CN113263484A - 用于大口径光学镜体的衬套支撑体换装的工作台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大口径光学镜体的衬套支撑体换装的工作台及方法。该装置包括镜体升降调节机构、托梁支撑调节机构、衬板位姿调整机构、工作台框架，所述托梁支撑调节机构包括安装于工作台框架上的托梁调节机构，所述托梁调节机构上可安放托梁，所述托梁的上表面沿周向布置至少3个支顶装置，所述衬板位姿调整机构包括衬板支撑，所述衬板支撑上可安放衬板，所述工作台框架将镜体升降调节机构、托梁支撑调节机构、衬板位姿调整机构组合成一个整体。本发明可安全可靠地分离镜体与衬板，并调整至期望的相对位姿；提高了大口径光学镜体与衬板转换工装的效率及安全性。

Description

用于大口径光学镜体的衬套支撑体换装的工作台及方法

技术领域

本发明属于光学加工技术领域，具体涉及到一种用于大口径光学镜体的衬套支撑体换装工作台及其换装方法，本发明装置具备转换大口径光学镜体与配套衬板工装的能力，同时灵活的调整能力和较高的调整精度。

背景技术

随着空间观测技术的发展，大口径、高轻量化率的镜体应用越来越多，以提高观测分辨率、增大探测距离和减轻发射载荷重量。该类镜体加工和装配中涉及到镜体与工装之间的装配和调整等问题，镜体的大尺寸与易损性对换装工作提出了更高的要求。现实际生产加工中有一具体需求，要将放置于衬板上的镜体提升，并转动一定角度(一般为60度)后，再将镜体放置到衬板上，达到转换工装的目的。首先需要换装设备可以安全高效地分离镜体和衬板，并分别对镜体和衬板进行一定的位姿变换。另一方面，换装需要保持镜体与衬板之间较高的相对精度，从而需要设备具有以下能力：一是可以精密调整衬板相对于镜体的沿着X轴和Y轴的位置，以及绕Z轴(光轴)向的角度精度；二是可以调整镜体绕X轴和Y轴旋转的RX、RY姿态；通过运动分解的方式，达到镜体与衬套的精密位姿控制。

现没有一种专门的装置可以用来转换大口径光学镜体与配套衬板的工装，无法满足换装需求。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是设计一种专用的换装工作台及其换装方法，用来满足大口径光学镜体与配套衬板转换工装的需求。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

用于大口径光学镜体的衬套支撑体换装的工作台，包括镜体升降调节机构、托梁支撑调节机构、衬板位姿调整机构、工作台框架，所述托梁支撑调节机构包括安装于工作台框架上的托梁调节机构，所述托梁调节机构上可安放托梁，所述托梁的上表面沿周向布置至少3个支顶装置，所述衬板位姿调整机构包括衬板支撑，所述衬板支撑上可安放衬板，所述工作台框架将镜体升降调节机构、托梁支撑调节机构、衬板位姿调整机构组合成一个整体；其中：

所述镜体升降调节机构与所述托梁调节机构的结构相同，均安装于工作台框架上，分别沿周向布置至少3套，所述镜体升降调节机构或托梁调节机构包括支顶杆、升降驱动机构、导向机构，所述支顶杆的顶部通过球头支结连接有支撑垫，所述支顶杆的杆身连接有升降驱动机构和导向机构；镜体的背部设置有连接位，所述镜体升降调节机构的支顶杆可与其中一部分连接位配合驱动镜体运动，所述托梁的支顶装置可与另一部分连接位配合由托梁调节机构驱动托梁运动；

所述衬板位姿调整机构包括位姿调整装置和衬板支撑，所述位姿调整装置包括X轴平动装置和Y轴平动装置，所述衬板支撑通过圆柱滚子轴承与定心轴安装于位姿调整装置上，可绕Z轴转动，所述衬板支撑的一部分设置于工作台框架上，接触面之间安装有多个万向球钢珠滚轮。

进一步的，所述升降驱动机构包括支撑调节丝杠、蜗轮蜗杆机构，所述导向机构包括导轨、滑块，所述支撑调节丝杠由蜗轮蜗杆机构驱动，支撑调节丝杠的一端通过轴承与蜗轮连接，另一端安装于导向机构的滑块上。

进一步的，所述X轴平动装置和Y轴平动装置采用导轨丝杠机构，通过电机驱动，丝杆与电机间通过涡轮蜗杆连接。

进一步的，所述托梁为三角形结构，由3根托梁杆构成，每根所述托梁杆上设置有一个支顶装置，共3个支顶装置，呈对称分布。

进一步的，所述工作台框架由结构材料焊接加工而成，包括中心的三维平台基座和周边对称分布的支顶安装基座，所述三维平台基座用于安装衬板位姿调整机构，所述支顶安装基座用于安装镜体升降调节机构、托梁支撑调节机构。

进一步的，所述镜体的背面设置有6个沿周向均匀分布的衬套孔，相应地，所述镜体升降调节机构的支顶杆设置有3个，所述托梁上表面的支顶装置设置有3个，其中3个间隔对称分布的衬套孔用于支顶杆将镜体顶起，从而分离衬板与镜体，另外3个衬套孔用于支顶装置将分离后的镜体托住。

进一步的，所述蜗轮蜗杆机构上还连接有手轮机构，动力输入通过手轮人工控制调整；或者，所述蜗轮蜗杆机构还连接有电机，通过电机进行驱动控制。

基于上述用于大口径光学镜体的衬套支撑体换装的工作台的换装方法，包括：

(1)支撑与衬板安装：根据镜体背部连接位的位置，在工作台框架上安装若干套镜体升降调节机构、托梁支撑调节机构，调整镜体升降调节机构、托梁支撑调节机构相对于工作台框架的位姿精度；镜体和衬板的组合体放置于工作台中心，调整组合体相对于镜体升降调节机构的位置；

(2)镜体与衬板分离：将镜体升降调节机构的支顶杆调节至镜体对应的连接位上，继续上升，通过支顶杆将镜体支顶高于衬板后，分离镜体与衬板；

(3)托梁安装：将托梁安装到镜体下方的托梁调节机构上并紧固，调节托梁调节机构至每根托梁上的支顶装置与镜体上剩下的连接位相配；

(4)衬板位姿调整：完成托梁支顶后，松开步骤2中所用的支顶杆，调节镜体升降调节机构的支顶杆下降至最低位置，控制衬板位姿调整机构的衬板支撑带动衬板旋转到预定位置；

(5)镜体与衬板重新组合：重新利用步骤2中的支顶杆，使其上升至镜体对应连接位，支顶镜体；撤除托梁，然后将镜体下降到接近于衬板的位置；测量衬板与镜体之间的相对位置，调整镜体与衬板之间的相对位置，直到满足对准精度要求；再调整镜体升降调节机构的支顶杆将镜体放置于衬板上后，将衬板镜体组合体吊出，完成换装。

本发明提出的用于大口径光学镜体的衬套支撑体换装工作台具有以下优点：

1.本发明解决了大口径光学镜体与配套衬板转换工装的实际需求，采用衬套支撑体的换装方案，可以安全可靠地分离镜体与衬板，并调整至期望的相对位姿。

2.本发明能够精密调整衬板相对于镜体的位姿，保证两者之间的复合精度。

3.本发明的换装工作台提高了大口径光学镜体与衬板转换工装的效率及安全性。

4.本发明选用矩形钢等型材焊接结构作为换装工作台框架，可以保证结构刚度和强度以承受住大口径光学镜体与衬板的较大质量，同时又能尽量减小整个设备的质量。

附图说明

图1为实施例中光学镜体衬套支撑体换装工作台的主视图；

图2为实例中镜体背部衬套孔；

图3为实施例中丝杆升降调节装置剖视图；

图4为实施例中衬板三维调整台的俯视图；

图5为实施例中托梁支撑机构的俯视图；

图6为实施例中工作台框架的俯视图；

图7为实施例中镜体与衬板初始安装的工作台主视图；

图8为实施例中镜体与衬板分离后的工作台主视图；

图9为实施例中安装镜体托梁后的工作台主视图。

图中：1、镜体，2、衬板，3、镜体升降调节机构，4、托梁，5、衬板支撑，6、托梁支撑调节机构，7、衬板位姿调整机构，8、工作台框架，9、支顶杆用嵌套孔，10、托梁用嵌套孔，11、支撑垫，12、球头支结，13、支撑调节丝杠，14、圆柱滚子轴承，15、升降机构涡轮，16、升降机构底座，17、导向架子，18、导轨，19、滑块，20、锁紧螺母，21、手轮，22、手轮轴，23、涡轮轴承端盖，24、衬板三角支撑，25、X方向导轨件，26、Y方向导轨件，27、Y方向传动输入轴，28、联轴器，29、Y方向扁头丝杠，30，定心板，31、X方向传动输入轴，32、联轴器，33、X方向扁头丝杠，34、圆柱滚子轴承，35、定心轴，36、轴承端盖，37、托梁杆，38、支顶装置，39、托梁连接件，40、万向球钢珠滚轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本实施例提供一种用于大口径光学镜体的衬套支撑体换装工作台，包括镜体升降调节机构3、托梁支撑调节机构6、衬板位姿调整机构7(TX,TY,RZ)工作台框架8四部分。所述镜体升降调节机构，支撑镜面背部连接位(本实施例优选为嵌套)，使镜1体具有沿着Z轴运动的能力，以分离和复合镜体与衬板2。如图2所示，镜面背部连接位有6个，呈对称分布，其中3个用于与镜体升降调节机构连接，另外3个用于与托梁支撑调节机构的支顶装置连接。所述衬板位姿调整机构位于镜体与衬板下方，支撑衬板，并用于精密调整衬板相对于镜体的沿着X轴和Y轴的位置，以及绕Z轴向将衬板旋转指定的角度。所述托梁支撑调节机构包括安装于工作台框架上的托梁调节机构，托梁调节机构上可安放托梁，托梁的上表面沿周向布置3个支顶装置。所述支顶装置设置于镜体与衬板周向，用于支撑住分离后的镜体。所述工作台框架将上述三个部分组合成一个整体，并保证三者之间的相对位置精度。

本实施例中，所述镜体升降调节机构包括3套丝杆升降调节装置，如图3所示，所述丝杠升降调节装置包括支撑调节丝杠、蜗轮蜗杆机构、导轨滑块，具体包括支撑垫11、球头支结12、支撑调节丝杠13、圆柱滚子轴承14、升降机构涡轮15、升降机构底座16、导向架子17、导轨18、滑块19、锁紧螺母20、涡轮轴承端盖23，丝杠与支撑垫之间通过球头支结连接，所述支撑调节丝杠的一端设置于工作台框架上，另一端与支撑垫相连，所述支撑垫上安装有支撑聚氨酯垫。所述支撑调节丝杠由蜗轮蜗杆机构驱动，丝杠一端通过轴承与蜗轮连接，一端通过螺母安装于导轨滑块机构中，以使运动平稳精确。所述支撑镜体背部嵌套，共有6个衬套孔，其中3个(支顶杆用嵌套孔9)对称分布的衬套孔用于支顶杆将镜体顶起，从而分离衬板与镜体。另外3个(托梁用嵌套孔10)用于托梁支撑调节机构，将分离后的镜体托住。

如图4所示，本实施例中，所述衬板位姿调整机构包括位姿调整装置和衬板支撑5(本实施例优选为衬板三角支撑24)。所述位姿调整机构采用导轨丝杠机构，利用电机调整，丝杆与调整电机间通过涡轮蜗杆连接。所述衬板位姿调整机构具体包括衬板三角支撑24、X方向导轨件25、Y方向导轨件26、Y方向传动输入轴27、联轴器28、Y方向扁头丝杠29、定心板30、X方向传动输入轴31、联轴器32、X方向扁头丝杠33、圆柱滚子轴承34、定心轴35、轴承端盖36。所述导轨丝杠机构共有2套，分别负责衬板X轴和Y轴的平动调整。所述衬板三角支撑通过圆柱滚子轴承与定心轴安装于调整台上，可以绕Z轴转动。衬板放置于三角支撑上，通过转动三角支撑，完成衬板的绕Z轴的大角度旋转和绕Z轴的精密调整。衬板三角支撑一部分设置于工作台框架上，接触面之间安装有多个万向球钢珠滚轮40，用于承担三角支撑、衬板、托梁和镜体的重力载荷。

本实施例中，所述托梁支撑调节机构包括托梁4与托梁调节机构，所述托梁如图5所示，为三角形结构，由3根托梁杆37构成。所述每根托梁杆上设置有一个支顶装置38，共3个支顶装置，呈对称分布，与镜体的托梁顶托衬套孔相配，用以托住与衬板分离后的镜体。托梁杆37通过托梁连接件39连接。所述托梁支撑调节机构包括支撑调节丝杠、蜗轮蜗杆机构、导轨滑块、球头支结、支撑垫，丝杠与支撑垫之间通过球头支结连接，所述支撑调节丝杠的一端设置于工作台框架上，另一端与支撑垫相连，所述支撑垫上安装有支撑聚氨酯垫。所述支撑调节丝杠由蜗轮蜗杆机构驱动，丝杠一端通过轴承与蜗轮连接，一端通过螺母安装于导轨滑块机构中，以使运动平稳精确。

本实施例中，所述工作台框架由结构材料焊接加工而成，其结构如图6所示，具有高刚度的特性。将镜体升降调节机构、托梁支撑调节机构、衬板位姿调整机构等3部分连接成一个整体。主要由中心三维平台基座和周边对称分布的支顶安装基座构成。所述三维平台基座主要用于安装衬板调整的三维平台(TX、TY和RZ)，需能够承受3吨左右的重量(镜体与衬板约1吨，三维平台和托架按1吨估算)。所述支顶安装基座主要用来安装镜体的支顶机构，镜体托梁的支撑机构，需要能够承受共计约1吨的重量。

以上动力输入可以通过手轮人工控制调整，也可以采用电机进行驱动，实现更高的调整精度。本实施例具体以人工手动方式举例说明，如图3中，蜗轮蜗杆机构通过手轮轴22连接至手轮21。

本实施例设备的换装基本过程如下：

(1)支撑与镜体衬板安装：根据镜体背部嵌套孔位置，在工作台框架上安装6套支撑机构，调整支撑机构相对于工具台的位姿精度(分布角度和分布半径)。将镜体衬板组合体放置于换装工作台中心，调整组合体相对于支撑机构位置，使得镜体能够正确支顶起来，如图7所示。

(2)镜体衬板分离：利用3个均布的升降支撑杆调节至对应的嵌套孔，继续上升，将镜体支顶高于衬板约150mm后，如图8所示分离镜体与衬板。

(3)镜体托梁安装：将镜体托梁安装到镜体下方的托梁支撑杆上并紧固，调节托梁支撑机构至每根托梁上的支顶装置与另外三个相应的托梁嵌套孔相配。

(4)衬板位姿调整：完成托梁支顶后，松开步骤2中所用的3个支顶装置，调节升降支撑调节杆下降至最低位置，使得镜体与衬板、衬板调整转台脱离接触。利用Z轴旋转台将衬板旋转约60度，如图9所示。

(5)镜体衬板重新组合：重新利用步骤2中的3个支顶装置，上升至对应嵌套孔，支顶镜体。撤除镜体托梁，然后将镜体下降到接近于衬板的位置。利用激光跟踪仪测量衬板与镜体之间的相对位置，换算到平台坐标系下，调节平台的TX、TY和RZ，精密调整镜体与衬板之间的相对位置，直到满足对准精度要求。再调整支顶装置将镜体放置于衬板上后，将衬板镜体组合体吊出，完成换装。

需要注意，在镜体衬板组合体放置后、镜体支顶和下降过程中、镜体托梁支顶时候，均需对镜体和衬板做相应的侧保护(图中未标识)，防止镜体和衬板发生侧滑。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.用于大口径光学镜体的衬套支撑体换装的工作台，其特征在于，包括镜体升降调节机构、托梁支撑调节机构、衬板位姿调整机构、工作台框架，所述托梁支撑调节机构包括安装于工作台框架上的托梁调节机构，所述托梁调节机构上可安放托梁，所述托梁的上表面沿周向布置至少3个支顶装置，所述衬板位姿调整机构包括衬板支撑，所述衬板支撑上可安放衬板，所述工作台框架将镜体升降调节机构、托梁支撑调节机构、衬板位姿调整机构组合成一个整体；其中：

所述镜体升降调节机构与所述托梁调节机构的结构相同，均安装于工作台框架上，分别沿周向布置至少3套，所述镜体升降调节机构或托梁调节机构包括支顶杆、升降驱动机构、导向机构，所述支顶杆的顶部通过球头支结连接有支撑垫，所述支顶杆的杆身连接有升降驱动机构和导向机构；镜体的背部设置有连接位，所述镜体升降调节机构的支顶杆可与其中一部分连接位配合驱动镜体运动，所述托梁的支顶装置可与另一部分连接位配合由托梁调节机构驱动托梁运动；

所述衬板位姿调整机构包括位姿调整装置和衬板支撑，所述位姿调整装置包括X轴平动装置和Y轴平动装置，所述衬板支撑通过圆柱滚子轴承与定心轴安装于位姿调整装置上，可绕Z轴转动，所述衬板支撑的一部分设置于工作台框架上，接触面之间安装有多个万向球钢珠滚轮。

2.根据权利要求1所述的用于大口径光学镜体的衬套支撑体换装的工作台，其特征在于，所述升降驱动机构包括支撑调节丝杠、蜗轮蜗杆机构，所述导向机构包括导轨、滑块，所述支撑调节丝杠由蜗轮蜗杆机构驱动，支撑调节丝杠的一端通过轴承与蜗轮连接，另一端安装于导向机构的滑块上。

3.根据权利要求1所述的用于大口径光学镜体的衬套支撑体换装的工作台，其特征在于，所述X轴平动装置和Y轴平动装置采用导轨丝杠机构，通过电机驱动，丝杆与电机间通过涡轮蜗杆连接。

4.根据权利要求1所述的用于大口径光学镜体的衬套支撑体换装的工作台，其特征在于，所述托梁为三角形结构，由3根托梁杆构成，每根所述托梁杆上设置有一个支顶装置，共3个支顶装置，呈对称分布。

5.根据权利要求1所述的用于大口径光学镜体的衬套支撑体换装的工作台，其特征在于，所述工作台框架由结构材料焊接加工而成，包括中心的三维平台基座和周边对称分布的支顶安装基座，所述三维平台基座用于安装衬板位姿调整机构，所述支顶安装基座用于安装镜体升降调节机构、托梁支撑调节机构。

6.根据权利要求1所述的用于大口径光学镜体的衬套支撑体换装的工作台，其特征在于，所述镜体的背面设置有6个沿周向均匀分布的衬套孔，相应地，所述镜体升降调节机构的支顶杆设置有3个，所述托梁上表面的支顶装置设置有3个，其中3个间隔对称分布的衬套孔用于支顶杆将镜体顶起，从而分离衬板与镜体，另外3个衬套孔用于支顶装置将分离后的镜体托住。

7.根据权利要求2所述的用于大口径光学镜体的衬套支撑体换装的工作台，其特征在于，所述蜗轮蜗杆机构上还连接有手轮机构，动力输入通过手轮人工控制调整；或者，所述蜗轮蜗杆机构还连接有电机，通过电机进行驱动控制。

8.权利要求1-7中任意一项所述的用于大口径光学镜体的衬套支撑体换装的工作台的换装方法，其特征在于，包括：

(1)支撑与衬板安装：根据镜体背部连接位的位置，在工作台框架上安装若干套镜体升降调节机构、托梁支撑调节机构，调整镜体升降调节机构、托梁支撑调节机构相对于工作台框架的位姿精度；镜体和衬板的组合体放置于工作台中心，调整组合体相对于镜体升降调节机构的位置；

(2)镜体与衬板分离：将镜体升降调节机构的支顶杆调节至镜体对应的连接位上，继续上升，通过支顶杆将镜体支顶高于衬板后，分离镜体与衬板；

(3)托梁安装：将托梁安装到镜体下方的托梁调节机构上并紧固，调节托梁调节机构至每根托梁上的支顶装置与镜体上剩下的连接位相配；

(4)衬板位姿调整：完成托梁支顶后，松开步骤2中所用的支顶杆，调节镜体升降调节机构的支顶杆下降至最低位置，控制衬板位姿调整机构的衬板支撑带动衬板旋转到预定位置；

(5)镜体与衬板重新组合：重新利用步骤2中的支顶杆，使其上升至镜体对应连接位，支顶镜体；撤除托梁，然后将镜体下降到接近于衬板的位置；测量衬板与镜体之间的相对位置，调整镜体与衬板之间的相对位置，直到满足对准精度要求；再调整镜体升降调节机构的支顶杆将镜体放置于衬板上后，将衬板镜体组合体吊出，完成换装。

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