CN114063243A - 车载米级口径反射镜系统及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种车载米级口径反射镜系统及其制造方法，设计了符合轻量化要求和工作特点的主镜和支撑结构，并对主镜的轻量化结构进行了优化，建立三维的主镜模型和支撑结构模型后，利用有限元仿真软件建立轻量化主镜及支撑系统的有限元模型，对主镜有限元模型在支撑结构有限元模型作用下的重力变形进行分析，结合干涉仪的面形检测结果，使得主镜及支撑结构满足工程需求。
Description
技术领域
本发明涉及光电经纬仪技术领域，具体涉及一种车载米级口径反射镜系统及其制造方法。
背景技术
光电经纬仪在国防领域中的应用十分广泛。反射镜系统的主镜在光电经纬仪光学系统占有重要地位，作为光学系统中主要载荷与有效工作元件，它的面形精度决定了成像质量的高低。由于现在对数据的采集处理要求越来越高，使得光电经纬仪向着大口径、高精度和高分辨率方向发展。但大口径随之带来的是主镜面形精度的下降，成像质量更易受到自重、承载和温差的影响，并且其面形精度和反射率的优劣直接影响系统的导光质量，因此为了提高主镜的成像质量，有必要对主镜进行轻量化设计。
此外，对于车载光学系统，尤其是米级口径反射镜的大型车载设备需要保证道路通过性、结构稳定性、精度一致性等，因此对于反射镜系统来说具有高刚度低重量要求。目前来说，车载米级口径反射镜系统没有完善的米级口径反射镜系统，能够同时满足轻量化和高面形精度的要求。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是如何实现反射镜系统的轻量化设计。
根据第一方面，一种实施例中提供一种车载米级口径反射镜系统，包括：主镜和支撑结构；
所述主镜包括圆形基体，所述圆形基体的中心开设有第一通孔，在圆形基体上从轴心向四周分布多个圆环，多个圆环和第一通孔同轴分布，所述圆环上均匀开设多个第二通孔；
所述支撑结构包括：轴向支撑机构、径向支撑机构和底板，所述轴向支撑机构用于在轴向上支撑所述主镜，所述径向支撑机构用于在径向上支撑所述主镜，所述底板用于固定所述轴向支撑机构和径向支撑机构。
在一实施例中，同一圆环上所述多个第二通孔的轴心到第一通孔的轴心的距离相同，且多个第二通孔均匀分布在所述圆环上。
在一实施例中，所述轴向支撑机构为三组，三组所述轴向支撑机构沿周长方向均匀分布在所述主镜的底面；
所述轴向支撑机构通过球头支撑件与所述底板连接。
在一实施例中，所述轴向支撑机构包括：三角支撑板和三个支撑盘；
三个所述支撑盘的一面分别与所述三角支撑板的三个角端点通过第一钢球连接，三个所述支撑盘的另一面分别与所述主镜接触连接，所述三角支撑板的中心通过球头支撑件与所述底板连接；
三个所述支撑盘与所述三角支撑板的中心的距离相同。
在一实施例中，所述径向支撑机构为三组，三组所述径向支撑机构沿周长方向均匀分布在所述主镜的底面；
所述径向支撑机构的一端与所述主镜的底面连接，所述径向支撑机构的另一端与所述底板连接。
在一实施例中，所述径向支撑机构包括：轴座、支座、调心球轴承、配重杆、配重箱、轴套和第二钢球；
所述轴座的一端与所述底板连接，所述轴座的另一端与所述主镜的底面的安装孔相连接，所述轴座与所述安装孔连接的端部设有轴套，所述轴座的外表面对称设有两个支座，每个所述支座的一端与所述底板连接，所述支座的另一端与所述轴套连接；所述调心球轴承的一面通过第二钢球与所述安装孔的内侧面接触连接，所述调心球轴承的另一面与所述配重杆的一端连接，所述配重杆沿所述轴座的轴向设置于所述轴座的中空处，所述配重杆的另一端连接设于底板内的配重箱；其中，所述第二钢球可沿所述配重杆的轴向方向进行移动。
在一实施例中，所述支撑结构还包括：中心轴组件和拉紧组件；
所述中心轴组件用于固定所述主镜的轴心，所述中心轴组件的一端与所述圆形基体的中心连接，所述中心轴组件的另一端与底板连接；
所述拉紧组件用于防止主镜在轴向上偏移量过大，所述拉紧组件连接于所述主镜与所述底板之间。
在一实施例中，所述主镜的材料为SiC。
根据第二方面，一种实施例中提供一种车载米级口径反射镜系统的制造方法，其中反射镜系统包括主镜和支撑结构；
所述制造方法包括：
S100：获取所述主镜的参数信息；其中，所述参数信息包括：尺寸参数信息、面型参数信息和物理参数信息；
S200：根据所述主镜的参数信息，利用三维建模软件构建主镜模型；其中，所述主镜模型包括圆形基体，所述圆形基体的中心开设有第一通孔，在圆形基体上从轴心向四周分布多个圆环，多个圆环和第一通孔同轴分布，所述圆环上均匀开设多个第二通孔；
S300：利用三维建模软件构建支撑结构模型；所述支撑结构模型包括：轴向支撑机构、径向支撑机构和底板，所述轴向支撑机构用于在轴向上支撑所述主镜，所述径向支撑机构用于在径向上支撑所述主镜，所述底板用于固定所述轴向支撑机构和径向支撑机构；
S400：利用有限元仿真软件，对所述主镜模型和支撑结构模型进行有限元分析，得到主镜有限元模型和支撑结构有限元模型；
S500：对主镜有限元模型在支撑结构有限元模型模型作用下的重力变形进行分析，并根据重力变形分析的结果，调整主镜的参数信息，根据调整后的主镜的参数信息制备主镜；
S600：对制备的主镜进行面形精度检测。
依据上述实施例的车载米级口径反射镜系统及其制造方法，设计了符合轻量化要求和工作特点的主镜和支撑结构，并对主镜的轻量化结构进行了优化，建立三维的主镜模型和支撑结构模型后，利用有限元仿真软件建立轻量化主镜及支撑系统的有限元模型，对主镜有限元模型在支撑结构有限元模型作用下的重力变形进行分析，结合干涉仪的面形检测结果，使得主镜及支撑结构满足工程需求。
附图说明
图1为一种实施例的车载米级口径反射镜系统的结构示意图，其中（a）为车载米级口径反射镜系统的侧面剖视图，（b）为车载米级口径反射镜系统的正视图；
图2为主镜的结构示意图；
图3为轴向支撑机构的结构示意图；
图4为轴向支撑机构与主镜、底板的连接示意图；
图5为轴向支撑机构与主镜的连接示意图；
图6为径向支撑机构的结构示意图；
图7为图6所示径向支撑机构的剖面示意图；
图8为一种实施例的车载米级口径反射镜系统的制造方法的流程图；
图9为主镜的有限元模型示意图；
图10为主镜检测效果示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。
实施例一：
请参考图1，图1为一种实施例的车载米级口径反射镜系统的结构示意图，以下简称反射镜系统，其中图1中的（a）为车载米级口径反射镜系统的侧面剖视图，图1中的（b）为车载米级口径反射镜系统的正视图，该反射镜系统包括：主镜10和支撑结构30。
如图2所示，主镜10包括圆形基体11，圆形基体11的中心开设有第一通孔12，在圆形基体11上从轴心向四周分布多个圆环13，多个圆环13和第一通孔12同轴分布，圆环13上均匀开设多个第二通孔14，第二通孔14为扇形孔。其中，同一圆环13上多个第二通孔14的轴心到第一通孔12的轴心的距离相同，且多个第二通孔14均匀分布在圆环13上。在一实施例中，圆环13上的第二通孔14呈网格结构。在另一实施例中，圆环13上的第二通孔14为小孔结构。
本实施例中的主镜10的材料为SiC，该主镜10为有效通光口径1000mm的抛物面反射镜，根据设计指标要求，轮廓直径为1030mm、第一通孔直径为110mm、主镜的曲率半径为3500mm、边缘厚度为110mm等。
在本实施例中，主镜10具有中心位置的第一通孔12，以及呈同轴圆环分布的扇形第二通孔14，这种结构能够减少主镜10的质量，实现主镜10的轻量化设计。
支撑结构30包括：中心轴组件31、轴向支撑机构32、径向支撑机构33、拉紧组件34和底板35。
其中，轴向支撑机构32用于在轴向上支撑主镜10，径向支撑机构33用于在径向上支撑主镜10，底板35用于固定轴向支撑机构32和径向支撑机构33。中心轴组件31用于固定主镜10的轴心，中心轴组件31的一端与圆形基体的中心连接，中心轴组件31的另一端与底板35连接。拉紧组件34用于防止主镜10在轴向上偏移量过大，拉紧组件34连接于主镜10与底板35之间。
其中，轴向支撑机构32为三组，三组轴向支撑机构32沿周长方向均匀分布在主镜10的底面；轴向支撑机构32通过球头支撑件36与底板35连接。
如图3-5所示，每个轴向支撑机构32包括：三角支撑板321和三个支撑盘322。三个支撑盘322的一面分别与三角支撑板321的三个角端点通过第一钢球37连接，三个支撑盘322的另一面分别与主镜10接触连接，三角支撑板321的中心通过球头支撑件36与底板35连接。其中，三个支撑盘322与三角支撑板321的中心的距离相同。
由于支撑盘322的一面与三角支撑板321之间通过第一钢球连接，支撑盘322的另一面与主镜10接触连接，并且三角支撑板321与底板35之间通过球头支撑件36连接，并都使用拉簧组件38压紧，使得支撑盘322与三角支撑板321都能在小范围内自由调节角度，并使三组轴向支撑机构32中的9个支撑盘322均能与主镜10紧密接触。
径向支撑机构33为三组，三组径向支撑机构33沿周长方向均匀分布在主镜10的底面；径向支撑机构33的一端与主镜10的底面连接，径向支撑机构33的另一端与底板35连接。
如图6-7所示，径向支撑机构33包括：轴座331、支座332、调心球轴承333、配重杆334、配重箱335、轴套336和第二钢球337。轴座331的一端与底板35连接，轴座331的另一端与主镜10的底面的安装孔相连接，轴座331与安装孔连接的端部设有轴套336，轴座331的外表面对称设有两个支座332，每个支座332的一端与底板35连接，支座332的另一端与轴套336连接；调心球轴承333的一面通过第二钢球337与安装孔的内侧面接触连接，调心球轴承333的另一面与配重杆334的一端连接，配重杆334沿轴座331的轴向设置于轴座331的中空处，配重杆334的另一端连接设于底板35内的配重箱；其中，第二钢球337可沿配重杆334的轴向方向进行移动。此外，径向支撑机构33还包括防旋转组件338，防旋转组件338用于防止主镜绕轴向转动。
通过调心球轴承333支撑配重杆334，使配重杆334可在小范围内转动，消除轴座331与主镜10背部安装孔的不同轴误差。配重箱335通过配重杆334及调心球轴承33、第二钢球337和轴套336支撑主镜。轴套粘在主镜安装孔内，可与主镜通过保持架内钢球沿配重杆轴向移动，消除轴向安装误差。
从上述描述可知，主镜10的支撑结构为中心轴定位+浮动支撑的形式 ，具体为，中心轴组件31对主镜10的中心进行定位，使得主镜10的中心不会发生偏移。轴向支撑机构32和径向支撑机构33分别用于在轴向和径向上对主镜10进行浮动支撑。
实施例二：
基于实施例一提供的车载米级口径反射镜系统，请参考图8，图8为一种实施例的车载米级口径反射镜系统的制造方法的流程图，以下简称制造方法，该制造方法包括以下步骤，下面具体说明。
S100：获取主镜的参数信息；其中，参数信息包括：尺寸参数信息、面型参数信息和物理参数信息。
尺寸参数信息包括：主镜的口径大小、主镜的厚度等，尺寸参数信息决定了反射镜的几何尺寸。面型参数信息包括：抛物面、球面或者自由曲面等信息，面型参数信息决定了主镜的光学特性等。物理参数信息包括：泊松比、弹性模量、热膨胀系数、密度等，物理参数信息决定了主镜的物理特性（变形，热膨胀，应力应变等）。
S200：根据主镜的参数信息，利用三维建模软件构建主镜模型；其中，主镜模型包括圆形基体，圆形基体的中心开设有第一通孔，在圆形基体上从轴心向四周分布多个圆环，多个圆环和第一通孔同轴分布，圆环上均匀开设多个第二通孔。本实施例利用三维建模软件UG创建主镜的实体模型，可以得到主镜模型的质心位置、质量、体积等几何量。
S300：利用三维建模软件构建支撑结构模型；支撑结构模型包括：轴向支撑机构、径向支撑机构和底板，轴向支撑机构用于在轴向上支撑主镜，径向支撑机构用于在径向上支撑主镜，底板用于固定轴向支撑机构和径向支撑机构。
S400：利用有限元仿真软件，对主镜模型和支撑结构模型进行有限元分析，得到主镜有限元模型和支撑结构有限元模型。
在不对有限元分析结果产生影响的前提下，将镜模型和支撑结构模型进行简化后导入有限元仿真软件中，构建主镜有限元模型和支撑结构有限元模型，如图9所示，图9为主镜有限元模型。为保证有限元分析结果的精确性，需改变网格密度进行多次计算，直至分析结果趋于稳定，则表明计算结果达到收敛。本实施例提供的反射镜系统的主要结构为主镜、轴向支撑机构、径向支撑机构和底板。对于直接与主镜接触的支撑结构，为使得仿真结果更接近实际变形结果，采用非线性接触的方法进行建模。支撑结构与主镜之间的环形支撑垫与主镜间采用带摩擦的接触。环形支撑垫与底板之间通过三角支撑板辅以第一钢球和压紧弹簧进行连接，为降低模型的复杂程度，第一钢球采用分布耦合进行代替，压紧弹簧采用弹簧单元。径向支撑机构利用芯轴进行中心支撑。最后对主镜和支撑结构施加载荷和边界条件，载荷即为重力。
在光轴竖直时，有限元分析结果显示主镜模型的应力最大点位于与支撑点位置相对应的主镜内部的加强筋上，光轴倾斜45º时，主镜的最大应力点位于主镜背部中心孔附近的加强筋处，当光轴处于水平状态时，在径向支撑记过作用下主镜的最大应力点在中心孔附近，其应力值通常远小于SiC材料的抗弯强度100MPa。
S500：对主镜有限元模型在支撑结构有限元模型模型作用下的重力变形进行分析，并根据重力变形分析的结果，调整主镜的参数信息，根据调整后的主镜的参数信息制备主镜。
本实施例以主镜的参数信息、主镜的面形精度作为约束条件，以减小主镜质量为目标函数，将主镜背面加强筋的厚度及主镜反射面厚度设置为设计变量，对主镜模型进行优化设计。对主镜背面加强筋厚度进行优化，通过减小主镜背面的加强筋厚度，同时主镜背面半封闭型面板厚度也随之改变，从而得到不同结构参数的主镜模型。建立有限元模型，分析相同支撑条件下不同结构参数的主镜面形误差。面形分析结果随着约束条件的变化而改变，为提高主镜的径厚比，对主镜的总厚度进行优化。随着主镜总厚度的逐渐减小，主镜的质量下降，主镜的面形精度与径厚比逐渐升高且增幅不断变大。主镜的面形误差随俯仰角变化的规律可用主镜镜面变形量、光轴水平时镜面误差、光轴竖直时镜面误差、光轴偏离竖直方向的角度等计算。如果光轴水平时主镜的面形精度满足要求，则可以认为整个工作过程中主镜的面形精度都满足要求。
S600：对制备的主镜进行面形精度检测。其中，面形精度检测的通过条件为：在4D干涉仪上看不到主镜上大量的黑块和凹凸点，整个面型流畅均匀平滑，如图10所示。
对于1000mm 口径的主镜，由于其面形精度要求较高，采用在支撑结构作用下进行修磨的方式进行检测效果更好。
在本发明实施例中，1000mm口径的主镜采用轻量化设计，重量实测为80.2kg，为传统微晶等材料的1/3。同时，SiC的弹性模量和刚度都较高，主镜镜面加工后的稳定性好。1000mm口径的主镜，光学精密加工的常规面形精度可以达到λ/40。结合SiC的物理性能，针对1000mm口径SiC主镜，支撑结构选择了中心轴定位、底部三点支承（每点各有三个支承盘）、侧支承柔性配重（径向支撑机构）的方式，并采用弹性的前压、后拉支撑，在保证主镜面型精度的前提下充分限制了主镜的6个自由度，提高了视轴稳定性。支承后主镜面型精度为λ/30。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (9)
1.一种车载米级口径反射镜系统，其特征在于，包括：主镜和支撑结构；
所述主镜包括圆形基体，所述圆形基体的中心开设有第一通孔，在圆形基体上从轴心向四周分布多个圆环，多个圆环和第一通孔同轴分布，所述圆环上均匀开设多个第二通孔；
所述支撑结构包括：轴向支撑机构、径向支撑机构和底板，所述轴向支撑机构用于在轴向上支撑所述主镜，所述径向支撑机构用于在径向上支撑所述主镜，所述底板用于固定所述轴向支撑机构和径向支撑机构。
2.如权利要求1所述的车载米级口径反射镜系统，其特征在于，同一圆环上所述多个第二通孔的轴心到第一通孔的轴心的距离相同，且多个第二通孔均匀分布在所述圆环上。
3.如权利要求1所述的车载米级口径反射镜系统，其特征在于，所述轴向支撑机构为三组，三组所述轴向支撑机构沿周长方向均匀分布在所述主镜的底面；
所述轴向支撑机构通过球头支撑件与所述底板连接。
4.如权利要求3所述的车载米级口径反射镜系统，其特征在于，所述轴向支撑机构包括：三角支撑板和三个支撑盘；
三个所述支撑盘的一面分别与所述三角支撑板的三个角端点通过第一钢球连接，三个所述支撑盘的另一面分别与所述主镜接触连接，所述三角支撑板的中心通过球头支撑件与所述底板连接；
三个所述支撑盘与所述三角支撑板的中心的距离相同。
5.如权利要求1所述的车载米级口径反射镜系统，其特征在于，所述径向支撑机构为三组，三组所述径向支撑机构沿周长方向均匀分布在所述主镜的底面；
所述径向支撑机构的一端与所述主镜的底面连接，所述径向支撑机构的另一端与所述底板连接。
6.如权利要求5所述的车载米级口径反射镜系统，其特征在于，所述径向支撑机构包括：轴座、支座、调心球轴承、配重杆、配重箱、轴套和第二钢球；
所述轴座的一端与所述底板连接，所述轴座的另一端与所述主镜的底面的安装孔相连接，所述轴座与所述安装孔连接的端部设有轴套，所述轴座的外表面对称设有两个支座，每个所述支座的一端与所述底板连接，所述支座的另一端与所述轴套连接；所述调心球轴承的一面通过第二钢球与所述安装孔的内侧面接触连接，所述调心球轴承的另一面与所述配重杆的一端连接，所述配重杆沿所述轴座的轴向设置于所述轴座的中空处，所述配重杆的另一端连接设于底板内的配重箱；其中，所述第二钢球可沿所述配重杆的轴向方向进行移动。
7.如权利要求1所述的车载米级口径反射镜系统，其特征在于，所述支撑结构还包括：中心轴组件和拉紧组件；
所述中心轴组件用于固定所述主镜的轴心，所述中心轴组件的一端与所述圆形基体的中心连接，所述中心轴组件的另一端与底板连接；
所述拉紧组件用于防止主镜在轴向上偏移量过大，所述拉紧组件连接于所述主镜与所述底板之间。
8.如权利要求1所述的车载米级口径反射镜系统，其特征在于，所述主镜的材料为SiC。
9.一种车载米级口径反射镜系统的制造方法，其特征在于，其中反射镜系统包括主镜和支撑结构；
所述制造方法包括：
S100：获取所述主镜的参数信息；其中，所述参数信息包括：尺寸参数信息、面型参数信息和物理参数信息；
S200：根据所述主镜的参数信息，利用三维建模软件构建主镜模型；其中，所述主镜模型包括圆形基体，所述圆形基体的中心开设有第一通孔，在圆形基体上从轴心向四周分布多个圆环，多个圆环和第一通孔同轴分布，所述圆环上均匀开设多个第二通孔；
S300：利用三维建模软件构建支撑结构模型；所述支撑结构模型包括：轴向支撑机构、径向支撑机构和底板，所述轴向支撑机构用于在轴向上支撑所述主镜，所述径向支撑机构用于在径向上支撑所述主镜，所述底板用于固定所述轴向支撑机构和径向支撑机构；
S400：利用有限元仿真软件，对所述主镜模型和支撑结构模型进行有限元分析，得到主镜有限元模型和支撑结构有限元模型；
S500：对主镜有限元模型在支撑结构有限元模型作用下的重力变形进行分析，并根据重力变形分析的结果，调整主镜的参数信息，根据调整后的主镜的参数信息制备主镜；
S600：对制备的主镜进行面形精度检测。
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