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一种带有定位薄膜的主镜浮动支撑机构 Download PDF

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Abstract

一种带有定位薄膜的主镜浮动支撑机构属于光电仪器主镜支撑结构领域，该机构包括芯轴、第二螺钉、底板、定位薄膜、销轴、蝶形弹簧和四通，底板为圆环结构，其包括环形凸台、环状支撑凸台、底板中心凹槽、底板基座法兰；底板基座法兰上开有通孔，定位薄膜为环状，其内径边缘设有定位薄膜中心凹槽，定位薄膜的外径边缘设有定位薄膜环形凸台；四通包括主镜安装座和四通圆台；主镜安装座上开有主镜安装孔。当环境温度变化时，四通与底板之间形成的相对伸展或收缩形变量会导致二者发生相对滑动，而定位薄膜中心凹槽会通过自身形变来吸收应力，避免其传递到底板上，从而释放底板与四通间的热应力并使镜面形不受温度变化的影响。

Description

一种带有定位薄膜的主镜浮动支撑机构
技术领域
本发明属于光电仪器主镜支撑结构领域，具体涉及一种带有定位薄膜的主镜浮动支撑机构。
背景技术
主镜作为光电仪器的重要部件，决定光电系统的成像质量。主镜的支撑结构在对主镜进行有效定位的同时，需要减小重力及应力对主镜面形的影响。在实际应用中，除要求主镜支撑机构具有足够的支撑刚度以保证主镜的位置精度外，还要求主镜支撑机构与主镜具有相近的热膨胀系数，在温度变化时能够有效降低支撑机构与主镜间的热应力，从而保证主镜的面形精度不受温度变化的影响。
与本发明最为接近的已有技术是由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制开发的一种主镜支撑机构。
如图1所示，该主镜支撑机构包括芯轴2、第一螺钉3、底板4、第二螺钉5和四通6。其中底板4包括底板中心凹槽4-1和底板环形凸台4-2，四通6包括四通中心孔6-1。
主镜1的主镜中心孔1-1内壁与芯轴2的外壁通过光学胶水粘接在一起，芯轴2的法兰置于底板中心凹槽4-1内，并通过第一螺钉3固连在底板4上，底板环形凸台4-2置于四通中心孔6-1内，并通过第二螺钉5将底板4与四通6固连。其中主镜1材料选用微晶玻璃，芯轴2和底板4选用与微晶玻璃膨胀系数匹配的殷钢材料，四通6利用锰钢焊接而成。
目前，殷钢价格比普通钢材价格昂贵几十倍甚至上百倍，考虑到制造成本，四通6通常采用锰钢焊接而成。
该主镜支撑机构存在的主要问题是：主镜面形受温度变化影响较大。由于锰钢与殷钢热膨胀系数相差较大，当环境温度变化时，因四通6与底板4的膨胀系数相差较大却又是刚性连接，所以二者伸展或收缩的形变量不同会产生热应力，导致底板4变形，进而使芯轴2在底板中心凹槽4-1内产生变形应力，并将应力传递到主镜1上，最终导致主镜1面形精度降低。
发明内容
为了解决现有主镜支撑机构与主镜采用刚性连接，而二者膨胀系数相差较大，因此主镜支撑机构会将热应力变形传导至主镜上，导致主镜面变形，面形精度降低的技术问题，本发明提供一种带有定位薄膜的主镜浮动支撑机构。
本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：
一种带有定位薄膜的主镜浮动支撑机构包括芯轴、第二螺钉、底板、定位薄膜、销轴、蝶形弹簧和四通，底板为圆环结构，其包括环形凸台、环状支撑凸台、底板中心凹槽、底板基座法兰；底板基座法兰上开有通孔，定位薄膜为环状，其内径边缘设有定位薄膜中心凹槽，定位薄膜的外径边缘设有定位薄膜环形凸台；四通包括主镜安装座和四通圆台；主镜安装座上开有主镜安装孔；
所述环形凸台的外侧壁嵌入主镜安装孔内，底板基座法兰的上端面与主镜安装座的下端面滑动连接，芯轴位于四通内部，芯轴的底端嵌入底板中心凹槽内并与其固连；所述销轴位于通孔内，第二螺钉顺次穿过蝶形弹簧、销轴并与主镜安装座螺纹连接；所述定位薄膜中心凹槽与环状支撑凸台通过第三螺钉固连，定位薄膜环形凸台与四通圆台通过第四螺钉固连。
所述芯轴和底板的材料均为殷钢；四通的材料为16Mn；定位薄膜和蝶形弹簧的材料均为65Mn；销轴和第二螺钉的材料均为45号钢。
所述殷钢膨胀系数为0.1×10-6/℃，16Mn、65Mn和45号钢的膨胀系数均为11×10-6/℃。
所述定位薄膜环形凸台与四通圆台配合间隙为0.01mm～0.03mm；环形凸台与主镜安装座的配合间隙为1mm；销轴与通孔的配合间隙为1mm；蝶形弹簧对底板的预紧压力为800N。
本发明的有益效果是：该带有定位薄膜的主镜浮动支撑机构采用定位薄膜和蝶形弹簧作为浮动调整结构，用以连接四通和底板并约束主镜的全部自由度。当环境温度变化时，四通与底板之间形成的相对伸展或收缩形变量会导致二者发生相对滑动，从而释放底板与四通间的热应力。同时，定位薄膜中心凹槽的刚度远远小于底板环状支撑凸台的刚度，因此定位薄膜中心凹槽会通过自身形变来吸收应力，避免其传递到底板上。主镜与底板同步伸展或收缩的形变，因此镜面形不受温度变化的影响。
附图说明
图1是现有技术的主镜支撑机构的轴向剖面图。
图2是本发明一种带有定位薄膜的主镜浮动支撑机构的轴向剖面图。
图3是本发明底板的轴向剖面示意图。
图4是本发明四通的结构示意图。
图5是主镜的自由度示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图2至图4所示，本发明带有定位薄膜的主镜浮动支撑机构包括芯轴2、第二螺钉5、底板7、定位薄膜9、销轴10、蝶形弹簧11和四通13，底板7为圆环结构，其包括环形凸台7-3、环状支撑凸台7-2、底板中心凹槽7-1、底板基座法兰7-4；底板基座法兰7-4上开有通孔7-4-1，定位薄膜9为环状，其内径边缘设有定位薄膜中心凹槽9-1，定位薄膜9的外径边缘设有定位薄膜环形凸台9-2；四通13包括主镜安装座13-1和四通圆台13-2；主镜安装座13-1上开有主镜安装孔13-1-1；
所述环形凸台7-3的外侧壁嵌入主镜安装孔13-1-1内，底板基座法兰7-4的上端面与主镜安装座13-1的下端面滑动连接，芯轴2位于四通13内部，芯轴2的底端嵌入底板中心凹槽7-1内并与其固连；所述销轴10位于通孔7-4-1内，第二螺钉5顺次穿过蝶形弹簧11、销轴10并与主镜安装座13-1螺纹连接；所述定位薄膜中心凹槽9-1与环状支撑凸台7-2通过第三螺钉8固连，定位薄膜环形凸台9-2与四通圆台13-2通过第四螺钉12固连。
主镜1的主镜中心孔1-1内壁与芯轴2的外壁通过光学胶水粘接在一起，芯轴2的法兰的底面嵌入底板中心凹槽7-1内并通过第一螺钉3固连。
本发明带有定位薄膜的主镜浮动支撑机构的工作原理如图5所示：主镜1的坐标系原心o与主镜1镜面中心孔圆心重合，z轴沿主镜1光轴铅垂向上，y轴水平向右，x轴垂直于y轴、z轴，并与y轴、z轴组成右手坐标系。（θx，θy，θz）代表主镜1沿三坐标轴方向的旋转自由度。主镜1和芯轴2通过光学胶水刚性连接，芯轴2和底板7通过第一螺钉3刚性连接。底板7与四通13浮动连接，利用蝶形弹簧11弹簧变形力将底板7压在四通13上，由此，主镜1沿z轴方向的平移自由度及沿x轴、y轴方向的旋转自由度θx、θy已被约束；底板7通过定位薄膜9定心，约束主镜1沿x轴、y轴方向的平移自由度及沿z轴方向的旋转自由度θz，因此该支撑机构对主镜1的自由度全部约束，可以保证主镜1的位置精度。当温度变化时，由于底板7与四通13材料间的膨胀系数不同，底板7与四通13的热膨胀变形量也不同。通过底板7与四通13间的浮动连接，底板7将在蝶形弹簧11与四通13之间发生相对滑动，从而释放底板7与四通13间的热应力，以保证主镜1面形不受温度变化的影响。
实施例
芯轴2和底板7的材料均为殷钢，所述殷钢膨胀系数为0.1×10-6/℃，主镜材料采用微晶玻璃，膨胀系数为0.05×10-6/℃，四通13的材料为16Mn。定位薄膜9和蝶形弹簧11的材料均为65Mn。销轴10和第二螺钉5的材料均为45号钢。其中，16Mn、65Mn和45号钢的膨胀系数均为11×10-6/℃。
定位薄膜环形凸台9-2与四通圆台13-2配合间隙为0.01mm～0.03mm。环形凸台7-3与主镜安装孔13-1-1的配合间隙为1mm。销轴10与通孔7-4-1的配合间隙为1mm。蝶形弹簧11对底板7的预紧压力为800N。
由于本发明的一种带有定位薄膜的主镜浮动支撑机构通常在20℃的常温环境中组装，但其工作时的环境温度却可能更高或更低，因此在较大的温差下，主镜1、芯轴2、底板7、定位薄膜9、四通13均沿主镜1半径方向伸展或收缩变形。但是，由于主镜1、芯轴2、底板7的膨胀系数小于定位薄膜9、四通13的膨胀系数，因此，主镜1、芯轴2、底板7保持同步伸展或收缩的变形量小于定位薄膜9、四通13的伸展或收缩变形量。通过底板基座法兰7-4与的主镜安装座13-1的滑动连接，四通13相对于底板7沿主镜1的半径方向的额外形变量可转化为相对于向主镜1中心滑动，从而通过这种浮动效果消除底板7与四通13间由伸展或收缩变形而引起的应力。此外，定位薄膜9的定位薄膜中心凹槽9-1的结构刚度远远小于底板7的环状支撑凸台7-2的结构刚度，因此定位薄膜中心凹槽9-1与环状支撑凸台7-2间由伸展或收缩变形而引起的应力也不会传递到主镜1上。由此，本发明所述的浮动支撑机构可以保证主镜面形不受温度变化的影响。

Claims (4)

1.一种带有定位薄膜的主镜浮动支撑机构，其特征在于：该支撑机构包括芯轴（2）、第二螺钉（5）、底板（7）、定位薄膜（9）、销轴（10）、蝶形弹簧（11）和四通（13），底板（7）为圆环结构，其包括环形凸台（7-3）、环状支撑凸台（7-2）、底板中心凹槽（7-1）、底板基座法兰（7-4）；底板基座法兰（7-4）上开有通孔（7-4-1），定位薄膜（9）为环状，其内径边缘设有定位薄膜中心凹槽（9-1），定位薄膜（9）的外径边缘设有定位薄膜环形凸台（9-2）；四通（13）包括主镜安装座（13-1）和四通圆台（13-2）；主镜安装座（13-1）上开有主镜安装孔（13-1-1）；
所述环形凸台（7-3）的外侧壁嵌入主镜安装孔（13-1-1）内，底板基座法兰（7-4）的上端面与主镜安装座（13-1）的下端面滑动连接，芯轴（2）位于四通（13）内部，芯轴（2）的底端嵌入底板中心凹槽（7-1）内并与其固连；
所述销轴（10）位于通孔（7-4-1）内，第二螺钉（5）顺次穿过蝶形弹簧（11）、销轴（10）并与主镜安装座（13-1）螺纹连接；
所述定位薄膜中心凹槽（9-1）与环状支撑凸台（7-2）固连，定位薄膜环形凸台（9-2）与四通圆台（13-2）固连。
2.如权利要求1所述的一种带有定位薄膜的主镜浮动支撑机构，其特征在于：所述芯轴（2）和底板（7）的材料均为殷钢；四通（13）的材料为16Mn；定位薄膜（9）和蝶形弹簧（11）的材料均为65Mn；销轴（10）和第二螺钉（5）的材料均为45号钢。
3.如权利要求2所述的一种带有定位薄膜的主镜浮动支撑机构，其特征在于：所述殷钢膨胀系数为0.1×10-6/℃，所述16Mn、65Mn和45号钢的膨胀系数均为11×10-6/℃。
4.如权利要求1所述的一种带有定位薄膜的主镜浮动支撑机构，其特征在于：所述定位薄膜环形凸台（9-2）与四通圆台（13-2）配合间隙为0.01mm～0.03mm；环形凸台（7-3）与主镜安装座（13-1）的配合间隙为1mm；销轴（10）与通孔（7-4-1）的配合间隙为1mm；蝶形弹簧（11）对底板（7）的预紧压力为800N。
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