[发明专利]基于弹性元件的三自由度精密运动支撑机构

说明书

技术领域

本发明提出一种具有三个运动自由度的精密支撑装置，尤其适用于光学镜面、精密跟踪或超精加工行业要求在亚毫米量级行程上进行微纳米分辨率的精密运动的支撑。

背景技术

现代天文望远镜工作过程中，光学镜面常常要求在亚毫米量级小行程上实现三个自由度高分辨率的精密运动，即沿其法线的平移以及绕与法线垂直的两个轴线的旋转。根据一个刚体要实现的确定自由度数的运动的条件为其必须具有等同的独立原运动数这一原理，并根据工程实现的方便和工艺性，一般选用三个独立的线性运动作为原运动。参见图1和图2，三个平行于镜面法向的独立线性位移运动机构A、B和C按120°沿被支撑镜面周向分布，中心处设置回转运动运动副和轴向运动导向运动副，传统上，这里往往采用球轴承和线性轴承来实现中心回转和轴向运动导向机构(图2)。这种基于轴承轴系的运动支撑系统，优点是可以实现较大的运动和位移范围，但缺点是，摩擦和回程间隙乃至迟滞是较难克服的固有问题，特别对于精密运动和确定位移的实现，这是极其有害的；而且轴承轴系机构较复杂，对机构设计的空间和零件加工的精度要求较高，并需要较好的维护和保养，如防尘和润滑。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明的目的是寻求一种用于小行程运动和位移(亚毫米级)的简单可靠的精密(纳米级位移分辨率)支撑机构——基于弹性元件的三自由度精密运动支撑机构，以克服传统支撑和缩放机构存在的以上缺点。

为此本发明所采用的技术方案是：

基于弹性元件的三自由度精密运动支撑机构，在机架与支撑板之间设有三个按120°沿被支撑镜面周向分布的平行于镜面法向的独立线性位移运动机构A、B和C，中心处设置有回转运动运动副和轴向运动导向运动副，其特征在于，所述的回转运动运动副和轴向运动导向运动副的结构是：在机架上固定有均匀排列在一同心圆上的若干根支撑柱，该若干根支撑柱分别与一高强度高弹性的膜片(简称弹性膜片或支撑膜片)的外缘固定联接，并利用这些支撑柱对该弹性膜片施加离心预应力，使该弹性膜片张紧，该弹性膜片的中心处与支撑板紧固联接。

换言之，本发明是采用一高强度高弹性的膜片取代现有技术所述的轴承轴系机构(参见图2)。参见图3和图4弹性膜片支撑系统原理示意图。将上述的“若干根支撑柱”设为六根，则结构如下：将一张正六边形膜片的六个角与由机架升起的六根支撑柱分别紧固联接，将膜片中心处与支撑板相紧固联接，并利用这六根支撑柱对支撑膜片施加离心预应力，使膜片张紧。利用膜片具有良好的面外弹性及良好的面内刚度，在亚毫米的小范围内实现上文所述线性轴承和球轴承的功能。也可以称之为“弹性膜片支撑机构”或“弹性膜片支撑系统”。

所述的弹性膜片根据需要可以设置在支撑板的上方或下方。即：所述的若干根支撑柱可以是通过支撑板的过孔与弹性膜片联接；也可以是支撑柱设计得低于支撑板，将支撑膜片安装在支撑板下方。

进一步补充说明。如果整个镜面及支撑系统包括机架需要在重力场中改变姿态，则支撑膜片所在的高度位置一般可选取镜面、支撑机构及支撑板组成的系统的重心位置，而在一般情况下，可根据具体设计和安装的便利性将支撑膜片安排得尽量靠近镜面，这可使得镜面反射面中心在镜面转动倾斜时在镜面平面内位移尽量小。如果没有特别要求，可将支撑柱设计得低于支撑板，即将支撑膜片安装在支撑板下方，这样，不必在支撑板上开支撑柱的过孔从而避免过孔位置可能与支撑机构位置的干涉和冲突；为了提高该支撑系统的工作稳定性，对支撑膜片进行更进一步改进，如图5，将正六边形的支撑膜片的六条边都向内挖去一部分，这样可避免因支撑膜片中部法向位移造成六边形六条边上发生凹凸或皱褶；另外，为确保支撑膜片在一定的位移范围之内安全有效地工作，考虑设置一个圆盘进行限位，参见图6和图7，圆盘中部与支撑板相固连，圆盘边缘正好置于将支撑膜片紧固于支撑柱顶端的六个压板缺口内，而圆盘本身正好作为支撑膜片与支撑板相固连的压板。