CN106873144A - 用于复杂温度环境下望远镜副镜浮动式逆向补偿装置 - Google Patents

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CN106873144A CN201710248720.3A CN201710248720A CN106873144A CN 106873144 A CN106873144 A CN 106873144A CN 201710248720 A CN201710248720 A CN 201710248720A CN 106873144 A CN106873144 A CN 106873144A
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顾伯忠
姜翔
张志永
朱冉
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Abstract

用于复杂温度环境下望远镜副镜浮动式逆向补偿装置，主镜支撑与主镜室固定连接，主镜室与镜筒的一端固定连接；副镜与副镜支撑固定连接，并与副镜笼组合固定连接，该副镜笼组合与镜筒的另一端固定连接；其特征在于，所述副镜笼组合与镜筒的另一端固定连接的方式是：该副镜笼组合通过加预压的弹性浮动导向机构与镜筒的另一端相连；低膨胀定位杆连接副镜笼组合和主镜室固定连接。发明具有定位精度高，无人工干预自调整，成本低廉等优点，在复杂温度环境下可大幅提升天文望远镜主副镜之间位置的定位精度和稳定性，持续保持光学系统优良像质和焦点位置，不需要过程调焦，保持天文观测的连续性；本发明适用于各类天文望远镜的主副镜轴向定位支撑。

Description

用于复杂温度环境下望远镜副镜浮动式逆向补偿装置
技术领域
本发明涉及天文望远镜结构设计领域，具体涉及一种具有复杂温度环境的太阳望远镜支撑结构设计；本发明也涉及其它复杂温度环境下的定位系统结构设计领域。
背景技术
专业天文望远镜光学系统一般采用反射式系统，具有结构尺寸大，定位要求高的特点。随着天文研究发展的需要，望远镜口径越做越大，镜面之间的空间尺寸也同步加大；随着镜面加工技术的发展，可以磨制快焦比主镜，满足了缩短镜筒长度尺寸，以减小望远镜空间尺寸和减少转动惯量的需要，同时对主副镜的空间定位精度提出了更高的要求。
天文望远镜都是露天工作，尤其是太阳望远镜，在太阳照射下工作，环境温度复杂，而环境温度的变化，将使支撑望远镜光学系统的结构件产生热涨冷缩，导致镜面位置的变化。由于结构尺寸大，较小的温度变化就可能导致镜面位置误差超过镜面位置精度的要求，从而引起光学系统像质变差，焦点位置发生变化。
以前的天文望远镜一般采用固定的支撑结构，并设置轴向调焦运动机构，当因结构热涨冷缩而导致副镜产生位移时，依靠调焦运动机构做补偿调整，其最大缺点是需要根据像面成像质量来判断是否失焦来调整副镜位置，打断正常观测，失去观测的连续性。
之前也有用低膨胀微晶玻璃杆作为测量杆，测出位移量，做实时补偿，其缺点是需要高精度位移传感器、高精度位移运动机构和较为复杂的控制系统。
现代大型天文望远镜一般采用高精度六自由度运动机构定位副镜，并根据温度传感器的得到的温度数据，或像面传感器信息实时补偿副镜位移误差，能获得较高的实时定位精度，其缺点是高精度运动机构控制困难，代价昂贵。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于复杂温度环境下望远镜副镜浮动式逆向补偿装置，使望远镜在复杂温度环境下，无需人为干预，就可以保持镜面高精度相对位置的稳定性，从而保证光学系统像质的稳定，以及天文观测的连续性。
本发明用以解决上述技术问题的方案是：一种用于复杂温度环境下望远镜副镜浮动式逆向补偿装置，主镜支撑与主镜室固定连接，主镜室与镜筒的一端固定连接；副镜与副镜支撑固定连接，并与副镜笼组合固定连接，该副镜笼组合与镜筒的另一端固定连接；其特征在于，所述副镜笼组合与镜筒的另一端固定连接的方式是：该副镜笼组合通过加预压的弹性浮动导向机构与镜筒的另一端相连；低膨胀定位杆连接副镜笼组合和主镜室固定连接。
主镜与副镜的轴向位置取决于低膨胀定位杆、副镜支撑和主镜支撑的轴向长度。
换言之，参照附图，本发明的望远镜副镜浮动式逆向补偿装置由副镜1、副镜支撑2、副镜笼组合3、加预压的弹性浮动导向机构4、镜筒5、主镜9、主镜支撑6、主镜室7、低膨胀定位杆组成8；所述副镜1与副镜支撑2固连，副镜支撑2位于副镜笼组合3右方，两者固连，副镜笼组合3通过加预压的弹性浮动导向机构4与镜筒5左端相连，主镜9与主镜支撑6固连，主镜支撑6位于主镜室7左端，与主镜室7固连，主镜室7与镜筒6右端固连，低膨胀定位杆8连接副镜笼组合3和主镜室7固连。主副镜轴向位置取决于低膨胀定位杆8、副镜支撑2和主镜支撑6的轴向长度。
所述副镜支撑2、主镜支撑6和低膨胀定位杆8，在温度变化时，低膨胀定位杆8产生的热胀冷缩量与采用普通碳钢制作的副镜支撑2和主镜支撑6所产生的热胀冷缩量和形成自调整逆向补偿，保持主副镜位置不变。
所述加预压的弹性浮动导向机构4、镜筒5和低膨胀定位杆8，在温度变化时，碳钢制作镜筒5产生的热胀冷缩量大于低膨胀定位杆8产生的热胀冷缩量，差值由弹性浮动导向机构4的弹性变形补偿，保持封闭尺寸链稳定。
所述加预压的弹性浮动导向机构4，加预压的弹性浮动导向机构4设置有加预压的高精度滚动花键作为轴向运动导向，当镜筒5热胀冷缩，弹性浮动导向机构4的弹性变形时，副镜笼组合2与镜筒5之间没有径向位移和倾斜位移产生，不会影响主副镜空间位置关系。
所述加预压的弹性浮动导向机构4，给弹性浮动机构4加两倍副镜、副镜支撑2和副镜笼组合2重量和以上预压，使副镜保持足够的定位刚性，在望远镜指向跟踪运动时，副镜1位置的稳定。
所述加预压的弹性浮动导向机构4和低膨胀定位杆8，加预压的弹性浮动导向机构4使得低膨胀导向杆8只受拉力，只需用细长杆就可以避免失稳，减小径向结构尺寸和结构重量，降低造价。
本发明原理：本发明创新点逆向补偿、弹性吸收和预压导向分别基于热胀冷缩原理，弹性力学原理和机械运动学原理。
根据弹性力学原理，弹性元件随压力伸缩，镜筒5热涨冷缩时，改变了施加在弹性浮动导向机构4的压力，出现弹性变形量的改变，补偿了镜筒5的热胀冷缩量，实现初级定位，精度与低膨胀定位杆的热胀冷缩量一致。
根据热涨冷缩原理，物体的热涨冷缩具有固定的方向性，本发明利用主镜支撑6和副镜支撑2的反向热胀冷缩量逆向补偿低膨胀定位杆8的热胀冷缩量，使安装主副镜的节点空间位置不变，进一步提升定位精度。
根据机械运动学原理，本发明在镜筒5与副镜笼组合3之间设置采用预压滚动花键10与弹性元件11弹性浮动导向机构4，近保留轴向自由度，达到单向运动目的。
本发明与现有技术比较所具备优点：
1、由于采用二次逆向补偿的方式消除了低膨胀定位杆8的热胀冷缩量，定位精度极高，理论精度为零，实际精度依赖于热膨胀系数的测定精度，但可以通过在使用环境下调整定位杆长度8来进一步降低误差，提升精度。
2、一次安装调试完后，本发明所述装置，在环境温度发生变化时，调整补偿在装置内部结构自动进行，无须人为干涉。
3、结构简单，功能依靠纯机械结构实现，无须电器控制配合，可靠性好，造价低廉。
附图说明
图1为本发明用于复杂温度环境下望远镜副镜浮动式逆向补偿装置一种实施例示意图；
图2为本发明加预压的弹性浮动导向机构4的一种实施例示意图。
具体实施方式
实施例1，用于复杂温度环境下望远镜副镜浮动式逆向补偿装置，参照图1、图2：专业天文望远镜光学系统一般采用反射式系统，具有结构尺寸大，定位要求高的特点。天文望远镜都是露天工作，尤其是太阳望远镜，在太阳照射下工作，环境温度复杂，而环境温度的变化，将使支撑望远镜光学系统的结构件产生热涨冷缩，导致镜面位置的变化。由于结构尺寸大，较小的温度变化就可能导致镜面位置误差超过镜面位置精度的要求，从而引起光学系统像质变差，焦点位置发生变化。需要设计一套能根据温度变化做出调整的精确定位机构。
本发明公开一种用于复杂温度环境下望远镜副镜浮动式逆向补偿装置，由副镜1、副镜支撑2、副镜笼组合3、加预压的弹性浮动导向机构4、镜筒5、主镜9、主镜支撑6、主镜室7、低膨胀定位杆组成8；所述副镜1与副镜支撑2固连，副镜支撑2位于副镜笼组合3右方，两者固连，副镜笼组合3通过加预压的弹性浮动导向机构4与镜筒5左端相连，主镜9与主镜支撑6固连，主镜支撑6位于主镜室7左端，与主镜室7固连，主镜室7与镜筒6右端固连，低膨胀定位杆8连接副镜笼组合3和主镜室7固连。主副镜轴向位置取决于低膨胀定位杆8、副镜支撑2和主镜支撑6的轴向长度。
本发明通过弹性吸收和逆向补偿双重手段实现消除热胀冷缩对望远镜主副镜轴向位置的影响。
因瓦合金是低膨胀定位杆8能用的一种典型材料。
加预压的弹性浮动导向机构中，预压滚动花键或直线轴承适用于导向的典型部件，弹性元件需要高K值。K值大小与副镜1、副镜支撑2、副镜笼组合3的总重量相关，一般要求在5mm的压缩行程下，弹性支撑力达到副镜1、副镜支撑2、副镜笼组合3的总重的两倍以上。
本发明适用于各种光学天文望远镜中主副镜定位定位装置，针对各种具体应用，可依据本发明权利要求书中所提出的各项特征，并结合各望远镜具体要求，对其主副镜定位支撑装置进行详细的结构设计。
本发明公开了一种用于复杂温度环境下望远镜副镜浮动式逆向补偿装置，具有定位精度高，无人工干预自调整，成本低廉等优点，在复杂温度环境下，可大幅提升天文望远镜主副镜之间位置的定位精度和稳定性，持续保持光学系统优良像质和焦点位置，不需要过程调焦，保持天文观测的连续性；本发明也可推广应用于其它物体在复杂温度环境下的精确定位支撑。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种用于复杂温度环境下望远镜副镜浮动式逆向补偿装置，主镜支撑与主镜室固定连接，主镜室与镜筒的一端固定连接；副镜与副镜支撑固定连接，并与副镜笼组合固定连接，该副镜笼组合与镜筒的另一端固定连接；其特征在于，所述副镜笼组合与镜筒的另一端固定连接的方式是：该副镜笼组合通过加预压的弹性浮动导向机构与镜筒的另一端相连；低膨胀定位杆连接副镜笼组合和主镜室固定连接。
2.根据权利要求1所述的用于复杂温度环境下望远镜副镜浮动式逆向补偿装置，其特征在于，所述加预压的弹性浮动导向机构中，设置有加预压的滚动花键与弹性元件作为轴向运动导向，近保留轴向自由度，达到单向运动目的。
3.根据权利要求1所述的用于复杂温度环境下望远镜副镜浮动式逆向补偿装置，其特征在于，所述低膨胀定位杆采用因瓦合金材料。
4.根据权利要求2或3所述的用于复杂温度环境下望远镜副镜浮动式逆向补偿装置，其特征在于，所述弹性元件需要高K值：在5mm的压缩行程下，其弹性支撑力达到副镜、副镜支撑与副镜笼组合的总重的两倍以上。
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