CN113589471A - 一种深低温离轴非球面一体式铝反射镜结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于深低温环境下(60k以下)离轴非球面铝反射镜结构,在光学镜面和安装底座之间设计了质心配重结构,使一体式铝反射镜整体的质心与偏移离轴量的光轴尽量重合,解决单点金刚石对离轴非球面反射镜的加工问题,便于一体式铝反射镜结构的一体加工成型;同时引入多处卸载槽,解决加工或安装后,由于大温差引起的较大的强迫位移带来的镜面面形变差的问题;另外设计了圆形光孔和腰形光孔,使一体式铝反射镜结构同时满足精确定位和避免引入过约束应力;本发明极大程度地减少了加工和装调误差,同时使得装调过程得到极大的改进,减少装调环节,减少了装调环节过多导致的不确定性,提升了装调效率和装调精度,为光学系统的成像质量提供保障。

Description

一种深低温离轴非球面一体式铝反射镜结构
技术领域
本发明涉及一种用于深低温的离轴非球面加工的铝合金反射镜,属于航天器结构技术领域。
背景技术
随着我国对深空探测光学卫星需求的不断增长,对光学元件的面形、加工装调公差和深低温的环境适应性提出了越来越高的要求,现有的光学元件存在着装调效率低、深低温环境适应性差、加工条件限制多、成本高等问题,为满足对于中小口径反射镜的深低温大温差适应性、提升装调效率,金属反射镜在太空望远镜、侦察卫星等系统中得到了广泛的应用,铝合金由于其易加工、密度低、易于主体结构构成无热化设计及价格便宜等优点,成为反射镜制造的首选金属材料,但现有的铝合金反射镜应用时,需将单独的铝合金反射镜安装在支架上,加工和装调程序复杂,导致引入过约束额外的应力,难以满足深低温下探测的精度需求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷,提供一种用于深低温环境下(60k以下)离轴非球面铝反射镜结构,在光学镜面和安装底座之间设计了质心配重结构,使一体式铝反射镜整体的质心与偏移离轴量的光轴尽量重合,解决单点金刚石对离轴非球面反射镜的加工问题,便于一体式铝反射镜结构的一体加工成型;同时引入多处卸载槽,解决加工或安装后,由于大温差引起的较大的强迫位移带来的镜面面形变差的问题;另外设计了圆形光孔和腰形光孔,使一体式铝反射镜结构同时满足精确定位和避免引入过约束应力;本发明极大程度地减少了加工和装调误差,同时使得装调过程得到极大的改进,减少装调环节,减少了装调环节过多导致的不确定性,提升了装调效率和装调精度,从而为光学系统的成像质量提供保障。
为实现上述发明目的,本发明提供如下技术方案:
一种深低温离轴非球面一体式铝反射镜结构,包括一体加工成型的光学镜面,安装底座和质心配重结构;
所述质心配重结构设于安装底座上且与光学镜面背面连接,为中空结构;
所述质心配重结构用于调整一体式铝反射镜结构的质心位置,以便于提升回转加工过程中的稳定性。
进一步的,所述安装底座上设有安装孔,所述安装孔与螺栓配合,实现安装底座与外部结构件的固定;
所述安装底座上还设有圆形光孔和腰形光孔,所述圆形光孔与圆形销钉配合,实现安装底座在外部结构件上的定位,所述腰形光孔与圆形销钉配合,用于限制一体式铝反射镜的旋转且消除因温度变化产生的应力。
进一步的,所述安装孔为3个,分别为第一安装孔,第二安装孔和第三安装孔;所述安装孔为圆形;第一安装孔和第二安装孔分别位于质心配重结构的两侧,3个安装孔的圆心连线为等腰三角形,且等腰三角形的几何中心与一体式铝反射镜的质心在安装底座所在平面的投影点重合。
进一步的,所述圆形光孔与腰形光孔位于质心配重结构的两侧,腰形光孔的长度方向与光学镜面背面平行;圆形光孔与腰形光孔形心的连线与腰形光孔的长度方向平行,且该连线通过零件质心在安装底座所在平面的投影点,以便于保证腰型孔的长边方向与零件低温环境下的收缩变形方向一致。
进一步的,所述一体式铝反射镜结构中设有卸载槽,用于解决加工或安装过程中强迫位移以及低温环境下的收缩变形导致的镜面面形变差问题。
进一步的,所述卸载槽包括设于安装底座上且靠近安装底座与质心配重结构的连接处的第一卸载槽以及设于安装底座上且位于质心配重结构中空内腔中的第二卸载槽;
所述第一卸载槽与第二卸载槽的方向垂直。
进一步的,所述第一卸载槽为2个,第二卸载槽为1个;第一卸载槽和第二卸载槽为通槽,槽宽为0.2mm~0.8mm,槽长大于安装孔的直径。
进一步的,所述质心配重结构设有配重槽,或配重孔中的一种或多种结构;质心配重结构调整一体式铝反射镜结构的质心位置与偏离离轴量的光轴重合。
进一步的,所述质心配重结构设有配重槽和配重孔;所述配重槽设于质心配重结构上且靠近质心配重结构与光学镜面的连接处,或设于质心配重结构上且靠近质心配重结构与安装底座的连接处,或设于质心配重结构顶部;所述配重孔设于质心配重结构顶部。
进一步的,所述光学镜面为离轴非球面。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
(1)本发明一种深低温离轴非球面一体式铝反射镜结构,摒弃传统方式中镜体和支架分体的方式,采用安装面和离轴抛物镜表面垂直的方式,通过质心配重手段,使一体式铝反射镜整体的质心与偏移离轴量的光轴尽量重合,实现对离轴非球面一体式复杂构型的铝反射镜的加工,省去中间连接环节,极大程度地减少了加工和装调误差,同时使得装调过程得到极大的改进,减少装调环节,减少了装调环节过多导致的不确定性,提升了装调效率和装调精度,从而为光学系统的成像质量提供保障;
(2)本发明一种深低温离轴非球面一体式铝反射镜结构,设有多处方向不同的卸载槽,且对卸载槽的尺寸进行了设计,用于解决加工或安装后,由于较大的强迫位移带来的镜面面形变差的问题;
(3)本发明一种深低温离轴非球面一体式铝反射镜结构,设有圆形光孔和腰形光孔,圆形光孔与圆形销钉配合,圆形光孔只限制平面内dx,dy两个平移自由度,腰形光孔只限制Rx,Ry两个旋转自由度,从而使得平面内的平移和旋转完全被固定且未引入过约束,使一体式铝反射镜结构精确定位,腰形光孔与圆形销钉配合,避免安装和拆装过程引入过约束的应力问题,此外圆形光孔与腰形光孔形心的连线与腰形光孔的长度方向平行,且该连线通过零件质心在安装底座所在平面的投影点,以便于保证腰型孔的长边方向与零件低温环境下的收缩变形方向一致,避免了对镜面面形产生的影响。
(4)本发明一种深低温离轴非球面一体式铝反射镜结构,体积小、质量轻、结构简单,拆装方便,特别适用于深低温(60k)以下的环境,在深空探测光学卫星领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明一种深低温离轴非球面一体式铝反射镜结构的示意图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明,本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面,但是除非特别指出,不必按比例绘制附图。
实施例1
如图1所示,本发明一种深低温离轴非球面一体式铝反射镜结构,包括一体加工成型的光学镜面1,安装底座7和质心配重结构6;
所述的光学镜面1部位符合离轴非球面方程。
安装底座7上设有安装孔2,安装孔有三处,用于螺栓连接,分别位于质心配重结构6两侧和质心配重结构6中空内腔的内部。
一体式铝反射镜结构中,卸载槽3为3处通槽,其中2个位于安装底座7与质心配重结构6的连接处,1个设于安装底座7上且位于质心配重结构6中空内腔中。卸载槽3宽度为0.5mm,长度大于安装孔(2)的直径,具体长度以实际有限元仿真结果为准,以零件模态大约2000Hz为优化条件,优化设计卸载槽长度,既保证零件刚度又达到卸载应力的目的。
一体式铝反射镜用于深低温环境,由于螺钉一般为钢材料,该反射镜安装结构为铝合金材料,因此深低温环境易带来材料之间的热膨胀系数的不匹配性,引起严重应力,甚至可能破坏螺纹结构,使一体式铝反射镜安装稳定性变差,因此采用螺栓结构设于安装孔处,然而由于螺栓孔和螺栓不是紧配合,无法起到定位作用,因此在螺栓安装孔附近设置圆形光孔和腰形光孔用于定位。圆形光孔4和腰形光孔5设于安装底座7上且分别位于质心配重结构6两侧,圆形光孔4与销钉配合,用于一体式铝反射镜结构的定位,限制平面内dx,dy两个平移自由度,腰形光孔用于限制一体式铝反射镜结构Rx,Ry的旋转,从而使得平面内的平移和旋转完全被固定且未引入过约束。此外腰形光孔5的长度方向与光学镜面1背面平行;圆形光孔4与腰形光孔5形心的连线与腰形光孔5的长度方向平行,且该连线通过一体式铝反射镜的质心在安装底座7所在平面的投影点,以便于保证腰型孔的长边方向与零件低温环境下的收缩变形方向一致,避免了对镜面面形产生的影响。以达到既满足深低温环境下铝反射镜的精确定位,又不会引入过约束的目的。
光学镜面1部位为离轴非球面方程构成,因此将质心配重结构6与光学镜面1直接相连,用于解决非球面镜面引入偏移离轴量以及采用一体化结构后,引起质心和铝反射镜中心轴偏差较远,而导致单点金刚石车削无法加工的问题。质心配重结构6开设有质心调节结构,质心调节结构的形式为配重去除结构,第一配重去除结构61设于质心配重结构6与光学镜面1连接的左侧位置,第二第一配重去除结构62设于质心配重结构6与光学镜面1连接的右侧位置,第三配重去除结构63设于质心配重结构6与安装底座7连接的后侧位置,即门洞型中空结构;根据具体结构确定配重去除结构的尺寸,使一体式铝反射镜结构的质心与偏移离轴量的光轴尽量接近重合,解决了在单点金刚石车削时,由于离心力过大的问题,质心配重结构6通过调节配重去除结构的尺寸来调整一体式铝反射镜结构的质心。
具体的说,质心配重结构6为光学镜面1和安装底座7之间一体式连接的部分,该结构设有左右两侧的去除结构和门洞型中空去除结构,通过配制左右两侧的去除结构和门洞型中空去除结构的尺寸控制质心配重结构6部分的质量及其分布,以达到一体式铝反射镜整体的质心与偏移离轴量的光轴尽量重合的目的,以便解决单点金刚石无法加工的问题;此外开设工艺孔21便于位于质心配重结构6中空内腔的内部的安装孔2与螺栓配合。
一体式铝反射镜通过在三个安装孔2上放置螺栓与其他结构件相连,用于解决深低温环境下,普通螺钉安装时由于热膨胀系数的差异导致的螺纹变形损坏问题,同时在安装孔2旁设置圆形光孔4和腰形光孔5,用于解决采用螺栓连接后,不能精确定位的问题,同时由于腰形光孔5的关系,不会使安装引入过约束的应力问题。
在安装底座7上,安装底座7与质心配重结构6的连接处设有2个0.5mm宽的卸载槽3,上述2个卸载槽3位于质心配重结构6两侧,安装底座7上且位于质心配重结构6中空腔体内部还设有另外一个卸载槽3,用于解决加工或安装后,由于较大的强迫位移以及深低温环境带来的镜面面形变差的问题。
一体式铝反射镜结构采用RSA-6061铝合金材料。
经仿真分析计算,本发明的离轴非球面一体式铝反射镜结构,支撑刚度好,零件模态大于2000Hz,能够适应深低温(60K)环境,深低温环境下反射镜镜面面形优于λ/10,拆装方便,反射镜面形、位置精度及安装精度均比传统分体式铝反射镜有较大提高,解决了铝合金反射镜在加工和使用过程中需要高刚度和高柔度的矛盾,可以满足空间光学遥感系统的性能要求。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明,不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解,在不偏离本发明精神和范围的情况下,可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进,这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种深低温离轴非球面一体式铝反射镜结构,其特征在于,包括一体加工成型的光学镜面(1),安装底座(7)和质心配重结构(6);
所述质心配重结构(6)设于安装底座(7)上且与光学镜面(1)背面连接,为中空结构;
所述质心配重结构(6)用于调整一体式铝反射镜结构的质心位置,以便于提升回转加工过程中的稳定性。
2.根据权利要求1所述的一种深低温离轴非球面一体式铝反射镜结构,其特征在于,所述安装底座(7)上设有安装孔(2),所述安装孔(2)与螺栓配合,实现安装底座(7)与外部结构件的固定;
所述安装底座(7)上还设有圆形光孔(4)和腰形光孔(5),所述圆形光孔(4)与圆形销钉配合,实现安装底座(7)在外部结构件上的定位,所述腰形光孔(5)与圆形销钉配合,用于限制一体式铝反射镜的旋转且消除因温度变化产生的应力。
3.根据权利要求2所述的一种深低温离轴非球面一体式铝反射镜结构,其特征在于,所述安装孔(2)为3个,分别为第一安装孔,第二安装孔和第三安装孔;所述安装孔(2)为圆形;第一安装孔和第二安装孔分别位于质心配重结构(6)的两侧,3个安装孔(2)的圆心连线为等腰三角形,且等腰三角形的几何中心与一体式铝反射镜的质心在安装底座(7)所在平面的投影点重合。
4.根据权利要求3所述的一种深低温离轴非球面一体式铝反射镜结构,其特征在于,所述圆形光孔(4)与腰形光孔(5)位于质心配重结构(6)的两侧,腰形光孔(5)的长度方向与光学镜面(1)背面平行;圆形光孔(4)与腰形光孔(5)形心的连线与腰形光孔(5)的长度方向平行,且该连线通过零件质心在安装底座(7)所在平面的投影点,以便于保证腰型孔的长边方向与零件低温环境下的收缩变形方向一致。
5.根据权利要求3所述的一种深低温离轴非球面一体式铝反射镜结构,其特征在于,所述一体式铝反射镜结构中设有卸载槽(3),用于解决加工或安装过程中强迫位移以及低温环境下的收缩变形导致的镜面面形变差问题。
6.根据权利要求5所述的一种深低温离轴非球面一体式铝反射镜结构,其特征在于,所述卸载槽(3)包括设于安装底座(7)上且靠近安装底座(7)与质心配重结构(6)的连接处的第一卸载槽以及设于安装底座(7)上且位于质心配重结构(6)中空内腔中的第二卸载槽;
所述第一卸载槽与第二卸载槽的方向垂直。
7.根据权利要求6所述的一种深低温离轴非球面一体式铝反射镜结构,其特征在于,所述第一卸载槽为2个,第二卸载槽为1个;第一卸载槽和第二卸载槽为通槽,槽宽为0.2mm~0.8mm,槽长大于安装孔(2)的直径。
8.根据权利要求1所述的一种深低温离轴非球面一体式铝反射镜结构,其特征在于,所述质心配重结构(6)设有配重槽,或配重孔中的一种或多种结构;质心配重结构(6)调整一体式铝反射镜结构的质心位置与偏离离轴量的光轴重合。
9.根据权利要求1所述的一种深低温离轴非球面一体式铝反射镜结构,其特征在于,所述质心配重结构(6)设有配重槽和配重孔;所述配重槽设于质心配重结构(6)上且靠近质心配重结构(6)与光学镜面(1)的连接处,或设于质心配重结构(6)上且靠近质心配重结构(6)与安装底座(7)的连接处,或设于质心配重结构(6)顶部;所述配重孔设于质心配重结构(6)顶部。
10.根据权利要求1所述的一种深低温离轴非球面一体式铝反射镜结构,其特征在于,所述光学镜面(1)为离轴非球面。
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