空间傅里叶变换红外光谱仪用全柔性机构的设计及研究

　　1　引　言

　　随着当今社会对地球环境关注程度的不断提高,空间光学遥感技术相应有了很大的发展,尤其是红外傅里叶变换光谱技术也成熟起来。但是由于适合地面 使用的精密动镜扫描机构所采用的运动方式不适合当今空间光学仪器的需要,所以解决红外傅里叶变换光谱仪的关键技术就在于设计出无润滑、无磨损、长寿命的精 密运动角镜扫描机构[1]。随着新技术、新材料的发现和发展,满足以上要求已经成为可能,利用机械结构的基本原理和特殊材料的性能,完全可以设计出适合空 间仪器所要求的各项性能指标。本文涉及的精密动镜机构(Moving Cube2Corner)设计所采用的是弹性结构[2],此结构不需要对其润滑,并且无任何磨损,从而提高了仪器的寿命。此结构不仅可以控制线位移量,而 且还可以控制微转角,控制误差可以在微米级范围内。

　　由于红外傅里叶变换光谱仪的核心部分是运动角镜的扫描机构,所以可根据整机适用的波段范围来确定扫描机构的行程和运动的直线误差。本结构预采用 的金属弹性材料是Qbe2,为含有少量镍的铍青铜,是力学、物理、化学综合性能良好的一种合金。经淬火调质后,具有高的强度、硬度、弹性、耐磨性、疲劳极 限和耐热性;同时还具有高的导电性、导热性和耐寒性,而且无磁性,碰击时无火花,在真空、大气、淡水和海水中抗蚀性极好,是制作各种精密仪表、仪器中的弹 簧和弹性元件,各种耐磨零件以及在高速、高压和高温下工作零件的最佳材料。

　　2　弹性机构在国内外的应用

　　近年来,随着超精密加工机械和测量机械的导向精度要求越来越高,特别是精密微位移工作台、半导体制造装置等领域应用的精密运动机构对构件间的连 接形式提出了更高的要求。弹性机构以体积小、无机械摩擦、无间隙、运动灵敏性高等优点广泛地应用于陀螺仪、加速度计、精密天平、导弹控制喷嘴、波形导管天 线等仪器仪表中,并获得了前所未有的高精度和稳定性。弹性机构在这些超微定位机构中的应用,尤其是在空间光学仪器中的广泛应用,开创了超微定位和纳米级机 构的新时代。

　　瑞士CSEM公司在干涉仪[1]的动镜扫描机构中已经应用弹平行四边形,如图1所示。此干涉仪的动镜扫描机构有4个长度相等的弹簧片,一面连接 在固定平台上,一面连接在运动平台上,其动镜也固定在运动平台上。弹簧片的材料是铍青铜,机构运动时具有两个方向的自由度。在运动平台运动的±2 mm范围内,其转角误差可以控制在5μrad。因此,利用平行四边形原理可以对微转角和单自由度微位移机构实现控制。