快速反射镜两轴柔性支承设计

　　1　引　言

　　快速反射镜系统(Fast Steering Mirror sys-tem,FSM)是通过调整反射镜在光源与接收端之间进行光束调整的装置,具有体积小、结构紧凑、速度快、精度高、带宽高等优点,通常与大惯量机架一起构成复合轴系统,以实现大转角、高精度的指向和稳定功能[1-4]。

　　国外相关单位数十年来致力于快速反射镜系统的研究,并成功地将其应用于激光通信、激光武器等高速精确指向领域。美国左手设计局(Left Hand Design Corporation, LHDC)与美国航空航天局(National Aeronautics and Space Ad-ministration,NASA)的喷气推进实验室(Jet Pro-pulsion Laboratory, JPL)合作,设计了一系列基于两轴柔性指向机构与音圈电机(Voice Coil Ac-tuator,VCA)驱动的FSM,用于空间干涉测量仪任务(Space Interferometry Mission, SIM);德国PI公司、美国NEWPORT公司等已经成功研制出不同参数系列的各种型号的快速反射镜,走上商业化道路;另外,美国Ball Aerospace Corpora-tion,麻省理工大学(MIT)等单位也进行了这方面深入的研究。国内中科院光电技术研究所,西安205研究所以及中科院长春光机所等单位在相关领域的研究也取得了丰硕的成果。

　　快速反射镜系统的结构主要包括:基座、反射镜、驱动器、传感器以及柔性支承等。对于快速反射镜系统的研究主要包括柔性支承设计、反射镜轻量化设计、高性能伺服控制制动器以及驱动传感一体化智能结构等。根据对国内外研究情况的了解,各种快速反射镜装置之间差别较大的是柔性支承的结构,因此,设计和分析柔性支承是进行快速反射镜系统研究的一项关键工作。

　　本文针对两轴快速反射镜的应用和柔性支承特性的需求,提出了一种基于柔性铰链单元的柔性支承结构,并研究了这种结构形式的柔性支承的静动态特性分析过程和方法。设计的两轴柔性支承具有设计方法简单、转动中心稳定、加工工艺性好等优点,可以满足快速反射镜工作行程若干mrad,工作带宽几百Hz的性能要求。

　　2　两轴快速反射镜工作原理与柔性支承特性要求

　　2.1　快速反射镜工作原理

　　快速反射镜系统是通过调整反射镜在光源与接收端之间进行光束调整的装置。两轴快速反射镜系统结构形式如图1所示,其采用两对音圈电机驱动柔性支承支持的反射镜实现绕两个轴线方向上的转动。

　　2.2　柔性支承特性需求

　　柔性支承在FSM系统中起到支承反射镜和为反射镜分配各个方向自由度的作用。它从运动学上限制反射镜非工作方向上的自由度,同时提供反射镜在工作自由度上的柔顺度。

　　FSM系统对柔性支承的总体要求为[5]:

　　(1)在FSM的工作方向上具有较低的刚度;