快速反射镜机械结构研究综述

　　1引言

　　在光学跟踪和测量系统中，山于大口径望远镜惯量大、频带窄、响应慢，要求直接实现快速高精度跟踪是极其困难的。要保证对加速度目标进行高精度的跟踪和测量，必须有一个精密的跟踪系统，山粗跟踪和精跟踪两部分构成的复合轴系统是实现精密跟踪的一种行之有效的途径，复合轴的结构如图1所示。粗跟踪系统山伺服系统驭动，可作为俯仰与旋转运动的转台;精跟踪系统是采用在大惯量跟踪架上安装一个高低方位可微动的反射镜。精跟踪反射镜称为子轴反射镜，也称为快速控制反射镜(Fast Steering Mirror简写FSM )。快速控制反射镜是近几年发展起来的一种精密跟踪技术手段.用以控制发射和接受光轴的方向，对光束到达方向的变化进行校正，即光束波前畸变整体倾斜模的校正。它与平系统共同构成复合轴跟踪系统，平要用于校正平系统的跟踪误差及风知、地基、机架和大气等干扰引起的视轴抖动。而且由于其结构具有行程小、谐振频率高、响应速度快、动态滞后误差小等优点，　　可以弥补平系统的小足，实现大范围的快速高精度跟踪。

　　2快速控制反射镜的结构分析

　　国内外都在大力开展快速控制反射镜FSM的研制。其结构形式平要分为两种:一种为X-Y轴框架形式，也称为有轴系结构;另一种为柔性轴形式，或者称为无轴系形式，其特点是:没有机械轴承限制运动物体的6个自由度，但是其某几个角度具有很好的柔性，而且该结构没有摩擦力矩。

　　2.1框架式(X-Y轴)

　　该跟踪架是两轴结构形式，方位轴和俯仰轴分别与地轴平行和垂直，如Ixl 2所示。视轴，即光学或光电传感器的光轴，架设在俯仰轴上，并与水平轴严格地垂直。它的突出优点是跟踪区域覆盖所有大顶区，无大顶盲区，但在观察和测量接近两极的目标时受到限制，然而山于FSM结构行程小，所以并不影响FSM的跟踪范围。反射镜支承采用精密轴　　系，外框架轴系的轴承座固定在底板上，镶嵌有子反射镜的内框架轴系安装在外框架上。内外框架的一维转角运动的驭动执行元件是直线电机，即一维转角运动用高度和方位直线电机驭动。子反射镜转角位置山光电自准测角仪实时检测，测角仪在高低和方位两个转角方向上各装一套，完成二维角位置检测。内外框架的一维转角运动的测速元件是直流测速机，但由于测速机体积和摩擦力知大，导致结构的惯量和摩擦力矩大，从而使控制系统存在严重的非线性.很难实现精密跟踪。

　　2.2柔性轴形式[f21

　　柔性FSM结构主要包括:基座、反射镜、驱动器、弹性元件和反射镜支撑结构。机械系统的设计平要为满足光学系统的需要。柔性支撑系统的反射镜基座非常重要，它必须具有足够的刚度以便驭动器的反作用力小激发基座的振动模态，有时必须提供一些形式的补偿，如加一个质量补偿块。弹性支撑系统维持反射镜的支撑方式、分配变形JI限制在6个自由度上的运动。为避免驭动器过载，弹性支撑系统一定要有足够的“柔度”，但这个系统也一定要有足够的“刚度”，从而获得需要的快速响应性能。即在期望的运动方向刚度非常小，但在被限制的运动方向刚度足够大，日‘机械滞后要求非常小。山于反射镜的外壳、镜座和弹性元件是在同一种金属上加工而成的，所以它们之间的热膨胀系数必须相互一致，同时要抑制金属的蠕变和疲劳特性。此外，必须考虑6个自由度的运动范围和弹性系统弹力的适当平衡。