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一种大口径反射镜自适应性支撑方法   0    0

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专利申请流程有哪些步骤?
专利申请流程图
申请
申请号:指国家知识产权局受理一件专利申请时给予该专利申请的一个标示号码。唯一性原则。
申请日:提出专利申请之日。
2019-03-04
申请公布
申请公布指发明专利申请经初步审查合格后,自申请日(或优先权日)起18个月期满时的公布或根据申请人的请求提前进行的公布。
申请公布号:专利申请过程中,在尚未取得专利授权之前,国家专利局《专利公报》公开专利时的编号。
申请公布日:申请公开的日期,即在专利公报上予以公开的日期。
2019-07-19
授权
授权指对发明专利申请经实质审查没有发现驳回理由,授予发明专利权;或对实用新型或外观设计专利申请经初步审查没有发现驳回理由,授予实用新型专利权或外观设计专利权。
2021-06-01
预估到期
发明专利权的期限为二十年,实用新型专利权期限为十年,外观设计专利权期限为十五年,均自申请日起计算。专利届满后法律终止保护。
2039-03-04
基本信息
有效性 有效专利 专利类型 发明专利
申请号 CN201910160114.5 申请日 2019-03-04
公开/公告号 CN109932805B 公开/公告日 2021-06-01
授权日 2021-06-01 预估到期日 2039-03-04
申请年 2019年 公开/公告年 2021年
缴费截止日
分类号 G02B7/183G01L1/06 主分类号 G02B7/183
是否联合申请 独立申请 文献类型号 B
独权数量 1 从权数量 6
权利要求数量 7 非专利引证数量 1
引用专利数量 7 被引证专利数量 0
非专利引证 1、2006.06.20曹乃亮等“.基于NiTi合金丝的反射镜柔性支撑结构的应力补偿”《.光学精密工程》.2012,第20卷(第10期), Cheng Fang等“.Self-centring behaviourof steel and steel-concrete compositeconnections equipped with NiTi SMAbolts”《.Engineering Structures》.2017,第150卷温洪波.“NiTiNb形状记忆合金管滚珠旋压成形数值模拟研究”《.中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑》.2018,(第3期),陈美文.“微小型扫描反射镜的柔顺机构设计及仿真建模”《.万方数据知识服务平台》.2012,;
引用专利 US2012204859A、US2012204859A、US2005162762A、DE102014215159A、US6470108B、EP0173433A、US7064885B 被引证专利
专利权维持 3 专利申请国编码 CN
专利事件 事务标签 公开、实质审查、授权
申请人信息
申请人 第一申请人
专利权人 杭州电子科技大学 当前专利权人 杭州电子科技大学
发明人 李蓉、杨树玄、林卫、睢娟、张巨勇、陈志平 第一发明人 李蓉
地址 浙江省杭州市下沙高教园区2号大街 邮编 310018
申请人数量 1 发明人数量 6
申请人所在省 浙江省 申请人所在市 浙江省杭州市
代理人信息
代理机构
专利代理机构是经省专利管理局审核,国家知识产权局批准设立,可以接受委托人的委托,在委托权限范围内以委托人的名义办理专利申请或其他专利事务的服务机构。
杭州君度专利代理事务所 代理人
专利代理师是代理他人进行专利申请和办理其他专利事务,取得一定资格的人。
黄前泽
摘要
本发明公开了一种大口径反射镜自适应性支撑方法。现有反射镜支撑方式难以同时保证反射镜在自重、温度变化等工况下的面型精度和装配要求。本发明的记忆合金驱动模块均匀六点式分布于柔性支撑模块中,微调柔性支撑模块;三个以上柔性支撑单元沿反射镜周向均布用于支撑反射镜。本发明采用记忆合金的驱动特性,通过中央信号处理器控制记忆合金加热,从而控制记忆合金丝的形变量,并将形变后支撑点的压力值通过压力传感器反馈回中央信号处理器,不断调节来均衡微调柔性支撑模块对支撑部位的受压力,无电机等分块支撑结构的误差影响,自适应性智能调节支撑结构的静态、动态结构刚度,从而减小重力、外载荷、温度变化以及振动等对反射镜面形精度影响。
  • 摘要附图
    一种大口径反射镜自适应性支撑方法
  • 说明书附图:图1
    一种大口径反射镜自适应性支撑方法
  • 说明书附图:图2
    一种大口径反射镜自适应性支撑方法
  • 说明书附图:图3
    一种大口径反射镜自适应性支撑方法
  • 说明书附图:图4
    一种大口径反射镜自适应性支撑方法
法律状态
序号 法律状态公告日 法律状态 法律状态信息
1 2021-06-01 授权
2 2019-07-19 实质审查的生效 IPC(主分类): G02B 7/183 专利申请号: 201910160114.5 申请日: 2019.03.04
3 2019-06-25 公开
权利要求
权利要求书是申请文件最核心的部分,是申请人向国家申请保护他的发明创造及划定保护范围的文件。
1.一种大口径反射镜自适应性支撑方法,其特征在于:该方法具体如下:
步骤一、构建记忆合金驱动模块,并优化计算记忆合金丝的直径d和长度L;所述的记忆合金驱动模块由记忆合金丝和套在记忆合金丝外的弹簧组成;优化计算记忆合金丝的直径d和长度L的具体过程如下:首先,设定外部载荷为W,将弹簧预载荷FsprL设定为与外部载荷W同向;然后,设定在外部载荷W和弹簧预载荷合力作用下,记忆合金丝在马氏体相变结束时的临界应力为σ0,以及记忆合金丝输出位移为s;最后,求解记忆合金丝的直径d和长度L如下:
1)由于 所以记忆合金丝的横截面积:
其中, A0为中间参数,则记忆合金丝的直径 d0为中间
参数;
由此从记忆合金丝直径系列中选取大于d0的各个值分别作为直径d的一个值;
2)首先,根据选取的各个d值分别计算出对应的A值,然后代入 求出各个
FsprL值以及各个弹簧预载荷下记忆合金丝对应的平衡应力 接着,取弹簧预载荷下记忆合金丝在平衡状态时的应变 根据各个σspr值求出对应的各个ε值;最后,根据各个σspr值和对应的ε值,以σspr为纵坐标、ε为横坐标描绘应力与应变折线图,从折线图出选取斜率最小的折线段,并将该折线段上ε较小的那个点对应的d值作为最优解;
3)计算 其中,EA为记忆合金丝的弹性模量,k为弹簧的刚度;
步骤二、构建柔性支撑单元,包括柔性支撑模块、记忆合金驱动模块、电流夹和压力传感器;所述的柔性支撑模块包括底部支撑板、柔性支撑块和顶部支撑板;柔性支撑块一端与底部支撑板固定,另一端与顶部支撑板固定;n个记忆合金驱动模块沿周向均布,n≥4;记忆合金驱动模块的记忆合金丝两端分别与底部支撑板和顶部支撑板固定,记忆合金驱动模块的弹簧两端分别由底部支撑板和顶部支撑板限位;各记忆合金丝两端均固定有电流夹;顶部支撑板端面开设有沿圆周均布的n个减重槽一,每个减重槽一内靠近对应记忆合金驱动模块位置设有一个压力传感器,n个压力传感器也沿圆周均布;底部支撑板端面开设有沿圆周均布的三个以上螺钉连接孔和沿圆周均布的三个以上减重槽二,且减重槽二位于螺钉连接孔内侧;
步骤三、三个以上柔性支撑单元沿反射镜周向均布,各柔性支撑单元中底部支撑板的螺钉连接孔与支撑底座的连接通孔通过螺钉连接,各柔性支撑单元的顶部支撑板与反射镜背面黏连;所有柔性支撑单元的压力传感器均通过无线传输模块与中央信号处理器通讯;
所有柔性支撑单元的电流夹所通过的电流大小均由中央信号处理器控制。

2.根据权利要求1所述的一种大口径反射镜自适应性支撑方法,其特征在于:所述柔性支撑块的两端与底部支撑板和顶部支撑板的连接处均设有圆角。

3.根据权利要求1所述的一种大口径反射镜自适应性支撑方法,其特征在于:所述的柔性支撑块采用双轴柔性铰链。

4.根据权利要求1所述的一种大口径反射镜自适应性支撑方法,其特征在于:所述记忆合金丝的材料为含Ti量50%的NiTi,柔性支撑块的材料为殷钢,顶部支撑板和底板支撑板的材料均为CFRP。

5.根据权利要求1所述的一种大口径反射镜自适应性支撑方法,其特征在于:所述压力传感器的型号为HX711。

6.根据权利要求1所述的一种大口径反射镜自适应性支撑方法,其特征在于:所述的无线传输模块为ZIGBEE无线信号数据采集卡。

7.根据权利要求1所述的一种大口径反射镜自适应性支撑方法,其特征在于:所述反射镜的直径大于或等于1米。
说明书

技术领域

[0001] 本发明属于空间光学检测技术领域,具体涉及一种大口径反射镜自适应性支撑方法。

背景技术

[0002] 随着科学技术的不断发展及对地观测要求的不断提高,高分辨率、宽覆盖、大口径和长聚焦的空间反射镜逐渐成为光学遥感器的主要发展趋势。其中大型的空间光学反射镜型号直径也越来越大(1~4m),面型要求包括面型误差RMS值 (λ为波长),反射镜的热效应应该满足在20~100K。大口径空间光学反射镜装配是通过支撑结构形成反射镜组件再安装到空间遥感器的主体结构上,影响反射镜的精度的因素包括空间的失重、温度、结构组装、支撑面的加工误差等等。
[0003] 另外,在例如南极红外测量、深空紫外线测量等反射镜的工作环境是长期处于低温极端工况下测量时,容易发生潮湿和结霜、结冰的情况;此外薄型反射镜和变形反射镜也极易受到温度和载荷的影响,调节系统的分块结构也存在着很大的误差。传统主、副反射镜支撑系统的调节是分成子块调节,通过电机控制触动器在轴向、径向分块进行调节。由于恶劣的环境因素,调节工作精度低,无法满足使用性能要求。
[0004] 形状记忆合金对原来母相的形状具有记忆功能,可以根据温度的变化产生低温马氏体和高温奥氏体之间的转变,如图1所示。在受到外界压力载荷时会产生形状上的形变,但是受到温度的影响时又会恢复到原来的形状,利用相变能转变为形势能或动能来实现驱动。是一种新型的具有传感和驱动双重效应的合金金属。由于其优越的性能,记忆合金的应用技术越来越得到人们的喜爱,应用的范围也越来越广泛。
[0005] 但是目前形状记忆合金并没有应用在反射镜支撑领域,若是能合理将形状记忆合金应用在反射镜支撑上,必能提高反射镜的精度。

发明内容

[0006] 本发明的目的是针对现有技术难以同时保证反射镜在自重、温度变化等工况下的面型精度和装配工艺要求的问题,提供一种大口径反射镜自适应性支撑方法。
[0007] 本发明具体如下:
[0008] 步骤一、构建记忆合金驱动模块,并优化计算记忆合金丝的直径d和长度L;所述的记忆合金驱动模块由记忆合金丝和套在记忆合金丝外的弹簧组成;优化计算记忆合金丝的直径d和长度L的具体过程如下:首先,设定外部载荷为W,将弹簧预载荷FsprL设定为与外部载荷W同向;然后,设定在外部载荷W和弹簧预载荷合力作用下,记忆合金丝在马氏体相变结束时的临界应力为σ0,以及记忆合金丝输出位移为s;最后,求解记忆合金丝的直径d和长度L如下:
[0009] 1)由于 所以记忆合金丝的横截面积:
[0010]
[0011] 其中, A0为中间参数,则记忆合金丝的直径 d0为中间参数;
[0012] 由此从记忆合金丝直径系列中选取大于d0的一个值作为直径d值;
[0013] 2)首先,根据选取的各个d值分别计算出对应的A值,然后代入 求出各个FsprL值以及各个弹簧预载荷下记忆合金丝对应的平衡应力 接着,取弹簧预载荷下记忆合金丝在平衡状态时的应变 根据各个σspr值求出对应的各个ε值;最后,根据各个σspr值和对应的ε值,以σspr为纵坐标、ε为横坐标描绘应力与应变折线图,从折线图出选取斜率最小的折线段,并将该折线段上ε较小的那个点对应的d值作为最优解;
[0014] 3)计算 其中,EA为记忆合金丝的弹性模量,k为弹簧的刚度。
[0015] 步骤二、构建柔性支撑单元,包括柔性支撑模块、记忆合金驱动模块、电流夹和压力传感器。所述的柔性支撑模块包括底部支撑板、柔性支撑块和顶部支撑板。柔性支撑块一端与底部支撑板固定,另一端与顶部支撑板固定;n个记忆合金驱动模块沿周向均布,n≥4;记忆合金驱动模块的记忆合金丝两端分别与底部支撑板和顶部支撑板固定,记忆合金驱动模块的弹簧两端分别由底部支撑板和顶部支撑板限位;各记忆合金丝两端均固定有电流夹。顶部支撑板端面开设有沿圆周均布的n个减重槽一,每个减重槽一内靠近对应记忆合金驱动模块位置设有一个压力传感器,n个压力传感器也沿圆周均布;底部支撑板端面开设有沿圆周均布的三个以上螺钉连接孔和沿圆周均布的三个以上减重槽二,且减重槽二位于螺钉连接孔内侧。
[0016] 步骤三、三个以上柔性支撑单元沿反射镜周向均布,各柔性支撑单元中底部支撑板的螺钉连接孔与支撑底座的连接通孔通过螺钉连接,各柔性支撑单元的顶部支撑板与反射镜背面黏连。所有柔性支撑单元的压力传感器均通过无线传输模块与中央信号处理器通讯;所有柔性支撑单元的电流夹所通过的电流大小均由中央信号处理器控制。
[0017] 所述柔性支撑块的两端与底部支撑板和顶部支撑板的连接处均设有圆角。
[0018] 所述的柔性支撑块采用双轴柔性铰链。
[0019] 所述记忆合金丝的材料为含Ti量50%的NiTi,柔性支撑块的材料为殷钢,顶部支撑板和底板支撑板的材料均为CFRP。
[0020] 所述压力传感器的型号为HX711。
[0021] 所述的无线传输模块为ZIGBEE无线信号数据采集卡。
[0022] 所述反射镜的直径大于或等于1米。
[0023] 本发明具有的有益效果是:
[0024] 1、本发明根据记忆合金丝的形变特性,内部整体调节,无电机等分块支撑结构的误差影响,自适应性智能调节支撑结构的静态、动态结构刚度,从而减小重力、外载荷、温度变化以及振动等各种复杂环境因素对反射镜面形精度影响,以满足反射镜对支撑面稳定性的需求。
[0025] 2、本发明的柔性支撑模块,支撑部件材料为殷钢,其线膨胀系数与反射镜材料相匹配,尽量减小了柔性支撑部位对反射镜面形精度的影响。
[0026] 3、记忆合金驱动模块采用的是双程形状记忆特性,记忆合金丝直径为(0.2~1mm),弹簧起支撑和抵消应力作用,提高柔性。记忆合金驱动模块均匀六点式分布于柔性支撑模块中,微调柔性支撑模块。并且采用记忆合金的驱动特性,通过中央信号处理器给出的指令,改变电流夹通电电流,自适应性控制记忆合金丝的形变量,并将形变后支撑点的压力值通过压力传感器再反馈回中央信号处理器,不断地进行调节,来均衡微调柔性支撑模块对支撑部位的受压力。形状记忆合金材料的不同,特性形变也不同(备选NiTi、NiAl、Mn‑Cu等)。
[0027] 4、中央信号处理器可以接收压力传感器的数据,内置数据库,用于对比压力传感器传输过来的数据,数据出现偏差的,处理器做出判断,智能加热记忆合金驱动模块,实现智能化,自适应调节。
[0028] 5、柔性支撑模块的顶部支撑板和底部支撑板均开设减重槽,减少自重改变柔性支撑模块对反射镜面精度的影响。

实施方案

[0033] 以下结合附图对本发明的实施方式进一步说明。
[0034] 一种大口径反射镜自适应性支撑方法,具体如下:
[0035] 步骤一、构建记忆合金驱动模块,并优化计算记忆合金丝的直径d和长度L;其中,记忆合金驱动模块由记忆合金丝3和套在记忆合金丝外的弹簧4组成;优化计算记忆合金丝的直径d和长度L的具体过程如下:首先,设定外部载荷为W(本实施例中W=15N),将弹簧预载荷FsprL设定为与外部载荷W同向;然后,设定在外部载荷W和弹簧预载荷合力作用下,记忆合金丝在马氏体相变结束时的临界应力为σ0(本实施例中σ0=200Mpa),以及记忆合金丝输出位移为s(本实施例中=2mm);最后,求解记忆合金丝的直径d和长度L如下:
[0036] 1)由于 所以记忆合金丝的横截面积:
[0037]
[0038] 其中, A0为中间参数,则记忆合金丝的直径d0为中间参数;
[0039] 由此从记忆合金丝直径系列中选取大于d0的0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1mm中的一个值作为直径d值;
[0040] 2)首先,根据选取的各个d值0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm分别计算出对应的A值,然后代入 求出各个FsprL值以及各个弹簧预载荷下记忆合金丝对应的平衡应力 接着,取弹簧预载荷下记忆合金丝在平衡状态时的应变根据各个σspr值求出对应的各个ε值;最后,根据各个σspr值和对应的ε值,以σspr为纵坐标、ε为横坐标描绘应力与应变折线图,从折线图出选取斜率最小的折线段,并将该折线段上ε较小的那个点对应的d值作为最优解;本实施例中d的最优解为0.5mm;
[0041] 3)计算 其中,记忆合金丝的弹性模量EA=47100MPa,本实施例选用记忆合金丝材料为含Ti量50%的NiTi,弹簧的刚度k=10N/mm。
[0042] 步骤二、构建柔性支撑单元,包括柔性支撑模块、记忆合金驱动模块、电流夹7和压力传感器8,如图2、3和4所示。柔性支撑模块包括底部支撑板6、柔性支撑块2和顶部支撑板1。柔性支撑块一端与底部支撑板固定,另一端与顶部支撑板固定;柔性支撑块两端与底部支撑板和顶部支撑板的连接处均设有圆角,能够避免应力集中;柔性支撑块采用双轴柔性铰链,在各个方向具有最高的灵敏度。六个记忆合金驱动模块沿周向均布(图2中只画出了三个),记忆合金驱动模块的记忆合金丝两端分别与底部支撑板6和顶部支撑板1固定,记忆合金驱动模块的弹簧两端分别由底部支撑板6和顶部支撑板1限位;各记忆合金丝两端均固定有电流夹7。顶部支撑板端面开设有沿圆周均布的六个减重槽一,每个减重槽一内靠近对应记忆合金驱动模块位置设有一个压力传感器8,六个压力传感器8也沿圆周均布;底部支撑板端面开设有沿圆周均布的六个螺钉连接孔5和沿圆周均布的三个减重槽二,且减重槽二位于螺钉连接孔内侧。柔性支撑块材料为殷钢,顶部支撑板和底板支撑板的材料均为CFRP。
[0043] 步骤三、三个柔性支撑单元沿反射镜周向均布,各柔性支撑单元中底部支撑板6的螺钉连接孔与支撑底座的连接通孔通过螺钉连接,各柔性支撑单元的顶部支撑板1与反射镜背面黏连。反射镜的直径大于或等于1米。所有柔性支撑单元的压力传感器8均通过无线传输模块与中央信号处理器通讯;所有柔性支撑单元的电流夹7所通过的电流大小均由中央信号处理器控制。
[0044] 工作流程:柔性支撑单元在受到反射镜的压力载荷时,顶部支撑板1受压,柔性支撑块可以偏转一定的角度。各压力传感器8实时检测对应的记忆合金丝受压力值,并将检测的数据传输到无线传输模块;无线传输模块将收集到的数据传输给中央信号处理器,中央信号处理器内置数据库,对比压力传感器8传输过来的数据,对数据进行检测判断,将检测的结果对应到每个记忆合金驱动器的变形量,分别对各个支撑部位的数据进行分析对比,通过电流夹7给需要恢复变形的记忆合金丝3加热,记忆合金丝受热收缩变形;通过记忆合金丝的电流越大,记忆合金丝变形越快,因此可对反射镜的变形进行快速微调。每个记忆合金驱动器的记忆合金丝发生形变调控应力值,均衡反射镜每一个支撑位置的压力载荷;对反射镜的变形微调满足要求后,中央信号处理器发出指令停止加热记忆合金丝。在此过程中根据受载应力的变化,不断调控形状变化,达到消除由于自重、转动角度、温度、风力等对反射镜支撑点的压力载荷,从而消除镜面误差,实现实时自适应性调控,提高反射镜的性能精度。

附图说明

[0029] 图1为记忆合金驱动效应示意图;
[0030] 图2为本发明中柔性支撑单元的结构立体图;
[0031] 图3为本发明中电流夹在记忆合金丝上的安装位置示意图;
[0032] 图4为本发明中压力传感器在顶部支撑板上的分布图。
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