CN114325906B

CN114325906B - 一种一体式次镜组件及其制造方法

Info

Publication number: CN114325906B
Application number: CN202111619134.8A
Authority: CN
Inventors: 闫磊; 张新; 王灵杰; 付强; 谭双龙; 史广维; 张建萍; 刘洋; 胡铭钰
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2023-05-16
Anticipated expiration: 2041-12-28
Also published as: CN114325906A

Abstract

本发明提供一种一体式次镜组件及其制造方法，该次镜组件包括一体式设计的次镜镜面、次镜基体和次镜背板。次镜基体的一侧加工有次镜镜面；次镜背板由多个支撑筋沿次镜基体周向间隔排列构成，各支撑筋分别绕次镜基体中心轴朝同一方向扭转，支撑筋的延伸端连接为一连接圆环。通过对支撑筋结构的设计，使得次镜组件在受横向载荷下的运动形式变为绕自身旋转运行，支撑筋受力形式由传统结构形式下的剪切力转换为拉伸力，提高了次镜组件承载能力。此外，整个结构基于拓扑优化方法和增材制造手段进行一体式设计，在满足光学通光遮拦比的情况下，通过轻量化次镜基体和支撑筋等手段，实现次镜组件超轻、高刚度、一体式设计。

Description

一种一体式次镜组件及其制造方法

技术领域

本发明涉及光学遥感技术领域，尤其涉及一种一体式次镜组件及其制造方法。

背景技术

随着光学遥感领域的发展，对光学遥感领域应用超高轻量化、小型化、高集成度、高性价比的要求越来越高。反射镜作为反射式、折返式光学系统关键部件之一，其重要性越来越明显，随着单点金刚石车削加工技术(SPDT)的日渐成熟，金属基反射镜凭借其良好的加工性能、加工周期、制造成本、力热性能等，在光学成像系统中得到越来越广泛的应用。

通常为了方便光学系统集成，反射镜以组件形式体现。金属基反射镜结构设计上主要分为两种：一种是反射镜镜及其背板分开设计，组装后形成反射镜组件；另一种是反射镜和背板一体设计，反射镜既作为光学元件，又做为连接背板使用。需强调的是，一体化设计的高集成度优点，更符合现代光学系统设计理念。次镜为反射镜的一种，其由于口径相对于主镜要小很多，在将次镜组件一体化设计的同时，为了避免次镜镜面出现微小的倾斜或偏心量都会导致的光学像质的变化，次镜组件中需要设计对次镜镜面高刚度的支撑结构。

发明内容

本发明的目的在于提出一种一体式次镜组件，以解决在实现次镜一体化设计的同时，又能保证次镜组件的支撑结构高刚度的技术问题。

本申请提供一种一体式次镜组件，包括一体式设计的次镜镜面、次镜基体和次镜背板。所述次镜基体的一侧加工有所述次镜镜面，所述次镜背板由多个支撑筋构成，多个所述支撑筋沿所述次镜基体周向间隔排列，多个所述支撑筋分别绕所述次镜基体中心轴朝同一方向扭转设置，所述支撑筋的延伸端连接为一连接圆环。

在本申请的一些实施例中，所述次镜基体的形状为正三角形，所述支撑筋为三个，三个所述支撑筋与所述次镜基体的三个角端相连接。

在本申请的一些实施例中，各所述支撑筋包括与所述次镜基体的角端连接的第一连接部和由第一连接部向所述连接圆环延伸形成的第二连接部，在所述次镜基体向所述连接圆环的方向上，所述第二连接部在沿所述一体式次镜组件轴向方向上的尺寸呈逐渐变大的趋势。

在本申请的一些实施例中，各所述支撑筋上开设有多个减重孔。

在本申请的一些实施例中，所述连接圆环的开设有多个空腔。

在本申请的一些实施例中，所述连接圆环开设有多个排粉孔。

在本申请的一些实施例中，所述连接圆环上设置有多个用于对外连接的安装耳。

在本申请的一些实施例中，所述次镜基体的内部为多个密闭的空腔结构。

在本申请的一些实施例中，所述一体式次镜组件的材料为铝合金。

本申请还提供一种上述的一体式次镜组件的制造方法，该方法包括以下步骤：

S1、通过力学仿真分析优化结果得到所述一体式次镜组件的次镜镜面的厚度，并通过光学设计得到所述次镜镜面的镜面曲率和次镜半口径；

S2、基于面形拟合结果对所述一体式次镜组件的次镜基体进行拓扑优化设计；

S3、由力学仿真分析和杂散光分析结果决定所述一体式次镜组件的次镜背板每个支撑筋的等尺寸设计、支撑筋的厚度、支撑筋截面轻量化孔的数量及排列方式；

S4、通过拓扑优化对所述支撑筋内部结构进行设计；

S5、通过增材制造加工形成所述次镜镜面、所述次镜基体以及所述次镜背板的一体化结构。

附图说明

图1为本发明一实施例的正视图。

图2为图1的后视图。

图3为图1另一角度的结构示意图。

图4为本发明一实施例连接圆环内部空腔结构示意图。

图5为本发明一实施例的制造方法的流程图。

附图标记说明如下：

1、次镜镜面；2、次镜基体；21、第一减重孔；3、次镜背板；31、支撑筋；311、第一连接部；312、第二连接部；313、第二减重孔；32、连接圆环；321、空腔；4、安装耳；5、排粉孔。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

本申请提供一种一体式次镜组件，以在次镜组件一体化设计的同时，又能保证次镜组件的支撑结构高刚度。

在本实施例中，该一体式次镜组件为回转对称类次镜。较佳实施例是整个一体式次镜组件采用全铝合金的材料制作，铝合金材质其本身就具备高刚度和轻量化的特点。在其他的一些实施例中，采用的金属基次镜组件还可以为铍铝合金、硅铝合金材料等既可作为次镜又可作为支撑结构的金属材料。

请参照图1和图2，该一体式次镜组件包括一体化设计的次镜镜面1、次镜基体2和次镜背板3。

在本申请中，次镜镜面1为均匀厚壁的圆形镜面，镜面厚度通过力学仿真分析优化结果和加工要求获得，镜面曲率和次镜半口径由光学设计结果确定。次镜镜面1包括对置的第一镜面和第二镜面。

次镜基体2的一侧加工有次镜镜面1，次镜镜面1的第二镜面与次镜基体2相连接。具体地在本实施例中，次镜基体2为正三角形的形状，即在沿所述次镜基体2的中心轴的投影方向上，次镜基体2的投影图形为正三角形，次镜镜面1的投影图形为圆形，且为次镜基体2的投影图形的外接圆。

次镜基体2内部设计为多个轻量化空腔321，空腔321结构通过拓扑优化方法设计得出，可实现不损失次镜镜面1的刚度，却提高对次镜镜面1均匀高刚度的支撑，避免金属次镜镜面1因局部刚度不均匀产生的复印效应问题。通对拓扑优化后的结构进行实验，选出最佳优化结果，以此获得次镜基体2的宏观上材料的最优分布以保证镜面面形精度在重力载荷下最优，而空腔321的具体尺寸和数量由仿真结果确定。

可以理解地是，次镜基体2内部还可为蜂窝形状或泰森多边形等形状结构。

次镜基体2上设置有三个第一减重孔21，三个第一减重孔21分别靠近次镜基体2的三个内角分布，如此，则进一步提升次镜基体2结构轻量化的同时，可不影响次镜基体2对次镜镜面1的均匀支撑。

请参考图2和图3，次镜背板3由多个支撑筋31构成，多个支撑筋31沿次镜基体2周向间隔排列，多个支撑筋31分别绕次镜基体2中心轴朝同一方向扭转设置，支撑筋31的延伸端连接为一圆形的连接圆环32。

具体地在本实施例中，支撑筋31为三个，三个支撑筋31与次镜基体2的三个角端相连接。

每个支撑筋31分为第一连接部311和第二连接部312。

第一连接部311一端连接次镜基体2的角端，较优的实施方式中，第一连接部311的反向延长线与正三角形的次镜基体2内切圆形成近似相切的角度，也即，三个支撑筋31的延伸方向分别与次镜基体2的三角形的三个边的延伸方向相同.

第一连接部311的另一端向连接圆环32延伸形成的第二连接部312，在次镜基体2向连接圆环32的方向上，第二连接部312在沿一体式次镜组件轴向方向上的尺寸呈逐渐变大的趋势。

基于杆件受力原理，对次镜背板3的三个支撑筋31结构采用与次镜基体2内切圆近似相切的设计形式，将次镜镜面1在受横向载荷下的运动形式变为绕自身旋转运行，使三个支撑筋31受力形式由传统结构形式下的剪切力转换为拉伸力，提高了次镜背板3的承载能力。此外，第二连接部312的设计使得支撑筋31的筋面增大，其延伸端相互连接成圆形连接圆环32，进一步使得次镜镜面1的运动形式更容易转换为绕自身旋转运行，支撑筋31的受力形式更易于转换为抵抗次镜镜面1发生微小形变的拉伸力，实现支撑背板3对次镜镜面1高刚度支撑。

第二连接部312上设置有三个圆形的第二减重孔313，第二减重孔313的自内向外逐渐增大。第二减重孔313的设置，使得第二连接部312在增大了支撑面的同时，保持轻量级的设计。可以理解地是，第二减重孔313还可以设置其他的数量，其形状大小也可以为其他形式。

每根支撑筋31的等尺寸设计、支撑筋31的厚度、支撑筋31的第二减重孔313数量及排列方式由力学仿真分析和杂散光分析结果决定。

请参阅图4，支撑筋31与连接圆环32的内部均通过拓扑优化设计为多个密闭的空腔321，进一步提升了轻量级设计。可以理解地是，支撑筋31与连接圆环32内部还可为蜂窝形状或泰森多边形等形状结构。

次镜基体2、支撑筋31与连接圆环32均具有设置在空腔321立面上的通孔，通孔相互连通形成多条单一路线的排粉通道，连接圆环32的内侧开设有与各个排粉通道一一对应的排粉孔6。

次镜背板3的连接圆环32与支撑筋31的连接处均设置由安装耳5，安装耳5设有柔性环节，以用于将该次镜组件对外连接。

次镜镜面1、次镜基体2和次镜背板3通过增材制造加工出次镜组件的一体式结构。增材制造融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的材料按照一定的方式逐层堆积，制造出实体物品。

请参考图5，本申请还提供了一种一体式次镜组件的制造方法，其包括以下步骤：

S4、通过拓扑优化对所述次镜背板内部结构进行设计；

本发明提供一种一体式次镜组件及其制造方法，该次镜组件包括一体式设计的次镜镜面1、次镜基体2和次镜背板3。次镜基体2的一侧加工有次镜镜面1；次镜背板3由多个支撑筋31沿次镜基体2周向间隔排列构成，各支撑筋31分别绕次镜基体2中心轴朝同一方向扭转，支撑筋31的延伸端连接为一圆形的连接圆环32。通过对支撑筋31结构的设计，使得次镜组件在受横向载荷下的运动形式变为绕自身旋转运行，支撑筋31受力形式由传统结构形式下的剪切力转换为拉伸力，提高了次镜组件承载能力，使得次镜组件实习对次镜镜面1高刚度的支撑。此外，整个结构基于拓扑优化方法和增材制造手段进行一体式设计，在满足光学通光遮拦比的情况下，重点解决现有次镜及其支撑背板单独设计、单独装配带来的零件数量多、连接过程容易引入外力、装调费事、结构轻量化率不高等诸多问题，通过封闭减重空腔321结构、留出排粉孔5、轻量化次镜支撑筋31等手段，真正实现次镜组件超轻、高刚度、一体式设计。

以上仅为本发明的较佳可行实施例，并非限制本发明的保护范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作出的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种一体式次镜组件的制造方法，其特征在于，所述一体式次镜组件，包括一体式设计的次镜镜面、次镜基体和次镜背板，所述次镜基体的一侧加工有所述次镜镜面，所述次镜背板由多个支撑筋构成，其特征在于：多个所述支撑筋沿所述次镜基体周向间隔排列，多个所述支撑筋分别绕所述次镜基体中心轴朝同一方向扭转设置，所述支撑筋的延伸端连接为一连接圆环；

所述次镜基体的形状为正三角形，所述支撑筋为三个，三个所述支撑筋与所述次镜基体的三个角端相连接；

次镜基体的投影图形为正三角形，次镜镜面的投影图形为圆形，且为次镜基体的投影图形的外接圆；

各所述支撑筋包括与所述次镜基体角端连接的第一连接部和由第一连接部向所述连接圆环延伸形成的第二连接部，在所述次镜基体向所述连接圆环的方向上，所述第二连接部在沿所述一体式次镜组件轴向方向上的尺寸呈逐渐变大的趋势；

第一连接部的反向延长线与正三角形的次镜基体内切圆形成相切的角度；

次镜基体上设置有三个第一减重孔，三个第一减重孔分别靠近次镜基体的三个内角分布；

第二连接部上设置有三个圆形的第二减重孔，第二减重孔的自内向外逐渐增大；

支撑筋与连接圆环的内部均通过拓扑优化设计为多个密闭的空腔；

所述的一体式次镜组件的制造方法，包括以下步骤：

S4、通过拓扑优化对所述次镜背板内部结构进行设计；

2.根据权利要求1所述一体式次镜组件的制造方法，其特征在于，所述连接圆环开设有多个排粉孔。

3.根据权利要求1所述的一体式次镜组件的制造方法，其特征在于，所述连接圆环上设置有多个用于对外连接的安装耳。

4.根据权利要求1所述的一体式次镜组件的制造方法，其特征在于，所述一体式次镜组件的材料为铝合金。