CN105259635A - 一种应用于大口径反射镜静定支撑中的whiffletree支撑结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于大口径反射镜静定支撑中的whiffletree支撑结构，包括：转轴、横杠、修研垫、转轴与横杠连接螺钉、转轴与横杠定位销、镜体背部粘接件、柔杆与镜体背部粘接件连接螺钉、柔杆与镜体背部粘接件定位销、两个柔杆、横杠与柔杆连接螺钉、横杠与柔杆定位销、修研垫与转轴连接螺钉、修研垫与转轴定位销。本发明在不引入过约束的情况下增加了对反射镜的支撑点数，有效的提高了反射镜抵抗重力变形的能力，提高了反射镜的面形精度。将转轴和柔杆嵌入横杠的设计有效的解决Whiffletree支撑结构沿反射镜光轴方向尺寸过大的问题，利于工程实现。

Description

一种应用于大口径反射镜静定支撑中的whiffletree支撑结构

技术领域

本发明属于地面、空间遥感技术领域，涉及的一种应用于大口径反射镜静定支撑中的whiffletree支撑结构。

背景技术

地面、空间遥感器用于对地球和太空资源进行普查和详查，在对地观察、太空探测等领域的应用具有重要的科学和经济意义。地面、空间遥感器中的光学元件特别是大口径反射镜是整个光学系统中最重要的部件,它的面形精度高低直接关系到整个遥感器成像质量的好坏。在光学界，通常把通光孔径大于600mm的称为大口径，由于镜面尺寸大、质量高，常常引起镜面产生变形。面形精度的好坏与反射镜的支撑结构有很大的关系，好的支撑结构可以使反射镜的面形精度更好，稳定性更好，装调精度要求低，对热应力有好的抵抗能力。

本发明以前，为实现对光学反射镜的静定支撑，大多反射镜采用背部三点支撑形式，如图1所示，包括背板100、第一螺钉200、柔头300、锥套400、第二螺钉500、反射镜600。柔头300通过第一螺钉200与背板100连接，柔头300的另一端通过第二连接螺钉500与锥套400连接，锥套400再与反射镜600用胶粘接。这种支撑方式通过在柔头300上加工一定数量和特殊形式的沟槽，可以保证柔头有合适的柔性，消减装配应力和热应力。该结构的优缺点是：由于镜体本身的刚度有限，当反射镜镜体增大到一定尺寸，在重力作用下，镜体在三点支撑下自身产生的变形超出设计指标要求，不能满足光学系统成像的使用需求。

发明内容

为了克服已有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提出一种应用于属于静定支撑的复合支撑结构形式中的一点变两点的有效支撑结构—Whiffletree支撑结构，增加支撑点数，消弱装配应力，同时还能很好的消弱热载荷带来的热应力，保证面形精度，从而保证遥感器的成像质量。whiffletree支撑结构在不引入过约束的情况下，增加对镜体的支撑点数，同时可以消弱支撑结构和镜体材料热特性不一致带来的热应力。

本发明的技术方案具体如下：

一种应用于大口径反射镜静定支撑中的whiffletree支撑结构，包括：转轴、横杠、修研垫、转轴与横杠连接螺钉、转轴与横杠定位销、镜体背部粘接件、柔杆与镜体背部粘接件连接螺钉、柔杆与镜体背部粘接件定位销、两个柔杆、横杠与柔杆连接螺钉、横杠与柔杆定位销、修研垫与转轴连接螺钉、修研垫与转轴定位销；

其中，镜体背部粘接件通过一个面与镜体粘接在一起；两个柔杆安装于镜体背部粘接件上，柔杆上有两组垂直布置的第一切槽和第二切槽，用柔杆与镜体背部粘接件连接螺钉固定，用柔杆与镜体背部粘接件定位销定位，将Whiffletree支撑结构中的两个柔杆的第一法兰上端面修研；将横杠与两个柔杆进行安装，柔杆嵌入到横杠内部，用横杠与柔杆连接螺钉固定，用横杠与柔杆定位销定位；转轴安装于横杠上，转轴嵌入到横杠内部，转轴有两组垂直布置的第一薄片和第二薄片，用转轴与横杠连接螺钉固定，用转轴与横杠定位销定位；修研垫安装在转轴上，用修研垫与转轴连接螺钉固定，用修研垫与转轴定位销定位。

在上述技术方案中，镜体背部粘接件不与镜体粘接在一起的面(B面)的平面度优于0.005mm。

在上述技术方案中，两个柔杆的第一法兰上端面平面度优于0.005mm。

本发明的积极效果：

本发明的应用于大口径反射镜静定支撑中的whiffletree支撑结构，由于Whiffletree支撑结构的存在，在不引入过约束的情况下增加了对反射镜的支撑点数，有效的提高了反射镜抵抗重力变形的能力，提高了反射镜的面形精度。Whiffletree支撑结构中柔性环节-柔杆和转轴的存在，大大降低了支撑结构的装配精度，同时增强了反射镜组件的热载荷适应能力，提高了支撑结构的稳定性。将转轴和柔杆嵌入横杠的设计有效的解决Whiffletree支撑结构沿反射镜光轴方向尺寸过大的问题，利于工程实现。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是已有技术大口径反射镜支撑结构的示意图；

图2是本发明中大口径反射镜Whiffletree支撑结构原理示意图；

图3是本发明中Whiffletree支撑结构的主视示意图；

图4是图3的A-A剖视结构示意图；

图5是柔杆的轴侧结构示意图；

图6是转轴的轴侧结构示意图。

具体实施方式

本发明的发明思想为：

复合支撑形式是一种由周边支撑和背部支撑共同起支撑作用的支撑形式，周边支撑约束反射镜的三个空间自由度，背部支撑约束另外三个空间自由度，互不干涉，协调工作，实现静定支撑。为保证镜体面形精度，周边支撑和背部支撑都要采用多点支撑。本发明中的whiffletree支撑结构就是增加背部支撑点数的有效手段。

本发明提供一种有效的一点变两点、同时可以消弱装配应力和热应力的Whiffletree支撑结构。类似背部三点支撑，三组whiffletree支撑结构120°对称布置，对镜体实现六点支撑。本发明的Whiffletree支撑结构原理如图2，Whiffletree支撑结构由柔杆、横杠和转轴组成，柔杆轴向刚度强、径向刚度弱，一个柔杆约束一个沿轴向的移动自由度两个柔杆约束两个沿轴向的移动自由度对于镜体来说，两个轴向的移动自由度的实际支撑效果是约束了镜体的一个沿光轴方向的移动自由度和一个绕垂直于两个柔杆连线方向的转动自由度用转轴释放该转动自由度，则单组Whiffletree支撑结构最终约束反射镜的一个沿光轴方向的移动自由度三组Whiffletree支撑结构约束反射镜三个沿光轴方向的移动自由度实际支撑效果是约束反射镜的一个移动自由度和两个转动自由度和增加了支撑点数，并且不引入过约束，约束周边支撑没有约束的另外三个空间自由度度，配合周边支撑对镜体实现静定支撑。

Whiffletree支撑结构的技术方案如图3、图4所示，包括：转轴7、横杠8、修研垫9、转轴与横杠连接螺钉10、转轴与横杠定位销11、镜体背部粘接件12、柔杆与镜体背部粘接件连接螺钉13、柔杆与镜体背部粘接件定位销14、柔杆15、横杠与柔杆连接螺钉16、横杠与柔杆定位销17、修研垫与转轴连接螺钉18、修研垫与转轴定位销19。

工作原理说明：随着镜体体积的增大，同时质量又受到限制，镜体的刚度下降，造成面形变差，增加支撑点数是提升镜体面形精度的有效方法，背部三点支撑恰好约束三个自由度，少于三点会欠约束，多于三点会过约束。在背部三点支撑的基础上直接增加支撑点个数会引入过约束，装配精度要求很高，甚至无法实现。采用背部Whiffletree支撑结构将背部支撑点数由三点变为六点(三组背部Whiffletree支撑结构，单组背部Whiffletree支撑结构将一点变为两点)。背部Whiffletree支撑结构包括转轴7、横杠8、修研垫9、柔杆15。柔杆15如图5所示，柔杆上开有两对垂直布置的切槽1和切槽2(第一切槽和第二切槽)。切槽1和切槽2的存在释放掉柔杆的两个移动自由度和三个转动自由度，只约束柔杆沿其轴向的移动自由度。横杠8是一个高刚度的结构件，其将一点分为两点。转轴7在法兰3(第三法兰)和法兰4(第四法兰)之间布置了两组垂直相交的薄片1和薄片2(第一薄片和第二薄片)，只有绕薄片1和薄片2交线的转动自由度，是一个单自由度柔节。这样，图3、图4所示的Whiffletree支撑结构完全满足图2所示的Whiffletree支撑原理。整个Whiffletree支撑结构完全满足运动学安装原理，无过约束，有效的实现一点变两点的功能；其次，当两个柔杆15存在等高差或者不平行度时，与横杠8安装并螺钉连接时会产生装配应力，两个柔杆15的法兰1(第一法兰)的上端面会倾斜，两个柔杆上的法兰1趋于共面，这时柔杆15的切槽会产生微变形，从而削弱装配应力。当三组Whiffletree支撑结构与镜室连接时，三组Whiffletree支撑结构中修研垫9的D面的不平面度，沿两个柔杆连线方向的分量由转轴7上的两对薄片1和薄片2的弹性变形的来消弱，垂直两个柔杆连线方向的分量由两个柔杆15上的两对切槽1和切槽2的弹性变形来消弱，这样，Whiffletree支撑结构上各个零件的装配公差可以适当增大，降低装配难度；再就是，由于柔杆15在除轴向移动之外的各个自由度都是释放的，因此，由镜体材料和支撑结构材料热特性不一致带来的沿反射镜径向的变形差由柔杆17上的两对切槽1和切槽2的弹性变形来消弱，从而大大削减镜体的热应力。

同时，为满足支撑结构在反射镜光轴方向的安装尺寸限制，在保证Whiffletree支撑结构功能的情况下，将柔杆15嵌入到横杠8的内部，同样，将转轴7也嵌入到横杠8的内部，有效的减小了whiffletree支撑结构的沿反射光轴方向的尺寸。

下面结合附图对本发明做以详细说明。

本发明中的反射镜背部采用六点支撑，有三组Whiffletree支撑结构实现。按图3、图4所示的结构实施。

装配前彻底清洗诸零件，保证无杂质，装配环境要洁净。镜体背部粘接件12是支撑结构和反射镜之间的一个过渡件，使用环氧树脂胶通过A面与镜体粘接在一起，材料是殷钢，通过调整其材料配比，使其热膨胀系数和镜体的热膨胀系数一致，避免镜体背部粘接件12与镜体之间产生热应力。六个镜体背部粘接件12粘接完毕后，压紧固化一周时间，然后将六个镜体背部粘接件12的B面进行修研，平面度优于0.005mm。

分三组分别安装Whiffletree支撑结构。

首先，安装其中一组安装Whiffletree支撑结构。安装柔杆15，柔杆15的法兰2(第二法兰)的下端面与镜体背部粘接件12连接，用柔杆与镜体背部粘接件连接螺钉13固定，用柔杆与镜体背部粘接件定位销14定位，将每组Whiffletree支撑结构中的两个柔杆15的法兰1上端面修研，保证两个法兰1的上端面的平面度优于0.005mm。安装横杠8，柔杆15的法兰1的上端面与横杠8连接，用横杠与柔杆连接螺钉16固定，用横杠与柔杆定位销17定位。安装转轴7，转轴7的法兰4的下端面与横杠8连接，用转轴与横杠连接螺钉10固定，用转轴与横杠定位销11定位。安装修研垫9，转轴7的法兰3的上端面与修研垫9连接，用修研垫与转轴连接螺钉18固定，用修研垫与转轴定位销19定位。

采用相同的工艺流程安装其它三组Whiffletree支撑结构。

三组Whiffletree支撑结构安装完毕后，修研Whiffletree支撑结构修研垫9的D面，保证三组Whiffletree支撑结构的D面的平面度优于0.005mm。安装反射镜镜室结构，螺钉紧固，定位销定位。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种应用于大口径反射镜静定支撑中的whiffletree支撑结构，其特征在于，包括：转轴(7)、横杠(8)、修研垫(9)、转轴与横杠连接螺钉(10)、转轴与横杠定位销(11)、镜体背部粘接件(12)、柔杆与镜体背部粘接件连接螺钉(13)、柔杆与镜体背部粘接件定位销(14)、两个柔杆(15)、横杠与柔杆连接螺钉(16)、横杠与柔杆定位销(17)、修研垫与转轴连接螺钉(18)、修研垫与转轴定位销(19)；

其中，镜体背部粘接件(12)通过一个面与镜体粘接在一起；两个柔杆(15)安装于镜体背部粘接件(12)上，柔杆(15)上有两组垂直布置的第一切槽和第二切槽，用柔杆与镜体背部粘接件连接螺钉(13)固定，用柔杆(15)与镜体背部粘接件定位销(14)定位，将Whiffletree支撑结构中的两个柔杆(15)的第一法兰上端面修研；将横杠(8)与两个柔杆(15)进行安装，柔杆(15)嵌入到横杠(8)内部，用横杠与柔杆连接螺钉(16)固定，用横杠与柔杆定位销(17)定位；转轴(7)安装于横杠(8)上，转轴(7)嵌入到横杠(8)内部，转轴(7)有两组垂直布置的第一薄片和第二薄片，用转轴与横杠连接螺钉(10)固定，用转轴与横杠定位销(11)定位；修研垫(9)安装在转轴(7)上，用修研垫与转轴连接螺钉(18)固定，用修研垫与转轴定位销(19)定位。

2.根据权利要求1所述的应用于大口径反射镜静定支撑中的whiffletree支撑结构，其特征在于，镜体背部粘接件(12)不与镜体粘接在一起的面的平面度优于0.005mm。

3.根据权利要求1所述的应用于大口径反射镜静定支撑中的whiffletree支撑结构，其特征在于，两个柔杆(15)的第一法兰上端面平面度优于0.005mm。