CN111427130B - 一种光学反射镜的挠性支撑结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学反射镜的挠性支撑结构，包括反射镜本体；粘接衬套通过结构胶粘贴至反射镜本体上；复合挠性支架通过螺钉与粘接衬套相连接，复合挠性支架设有柔性铰链机构，柔性铰链机构形成X轴、Y轴、Z轴三维空间方向的柔性铰链；背板通过螺钉与复合挠性支架相连接；粘接衬套壁体上设有多条贯通狭缝和切口，保留粘接面积的前提下消除结构胶固化产生的粘接应力；复合挠性支架设有三个切口型柔性铰链和一个十字型柔性铰链，实现支架绕三个正交坐标轴挠性转动、沿一个坐标轴挠性平移，只限制两个坐标轴方向的平移自由度；背板通过复合挠性支架和粘接衬套与反射镜本体相连接，三个复合挠性支架按照特定方向圆周布置，消除装配应力和温度应力。

Description

一种光学反射镜的挠性支撑结构

技术领域

本发明涉及光学精密机械技术领域，尤其涉及一种光学反射镜的挠性支撑结构。

背景技术

光学成像载荷在军事应用、国民生产、天文探测和地球科学等领域具有重要作用，而光学成像载荷中反射镜支撑结构的优劣会直接影响到反射镜的表面面形，从而影响整个光学系统的成像质量；由于一些反射镜的重量较大，实际尺寸也较大，所以，安装这类反射镜有实际的困难问题，典型的问题主要有：

(1)粘接应力：非金属反射镜(玻璃或者陶瓷)需要使用粘接剂，将其与衬套粘接在一起，以便于与支撑结构进行连接，在粘接剂固化的过程中，会在反射镜与衬套之间产生粘接应力；

(2)装配应力：将反射镜的背板通过柔节与反射镜相连接的时候，两个安装平面具有残余的加工误差以及装配误差，加上螺钉在施加预紧力的过程中，会在背板与柔节之间产生装配应力；

(3)温度应力：一般反射镜与支撑结构采用不同的材料加工而成，当周围温度变化时，反射镜与支撑结构不同的热膨胀会使安装界面之间产生温度应力；

以上三种应力都会造成光学表面无法对准或是变形，现有的反射镜安装结构大多数为过约束系统，过多的约束无法消除装配应力和温度应力，这些应力会造成反射镜位置的偏移以及反射镜光学表面的变形，从而使整个光学系统的成像质量下降；因此需要设计一种光学反射镜的挠性支撑结构来消除以上应力，保证反射镜的位置精度和面形精度，提高光学系统的成像质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种在安装尺寸较大的反射镜时，可以消除粘接应力、装配应力和温度应力，从而保证反射镜的位置精度和面形精度，提高光学系统的成像质量的光学反射镜的挠性支撑结构。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明的一种光学反射镜的挠性支撑结构，包括：

反射镜本体，所述反射镜本体上设有数个圆柱安装孔；

粘接衬套，所述粘接衬套为半封闭圆柱状结构，所述粘接衬套通过结构胶粘贴至所述圆柱安装孔内；

复合挠性支架，所述复合挠性支架通过螺钉与所述粘接衬套相连接；其中

所述复合挠性支架设有柔性铰链机构，所述柔性铰链机构形成X轴、Y 轴、Z轴三维空间方向上的柔性铰链；

背板，所述背板通过螺钉与所述复合挠性支架相连接。

所述粘接衬套包括:

壁体，所述壁体上设有数条贯通狭缝；其中

所述每条贯通狭缝上设有切口；

底板，所述底板上设有通孔和数个第一螺纹孔；

所述第一螺纹孔与螺钉配合用以连接所述复合挠性支架。

所述复合挠性支架包括：

第一安装法兰，所述第一安装法兰上设有数个第二螺纹孔并通过螺钉以实现复合挠性支架与所述背板相连接；

第二安装法兰，所述第二安装法兰上设有数个第三螺纹孔、且所述第三螺纹孔与第一螺纹孔通过螺钉以实现所述复合挠性支架与粘接衬套相连接；以及

所述柔性铰链机构设置在所述第一安装法兰和第二安装法兰之间。

所述柔性铰链机构包括：

切口方向平行于y轴的第一切口型柔性铰链和第二切口型柔性铰链；

沿z轴方向形成的十字型柔性铰链；

切口方向平行于x轴的第三切口型柔性铰链；其中

所述第一切口型柔性铰链和第二切口型柔性铰链具有绕y轴转动的自由度Ry、且所述第一切口型柔性铰链和第二切口型柔性铰链配合运动以形成复合挠性支架沿x轴方向的挠性平移运动T_X；

所述十字型柔性铰链具有绕z轴转动的自由度R_Z，所述复合挠性支架通过十字型柔性铰链限制沿z轴的平移运动Tz；

所述第三切口型柔性铰链具有绕x轴转动的自由度Rx，所述复合挠性支架通过第三切口型柔性铰链限制沿y轴的平移运动Ty。

在上述技术方案中，本发明提供的一种光学反射镜的挠性支撑结构，具有以下有益效果：

本发明提供了一种光学反射镜的挠性支撑结构，该支撑结构是完整约束系统，能够约束光学反射镜的六个运动自由度，确保反射镜的空间位置不变，同时，该支撑结构释放其他多余的约束，能够有效的消除装配应力和温度应力，维持反射镜光学表面精度；除此之外，本发明还提供了一种消除粘接应力的衬套结构，在粘接剂固化的过程中有效消除粘接应力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种光学反射镜的挠性支撑结构的结构示意图；

图2为本发明提供的一种光学反射镜的挠性支撑结构的正视图；

图3为本发明提供的一种光学反射镜的挠性支撑结构的A-A剖视图；

图4为本发明提供的一种光学反射镜的挠性支撑结构中粘接衬套的结构示意图；

图5为本发明提供的一种光学反射镜的挠性支撑结构中复合挠性支架的结构示意图；

图6为本发明提供的一种光学反射镜的挠性支撑结构的正视图。

附图标记说明：

1、反射镜本体；2、粘接衬套；3、复合挠性支架；4、背板；

21、壁体；22、贯通狭缝；23、切口；24、底板；25、通孔；26、第一螺纹孔；

31、第一安装法兰；32、第二安装法兰；33、柔性铰链机构；

311、第二螺纹孔；

321、第三螺纹孔；

331、第一切口型柔性铰链；332、第二切口型柔性铰链；333、十字型柔性铰链；334、第三切口型柔性铰链。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

需要说明的是，本文所使用的的术语“上”、“之间”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，类似的表述只是为了说明的目的，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，此外，术语“第一”、“第二”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参见图1～图6所示；

本发明的一种光学反射镜的挠性支撑结构，包括：

反射镜本体1，反射镜本体1上设有数个圆柱安装孔；

粘接衬套2，粘接衬套2为半封闭圆柱状结构，粘接衬套2通过结构胶粘贴至圆柱安装孔内；

复合挠性支架3，复合挠性支架3通过螺钉与粘接衬套2相连接；其中

复合挠性支架3设有柔性铰链机构33，柔性铰链机构33形成X轴、Y 轴、Z轴三维空间方向上的柔性铰链；

背板4，背板4通过螺钉与复合挠性支架3相连接。

粘接衬套2包括:

壁体21，壁体21上设有数条贯通狭缝22；其中

每条贯通狭缝22上设有切口23；

底板24，底板24上设有通孔25和数个第一螺纹孔26；

第一螺纹孔26与螺钉配合用以连接复合挠性支架3。

复合挠性支架3包括：

第一安装法兰31，第一安装法兰31上设有数个第二螺纹孔311并通过螺钉以实现复合挠性支架3与背板4相连接；

第二安装法兰32，第二安装法兰32上设有数个第三螺纹孔321、且第三螺纹孔321与第一螺纹孔26通过螺钉以实现复合挠性支架3与粘接衬套2 相连接；以及

柔性铰链机构33设置在第一安装法兰31和第二安装法兰32之间。

柔性铰链机构33包括：

切口方向平行于y轴的第一切口型柔性铰链331和第二切口型柔性铰链 332；

沿z轴方向形成的十字型柔性铰链333；

切口方向平行于x轴的第三切口型柔性铰链334；其中

第一切口型柔性铰链331和第二切口型柔性铰链332具有绕y轴转动的自由度Ry、且第一切口型柔性铰链331和第二切口型柔性铰链332配合运动以形成复合挠性支架3沿x轴方向的挠性平移运动T_X；

十字型柔性铰链333具有绕z轴转动的自由度R_Z，复合挠性支架3通过十字型柔性铰链333限制沿z轴的平移运动T_z；

第三切口型柔性铰链334具有绕x轴转动的自由度Rx，复合挠性支架3 通过第三切口型柔性铰链334限制沿y轴的平移运动Ty。

本发明所提供的一种光学反射镜的挠性支撑结构，图1为本发明装置的结构及全局坐标定义图，图1中用大写X、Y、Z代表本装置的全局坐标系，以便与复合挠性支架3的局部坐标系相区别；

具体的，贯通狭缝22均布于粘接衬套2的壁体21上，其数量大于等于三个，本发明示意图中设有有四个贯通狭缝22，结构胶均匀涂抹于壁体21 外表面和圆柱安装孔的内表面，结构胶在固化的过程中会在圆柱安装孔的内表面与粘接衬套2的壁体21外表面之间产生收缩应力，而贯通狭缝22会在收缩应力的作用下产生微小弹性变形，从而减小对反射镜本体1的拉应力作用，维持光学表面面形；每个贯通狭缝22中间的切口23宽度非常小，采用电火花的方法加工而成，保留了绝大部分的壁体21外表面(即粘接面积)，具有较高的粘接强度。

图5为复合挠性支架3的结构以及局部坐标定义图，其局部坐标系采用小写x、y、z表示，以便与图1全局坐标系相区别；

该复合挠性支架3能够产生一个方向的挠性平移运动Tx，三个方向的挠性旋转运动Rx、Ry、Rz，限制了沿z轴的平移运动Tz和沿y轴的平移运动 Ty。

图6为本发明装置的正视图(移除背板)，显示了三个复合挠性支架3 的安装方向；设定三个复合挠性支架分别为3a、3b和3c，三个复合挠性支架3a、3b和3c的x轴方向沿着反射镜本体1的径向方向，三个复合挠性支架3沿同一个圆周均匀布置；

其中，复合挠性支架3限制了沿z轴的平移运动Tz，三个复合挠性支架 3a、3b和3c组合在一起限制了反射镜本体1沿X轴的旋转运动、沿Y轴的旋转运动和沿Z轴的平移运动；

进一步的，复合挠性支架3限制了沿y轴的平移运动Ty，三个复合挠性支架3a、3b和3c组合在一起限制了反射镜本体1沿X轴的平移运动、沿Y 轴的平移运动和沿Z轴的旋转运动，刚好约束了反射镜本体1的六个空间自由度，说明该挠性支撑结构是一种完整约束结构。

具体的，温度变化时，由于反射镜本体1与背板4材料的不一致，反射镜本体1与背板4在径向方向具有相对运动趋势，由于三个复合挠性支架3a、 3b和3c具有沿着x轴的平移自由度，并且该方向沿着反射本体1的径向方向布置，该挠性支撑结构能够沿径向产生挠性微运动，从而消除温度应力；

当由于加工误差或者装配误差，造成一个复合挠性支架(例如3c)的第一安装法兰31平面与其他两个复合挠性支架(3a和3b)的第一安装法兰 31平面不共面，将三个复合挠性支架3与背板4安装在一起时，反射镜本体 1会产生绕Y轴转动的运动趋势，由于复合挠性支架3a具有绕x轴转动的自由度，该挠性支撑结构能够产生绕Y轴转动的挠性微运动，从而消除装配应力。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (1)

1.一种光学反射镜的挠性支撑结构，其特征在于，包括：

反射镜本体(1)，所述反射镜本体(1)上设有数个圆柱安装孔；

粘接衬套(2)，所述粘接衬套(2)为半封闭圆柱状结构，所述粘接衬套(2)通过结构胶粘贴至所述圆柱安装孔内；

复合挠性支架(3)，所述复合挠性支架(3)通过螺钉与所述粘接衬套(2)相连接；其中

所述复合挠性支架(3)设有柔性铰链机构(33)，所述柔性铰链机构(33)形成X轴、Y轴、Z轴三维空间方向上的柔性铰链；

背板(4)，所述背板(4)通过螺钉与所述复合挠性支架(3)相连接；

所述粘接衬套(2)包括:

壁体(21)，所述壁体(21)上设有数条贯通狭缝(22)；其中

所述每条贯通狭缝(22)上设有切口(23)；

底板(24)，所述底板(24)上设有通孔(25)和数个第一螺纹孔(26)；

所述第一螺纹孔(26)与螺钉配合用以连接所述复合挠性支架(3)；

所述复合挠性支架(3)包括：

第一安装法兰(31)，所述第一安装法兰(31)上设有数个第二螺纹孔(311)并通过螺钉以实现复合挠性支架(3)与所述背板(4)相连接；

第二安装法兰(32)，所述第二安装法兰(32)上设有数个第三螺纹孔(321)、且所述第三螺纹孔(321)与第一螺纹孔(26)通过螺钉以实现所述复合挠性支架(3)与粘接衬套(2)相连接；以及

所述柔性铰链机构(33)设置在所述第一安装法兰(31)和第二安装法兰(32)之间；

所述柔性铰链机构(33)包括：

切口方向平行于y轴的第一切口型柔性铰链(331)和第二切口型柔性铰链(332)；

沿z轴方向形成的十字型柔性铰链(333)；

切口方向平行于x轴的第三切口型柔性铰链(334)；其中

所述第一切口型柔性铰链(331)和第二切口型柔性铰链(332)具有绕y轴转动的自由度Ry、且所述第一切口型柔性铰链(331)和第二切口型柔性铰链(332)配合运动以形成复合挠性支架(3)沿x轴方向的挠性平移运动T_X；

所述十字型柔性铰链(333)具有绕z轴转动的自由度R_Z，所述复合挠性支架(3)通过十字型柔性铰链(333)限制沿z轴的平移运动Tz；

所述第三切口型柔性铰链(334)具有绕x轴转动的自由度Rx，所述复合挠性支架(3)通过第三切口型柔性铰链(334)限制沿y轴的平移运动Ty；

所述复合挠性支架(3)的x轴方向沿着反射镜本体(1)的径向方向，所述复合挠性支架(3)沿同一个圆周均匀布置。

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