CN103698873A - 粗精结合的反射镜姿态定量调整方法及调节装置 - Google Patents

Abstract

粗精结合的反射镜姿态定量调整方法及调节装置，属于光学遥感成像设备技术领域，为提高光机系统装调过程中的反射镜姿态调整效率，降低时间消耗和人力成本，本发明为反射镜通过三根具有球形铰链的支撑杆支撑，形成具有三个调整变量的支撑方式；每根支撑杆通过一个具有粗精两档调整功能的调节装置连接于反射镜固定支架，支撑杆的轴向进给量可根据需求进行控制和示值；按照公式将反射镜所需的姿态调整量转化为各支撑杆所需的轴向调整量，根据所计算得到的每个支撑杆所需的轴向调整量，通过调节机构对每个支撑点的调整量进行定量调整，实现反射镜沿Z向的平动和镜面绕X轴和Y轴的倾斜自由度调整。

Description

粗精结合的反射镜姿态定量调整方法及调节装置

技术领域

本发明涉及一种粗精结合的反射镜姿态定量调整方法及调节装置，可实现反射镜两个转动和一个平动自由度的定量调整，属于光学遥感成像设备技术领域。

背景技术

在光学遥感成像设备装调过程中，反射镜姿态调整是整机光学性能调整的重要工作内容之一。目前的主要调整方法有研修垫片法和三顶三拉顶丝调整法。研修垫片法是在反射镜与其支撑结构之间增加具有一定研修余量的调整垫片，光学装调时根据实际需求，利用研磨手段将调整垫片的不同部位去除一定的厚度，进而达到调整反射镜法向位置和镜面倾斜角度的目的。该方法具有结构简单、易于实现、稳定可靠等优点，但是，反射镜姿态调整对系统的影响需要重新安装反射镜组件后才能验证，难以达到在线装调的效果。此外，装调反复次数多、研修工作量大、工作效率低。三顶三拉顶丝调整法一般是在装有金属保护壳的反射镜与支撑结构之间通过三个受拉的螺钉向连，同时使用三个顶丝作用于反射镜与支撑结构的接触面上，系统装调时可以通过控制每颗螺钉的进给量来实现反射镜法向位置和镜面倾角的调整。该方法容易实现，可以达到在线调整和系统性能评估的效果，但是调节时存在六个调整变量，调整难度高，进给量控制不当会使反射镜承受额外弯曲载荷，影响系统性能。此外，利用这种调整方法时，每个点的进给量主要靠螺钉的转角来控制，难以实时读数显示，因此，系统调整效率大大受限于装调人员的技术水平和工作经验。

发明内容

为提高光机系统装调过程中的反射镜姿态调整效率，降低时间消耗和人力成本，本发明提出了一种具有三个调整变量的粗精两档反射镜调整方法及调节装置，通过该调节装置可实现每个控制点进给量的精确读数和控制。结合系统光学传递函数的在线检测，可对每个控制点调整量所引起的系统性能变化的敏感度进行快速预估，进而可实现反射镜姿态快速调整。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

粗精相结合的反射镜姿态定量调整方法，包括以下步骤：

步骤一，反射镜通过三根具有球形铰链的支撑杆支撑，形成具有三个调整变量的支撑方式；

步骤二，每根支撑杆通过一个具有粗精两档调整功能的调节装置连接于反射镜固定支架，支撑杆的轴向进给量可根据需求进行控制和示值；

步骤三，按照下式将反射镜所需的姿态调整量转化为各支撑杆所需的轴向调整量，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_{P1}\stackrel{\·}{=}{\mathrm{\Δuz}}_M+\frac{a}{\sqrt{3}}\mathrm{\Δ}\cos \mathrm{\φ}\\ {\mathrm{\Δu}}_{P2}\stackrel{\·}{=}{\mathrm{\Δuz}}_M-\frac{a}{2\sqrt{3}}\mathrm{\Δ\θ}\cos \mathrm{\φ}-\frac{a}{2}\mathrm{\Δ\θ}\sin \mathrm{\φ}\\ \mathrm{\Δ}{u}_{P3}\stackrel{\·}{=}{\mathrm{\Δuz}}_M-\frac{a}{2\sqrt{3}}\mathrm{\Δ\θ}\cos \mathrm{\φ}+\frac{a}{2}\mathrm{\Δ\θ}\sin \mathrm{\φ}\end{array}\right.$

其中：Δuz_M为所需的反射镜法向平动量；a为反射镜三个支撑点所形成的等边三角形的边长；φ为倾斜转轴与X轴的夹角；Δθ所需的倾斜姿态角；

步骤四，根据所计算得到的每个支撑杆所需的轴向调整量，通过调节机构对每个支撑点的调整量进行定量调整。

粗精结合的反射镜姿态定量调节装置，反射镜由背部均布的三根支撑杆通过反射镜姿态调节机构支撑于反射镜固定支架上，支撑杆与反射镜之间采用球铰连接方式，通过调节机构控制每个支撑杆的进给量，实现反射镜沿Z向的平动和镜面绕X轴和Y轴的倾斜自由度调整；

反射镜的支撑点处镶嵌金属套，用球铰压盖将支撑杆压入金属套，球铰压盖和金属套之间利用螺钉连接。

调节机构通过粗调螺母连接于反射镜固定支架上，复位弹簧连接于球铰压盖和粗调螺母之间，实际调节时粗调螺母通过支撑杆作用于球铰压盖的驱动力和复位弹簧的反作用力形成平衡，使反射镜能够平稳调节；同时还可有效消除精调过程中的凸轮间隙；

支撑杆通过凸轮导销连接于粗调螺母，支撑杆相对于粗调螺母支撑产生轴向平移，而不能产生圆周转动；精调时，粗调螺母与反射镜固定支架无相对运动，作用于凸轮驱动旋钮的驱动力矩通过精调圆柱凸轮推动凸轮导销，进而使支撑杆产生轴向运动；精调凸轮压盘通过螺钉将圆柱凸轮固定在粗调螺母上；凸轮驱动旋钮固定在圆柱凸轮上；粗调时，整个调节装置相对于反射镜固定支架运动；精调时，精调凸轮带动反射镜相对于粗调螺母运动。

支撑杆为具有横向变形能力的柔性支撑结构。

本发明的有益效果是：

1、通过采用精密螺纹副和圆柱凸轮机构组成的二级传动机构，可实现高的轴向进给分辨能力。并利用复位弹簧实现了调节过程的平稳操作和精调凸轮的传动间隙，从而使反射镜姿态调整的位置精度和响应能力得到了有效保证。

2、本发明所提出的调节方法，可实现过镜面中心绕任意转轴的倾斜姿态和沿镜面法向平动姿态调整。同时通过采用柔性支撑杆，有效缓解倾斜姿态调整过程中的作用于反射镜的附加机械载荷。

3、通过简单方法实现了支撑杆轴向进给量的显示，方便了操作者对进给量的实时读取和控制。

4、所提出的进给量调节装置采用了模块化设计思想，易于移植到其它与轴向进给控制相关的应用场合。

附图说明

图1是本发明的反射镜结构支撑方案示意图，a为反射镜背部剖视图，显示反射镜背部三点支撑形式；b为中心剖视图，显示单个支撑结构的细节图。

图2是本发明的反射镜光轴平动和沿X轴倾斜角调整原理图。

图3是本发明的反射镜光轴绕Y轴倾角调整原理图。

图4是本发明的反射镜光轴绕XY面任意转轴的倾斜姿态角分解原理。

图5是是本发明的调节机构示意图。

图中：1、反射镜，2、支撑杆，3、调节机构，3-1、复位弹簧，3-2、粗调螺母，3-3、精调圆柱凸轮，3-4、精调凸轮压盘，3-5、凸轮导销，3-6、凸轮驱动旋钮，4、反射镜固定支架，4-1、玻璃读数窗，5、金属套，6、球铰压盖。

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1所示，图中a为反射镜1采用背部三点支撑形式，反射镜1由背部均布的三根支撑杆2通过调节机构3支撑于反射镜固定支架4，图中b所示，支撑杆2与反射镜1之间采用球铰连接方式。通过调节机构3控制每个支撑杆2的不同进给量，来实现反射镜1沿法向（Z向）的平动和镜面绕X轴和Y轴的倾斜自由度调整。

反射镜1沿镜面法向的平动、绕镜面X和Y轴的倾斜姿态调整量，与各支撑杆2所需的轴向调整量的计算过程如下：

一、反射镜法向平动位移与支撑杆轴向调整量之间的关系；

如图2所示，假设反射镜1需要沿其法向（图示Z向）平移Δuz_M，则三根支撑杆2所需的轴向调整量Δu'_Pi(i＝1,2,3)如式（1）所示。

Δu'_P1＝Δu'_P2＝Δu'_P3＝Δuz_M   （1）

二、反射镜绕镜面X轴的倾角与支撑杆轴向调整量之间的关系；

如图2所示，假设反射镜1需要绕X轴倾斜Δθ_X，在Δθ_X为微小量的前提下，三根支撑杆2所需的轴向进给量Δu"_PiX(i＝1,2,3)如式（2）所示。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_{P1X}^{\′\′}\stackrel{\·}{=}\frac{a}{\sqrt{3}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_X\\ \mathrm{\Δ}{u}_{P2X}^{\′\′}={\mathrm{\Δu}}_{P3X}^{\′\′}\stackrel{\·}{=}-\frac{a}{2\sqrt{3}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_X\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中：a为反射镜1三个支撑点所组成的等边三角形的边长。

三、反射镜绕镜面Y轴的倾角与支撑杆轴向调整量之间的关系；

如图3所示，假设反射镜1需要绕Y轴倾斜Δθ_Y，在Δθ_Y为微小量的前提下，三根支撑杆2所需的轴向进给量Δu"_PiY(i＝1,2,3)如式（3）所示。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_{P1X}^{\′\′}=0\\ {\mathrm{\Δu}}_{P2X}^{\′\′}\stackrel{\·}{=}-\frac{a}{2}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_Y\\ \mathrm{\Δ}{u}_{P3Y}^{\′\′}\stackrel{\·}{=}\frac{a}{2}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_Y\end{array}\right.---\left(3\right)$

在以上分析的基础上，可以得出反射镜1在上述三个特定方向上的姿态调整量之和，与各支撑杆2所需的总调整量之间的关系如下式所示。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_{P1}\stackrel{\·}{=}{\mathrm{\Δuz}}_M+\frac{a}{\sqrt{3}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_X\\ {\mathrm{\Δu}}_{P2}\stackrel{\·}{=}{\mathrm{\Δuz}}_M-\frac{a}{2\sqrt{3}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_X-\frac{a}{2}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_Y\\ {\mathrm{\Δu}}_{P3}\stackrel{\·}{=}{\mathrm{\Δuz}}_M-\frac{a}{2\sqrt{3}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_X+\frac{a}{2}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_Y\end{array}\right.---\left(4\right)$

上述所分析的倾斜姿态调整是反射镜镜面内两种较为特殊的情况。对于更为一般的倾斜姿态调整需求，假设反射镜1需要绕其面内过镜面中心，既不与X轴重合，亦不与Y轴重合的旋转中心倾斜一定角度。具体分析如下：

如图4所示，假设反射镜1的光轴需要绕XY面内一条与X轴呈φ的转动中心需要倾角角度Δθ。可以将光轴的动作分解为分别沿X轴旋转Δθ_X和绕Y轴旋转Δθ_Y之和，在Δθ为微量的前提下，Δθ_X和Δθ_Y与φ和Δθ的关系如式（5）所示。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\θ}}_X\stackrel{\·}{=}\frac{\mathrm{R\Δ\θ}\cos \mathrm{\φ}}{R}=\mathrm{\Δ\θ}\cos \mathrm{\φ}\\ {\mathrm{\Δ\θ}}_Y\stackrel{\·}{=}\frac{\mathrm{R\Δ\θ}\sin \mathrm{\φ}}{R}=\mathrm{\Δ\θ}\sin \mathrm{\φ}\end{array}\right.---\left(5\right)$

将式（5）代入式（4）可得在这种倾斜姿态需求下，各支撑杆2所需的总调整量表达形式如下式所示。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_{P1}\stackrel{\·}{=}{\mathrm{\Δuz}}_M+\frac{a}{\sqrt{3}}\mathrm{\Δ}\cos \mathrm{\φ}\\ {\mathrm{\Δu}}_{P2}\stackrel{\·}{=}{\mathrm{\Δuz}}_M-\frac{a}{2\sqrt{3}}\mathrm{\Δ\θ}\cos \mathrm{\φ}-\frac{a}{2}\mathrm{\Δ\θ}\sin \mathrm{\φ}\\ \mathrm{\Δ}{u}_{P3}\stackrel{\·}{=}{\mathrm{\Δuz}}_M-\frac{a}{2\sqrt{3}}\mathrm{\Δ\θ}\cos \mathrm{\φ}+\frac{a}{2}\mathrm{\Δ\θ}\sin \mathrm{\φ}\end{array}\right.---\left(6\right)$

在进行系统装调时，需要根据反射镜1所需的姿态调整量，然后按照式（4）或（6）计算出各支撑杆2所需的轴向调整量。

然后借助调节机构3对各支撑杆2的轴向调整量进行控制和读数。

由于各支撑杆2在反射镜固定支架4上的位置是固定的，当通过支撑杆2的轴向进给量来控制反射镜1倾斜姿态时，支撑杆2会对反射镜1产生一定的横向作用力，从而会影响到反射镜1的面型，进而影响系统的工作性能。为了减少这种横向作用力的影响，将支撑杆2设计为具有横向变形能力的柔性支撑结构。

如图5所示，本发明粗精结合的反射镜姿态定量调节装置，支撑杆2和反射镜1之间在约束关系上是球铰连接，在反射镜1的支撑点处镶嵌金属套5，用球铰压盖6将支撑杆2压入金属套5，球铰压盖6和金属套5之间利用螺钉连接；

调节机构3包括：复位弹簧3-1、粗调螺母3-2、精调圆柱凸轮3-3、凸轮导销3-5、驱动旋钮3-6、精调凸轮压盘3-4。调节机构3通过粗调螺母3-2连接于反射镜固定支架4，复位弹簧3-1连接于球铰压盖6和粗调螺母3-2之间，实际调节时粗调螺母3-2通过支撑杆2作用于球铰压盖6的驱动力和复位弹簧3-1的反作用力形成平衡，使反射镜能够平稳调节；同时还可有效消除精调过程中的凸轮间隙。

支撑杆2通过凸轮导销3-5连接于粗调螺母3-2，支撑杆2相对于粗调螺母3-2支撑产生轴向平移，而不能产生圆周转动。精调时，粗调螺母3-2与反射镜固定支架4无相对运动，作用于凸轮驱动旋钮3-6的驱动力矩通过精调圆柱凸轮3-3推动凸轮导销3-5，进而使支撑杆2产生轴向运动。精调凸轮压盘3-4通过螺钉将圆柱凸轮3-3连同凸轮驱动旋钮3-6限制于粗调螺母3-2上。粗调时，整个调节机构3相对于反射镜固定支架4运动；精调时，精调凸轮3-3带动反射镜1相对于粗调螺母3-2运动。

调节机构3与反射镜固定支架4采取精密螺纹传动副，粗调分辨率的理论值为P*β/360，其中P为粗调螺母的螺距，β为刻度盘最小刻度对应的分度角。粗调时，支撑杆2的大幅值调节量可通过设置于反射镜固定支架4上的读数玻璃窗4-1和设置于反射镜固定支架4接口部位的刻度盘共同读取，记为Δu_Coarse。

粗调完成后，通过旋动凸轮驱动旋钮3-6带动精调圆柱凸轮3-3进行精调，精调圆柱凸轮3-3可通过凸轮升角和轴向行程比来实现高于粗调环节的分辨能力。精调读数可通过设置在精调圆柱凸轮3-3上的刻度盘进行读取，此时记为Δu_Fine。反射镜支撑杆2的轴向进给总量为Δu_Coarse+Δu_Fine。

Claims (4)

1.粗精相结合的反射镜姿态定量调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，反射镜（1）通过三根具有球形铰链的支撑杆（2）支撑，形成具有三个调整变量的支撑方式；

步骤二，每根支撑杆（2）通过一个具有粗精两档调整功能的调节机构（3）连接于反射镜固定支架（4）上，支撑杆的（2）轴向进给量可根据需求进行控制和示值；

步骤三，按照下式将反射镜（1）所需的姿态调整量转化为各支撑杆（2）所需的轴向调整量，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_{P1}\stackrel{\·}{=}{\mathrm{\Δuz}}_M+\frac{a}{\sqrt{3}}\mathrm{\Δ}\cos \mathrm{\φ}\\ {\mathrm{\Δu}}_{P2}\stackrel{\·}{=}{\mathrm{\Δuz}}_M-\frac{a}{2\sqrt{3}}\mathrm{\Δ\θ}\cos \mathrm{\φ}-\frac{a}{2}\mathrm{\Δ\θ}\sin \mathrm{\φ}\\ \mathrm{\Δ}{u}_{P3}\stackrel{\·}{=}{\mathrm{\Δuz}}_M-\frac{a}{2\sqrt{3}}\mathrm{\Δ\θ}\cos \mathrm{\φ}+\frac{a}{2}\mathrm{\Δ\θ}\sin \mathrm{\φ}\end{array}\right.$

其中：Δuz_M为所需的反射镜法向平动量；a为反射镜三个支撑点所形成的等边三角形的边长；φ为倾斜转轴与X轴的夹角；Δθ所需的倾斜姿态角；

步骤四，根据所计算得到的每个支撑杆（2）所需的轴向调整量，通过调节机构（3）对每个支撑点的调整量进行定量调整。

2.粗精结合的反射镜姿态定量调节装置，其特征是，反射镜（1）由背部均布的三根支撑杆（2）通过调节机构（3）支撑于反射镜固定支架（4）上，支撑杆（2）与反射镜（1）之间采用球铰连接方式，通过调节装置（3）控制每个支撑杆（2）的进给量，实现反射镜（1）沿Z向的平动和镜面绕X轴和Y轴的倾斜自由度调整；

反射镜（1）的支撑点处镶嵌金属套（5），用球铰压盖（6）将支撑杆（2）压入金属套（5），球铰压盖（6）和金属套（5）之间利用螺钉连接。

3.根据权利要求2所述的粗精结合的反射镜姿态定量调节装置，调节机构（3）通过粗调螺母（3-2）连接于反射镜固定支架（4）上，复位弹簧（3-1）连接于球铰压盖（6）和粗调螺母（3-2）之间，实际调节时粗调螺母（3-2）通过支撑杆（2）作用于球铰压盖（6）的驱动力和复位弹簧（3-1）的反作用力形成平衡，使反射镜（1）能够平稳调节；同时还可有效消除精调过程中的凸轮间隙；

支撑杆（2）通过凸轮导销（3-5）连接于粗调螺母（3-2），支撑杆（2）相对于粗调螺母（3-2）支撑产生轴向平移，而不能产生圆周转动；精调时，粗调螺母（3-2）与反射镜固定支架（4）无相对运动，作用于凸轮驱动旋钮（3-6）的驱动力矩通过精调圆柱凸轮（3-3）推动凸轮导销（3-5），进而使支撑杆（2）产生轴向运动；精调凸轮压盘（3-4）通过螺钉将圆柱凸轮（3-3）固定在粗调螺母（3-2）上；凸轮驱动旋钮（3-6）固定在圆柱凸轮（3-3）上；粗调时，整个调节机构（3）相对于反射镜固定支架（4）运动；精调时，精调凸轮（3-3）带动反射镜（1）相对于粗调螺母（3-2）运动。

4.根据权利要求2所述的粗精结合的反射镜姿态定量调节装置，支撑杆（2）为具有横向变形能力的柔性支撑结构。

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