CN106526773B - 一种基于柔性对称分布钢圈的薄膜支撑机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于柔性对称分布钢圈的薄膜支撑机构，该支撑机构包括三个大柔性钢圈和两个小柔性钢圈，可旋转钢圈联结机构、光学薄膜器件以及光学薄膜器件与支撑机构的连接器件。三个大柔性钢圈围绕光学薄膜器件中心呈120°旋转对称分布，两个小柔性钢圈位于三个大柔性钢圈的顶部和底部，用于固定三个大柔性钢圈，不同的钢圈之间用可旋转的联结机构连接，便于支撑机构的折叠与展开。该支撑机构具有自稳定特性，可依靠钢圈的内应力保证支撑薄膜的稳定性；可通过调节钢圈的尺寸改变支撑薄膜上的拉伸应力；三点支撑的结构保证薄膜的平面度；对称性的分布，保证薄膜上应力的相对均匀性；采用可旋转钢圈联结机构便于实现薄膜及其支撑机构的折叠与展开。

Description

一种基于柔性对称分布钢圈的薄膜支撑机构
技术领域
本发明可用于空间衍射薄膜的支撑，适用于新型遥感卫星成像及太空探测等领域。
背景技术
由于薄膜器件具有质量轻、口径大、成像分辨率高等优势，目前薄膜衍射成像已成为未来对天、对地探测的重要研究方向。薄膜衍射器件在卫星中折叠后，其体积小，易于发射进入太空，在卫星到达预定轨道后，展开用于对地或对天探测，可大大减小卫星发射的成本。衍射成像要求薄膜器件在展开后的平面度比较高，展开后的变形要比较低，目前对于薄膜展开及支撑机构的研究比较少，已报道的薄膜展开及支撑机构的稳定性也有待进一步验证。为此，本发明提出一种基于柔性对称分布钢圈的薄膜支撑系统机构，为薄膜衍射成像研究提供新的思路。
发明内容
本发明的目的在于：由于目前国内对衍射成像的高精度衍射薄膜支撑机构的研究近乎空白，而薄膜支撑技术是未来衍射成像技术中的关键技术之一，因此本发明旨在提出一种适用于高精度衍射薄膜成像的支撑机构，为未来衍射成像技术的发展提供一种新的思路。
本发明采用的技术方案为：一种基于柔性对称分布钢圈的薄膜支撑机构，该支撑机构包括三个大柔性钢圈和两个小柔性钢圈、可旋转钢圈联结机构、光学薄膜器件以及光学薄膜器件与支撑机构的连接器件；三个大柔性钢圈围绕光学薄膜器件中心呈120°旋转对称分布，两个小柔性钢圈位于三个大柔性钢圈的顶部和底部，用于固定三个大柔性钢圈。
更进一步的，所述支撑机构中的薄膜靠三个旋转对称的点与支撑机构连接，保证在空间无重力条件下薄膜呈平面状态，减小波面误差。
更进一步的，所述支撑机构在设计时，可通过调节钢圈的尺寸改变支撑薄膜上的拉伸应力。
更进一步的，所述支撑机构具有自稳定特性，可依靠钢圈结构的内应力保证支撑薄膜的稳定性。
更进一步的，所述支撑机构关于支撑薄膜中心呈120°旋转对称分布，通过支撑机构加载到薄膜上的力对称分布，保证薄膜上应力及应变的对称性及相对均匀性。
更进一步的，所述支撑机构中的柔性钢圈之间用可旋转联结机构连接，便于实现支撑机构的折叠与展开。
本发明原理在于：
为获得一种可靠稳定的薄膜支撑机构，本发明提出一种基于柔性对称分布钢圈的薄膜支撑机构。该支撑机构包括三个大柔性钢圈和两个小柔性钢圈，可旋转钢圈联结机构、光学薄膜器件以及光学薄膜器件与支撑机构的连接器件。三个大柔性钢圈围绕光学薄膜器件中心呈120°旋转对称分布，两个小柔性钢圈位于三个大柔性钢圈的顶部和底部，用于固定三个大柔性钢圈；不同的钢圈之间用可旋转的联结机构连接，便于实现薄膜支撑机构的折叠与展开；根据三点成一面原理，所述支撑机构中的薄膜靠三个旋转对称的点与支撑机构连接，保证在空间无重力条件下薄膜呈平面状态，减小波面误差；在设计时，可通过调节钢圈的尺寸改变支撑薄膜上的拉伸应力。由于该支撑机构自身关于光学薄膜器件中心呈三次轴对称布局，通过支撑机构施加在光学薄膜器件上的力具有对称分布特性，以更好的探究支撑机构施加应力对光学成像特性的影响，方便后期像差的校正。
本发明与现有技术相比的优点在于：
该支撑机构重量轻、具有自稳定特性，可依靠钢圈的内应力保证支撑薄膜的稳定性；三点支撑的结构保证在无重力状态下薄膜呈平面状态；对称性的分布，保证薄膜上应力的相对均匀性；通过调节钢圈的尺寸可改变支撑薄膜上的拉伸应力；采用可旋转钢圈联结机构便于实现薄膜及其支撑机构的展开及折叠。
附图说明
图1为薄膜支撑机构示意图；
图2为支撑薄膜系统机构俯视图；
图3为柔性钢圈联结机构工程装配图；
图4为柔性钢圈联结机构爆炸图；
图5为本发明用于光子筛薄膜支撑机构示意图；
图6为本发明用于大口径大预紧力光子筛薄膜支撑机构示意图；
图中标号：1-小柔性钢圈，2-大柔性钢圈，3-可旋转联结机构，4-柔性钢圈，5-钢圈固定外套，6-钢圈连接轴，7-轴承箱，8-轴承，9-轴承挡块，10-薄膜连接结构，11-光子筛薄膜。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明，以使发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本发明所提供的基于柔性对称分布钢圈的薄膜支撑机构，可用于空间光学薄膜器件的支撑，该机构至少包括三个大柔性钢圈、两个小柔性钢圈，可旋转钢圈联结机构、光学薄膜器件以及光学薄膜器件与支撑机构的联结器件。大小柔性钢圈的要具有一定的刚度，可保证在自身应力作用下，光学薄膜的稳定支撑；大小钢圈相邻的联结点均由可旋转机构连接，便于实现薄膜的展开与折叠。
实施例1
实施例1提供一种用于卫星对地观测中使用到的光子筛薄膜支撑机构，如图5所示，相比于传统的玻璃透镜成像，光子筛薄膜具有重量轻、口径大、可折叠、成像分辨率高等优势，是未来大口径高分辨光学探测不可缺少的技术。光子筛薄膜支撑机构可实现对光子筛薄膜的稳定支撑。
实施例1的具体实施步骤如下：
1）确定光子筛薄膜口径：根据卫星在轨高度、成像分辨率、CCD等参数确定光子筛薄膜口径及焦距，此实例设定光子筛薄膜口径为250mm；
2）大小柔性钢圈尺寸的确定：用于空间卫星对地观测的光子筛薄膜支撑机构工作在无重力条件下。在无负载状态下，大小柔性钢圈均为标准圆环；在工作状态下，三个侧面的大柔性钢圈受到光子筛薄膜拉伸应力的作用，在拉伸应力的作用下压缩为三个椭圆环，根据薄膜上拉伸应力的大小可计算出大柔性钢圈的长短轴比。根据光子筛薄膜口径，计算得无负载状态下三个大钢圈直径为500mm，两个小钢圈的直径为288mm，钢圈横截面的长为2.6mm，宽为0.6mm；有负载状态下椭圆环长短轴的比要根据支撑薄膜所需的拉伸应力决定，拉伸应力的大小可根据后期光学成像性能的测试去调节；
3）可旋转联结机构的加工：由大小柔性钢圈横截面的尺寸，计算出可旋转联结机构中连接轴的尺寸，选择合适的深沟球轴承，确定轴承箱以及轴承挡块以及其它零部件的尺寸，轴承与连接轴以及轴承与轴承箱之间为紧配合，钢圈横截面的对角线长度等于钢圈固定外套与钢圈配合孔的孔径，用于限制钢圈的移动。其它一些关键尺寸如下：连接轴的轴径为1.5mm，轴承的内径为1.5mm，轴承的外径为4mm，联结机构的总长约为23mm，总高约为14mm；
4）机构的装配：根据设计的各零部件的尺寸，对整个支撑系统进行装配；
5）光学性能的调试：支撑机构加载到光子筛薄膜上的拉伸力在一定程度上控制光子筛薄膜的平面度和变形度，从而调节光学薄膜成像的波面误差，以获得最佳的光学特性。
实施例2
实施例2提供一种用于卫星对地观测的大预应力光子筛薄膜支撑机构，如图6所示。在实例1的基础上，通过改变支撑机构中大柔性钢圈的椭圆度，提供给支撑薄膜不同的预紧力，确保光子筛薄膜呈平面状态，减小成像的波像差。支撑机构提供的力必须要与光子筛薄膜所需要的支撑力相匹配。本实例所提供的支撑机构中侧面的三个大柔性钢圈呈大变形椭圆状态，以保证提供给光子筛薄膜足够大的预紧力。
实施例2的具体实施步骤如下：
1）确定光子筛薄膜口径：根据卫星在轨高度、成像分辨率、CCD等参数确定光子筛薄膜口径及焦距，此实例设定光子筛薄膜口径为100mm；
2）大小柔性钢圈尺寸的确定：用于空间卫星对地观测的光子筛薄膜支撑机构工作在无重力条件下。在大预紧力状态下，三个侧面的大柔性钢圈受到光子筛薄膜拉伸应力的作用，在拉伸应力的作用下压缩为三个椭圆环，根据薄膜上拉伸应力的大小可计算出大柔性钢圈的长短轴比。根据光子筛薄膜口径及所需要施加的预紧力，测量不同作用力下三个大椭圆钢圈的长短轴比，使椭圆钢圈提供的作用力与薄膜所需要施加的预紧力相匹配。本实例测量了不同椭圆度下支撑机构提供的力，如表1所示。
表1支撑机构提供的力与钢圈椭圆度之间的关系
椭圆度 长轴/mm 短轴/mm 提供的力/N
0.000 338 338 0.000
0.083 348 320 0.052
0.178 360 300 0.139
0.317 377 270 0.312
0.408 388 250 0.364
本实例中提供给光子筛薄膜0.139N的预紧力，根据表1中测量的数据可知，三个大柔性钢圈长轴长为360mm，短轴长为300mm，两个小圆形钢圈与三个钢圈短轴确定的等边三角形相切，计算得两个小圆形钢圈的直径近似为173mm，钢圈横截面的长为2.6mm，宽为0.6mm。
3）可旋转联结机构的加工：由大小柔性钢圈横截面的尺寸，计算出可旋转联结机构中连接轴的尺寸，选择合适的深沟球轴承，确定轴承箱以及轴承挡块以及其它零部件的尺寸，轴承与连接轴以及轴承与轴承箱之间为紧配合，钢圈横截面的对角线长度等于钢圈固定外套与钢圈配合孔的孔径，用于限制钢圈的移动。其它一些关键尺寸如下：连接轴的轴径为1.5mm，轴承的内径为1.5mm，轴承的外径为4mm，联结机构的总长约为23mm，总高约为14mm；
4）机构的装配：根据设计的各零部件的尺寸，对整个支撑系统进行装配；
5）光学性能的调试：支撑机构加载到光子筛薄膜上的拉伸力在一定程度上控制光子筛薄膜的平面度和变形度，从而调节光学薄膜成像的波面误差，以获得最佳的光学特性。

Claims (6)

1.一种基于柔性对称分布钢圈的薄膜支撑机构，其特征在于：该支撑机构包括三个大柔性钢圈和两个小柔性钢圈、可旋转钢圈联结机构、光学薄膜器件以及光学薄膜器件与支撑机构的连接器件；三个大柔性钢圈围绕光学薄膜器件中心呈120°旋转对称分布，两个小柔性钢圈位于三个大柔性钢圈的顶部和底部，用于固定三个大柔性钢圈。
2.根据权利要求1所述的基于柔性对称分布钢圈的薄膜支撑机构，其特征在于：所述支撑机构中的薄膜靠三个旋转对称的点与支撑机构连接，保证在空间无重力条件下薄膜呈平面状态，减小波面误差。
3.根据权利要求1所述的基于柔性对称分布钢圈的薄膜支撑机构，其特征在于：所述支撑机构在设计时，可通过调节钢圈的尺寸改变支撑薄膜上的拉伸应力。
4.根据权利要求1所述的基于柔性对称分布钢圈的薄膜支撑机构，其特征在于：所述支撑机构具有自稳定特性，可依靠钢圈结构的内应力保证支撑薄膜的稳定性。
5.根据权利要求1所述的基于柔性对称分布钢圈的薄膜支撑机构，其特征在于：所述支撑机构关于支撑薄膜中心呈120°旋转对称分布，通过支撑机构加载到薄膜上的力对称分布，保证薄膜上应力及应变的对称性及相对均匀性。
6.根据权利要求1所述的基于柔性对称分布钢圈的薄膜支撑机构，其特征在于：所述支撑机构中的柔性钢圈之间用可旋转联结机构连接，便于实现支撑机构的折叠与展开。
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