一种分布柔度柔性铰链及其双轴快速反射镜装置 |
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| 申请号 | CN202311594810.X | 申请日 | 2023-11-27 | 公开(公告)号 | CN117868622A | 公开(公告)日 | 2024-04-12 |
| 申请人 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所; | 发明人 | 孙建军; 丁亚林; 张洪文; 远国勤; 杨永明; 黄浦; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提出一种分布柔度柔性 铰链 ，具体涉及于精密机械技术领域,所述分布柔度柔性铰链包括上部悬框、悬架和下部悬框，其中：所述上部悬框位于所述悬架顶部，所述下部悬框位于所述悬架底部，所述上部悬框位于所述悬架的底部，所述悬架的顶部和底部设有多个弹性体，所述弹性体将所述上部悬框和所述下部悬框进行连接至所述悬架上，所述上部悬框、悬架和下部悬框采用一体化加工而成，本发明通过一体化加工可以解决小尺寸分布柔度柔性铰链制作难度较高的问题，相对于传统的柔度柔性铰链，也不需要进行精密 焊接 连接弹性体。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种分布柔度柔性铰链，其特征在于，包括上部悬框、悬架和下部悬框，其中： |
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| 说明书全文 | 一种分布柔度柔性铰链及其双轴快速反射镜装置技术领域[0001] 本发明涉及精密机械技术领域，尤其涉及一种分布柔度柔性铰链及其双轴快速反射镜装置。 背景技术[0002] 柔性铰链是一种具有弯曲和扭转自由度的连接机构，由一系列的刚性和弹性体组成，在一定范围内依靠弹性形变实现弯曲和扭转运动，相比于滚动轴承或滑动轴承，柔性铰链具有无摩擦、无间隙、无需润滑和无限寿命的优势，具有灵活性和可调性强的特点，在光学装置、机器人、医疗器械和其他精密机械设备中广泛应用。 [0003] 从柔度分布上进行分类，柔性铰链可分为分布柔度柔性铰链和集中柔度柔性铰链，集中柔度柔性铰链一般转动范围较小，最大的集中柔度柔性铰链的转动角度范围大约在±0.5°，而分布柔度铰链转角范围则大很多，转动角度范围可以超过±30°，因此分布柔性铰链应用更加广泛，对于尺寸较大的分布柔度铰链，通常是分别制作刚体和弹性体，再采用常规的螺纹连接、焊接以及3D打印等方法实现刚体和弹性体的装配；而尺寸较小的柔性铰链，例如快速反射镜转轴，一般弹性体的较小，厚度不会大于0.15mm，长度不会大于10mm，几乎没有机械连接的空间，3D打印也无法制作，因此，在制作时一般会选择精密焊接或一体化加工，双轴快速反射镜装置为保证转动精度需要克服柔性铰链弯曲过程中产生的非转轴方向扭转，因此，一般会采用完全对称的多弹性体布置方式，最后导致难以一体化加工完整的双轴快速反射镜装置柔性铰链，而精密焊接的方式又对工艺和技术要求非常高。 发明内容[0004] 为了解决小尺寸分布柔度柔性铰链制作难度较高的问题，本发明提出一种分布柔度柔性铰链及其双轴快速反射镜装置。 [0005] 本发明通过以下技术方案实现的： [0006] 本发明提出分布柔度柔性铰链包括上部悬框、悬架和下部悬框，其中： [0007] 所述上部悬框位于所述悬架顶部，所述下部悬框位于所述悬架底部，所述悬架的顶部和底部设有多个弹性体，所述弹性体将所述上部悬框和所述下部悬框进行连接至所述悬架上，所述上部悬框、悬架和下部悬框采用一体化加工而成。 [0008] 进一步的，所述弹性体设于所述悬框的四个边缘，所述弹性体呈倾斜设置。 [0009] 进一步的，所述弹性体分别位于所述悬架边缘的内外侧，所述内侧的弹性体和所述外侧的弹性体倾斜方向相反。 [0010] 进一步的，所述上部悬框和所述下部悬框设有多个连接孔，所述连接孔位于所述上部悬框、所述下部悬框的四个角。 [0012] 所述背板一侧与所述反射镜固定连接，另一侧与所述分布柔度柔性铰链固定连接，所述分布柔度柔性铰链远离所述反射镜一侧设有支座，所述支座与所述分布柔度柔性铰链固定连接。 [0013] 进一步的，还包括多个音圈电机，所述音圈电机包括线圈和磁钢，所述线圈固定于所述支座靠近所述分布柔度柔性铰链一侧，所述磁钢固定于所述背板靠近所述分布柔度柔性铰链一侧，所述线圈与所述磁钢活动连接。 [0015] 进一步的，还包括限位块，所述限位块固定于所述支座上，所述限位块用于保护所述电涡流传感器。 [0016] 进一步的，还包括第一固定件，所述背板通过所述第一固定件与所述分布柔度柔性铰链、所述反射镜固定连接，所述支座通过所述第一固定件与所述分布柔度柔性铰链固定连接。 [0017] 进一步的，还包括第二固定件，所述限位块、所述线圈、所述电涡流传感器均通过所述第二固定件与所述支座固定连接。 [0018] 本发明的有益效果： [0019] (1)本发明提出的分布柔度柔性铰链通过一体化加工进行制作出分布柔度柔性铰链，分布柔度柔性铰链包括上部悬框、悬架和下部悬框，悬架通过弹性体进行分别连接上部悬框、下部悬框，相对于传统的柔度柔性铰链，在进行小尺寸柔度柔性铰链制作时，制作更加简单，不需要外部焊接。 [0020] (2)本发明提出的分布柔度柔性铰链内侧和外侧的弹性体形成对称布置，从而消除非转轴方向的扭转，保证转动精度的同时，在转动范围不大于±1.5°时，具有无线使用寿命。 [0022] 图1为本发明的分布柔度柔性铰链的结构图； [0023] 图2为本发明的双轴快速反射装置的结构图； [0024] 图3为本发明的双轴快速反射装置的分解图； [0025] 图4为本发明的分布柔度柔性铰链的第一个加工示意图； [0026] 图5为本发明的分布柔度柔性铰链的第二个加工示意图； [0027] 图6为本发明的分布柔度柔性铰链的第三个加工示意图； [0028] 附图标记如下：分布柔度柔性铰链1，上部悬框11，悬架12，弹性体13，下部悬框14，连接孔15，背板2，反射镜3，支座4，音圈电机5，线圈51，磁钢52，电涡流传感器6，限位块7，第一固定件8，第二固定件9； [0029] 本发明为目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。 具体实施方式[0030] 为了更加清楚完整的说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步说明。 [0031] 请参考图1‑图6，本发明提出一种分布柔度柔性铰链1包括上部悬框11、悬架12和下部悬框14，其中： [0032] 上部悬框11位于悬架12顶部，下部悬框14位于悬架12底部，悬架12的顶部和底部设有多个弹性体13，弹性体13将上部悬框11和下部悬框14进行连接至悬架12上，上部悬框11、悬架12和下部悬框14采用一体化加工而成。 [0033] 在本实施方式中： [0035] 悬架12和弹性体13用于提供柔性结构并连接上部悬框11、下部悬框14； [0036] 具体的，分布柔度柔性铰链1采用一体成型制作而成，包括以下步骤： [0038] S2.根据所需快速反射镜3的尺寸、重量、转角范围等要求，确定柔性铰链的材料和尺寸，其中尺寸包括弹性体13的厚度T、宽度W、长度L及夹角α(参考图6)； [0039] S3.采用机械铣方法，将原材料进行加工，铣出大致轮廓的结构，随后采用慢走丝加工，对原料的顶部开出四个矩形槽，得到半成品(得到图4的状态)； [0040] S4.采用慢走丝的对半成品的侧面进行加工，直至显示出上部悬框11、下部框架和悬架12，去除半成品的多余物以将上部悬框11、下部框架和悬架12进行切割分离，并切割出弹性体13主体(得到图5的状态，此时上部悬框11、下部框架和悬架12的轮廓是进行固定的，有一个X型部分的刚性体进行支撑连接)； [0041] S5.采用电火花加工方法去除零件弹性体13的多余物，并再次通过机械铣加工去除上部悬框11、下部框架和悬架12上的多余物(得到图6的状态)，最后完成上部悬框11、下部框架连接孔15的加工得到分布柔度柔性铰链1成品； [0043] 其中S3步骤中开出的四个矩形槽用于将外部弹性体13和内部弹性体13在转轴位置连接切断，同时避免转动过程中内外弹性体13干涉； [0044] 其中S4步骤中在将上部悬框11、下部悬框14和悬架12进行切割分离时，由于内侧弹性体13和外侧弹性体13的相互遮挡，因此会有多部分多余物； [0045] 上部悬框11在相对下部悬框14在外力的作用下进行旋转时，悬框会进行挤压一侧的弹性体13并拉伸另一侧的弹性体13，弹性体13发生柔性形变，在外力消失时，弹性体13会进行复原，通过该分布柔度柔性铰链1可以在转动范围不大于±1.5°时，具有无限使用寿命，本发明提出的分布柔度柔性铰链1采用机械精密加工、慢走丝及电火花加工方法一体化加工完成，无需进行装配，制作更简单。 [0046] 在一个实施例中，反射镜3、背板2均使用铍铝合金进行制作而成，可以便于加工背部结构和螺纹孔，具体也可以根据实际情况选择铝合金、铍铝合金、铍等金属材料作为反射镜3、背板2的制作材料；分布柔度柔性铰链1在选用弹簧钢作为制作材料，同理，具体也可以根据双轴快速反射镜3装置的实际情况进行选择。 [0047] 进一步的，弹性体13设于悬框的四个边缘，弹性体13呈倾斜设置，弹性体13分别位于悬架12边缘的内外侧，内侧的弹性体13和外侧的弹性体13倾斜方向相反。 [0048] 在本实施方式中： [0049] 弹性体13用于提供柔度和回弹力； [0050] 具体的，上部悬框11和下部悬框14均为正方形，下部悬框14的边缘连接两个弹性体13，上部悬框11两侧边缘分别连接四个弹性体13，弹性体13进行提供柔度和回弹力，上部悬框11同一侧内部的弹性体13和外部的弹性体13呈倾斜设置，两个弹性体13形成对称布置，倾斜角度相同，互不接触，形成一个X结构，通过两侧共4个弹性体13的对称布置可以消除非转轴方向的扭转，从而保证转动精度。 [0051] 在一个实施例中，下部悬框14和上部悬框11的两侧边缘均可以各设置两个弹性体13，同侧边缘的两个弹性体13呈X形，即整个结构中共有四个向垂直线左侧倾斜的弹性体13和四个向垂直线右侧倾斜的弹性体13，具体可以更具实际情况来进行加工选择。 [0052] 进一步的，上部悬框11和下部悬框14设有多个连接孔15，连接孔15位于上部悬框11、下部悬框14的四个角。 [0053] 连接孔15用于连接和固定； [0054] 具体的，分布柔度柔性铰链1通过连接孔15进行固定和连接，使得双轴快速反射镜3装置能够进行转动。 [0055] 进一步的，一种双轴快速反射装置，包括分布柔度柔性铰链1、反射镜3和背板2，其中： [0056] 背板2一侧与反射镜3固定连接，另一侧与分布柔度柔性铰链1固定连接，分布柔度柔性铰链1远离反射镜3一侧设有支座4，支座4与分布柔度柔性铰链1固定连接。 [0057] 在本实施方式中： [0058] 背板2用于为反射镜3提供一个固定结构； [0059] 反射镜3用于反射光线； [0060] 支座4用于将整个装置进行固定在使用设备上； [0061] 具体的，背板2上进行固定反射镜3，反射镜3和支座4之间通过分布柔度柔性铰链1固定连接，在外部力带动反射镜3转动时，分布柔度柔性铰链1的弹性体13发生形变，在外部力消失时，反射镜3通过弹性体13的回弹进行复原。 [0062] 进一步的，还包括多个音圈电机5，音圈电机5包括线圈51和磁钢52，线圈51固定于支座4靠近分布柔度柔性铰链1一侧，磁钢52固定于背板2靠近分布柔度柔性铰链1一侧，线圈51与磁钢52活动连接。 [0063] 在本实施方式中： [0064] 音圈电机5用于改变反射镜3的角度； [0065] 具体的，支座4上有四个安装槽，四个安装槽进行设置在支座4的前后左右侧，四个线圈51分别进行安装在每个安装槽上，背板2的四个角有是个延伸部分，分别与，采用音圈电机5的磁钢52作为运动部分，随后对线圈51进行通电，使磁钢52进行运动，四个磁钢52进行横向运动，使得反射镜3可以进行每个方向的转动，为了保证无限使用寿命，柔性铰链转动范围不能大于±1.5°，而采用音圈电机5的磁钢52部分作为运动部分，可以消除线圈51线缆造成的运动干扰。 [0066] 在一个实施例中，音圈电机5的数量可以根据实际情况进行选择，可以是八个也可以是六个，通过改变音圈电机5的数量可以更好的控制转动的精度，音圈电机5的参数也可以根据运动性能进行选择。 [0067] 进一步的，还包括多个电涡流传感器6，电涡流传感器6固定于支座4靠近背板2一侧。 [0068] 在本实施方式中： [0069] 电涡流传感器6用于测量反射镜3的运动距离； [0070] 具体的，支座4上安装音圈电机5的安装槽旁边有多个较小的安装槽，旁边的安装槽进行安装电涡流传感器6，，电涡流传感器6进行测量反射镜3的运动距离进而可以进一步的计算出反射镜3运动的角度。 [0071] 在一个实施例中，可以根据测量精度要求，也可以选择合适的反射镜3位移测量传感器进行代替电涡流传感器6。 [0072] 进一步的，还包括限位块7，限位块7固定于支座4上，限位块7用于保护电涡流传感器6。 [0073] 在本实施方式中： [0074] 限位块7用于为电涡流传感器6提供一个保护结构； [0075] 具体的，限位块7用于保护电涡流传感器6在快速反射镜3装置自由状态及失控状态下的碰撞，限位块7安装在支座4上较小的安装槽内，限位块7套在电涡流传感器6上，进行限制电涡流传感器6防止出现倾斜碰撞的情况。 [0076] 进一步的，还包括第一固定件8，背板2通过第一固定件8与分布柔度柔性铰链1、反射镜3固定连接，支座4通过第一固定件8与分布柔度柔性铰链1固定连接。 [0077] 在本实施方式中： [0078] 第一固定件8用于为分布柔度柔性铰链1提供固定结构； [0079] 具体的，多个第一固定件8进行贯穿上部悬框11和下部悬框14上的连接孔15，并与支座4、背板2进行固定连接，支座4和背板2进行固定在分布柔度柔性铰链1的两侧，背板2相对支座4进行运动时，分布柔度柔性铰链1进行提供回弹性力。 [0080] 进一步的，还包括第二固定件9，限位块7、线圈51、电涡流传感器6均通过第二固定件9与支座4固定连接。 [0081] 在本实施方式中： [0082] 第二固定件9用于为限位块7、线圈51和电涡流传感器6提供固定结构； [0083] 具体的，限位块7包括筒形部分和延伸端，延伸端上有两个固定孔，第二固定件9贯穿固定孔并将限位块7固定在支座4上，限位块7固定在支座4的左侧，电涡流传感器6从支座4内侧进行固定，延伸至支座4的左侧的外部，而限位块7刚好将延伸至外部的部分进行限制，从而起到保护和限位的作用，支座4侧面的第二固定件9进行穿过支座4，将电涡流传感器6压紧，从而固定电涡流传感器6，线圈51上也有多个定位孔，第二固定件9进行贯穿支座 4，并固定在定位孔上，从而完成支座4和线圈51的连接。 [0084] 当然，本发明还可有其它多种实施方式，基于本实施方式，本领域的普通技术人员在没有做出任何创造性劳动的前提下所获得其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。 |
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