新型全柔性动镜机构的设计与分析

　　0 引言

　　红外傅里叶变换光谱仪在许多领域具有重要的应用前景和潜力， 对经济和国防建设有着十分重要的意义[1-2]。

　　在傅里叶变换光谱仪研制过程中， 基于迈克尔逊干涉仪的动镜支撑机构就是技术难点之一。由于动镜应用在太空中的真空环境中， 支撑动镜传统的机械运动机构存在运动非线性;滑块之间有摩擦，易磨损变形;有反冲和爬行现象;难于进行微小的位移控制;随着磨损的积累，精度难以保证等缺点均一一暴露。因此，必须改变传统的机械机构设计观念，以崭新的设计思维来设计出适用于太空特殊环境的机械机构。而柔性铰链结构具有体积小、无摩擦、无间隙、加工切割方便、运动灵敏度高等优点[3]，能够满足设计需求，将成为今后的主流。

　　现阶段，只有瑞士、美国、德国、日本等少数国家正在竞争研制，国内则是刚刚起步，因此具有很大的市场需求的潜力。文中所述的动镜支撑机构是基于这种柔性机构进行研究，并对其进行理论分析，为其他设计者提供方便。

　　1 动镜耦合剪切量对光谱仪的影响

　　基于迈克尔逊干涉仪[4]的动镜机构如图1 所示。迈克尔逊干涉仪有一个不动镜和一个动镜， 当反射镜使用三面直角棱镜时，不会引起波面的倾斜，只产生一个耦合的Y 轴位移， 该位移在干涉波面处就会产生2 倍的位移(X 轴)，这样会影响光谱仪的干涉成像范围及接收能量强弱，因此必须加以严格控制。最理想的状态是动镜只在光轴方向上来回做一维的直线运动，即将动镜的运动自由度[5-6]控制到一维使用。

　　文中研究的新型动镜机构就是一种可单独整体设计， 依靠自身的局部特殊结构和弹性特性来使动镜的运动自由度降到一维， 这里的一维是相对的一维，在别的维度上也有微小的位移，在X 轴方向上的移动为毫米级，在其他维度上的剪切量是微米级。而且这种新型动镜机构本身设计具有特殊性， 无摩擦无润滑并且精度高，机构的使用寿命较长，因此常被用在一些特殊环境的高精度仪器上。

　　2 柔性铰链和平行两杆机构

　　2.1 柔性铰链

　　单轴双圆弧柔性铰链[7]如图2 所示,横截面为矩形,t、h、b 分别为单轴双圆弧柔性铰链的最小厚度、高度及宽度，R 为圆弧半径，θ m为圆弧的圆心角[8]。

　　在x 轴上截取高度为a，长度△x=△(Rsinθ )，宽度为b 的微元，在力矩Mz的作用下，可得到两个相关公式：

　　式中：γ =Rt;αz为角变形;k1为转动刚度;E 为材料的弹性模量。

　　经模拟计算， 参数对其转动刚度的影响程度依次为：最小厚度t 的影响最大，其次为圆弧半径R，再次为圆心角θ ，最后为宽度b、h 等，关系曲线分别如图3～图6 所示。