂桿與直線位移傳感器的測量端相接觸以測量直線位移器的位移量。在直線位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)、傳力頂桿、彈簧復(fù)位機(jī)構(gòu)的彈簧芯棒、以及直線位移傳感系統(tǒng)頂桿的固定位置均設(shè)置有夾緊槽；上板和下板的平板部均設(shè)置有用以安裝柔性鉸鏈的卡槽。上述彈簧心軸穿過下板的彎折部上的通孔采用固定銷釘與上板的彎折部固定連接。上述柔性鉸鏈的其中一個(gè)連接板的內(nèi)側(cè)面兩翼設(shè)置有半圓突起(其作用為在不破壞柔性鉸鏈性能范圍內(nèi)限定柔性鉸鏈最大偏轉(zhuǎn)范圍)。在上板的平板部與下板的平板部之間還設(shè)置有用以限制偏轉(zhuǎn)范圍的限位系統(tǒng)。上述限位系統(tǒng)包括電限位開關(guān)和機(jī)械限位塊，均通過螺釘固定于下板的平板部。機(jī)械限位塊用來限制因突然事故沖破電限位而損壞余弦柔性鉸鏈，電限位用來限制工程設(shè)備所需調(diào)節(jié)范圍。本發(fā)明具有以下技術(shù)效果是:采用柔性鉸鏈連接上板與下板形成調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)的柔性關(guān)節(jié)。柔性鉸鏈體積小、無機(jī)械摩擦、無間隙、穩(wěn)定性好、靈敏度高等特點(diǎn)，提高了角度調(diào)節(jié)的靈敏度和精度。采用上板、柔性鉸鏈和下板把直線位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)的微小移動轉(zhuǎn)換為下板的角度微小偏轉(zhuǎn)，只需選用高精度的直線微位移器，就可實(shí)現(xiàn)足夠高的角度調(diào)節(jié)精度?；诒景l(fā)明的結(jié)構(gòu)，可以通過加長直線位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)的作用力臂(即直線位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)軸線與柔性旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)之間的垂直距離)來提高角度調(diào)節(jié)精度，調(diào)節(jié)精度可達(dá)微秒級甚至更高。采用彈簧復(fù)位機(jī)構(gòu)給調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)提供復(fù)位偏轉(zhuǎn)力，當(dāng)柔性鉸鏈沒有偏轉(zhuǎn)時(shí)，直線位移器提供的推力和彈簧壓力相平衡；當(dāng)直線位移器前進(jìn)一定距離時(shí)，直線微位移器提供的推力與彈簧壓力和使柔性鉸鏈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的力形成平衡力系，柔性鉸鏈帶動下板產(chǎn)生正向偏轉(zhuǎn)；當(dāng)直線微位移器后退時(shí)，彈簧的壓力與直線位移器提供的推力和使柔性鉸鏈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的力形成平衡力系，柔性鉸鏈帶動下板產(chǎn)生負(fù)向偏轉(zhuǎn)。
采用機(jī)械限位塊對調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的極限調(diào)節(jié)范圍進(jìn)行機(jī)械限定，電限位開關(guān)對使用中所需調(diào)節(jié)范圍進(jìn)行限定，當(dāng)突然事件使旋轉(zhuǎn)角度過大，突破限位開關(guān)限定范圍時(shí)，可由機(jī)械限位塊進(jìn)行機(jī)械限位，避免過大的旋轉(zhuǎn)范圍損壞余弦柔性鉸鏈、直線微位移器和直線位移傳感器。采用直線位移傳感器反饋當(dāng)前位移，可以更直觀的反映當(dāng)前位置和角度輸出，直線位移傳感器反饋絕對位置信息，不需要直線微位移器回零來尋找參考點(diǎn)，間隔一段時(shí)間回零可用于標(biāo)校直線位移傳感器的零點(diǎn)漂移。


圖1是本發(fā)明提供的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的示意圖。圖2是圖1另一個(gè)視角的示意圖。圖3是本發(fā)明采用的柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)號說明:1-上板；2_余弦柔性鉸鏈；3_直線位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)；4_彈簧復(fù)位機(jī)構(gòu)；5_下板；6-直線位移傳感器系統(tǒng)；7_傳力頂桿；8_限位系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式以余弦柔性鉸鏈為例，具體闡述本發(fā)明技術(shù)方案。首先，余弦柔性鉸鏈?zhǔn)蔷哂杏嘞液瘮?shù)形狀切口的柔性鉸鏈，能夠得到準(zhǔn)確的角偏移量和力與位移之間的關(guān)系，通過理論計(jì)算得到使用過程中的偏轉(zhuǎn)角度ΘΖ的準(zhǔn)確表達(dá)式為:,
權(quán)利要求
1.一種正切驅(qū)動式微秒級高精度角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其特征在于:包括上板(I)、下板(5)、柔性鉸鏈(2)、彈簧復(fù)位機(jī)構(gòu)(4)、直線位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)(3)、傳力頂桿(7)和用以檢測直線微位移器當(dāng)前位移量的直線位移傳感系統(tǒng)(6);所述上板(I)和下板(5)均具有平板部和偏置于平板部側(cè)面的彎折部；上板(I)的平板部與下板(5)的平板部平行相對，所述柔性鉸鏈位于這兩個(gè)平板部之間，柔性鉸鏈兩端的連接板分別經(jīng)螺釘與這兩個(gè)平板部固定連接，上板(O的彎折部與下板(5)的彎折部也平行相對，形成上板(I)與下板(5)的整體相合； 所述彈簧復(fù)位機(jī)構(gòu)(4)和直線位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)(3)均安裝于下板(5)的彎折部；彈簧復(fù)位機(jī)構(gòu)(4)的彈簧心軸穿過下板(5)的彎折部與上板(I)的彎折部固定連接，套接在彈簧心軸上的彈簧通過壓緊螺母壓接于下板(5)的彎折部的外側(cè)；傳力頂桿(7)安裝于上板(I)的彎折部，并與直線位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)(3)的輸出端頂緊，能夠使得直線位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)(3)經(jīng)傳力頂桿(7)輸出的微位移反作用于下板的彎折部，進(jìn)而使下板(5)的平板部以柔性鉸鏈(2)為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)產(chǎn)生正向偏轉(zhuǎn)，所述彈簧的壓力產(chǎn)生下板(5)的平板部負(fù)向偏轉(zhuǎn)的勢能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正切驅(qū)動式微秒級高精度角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述柔性鉸鏈(2)采用余弦柔性鉸鏈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的正切驅(qū)動式微秒級高精度角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述直線位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)(3)包括直線微位移器、球形螺帽和屏蔽外殼，其中直線微位移器集成有編碼器和齒輪減速器，采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動，直線微位移器通過球形螺帽與傳力頂桿頂緊，實(shí)現(xiàn)精密傳動；屏蔽外殼用于屏蔽同步輻射光對直線位移器的損傷。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的正切驅(qū)動式微秒級高精度角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述直線位移傳感系統(tǒng)(6)包括相對設(shè)置的直線位移傳感器和傳感系統(tǒng)頂桿，分別安裝于上板(I)的彎折部和下板(5)的彎折部，傳感系統(tǒng)頂桿與直線位移傳感器的測量端相接觸，以測量直線位移器的位移量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的正切驅(qū)動式微秒級高精度角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其特征在于:在直線位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)(3)、傳力頂桿、彈簧復(fù)位機(jī)構(gòu)的彈簧芯棒、以及直線位移傳感系統(tǒng)頂桿的固定位置均設(shè)置有夾緊槽；上板(I)和下板(5)的平板部均設(shè)置有用以安裝柔性鉸鏈的卡槽。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的正切驅(qū)動式微秒級高精度角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述彈簧心軸穿過下板(5)的彎折部上的通孔采用固定銷釘與上板(I)的彎折部固定連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的正切驅(qū)動式微秒級高精度角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其特征在于:柔性鉸鏈的其中一個(gè)連接板的內(nèi)側(cè)面兩翼設(shè)置有半圓突起。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的正切驅(qū)動式微秒級高精度角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其特征在于:在上板的平板部與下板的平板部之間還設(shè)置有用以限制偏轉(zhuǎn)范圍的限位系統(tǒng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的正切驅(qū)動式微秒級高精度角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述限位系統(tǒng)包括電限位開關(guān)和機(jī)械限位塊，均通過螺釘固定于下板的平板部。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種正切驅(qū)動式微秒級高精度角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以滿足對同步輻射雙晶單色器中兩晶體的投角、滾角和擺角的微秒級無間隙動態(tài)調(diào)節(jié)，從而提供實(shí)驗(yàn)所需的高質(zhì)量同步輻射光。本發(fā)明采用柔性鉸鏈連接上板與下板形成調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)的柔性關(guān)節(jié)；上板、柔性鉸鏈和下板把直線位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)的微小移動轉(zhuǎn)換為下板的角度微小偏轉(zhuǎn)；采用彈簧復(fù)位機(jī)構(gòu)給調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)提供復(fù)位偏轉(zhuǎn)力；當(dāng)直線位移器前進(jìn)一定距離時(shí)，直線微位移器提供的推力與彈簧壓力和使柔性鉸鏈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的力形成平衡力系，柔性鉸鏈帶動下板產(chǎn)生正向偏轉(zhuǎn)；當(dāng)直線微位移器后退時(shí)，彈簧的壓力與直線位移器提供的推力和使柔性鉸鏈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的力形成平衡力系，柔性鉸鏈帶動下板產(chǎn)生負(fù)向偏轉(zhuǎn)。
文檔編號G05D3/12GK103163905SQ201310049069
公開日2013年6月19日 申請日期2013年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月6日
發(fā)明者江波, 周泗忠, 韓俊鋒, 趙相國, 鄧小國 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所