1 引 言
傅里叶变换光谱仪主要用于有机化学、无机化学、固体物理、宇宙航行、气象和大气污染的研究，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。随着当今社会对地球环境关注程度的不断提高，空间光学遥感技术有了很大的发展，尤其是红外傅里叶变换光谱技术也逐渐成熟起来。基于迈克尔逊干涉仪的红外傅里叶变换光谱仪具有分辨率高、波数精度高、扫描时间短、光谱范围宽、灵敏度高等优点，因此得到了越来越广泛的应用。
动镜机构的设计为此类光谱仪研制的关键技术之一，也是难点之一。基于迈克尔逊干涉仪的原理，反射镜(动镜)使用三面直角棱镜时，不会引起波面的倾斜，只能产生一个垂直于动镜运动方向的耦合位移量，此位移量在干涉波面处会导致两倍于该耦合位移量的波面位移，严重影响光谱仪的干涉成像范围和接收能量强度，降低整机的性能，因此要严格控制动镜的垂直耦合位移量，就要求设计出具有高精度的动镜支撑机构。传统机械滑块接触式的精密动镜扫描支撑机构存在很多缺点，如：运动的非线性、滑块之间有摩擦且易磨损变形、有反冲和爬行现象、难于进行微小的位移控制等，而且随着磨损的积累，精度难于保证，严重时会出现卡死现象[1]。柔性 铰链 机构[2-3]具有体积小、无需润滑、无摩擦、无间隙、加工切割方便、运动灵敏度高等优点，能够克服传统机械结构的缺点，满足动镜机构的使用要求。现阶段有瑞士、美国、德国、日本等少数国家在竞相研制，而国内刚刚起步，目前仅对柔性单补偿杆式动镜支撑机构有所研究，其理论精度为：反射镜的运动行程为±10mm，垂直耦合位移量精度为±3μm[4]。
柔性单补偿杆式动镜支撑机构精度虽高，但仍存在缺陷，如支撑机构输出终端平台存在较大转角，无法很好地控制反射镜运动自由度的维数，影响整机对干涉图谱的采集。本文设计的柔性双补偿杆式动镜支撑机构，不仅能控制反射镜线性位移量，而且可以控制其微转角，在某种意义上实现了支撑机构对动镜自由度[5-6]的降维使用，有效地解决了柔性单补偿杆式动镜支撑机构的缺陷，保证了动镜的直线运动精度，从而提高了整个光谱仪的性能。
2 柔性单补偿杆式动镜支撑机构
2.1 工作原理
柔性单补偿杆式动镜支撑机构工作原理如图1所示，当耦合杆摆动θ角时，设运动体下降的距离|y1|与中间体提升的距离|y2|相等，这时运动体在垂直于X方向(运动方向)上将得到补偿，即Y方向位移为零。公式表达式如下：
式中：l1为固定体与中间体间连杆长度，l2为运动体与中间体间连杆长度，l3为补偿杆的长度。
由此可知，理论上只要固定体与中间体间连杆长度、运动体与中间体间连杆长度和补偿杆的长度都相等时，柔性单补偿杆式动镜支撑机构便可自动消除运动体Y方向上的位移，从而起到降低微位移机构运动自由度的作用。但在实际制造使用中，由于机构加工误差和系统误差的存在，不能够使Y方向的位移量为零。
2.2 缺陷分析
柔性铰链机构[7]是依靠其构成材料本身的弹性特性来达到一定运动效果的，机构材料的选择要求较严格，一般选弹性较大的材料。柔性单补偿杆式动镜支撑机构在运动过程中，完成X方向位移的同时，由于耦合杆和补偿杆的抬压应力作用，中间体、运动体及他们之间的连接杆均会产生不同程度的弹性变形，导致整个机构形成了一个弯曲变形的“平行四边形”，固定于运动体上的反射镜也随之旋转，产生一个倾斜的α角度，如图2所示，这样使得利用柔性单补偿杆式动镜支撑机构将反射镜的六自由度降为一个自由度的想法失去了意义。
3 柔性双补偿杆式动镜支撑机构
3.1 工作原理
为了弥补上述柔性单补偿杆式动镜支撑机构的缺陷，本文设计了柔性双补偿杆式动镜支撑机构[8-14]，结构三维图如图3所示。机构中具有两个补偿杆，虽然其工作原理与柔性单补偿杆式动镜支撑机构的工作原理相同，但是新增加的补偿杆能够有效地减小反射镜因机构的弹性变形所产生的旋转角度，使得反射镜的运动方式更加接近为某种意义上的单自由度运动。
3.2 约束载荷与仿真结果
经过综合分析，选择铰链的主要参数为：铰链宽度b=5mm、柔节宽度t=0.4mm较为合适。材料选择弹性属性较大的铍青铜Qbe2，其参数为：密度8.25g/，弹性模量133Gpa，泊松比0.35。载荷工况如下：固定体固定不动，在运动体上加载运动范围为±10mm，运动步长为2mm，记录反射镜在垂直于加载步长位移方向上的耦合位移，仿真分析的结果见图4、图5及表1。
有限元分析结果表明，从运动体位移量零值处开始，两侧相同位移步长产生的反射镜的耦合位移量结果相等，符号相反，步长之间的耦合位移值线性递增。
4 模拟实物及试验结果
4.1 柔节的简化与模拟实物
综合考虑制造成本及实物加工难易等问题，简化了结构设计，除了作为机构关键部位的柔节部分使用Qbe2材料外，其余部分均使用2A12硬铝合金来代替。柔节简化结构见图6，模拟实物见图7。
4.2 测试方法及实验结果
测试原理如图8所示，读数经纬仪与被测模拟实物放置在同一检测平台上，先将读数经纬仪对准反射镜的十字中心，计数调零，然后移动反射镜到某一特定位置x，再次使经纬仪对准反射镜十字中心，读数并记录此时经纬仪角度变化的值α，最后根据两者之间的距离L计算出反射镜的耦合位移y。公式如下：
实验结果如下：读数经纬仪与被测模拟实物间的距离L为4 000mm，移动反射镜的位移x为10mm，测得反射镜的耦合位移角度α为0.67"，经公式 (4)计算，反射镜的耦合位移y为0.013mm。
4.3 误差分析
机构模拟实物中，连接杆使用的材料均为2A12铝合金，相对于使用Qbe2加工的柔节来说，连接杆与柔节是刚性连接的，在测试实验过程中，只有材料为Qbe2的柔节弯曲贡献补偿反射镜的耦合位移量，因此柔节的长度对补偿的贡献起到决定性的作用，作用简图见图9。
模拟实物设计过程中，选取运动体的长度b为40mm，柔节长度为5mm;当运动体移动了10mm时，运动体与中间体相对运动了5mm，因此上下两处的柔节平均贡献2.5mm的位移量，即x=2.5mm;运动体与中间体之间的连接杆加工误差为0.2mm;按文献4中的误差公式：θ=εx/b计算，可得θ=0.012 5°。按反射镜(20mm×20mm×20mm)测试基准面算，可得反射镜在转角偏差中下降的耦合位移量为0.013 1mm，与实际检测的0.013mm相差0.1μm。误差分析结果表明，简化模拟实物的实际测量精度与理论精度相差较大，主要是由与柔节长度相关的尺寸精度控制不当造成的。
5 结 论
本文设计了柔性双补偿杆式动镜支撑机构，由有限元分析的结果可知：该结构比国内最高水平的柔性单杆补偿式动镜支撑机构补偿精度提高了93.2%，说明新增加的补偿杆对整个微位移机构的性能和指标的提高具有重要作用。从模拟实物测试结果及其误差分析来看，模拟实物由于材料选择及加工过于简化，柔节长度精度控制不当造成了较大的误差，若改用整块铍青铜材料进行线切割加工，并严格控制其相关尺寸的加工误差，应能得到精度较高的实物。由于这种柔性铰链机构具有高精度、无空回、无磨损、无“卡死”、寿命长等特点，可应用于基于迈克尔逊干涉仪的红外傅里叶变换光谱仪，对保证其干涉图谱采集和整机性能起到了重要作用，也可在其他空间仪器及具有此类特殊要求的设备中使用，具有广泛的应用前景。
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作者：柳 华1，2*，刘伟奇1，冯 睿1，魏忠伦1，张 健1，2
(1.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春130033;2.中国科学院 研究生院，北京100039)
