CN109633859A - 一种具有背部柔性支撑结构的大口径光学反射镜 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有背部柔性支撑结构的大口径光学反射镜，其有效解决了现有大口径反射镜背部多点支撑技术中存在的支撑环节过多、装配工艺复杂、支撑背板尺寸和质量过大，以及难以同时保证在重力释放和环境温度变化工况下的面型精度要求高的问题。该反射镜包括反射镜镜体、柔性支架和支撑背板；柔性支架为三个，且沿圆周方向均匀分布在反射镜镜体和支撑背板之间；每一个柔性支架均包括相互垂直设置的等腰三角形底架以及梯形立架；等腰三角形底架的三个顶点均与反射镜镜体的背部连接；梯形立架的顶边与等腰三角形底架连接，梯形立架的底边与支撑背板的侧面连接；梯形立架的底边采用柔性铰链结构，梯形立架的两个腰均为柔性簧片结构。
Description
技术领域
本发明涉及光学精密机械技术领域，特别是一种具有背部柔性支撑结构的大口径光学反射镜。
背景技术
空间光学遥感器在对地观察、太空探测等领域的应用具有重要的科学和经济意义。大口径反射镜是指通光孔径大于500mm的反射镜，是空间光学遥感器光学系统中最重要的光学元件。光学反射镜安装定位精度与面形精度的好坏直接影响着光学系统成像质量的高低。而为了控制遥感器的整机重量，必须对反射镜进行轻量化设计并控制反射镜的总厚度。这就导致了反射镜绝对刚度的下降和对外界力学、热学载荷敏感度的增大。因此，空间反射镜的支撑结构必须具有良好的静态结构刚度与稳定性、优异的动态结构刚度与强度和极佳的热结构特性。
公开号为CN108594399A的中国专利公开了名称为一种大口径反射镜的支撑结构及支撑组件的技术方案。参见附图1和图2，该发明的支撑结构，包括嵌套104和支撑柔铰102，嵌套104包括嵌套本体，嵌套本体的端面上沿周向均布N段等弧度等宽度并在轴向上贯穿嵌套104的沟槽108，其中N为大于等于2的自然数；嵌套104的外壁阵列设置有注胶孔110。该发明的支撑组件还包括与不同位置高度的注胶孔110对应的不同长度的辅助注胶钉112，辅助注胶钉112开设有“L”型注胶通道113，注胶通道113的出口端114直径与注胶孔110直径相等。该发明的支撑结构及支撑组件，用于大口径反射镜的低应力高稳定性支撑。
这种技术方案的缺点是：
a)实践过程中辅助注胶钉和注胶孔的使用并不能达到方案中理想的注胶效果，且因为与嵌套本体端面上沿周向均布的轴向贯穿的沟槽相对应的注胶孔在周向布局并不连续性均匀，注胶完成后嵌套外侧面的胶斑均匀性并不能有效保证，会引起反射镜镜孔内壁的应力集中现象，从而降低面型精度；
b)通过分别在嵌套和支撑柔铰上切割出单方向尺寸较小的沟槽和通槽以获得柔性环节，加工困难，且成本较高。此外，该方法的注胶工艺决定了对辅助注胶钉和嵌套的加工精度尤其是公差配合要求较高，公差较大会引起注胶过程中胶粘剂流入辅助注胶钉和嵌套之间的间隙，甚至通过贯穿的沟槽流到反射镜镜孔而造成多余物。公差较小则会导致辅助注胶钉难以装入沟槽，且拆卸辅助注胶钉时会较为困难；
c)胶层固化后拔出辅助注胶钉的过程也会因为环氧树脂胶本身较强的剪切强度而更为困难，同时因装拆辅助注胶钉的次数过多还需要考虑对原先注胶完成的胶斑的破坏风险；
d)此种支撑方式不适用于较多尤其是三个以上支撑点的大口径反射镜组件，且不适用于反射镜支撑背板尺寸相对反射镜口径较小的对质量和尺寸要求较高的情形。
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具有背部柔性支撑结构的大口径光学反射镜，解决现有大口径反射镜背部多点支撑技术存在的支撑环节过多、装配工艺复杂、支撑背板尺寸和质量过大，以及难以同时保证在重力释放和环境温度变化工况下的面型精度要求高的问题。
为实现上述目的，本发明的一种具有背部柔性支撑结构的大口径光学反射镜，包括反射镜镜体、柔性支架和支撑背板；
柔性支架为三个，且沿圆周方向均匀分布在反射镜镜体和支撑背板之间；
每一个柔性支架均包括相互垂直设置的等腰三角形底架以及梯形立架；等腰三角形底架的三个顶点均与反射镜镜体的背部连接；梯形立架的顶边与等腰三角形底架连接，梯形立架的底边与支撑背板的侧面连接；
梯形立架的底边采用柔性铰链结构，梯形立架的两个腰均为柔性簧片结构。
优选地，为了使柔性铰链结构的自身变形能够达到卸载和吸收应变能的目的，上述柔性铰链结构包括直梁和斜梁；所述直梁的中部设置有向梯形立架的顶边方向凸起的第一圆弧，直梁的两端设置有第一通孔和第一销孔，相应的所述支撑背板的侧面设有与第一通孔对应的第一螺孔以及与第一销孔对应的第二销孔，第一通孔和第一螺孔通过螺钉连接，第一销孔和第二销孔通过销钉定位，所述斜梁上设置有向梯形立架的底边方向凸起的第二圆弧。
优选地，上述柔性簧片结构包括第一簧片和第二簧片；第一簧片和第二簧片正交连接。
优选地，等腰三角形底架的三个顶点均开设有第二通孔，相应的反射镜镜体的背部在与等腰三角形底架的三个顶点对应的位置开设有三个锥形孔，锥形孔内设置锥套，锥套的外表面与锥形孔粘接，锥套的内表面开设有内螺纹孔，螺钉穿过第二通孔后与所述内螺纹孔连接，将等腰三角形底架固定在反射镜镜体的背部。
优选地，为了提高整个反射镜组件的轻量化率，上述等腰三角形底架和支撑背板均上开设有多个减重孔。
优选地，所述反射镜镜体的背部开设有多个开放式三角形凹槽，凹槽的底部设置有至少三条相互连接筋板。
优选地，为了提高胶层可靠性并在一定程度上起局部隔绝应力传递的作用，上述锥套的外表面开设有多条环形留胶槽。
优选地，梯形立架的底边与支撑背板的侧面之间设有修切垫片。
优选地，上述等腰三角形底架与梯形立架一体加工成型。
优选地，锥套、柔性支架热膨胀系数与所述反射镜镜体的热膨胀系数一致。
本发明的有益效果为：
1、本发明的柔性支架由相互垂直的等腰三角形底架和梯形立架构成，这种支撑方式是在三点支撑的基础上，在每一个静定的支撑点上，通过三个等腰三角形底架，把支承点数扩大为九个，再作用于反射镜镜体。由于等腰三角形底架本身是静定的，因此作用于反射镜镜体支撑力的大小并不彼此独立，而是服从静力平衡规律。因此，对支撑力来讲，它是一个静定系统，但对反射镜弹性变形来讲它是超静定的，可以很好地改善反射镜的重力变形；
梯形立架将柔性铰链结构作为底边，将柔性簧片结构作为两个腰，当重力场相对反射镜镜体坐标系发生变化时，柔性支架能够始终实现对反射镜镜体的完全约束，极大减小了镜面面形精度的变化。
2、本发明的柔性簧片结构由相互正交连接的第一簧片和第二簧片构成，使得一个柔性簧片结构具有五个方向的自由度和一个方向的约束，从而由两个柔性簧片结构构成的梯形立架的两个腰则等效于一个具有两个转动自由度的球铰链，从而使得三个柔性支架对反射镜镜体形成了等效于三个球铰链的完全运动学约束，而没有引入过约束，这便实现了对反射镜镜体的精密安装定位。
3、由于每个柔性簧片结构上第二簧片的存在，使得柔性支架具有沿反射镜镜体径向方向的线位移柔度，当外界环境温度变化导致反射镜镜体与支撑背板热膨胀变化量不一致时，通过第二簧片的自身变形来吸收应变能，极大地减小了此时镜面面形精度的变化。
4、本发明的柔性铰链结构由特殊设计的直梁和斜梁构成，利用了弹性材料微小角变形及其自恢复的特征，能够很好地隔绝反射镜镜体与支撑背板之间由于材料不匹配等引起的热应力，同时通过柔性铰链结构的自身变形能够达到卸载和吸收应变能的目的，具有无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高等优点。
5、本发明采用锥套和锥形孔粘接配合实现了柔性支架和反射镜镜体的定位，并在锥套的外表面加工有轴向均布的多条环形留胶槽，提高了胶层可靠性，并能在一定程度上起局部隔绝应力传递的作用。
6、本发明在等腰三角形底架以及支撑背板上开设减重孔，使得整个结构轻量化。
7、本发明的反射镜镜体的背部开设有多个开放式三角形凹槽，并在凹槽的底部设计有至少三条相互连接筋板，使得反射镜镜体在轻量化的同时还能提高其强度。
8、本发明将柔性支架与支撑背板之间通过螺钉连接，销钉定位，进一步地提高了反射镜支撑结构的装配精度。
9、本发明通过基于“多点支撑变三点”方法的正交一体式柔性支架结构的引入，减少了反射镜支撑背板上与反射镜每个支撑孔对应的机械安装接口数量，有效提高了各点支撑的一致性，减小了支撑背板的尺寸和质量，加工工艺与装配过程简单，工作可靠，能在较大的范围内满足光学设计对反射镜面型精度的要求。
附图说明
图1为现有大口径反射镜柔性支撑结构的剖视图；
图2为现有大口径反射镜柔性支撑结构中支撑组件的示意图；
图3为本发明一个实施例总体结构示意图；
图4为图3中装配关系的爆炸示意图；
图5为本发明一个实施例锥套与反射镜镜体粘接局部结构剖视示意图；
图6为本发明一个实施例锥套结构示意图；
图7为本发明一个实施例柔性支架结构示意图；
附图标记：101-反射镜、102-支撑柔铰、103-安装螺钉、104-嵌套、105-环氧树脂胶、108-沟槽、110-注胶孔、112-辅助注胶钉、113-注胶通道、114-注胶通道的出口端；
1-反射镜镜体，11-锥形孔、12-凹槽、13-筋板；
2-柔性支架，21-等腰三角形底架、211-第二通孔、212-减重孔、22-梯形立架、221-直梁、2211-第一圆弧、2212-第一通孔、2213-第一销孔、222-斜梁、2221-第二圆弧、223-第一簧片、224-第二簧片；
3-支撑背板，31-第一螺孔、32-第二销孔；
4-锥套，41-内螺纹孔、42-留胶槽；
5-螺钉，6-销钉、7-修切垫片。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：
参见附图3至附图7，本发明的具有背部柔性支撑结构的大口径光学反射镜包括反射镜镜体1、柔性支架2和支撑背板3。
该反射镜结构的连接关系是：
柔性支架2为三个，且沿圆周方向均匀分布在反射镜镜体1和支撑背板3之间；
每一个柔性支架2均包括相互垂直设置的等腰三角形底架21以及梯形立架22；等腰三角形底架21的三个顶点均与反射镜镜体1的背部连接；梯形立架22的顶边与等腰三角形底架21连接，梯形立架22的底边与支撑背板3的侧面连接；
梯形立架22的底边采用柔性铰链结构，梯形立架22的两个腰均为柔性簧片结构。
柔性支架2中等腰三角形底架21与反射镜镜体1的连接关系是：
反射镜镜体1背部120°圆周均布三个锥形孔组(每个锥形孔组中包括三个锥形孔11，三个锥形孔11之间的连线构成一个等腰三角形)，锥形孔11内设置锥套4，锥形孔11的锥度与锥套4的锥度相同，每个锥形孔11与一个锥套4配合并通过胶粘结固定，锥套4沿其轴线开设有内螺纹孔41；每个等腰三角形底架21的三个顶点均设置有第二通孔211，螺钉5穿过第二通孔211后与锥套4的内螺纹孔41配合，将柔性支架2与反射镜镜体1的背部连接。
梯形立架22中柔性铰链结构和柔性簧片结构的具体结构，以及与其他零件的连接关系是：
柔性铰链结构包括直梁221和斜梁222；直梁221的中部设置有向梯形立架22的顶边方向凸起的第一圆弧2211，直梁221的两端设置有第一通孔2212和第一销孔2213，相应的支撑背板3的侧面设有与第一通孔2212对应的第一螺孔31以及与第一销孔2213对应的第二销孔32，第一通孔2212和第一螺孔31通过螺钉5连接，实现了梯形立架22与支撑背板3的固定连接；第一销孔2213和第二销孔32通过销钉6定位，保证了梯形立架22与支撑背板3的定位精度；斜梁222上设置有向梯形立架22的底边方向凸起的第二圆弧2221。
柔性簧片结构包括第一簧片223和第二簧片224；第一簧片223和第二簧片224正交连接。
其他优化设计：
1、为了提高支撑结构的轻量化率，上述等腰三角形底架21和支撑背板3上均开设有多个减重孔212。
2、为了提高胶层可靠性并在一定程度上起局部隔绝应力传递的作用，上述锥套4的外表面开设有多条环形留胶槽42。
3、梯形立架22的底边与支撑背板3的侧面之间设有修切垫片7，用于对支撑背板3和柔性支架2之间的间隙进行调节。
4、为了方便加工的同时柔性支架2的性能不会受到装配精度的影响，等腰三角形底架21与梯形立架22采用一体加工成型。
5、锥套4的材料的热膨胀系数与反射镜镜体1的热膨胀系数一致。
反射镜镜体1的外直径为998mm，中心孔直径为150mm，厚度为61mm。反射镜镜体1所采用的材料为反应烧结凝胶注模SiC材料，镜体背部为开放式三角形轻量化结构。在反射镜镜体1背部半径200mm和346.41mm处分别加工出三个和六个均布的锥形孔11，尺寸为Ф28mm×45mm。九个锥套4分别设置在九处锥形孔11内，并经过研磨和配研使相配合的锥套4和锥形孔11具有相同的锥度。锥套4和锥形孔11通过光学环氧胶粘接固定。锥套4外表面的留胶槽42，槽宽0.3mm，深度0.1mm。每个柔性支架2均是由单块殷钢合金材料加工而成。该殷钢材料的热膨胀系数与反射镜镜体1的材料相匹配。
柔性簧片结构的第一簧片223和第二簧片224，长度均为26.5mm，宽度均为15mm，厚度均为5mm，具有一个方向的转动柔度。在第一簧片223和第二簧片224的两端均设计有半径为2.5mm的圆角以减小应力集中。
柔性铰链结构一体加工出的直梁221和斜梁222保证了梯形立架22的整体结构刚度，装配时，在所有上述螺钉5与销钉6端部涂抹室温固化硅橡胶GD-414C进行防松处理。
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。而由此所引申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 (10)
1.一种具有背部柔性支撑结构的大口径光学反射镜，其特征在于：包括反射镜镜体、柔性支架和支撑背板；
柔性支架为三个，且沿圆周方向均匀分布在反射镜镜体和支撑背板之间；
每一个柔性支架均包括相互垂直设置的等腰三角形底架以及梯形立架；等腰三角形底架的三个顶点均与反射镜镜体的背部连接；梯形立架的顶边与等腰三角形底架连接，梯形立架的底边与支撑背板的侧面连接；
梯形立架的底边采用柔性铰链结构，梯形立架的两个腰均为柔性簧片结构。
2.根据权利要求1所述的具有背部柔性支撑结构的大口径光学反射镜，其特征在于：所述柔性铰链结构包括直梁和斜梁；所述直梁的中部设置有向梯形立架的顶边方向凸起的第一圆弧，直梁的两端设置有第一通孔和第一销孔，相应的所述支撑背板的侧面设有与第一通孔对应的第一螺孔以及与第一销孔对应的第二销孔，第一通孔和第一螺孔通过螺钉连接，第一销孔和第二销孔通过销钉定位，所述斜梁上设置有向梯形立架的底边方向凸起的第二圆弧。
3.根据权利要求1所述的具有背部柔性支撑结构的大口径光学反射镜，其特征在于：所述柔性簧片结构包括第一簧片和第二簧片；第一簧片和第二簧片正交连接。
4.根据权利要求1或2所述的具有背部柔性支撑结构的大口径光学反射镜，其特征在于：所述等腰三角形底架的三个顶点均开设有第二通孔，相应的反射镜镜体的背部在与等腰三角形底架的三个顶点对应的位置开设有三个锥形孔，锥形孔内设置锥套，锥套的外表面与锥形孔粘接，锥套的内表面开设有内螺纹孔，螺钉穿过第二通孔后与所述内螺纹孔连接，将等腰三角形底架固定在反射镜镜体的背部。
5.根据权利要求4所述的具有背部柔性支撑结构的大口径光学反射镜，其特征在于：所述等腰三角形底架和支撑背板上均开设有多个减重孔。
6.根据权利要求5所述的具有背部柔性支撑结构的大口径光学反射镜，其特征在于：所述反射镜镜体的背部开设有多个开放式三角形凹槽，凹槽的底部设置有至少三条相互连接筋板。
7.根据权利要求6所述的具有背部柔性支撑结构的大口径光学反射镜，其特征在于：所述锥套的外表面开设有多条环形留胶槽。
8.根据权利要求7所述的具有背部柔性支撑结构的大口径光学反射镜，其特征在于：梯形立架的底边与支撑背板的侧面之间设有修切垫片。
9.根据权利要求8所述的具有背部柔性支撑结构的大口径光学反射镜，其特征在于：所述等腰三角形底架与梯形立架一体加工成型。
10.根据权利要求9所述的具有背部柔性支撑结构的大口径光学反射镜，其特征在于：所述锥套、柔性支架的热膨胀系数与反射镜镜体的热膨胀系数一致。
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