CN113341532B - 高精度、高稳定性、紧凑的望远镜三镜俯仰调整机构 - Google Patents

Abstract

高精度、高稳定性、紧凑的望远镜三镜俯仰调整机构，涉及大口径望远镜装调技术领域，解决地基大口径光电望远镜面临的三镜系统使用及装调问题，本发明利用十字交叉金属膜片作为旋转铰链，小角度范围内旋转无间隙、高稳定性、高刚度，相比较采用轴承的方案，本发明结构简单、稳定，配合球头杆‑V型槽‑碟簧的微调整及锁紧机构，可实现便于装调的高精度、可锁紧的三镜俯仰变化调整；同时采用的结构紧凑设计的框架式拼接支撑框架，结构简单稳定，体积小。本发明设计的机构已经投入制造使用，经过了实际的实验测试与使用效果评估，证明了该三镜俯仰调整机构可靠、高效且实用性能优良。

Description

高精度、高稳定性、紧凑的望远镜三镜俯仰调整机构

技术领域

本发明涉及大口径望远镜装调技术领域，具体涉及一种高精度、高稳定性、紧凑的地基大口径望远镜三镜俯仰调整机构。

背景技术

近年来发展迅速的高分辨率成像地基光电望远镜的光学系统口径越来越大，望远镜主镜尺寸由1米级逐步发展到2米级、4米级以及更大尺寸。目前我国技术开发最成熟、应用最广的大口径地基望远镜的口径即涵盖在1米至4米范围区间，典型的光学系统中主、次镜采用同轴反射式，将光线汇聚到靠近主镜中心孔处的平面三镜上，进而通过平面三镜的反射折转光路，将主系统汇聚的光线引入各分系统中，或者进入库德光路引入成像终端，最终形成完整的光电成像；在典型的地基大口径光电望远镜中，三镜用来转折光轴以及进行光路的切换，在望远镜主光学系统装调以及对空间目标探测时，可以进行高精度调整的三镜有着至关重要的作用。尤其是三镜的俯仰自由度的调整，三镜的俯仰调整机构是三镜组件中的关键部分，通过俯仰调整机构的作用，可以使三镜对入射光线进行“抬头”、“低头”的角度微调整，进而控制射出三镜的光线的角度。在进行主光学系统装调时，需要通过三镜俯仰自由度的高精度微调整，来将主光轴与望远镜的俯仰机械轴重合，否则在望远镜俯仰变方位时焦点会“画圈”，极大的影响系统的波前探测，所以在进行三镜的装调时，需要通过其俯仰调整组件来对其s进行俯仰高精度微调整。同时，由于三镜处于主镜的中心轴上且距离主镜中心孔较近，而且对组件的径向尺寸有限制，因此地基大口径望远镜的三镜俯仰调整组件要求结构紧凑。由于三镜组件会随着望远镜俯仰进行变方位，这就对整个三镜组件提出了高刚性、高稳定性的要求。所以高精度、高刚性、高稳定性的紧凑的三镜俯仰调整组件的设计，是三镜系统需要关注的重要方面。

现有三镜俯仰调整机构，其角度调整通常以转轴或轴承为旋转基础，机构一般较复杂，并且采用转轴的方案通常不可避免的发生因间隙配合产生的“空回”晃动，使三镜组件使用存在一定的风险；作为三镜俯仰调整组件中支撑骨干部分，现有方案通常采用整体圆柱薄壁体，斜向45°切割后作为主体，整体刚度高，稳定性好，但缺点是重量过大，空间利用率不高，相对于其所支撑的三镜组件部分通常十几公斤的重量，其支撑主体刚性过于冗余。

采用转轴的旋转机构存在一定的配合间隙误差或空回，在整个望远镜俯仰角度变化时，导致整个三镜上部组件，存在微晃动的风险，同时转轴转动也存在当转轴间隙轴承进灰或细小沙粒，或润滑油不足老化后，发生卡滞的现象；由于三镜的位置特殊，装调好后及调整机构，要求具有较高稳定性、可靠性，因此传统转轴类型的调整机构，需要进行改进升级；同时传统的俯仰调整机构体积较大，重量较大，轻量化、紧凑设计程度不高，机构臃肿，不利于后期的系统装调；需要设计一种轻型、紧凑、高稳定性的俯仰调整机构。

发明内容

本发明为了解决地基大口径光电望远镜面临的三镜系统使用及装调问题，提供一种高精度、高稳定性、紧凑的地基大口径望远镜三镜俯仰调整机构。

采用基于十字交叉金属薄片的弹性旋转铰链，利用金属薄片在延展平面方向上刚度大于垂直平面的法向方向的刚度的特性，再通过十字交叉布置，使金属薄片组等效形成弹性旋转铰链，利用金属薄片的弹性变形完成小角度范围内的无间隙、高稳定性、高刚度的旋转；具体包括活动调整单元和支撑框架单元；

所述活动调整单元包括膜片基座、十字交叉的金属薄片、俯仰基板、定位销和V型调整块；

所述金属薄片的下端与膜片基座连接固定，金属薄片上端与俯仰基板连接，所述定位销置于俯仰基板上端的相应孔位中并通过螺钉连接；

所述V型调整块置于俯仰基板背面上端的相应位置处并通过螺钉连接；

所述支撑框架单元包括基座圆盘、加强板、框架上板、两块立板、球头螺杆和微调螺母；

所述两块立板、一块加强板和一块框架上板与所述基座圆盘连接组合成紧凑的框架结构；

微调螺母置于框架上板上端的相应孔位中并通过螺钉连接；

所述球头螺杆对准微调螺母中心孔处的螺纹并旋入球头螺杆；

所述膜片基座通过螺钉连接到基座圆盘上；球头螺杆的球面与V型调整块上的V型槽接触靠紧；螺钉穿过组合好的碟簧，通过框架上板上部的孔位与V型调整块上的螺纹孔相连接，并施加锁紧力；配重块通过螺钉安装到基座圆盘上。

本发明的有益效果：

本发明所述的高精度、高稳定性、紧凑的地基大口径望远镜三镜俯仰调整机构，利用十字交叉金属膜片作为旋转铰链，小角度范围内旋转无间隙、高稳定性、高刚度，相比较采用轴承的方案，本发明结构简单、稳定，配合球头杆-V型槽-碟簧的微调整及锁紧机构，可实现便于装调的高精度、可锁紧的三镜俯仰变化调整；同时本发明采用的结构紧凑设计的框架式拼接支撑框架，结构简单稳定，体积小。

本发明设计的机构已经投入制造使用，经过了实际的实验测试与使用效果评估，证明了该三镜俯仰调整机构可靠、高效且实用性能优良。

附图说明

图1为本发明所述的高精度、高稳定性、紧凑的地基大口径望远镜三镜俯仰调整机构的整体示意图；

图2为本发明所述的高精度、高稳定性、紧凑的地基大口径望远镜三镜俯仰调整机构中机构整体中心面剖视图；

图3为本发明所述的高精度、高稳定性、紧凑的地基大口径望远镜三镜俯仰调整机构的爆炸视图，整体分为配重块、活动调整单元和支撑框架单元；

图4为活动调整单元和支撑框架单元的微调锁紧后的示意图；

图5为微调螺母的结构示意图。

图6为V型调整块的结构示意图。

图中：11、膜片基座，12、金属薄片，13、俯仰基板，14、定位销，21、立板，22、加强板，23、框架上板，24、基座圆盘，31、V型调整块，311、V型槽，312、螺纹孔，32、微调螺母，321、微槽，322、通光孔，323、M3的螺纹孔，33、球头螺杆，41、配重块。

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。

本实施方式所述的高精度、高稳定性、紧凑的地基大口径望远镜三镜俯仰调整机构,采用基于十字交叉金属薄片的弹性旋转铰链，充分利用金属薄片在延展平面方向上刚度远大于垂直平面的法向方向的刚度的特性，再通过十字交叉布置，使薄片组等效形成弹性旋转铰链，利用金属薄片的弹性变形来完成小角度范围内(±0.5°)的无间隙、高稳定性、高刚度的旋转。

本实施方式中，所述构成十字交叉弹性旋转铰链的金属薄片12，一端通过螺钉固定在膜片基座11上，交叉布置连接固定，另一端则通过螺钉固定连接在俯仰基板13上，同样交叉固定连接；俯仰基板13整体倾斜45°布置设计以满足三镜光路折转的要求，待三镜支撑框架单元装调完毕后，再整体通过俯仰基板13上已安装好的定位销14来定位，通过螺钉来完成支撑组件与俯仰基板13的连接，进而完成两部分组件的连接。

下面参照附图，结合具体实施例，对本实施方式做进一步说明。

结合图1、2说明本实施方式，高精度、高稳定性、紧凑的地基大口径望远镜三镜俯仰调整机构,包括活动调整单元、支撑框架单元和配重块；

所述活动调整单元包括膜片基座11、十字交叉布置的金属薄片12、俯仰基板13、定位销14和V型调整块31；

所述金属薄片12下端与膜片基座11通过螺钉连接，金属薄片12上端再与俯仰基板13通过螺钉连接；将定位销14置于俯仰基板13上端的相应孔位中并通过螺钉连接；所述V型调整块31置于俯仰基板13背面上端的相应位置处并通过螺钉连接。上述组合完成三镜俯仰调整机构的活动调整单元的安装。

所述支撑框架单元包括基座圆盘24、加强板22、框架上板23、两块立板21、球头螺杆33和微调螺母32；

所述两块立板21、加强板22、框架上板23依次通过螺钉与基座圆盘24相连接，组合成紧凑的框架结构；

将微调螺母32置于框架上板23上端的相应孔位中并通过螺钉连接；将球头螺杆33对准微调螺母32中心孔处的螺纹，并旋入球头螺杆33；

上述组合完成三镜俯仰调整机构的支撑框架单元的安装。

结合图3说明本实施方式，在完成的支撑框架单元安装的基础上，将完成的活动调整单元安装到相应位置，即：将膜片基座11通过螺钉连接到基座圆盘24上；将球头螺杆33的球面与V型调整块31上的V型槽接触靠紧；将螺钉穿过组合好的碟簧，通过框架上板23上部的孔位与V型调整块31上的螺纹孔相连接，并施加一定的锁紧力；将配重块41通过螺钉安装连接到基座圆盘24上。

本实施方式中，所述构成十字交叉弹性旋转铰链的金属薄片12的厚度及尺寸经过理论计算以及有限元优化分析而定，以旋转力矩适中、整体微弹性变形尺寸最小为最佳。

本实施方式中，所述十字交叉金属薄片12，采用316不锈钢材料。所述的膜片基座11，采用45号钢材料。所述俯仰基板13，采用钛合金材料。所述定位销14，采用铝合金材料。

本实施方式所述的高精度、高稳定性、紧凑的地基大口径望远镜三镜俯仰调整机构,实现俯仰角度的微调整，通过V型调整块31、微调螺母32以及球头螺杆33来进行；俯仰调整时预紧力的施加以及调整后的紧固锁紧通过螺钉与碟簧来完成；最后通过微调螺母32上的锁紧螺钉来锁紧咬合螺牙，锁紧球头螺杆33；整体微调整机构紧凑、高效，可锁紧。具体过程为：

首先，所述的微调螺母32、球头螺杆33为配做定制的、具有细牙螺纹配合的金属件。采用微调细牙螺纹，以十字交叉金属膜片12形成的旋转铰链为基轴，通过螺杆旋入产生的垂直框架上板23的运动，转化并推动俯仰基板13绕膜片基轴转动，较长的推动距离配合细牙螺纹，可以实现高精度的微调整；

其次，所述的球头螺杆33一端为球头，与V型调整块31的V型槽311接触，为硬接触，点接触可以更好适应螺杆随俯仰调整角度的变化，而保持接触；

再次，所述的微调螺母32在穿过框架上板23上的定位孔后，通过螺钉与框架上板23相连接，微调螺母32靠近外端，在径向上具有一微槽321，为3/4直径的深度，以槽为界线，外端部分为Φ3.2mm的光孔322，内端部分为M3的螺纹孔323，接着用螺钉将内外两端部分连接锁紧，微调螺母32部分弹性变形后使中间的细牙螺纹咬合住球头螺杆33，完成锁紧。

最后，所述的调整后的紧固锁紧通过螺钉与碟簧来完成，碟簧在调整前施加适当的预紧力，来保证球头螺杆33与V型槽始终接触，碟簧的预紧力与碟簧的叠加方式、螺杆的压缩量有关；待调整到位后，锁紧螺钉，完成俯仰基板13的固定。

本实施方式中，所述的球头螺杆33，采用45号钢材料。所述的微调螺母32，采用锡青铜材料。所述的V型调整块31，采用45号钢材料。所述框架上板23，采用钛合金材料。

本实施方式所述的三镜俯仰调整机构，采用经过精细排布及质量分布匹配的紧凑支撑框架设计。整体框架采用对称设计，并通过配重块41调整加上三镜支撑组件后的整体质量分配。

所述的框架结构，由四块采用轻量化设计的金属板拼接而成，并与底部的基座圆盘24相连接。左右两块立板21长边为倾斜45°，45°斜面与框架上板23通过螺钉连接，立板21下面与基座圆盘24相连接；两块立板21中间为方形的加强板22，通过螺钉分别与立板21、基座圆盘24相连接；整体框架通过尺寸优化，在满足稳定支撑的同时，使整体尺寸满足要求，不超过三镜的投影面范围。

所述的配重块41质量尺寸经过特殊设计，通过CAD建模整体组件系统，来实时调整配重块41的设计，以使俯仰调整组件、三镜支撑组件的整体装配后，系统重心处于回转中心线上，避免偏心设计对回转稳定性的影响。

本实施方式中，所述的配重块41，采用45号钢材料。所述基座圆盘24，采用钛合金材料。所述立板21，采用钛合金材料。所述加强板22，采用钛合金材料。所述框架上板23，采用钛合金材料。

以上所述的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过实施例，该领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

Claims (6)

1.高精度、高稳定性、紧凑的望远镜三镜俯仰调整机构，其特征是：采用基于十字交叉金属薄片的弹性旋转铰链，利用金属薄片在延展平面方向上刚度大于垂直平面的法向方向的刚度的特性，再通过十字交叉布置，使金属薄片组等效形成弹性旋转铰链，利用金属薄片的弹性变形完成小角度范围内的无间隙、高稳定性、高刚度的旋转；具体包括活动调整单元和支撑框架单元；

所述活动调整单元包括膜片基座(11)、十字交叉的金属薄片(12)、俯仰基板(13)、定位销(14)和V型调整块(31)；

所述金属薄片(12)的下端与膜片基座(11)连接固定，金属薄片(12)上端与俯仰基板(13)连接；

所述定位销(14)置于俯仰基板(13)上端的相应孔位中并通过螺钉连接；

所述V型调整块(31)置于俯仰基板(13)背面上端的相应位置处并通过螺钉连接；

所述支撑框架单元包括基座圆盘(24)、加强板(22)、框架上板(23)、两块立板(21)、球头螺杆(33)和微调螺母(32)；

所述两块立板(21)、一块加强板(22)和一块框架上板(23)与所述基座圆盘(24)连接组合成紧凑的框架结构；

微调螺母(32)置于框架上板(23)上端的相应孔位中并通过螺钉连接；

所述球头螺杆(33)对准微调螺母(32)中心孔处的螺纹并旋入球头螺杆(33)；

所述膜片基座(11)通过螺钉连接到基座圆盘(24)上；球头螺杆(33)的球面与V型调整块(31)上的V型槽(311)接触靠紧；螺钉穿过组合好的碟簧，通过框架上板(23)上部的孔位与V型调整块(31)上的螺纹孔(312)连接，并施加锁紧力；配重块(41)通过螺钉安装到基座圆盘(24)上；

通过V型调整块(31)、微调螺母(32)以及球头螺杆(33)进行俯仰角度的微调整，俯仰角度调整时预紧力的施加以及调整后的紧固锁紧通过螺钉与碟簧来完成；最后通过微调螺母(32)上的锁紧螺钉锁紧咬合螺牙，锁紧球头螺杆(33)；整体微调整机构实现紧凑锁紧；

在所述微调螺母(32)的径向上具有一微槽(321)，以微槽(321)为界线，外端部分为Φ3.2mm的通光孔(322)，内端部分为M3螺纹孔(323)，采用螺钉穿过M3螺纹孔(323)，将微调螺母(32)上以微槽为界线的内外两部分咬合，微调螺母(32)部分弹性变形后使中间的细牙螺纹咬合住球头螺杆(33)，完成锁紧。

2.根据权利要求1所述的高精度、高稳定性、紧凑的望远镜三镜俯仰调整机构，其特征在于：

所述俯仰基板(13)整体倾斜45°布置，满足三镜光路折转的要求。

3.根据权利要求1所述的高精度、高稳定性、紧凑的望远镜三镜俯仰调整机构，其特征在于：

所述加强板(22)与底部的基座圆盘(24)连接；左右两块立板(21)长边倾斜45°，45°斜面与框架上板(23)通过螺钉连接，立板(21)下底面与基座圆盘(24)连接；左右两块立板(21)中间为方形的加强板(22)，通过螺钉分别与左右两块立板(21)以及基座圆盘(24)连接；所述加强板(22)由四块采用轻量化设计的金属板拼接组成。

4.根据权利要求1所述的高精度、高稳定性、紧凑的望远镜三镜俯仰调整机构，其特征在于：

所述十字交叉的金属薄片(12)，采用316不锈钢材料；

所述的膜片基座(11)，采用45号钢材料；

所述俯仰基板(13)，采用钛合金材料；

所述定位销(14)，采用铝合金材料。

5.根据权利要求1所述的高精度、高稳定性、紧凑的望远镜三镜俯仰调整机构，其特征在于：

所述的球头螺杆(33)，采用45号钢材料；

所述的微调螺母(32)，采用锡青铜材料；

所述的V型调整块(31)，采用45号钢材料；

所述框架上板(23)，采用钛合金材料。

6.根据权利要求1所述的高精度、高稳定性、紧凑的望远镜三镜俯仰调整机构，其特征在于：

所述的配重块(41)，采用45号钢材料；

所述基座圆盘(24)，采用钛合金材料；

所述立板(21)，采用钛合金材料；

所述加强板(22)，采用钛合金材料；

所述框架上板(23)，采用钛合金材料。

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