CN114435957B - 一种超大口径轻质反射镜磁悬浮式重力卸载机构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种适用于超大口径轻质反射镜的磁悬浮式重力卸载机构及方法，包括底座、设置在底座上的可移动电磁铁、可升降电机、嵌在反射镜背面的固定电磁铁、磁力吸盘以及磁力吸盘架；磁力吸盘与固定电磁铁之间产生吸力，实现吊装转运功能；可移动电磁铁与固定电磁铁之间产生斥力，从而提供支持力实现重力卸载。本发明完全颠覆原有卸载支撑形式，提出运用磁悬浮原理提供卸载力，不受反射镜镜坯背面轻量化结构设计的限制，可以进行灵活的重力卸载设计，卸载精度高。
Description
技术领域
本发明属于光学元件加工技术领域，特别涉及一种超大口径轻质反射镜在铣磨、研磨及抛光阶段的面形轮廓检测时的吊装转运及重力卸载机构、方法。
背景技术
空间大口径反射主镜是空间光学系统的重要组成部分，因反射镜的加工过程是在有地面重力影响的条件下进行的，进入太空后，重力消失或只承受微重力，因此在地面加工完成的反射主镜在升空后会产生变形从而失效。可见如何实现超大型反射镜加工面形的精确检测，消除重力影响，保证天地一致性，是加工过程中的关键环节，加工检测面型不准确，将直接影响在轨光学遥感成像系统的成像分辨率。
近年来由于观测要求越来越趋向大视场、宽覆盖、高分辨率，使得空间大口径反射主镜的直径越来越大，口径已经逐渐从2m级需求提高至4m量级甚至6-10m量级，其轻量化率也要求越来越高。依据现有技术水平，为了实现超大型反射镜加工检测时的零重力面形卸载，保证天地一致性，需要设计几百个离散接触式支撑单元，如采用几百个气缸或电机对反射镜的轻量化筋处进行支撑以进行重力卸载，这种支撑形式支撑力只能作用于反射镜背面的轻量化筋处，无法实现对镜面的直接作用，支撑效率低，对反射镜的刚度要求高，使得反射镜很难实现进一步的轻量化设计，反射镜质量无法大幅度降低，这就会给加工制造装配运输带来巨大的风险和困难；且针对Φ4-7m口径反射镜，所需支撑点可能超过500个，甚至600个，点数越多系统越复杂，达到测试平衡状态所需时间长，卸载精度很难达到要求。可见仅靠对现有技术进行复制和线性提高的方法已经远远不能满足其加工制造需求，亟需开发新的卸载技术。
针对口径Φ4-7m的背部开放式的反射镜，如果采用新型的磁悬浮式重力卸载机构，因固定电磁铁可以直接粘贴在反射镜镜面背面，卸载力将直接作用在反射镜镜面上，支撑效率与卸载精度高，所需的卸载支撑点个数将大大减少，且该卸载方式对反射镜的刚度要求低，可以大大降低反射镜的面密度指标，实现超薄镜坯减重设计，从设计源头上降低超大口径反射镜设计加工检测难度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，从源头上降低反射镜的设计加工难度，提高卸载精度，实现超轻反射镜加工制造，针对超大口径轻质反射镜加工检测，提出一种基于磁悬浮式的超大口径反射镜重力卸载机构，实现加工检测过程中的吊装转运及重力卸载。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，一种适用于超大口径轻质反射镜的磁悬浮式重力卸载机构，包括底座、可移动电磁铁、可升降电机、固定电磁铁、磁力吸盘以及磁力吸盘架；
所述可移动电磁铁设置在底座上，所述固定电磁铁嵌在反射镜背面，每个固定电磁铁对应多个可移动电磁铁，组成一组卸载支撑单元，在每组卸载支撑单元中，固定电磁铁所对应的多个可移动电磁铁围绕固定电磁铁成一个环状；
所述可升降电机用于在卸载平衡前支撑反射镜，通过升降操作调节固定电磁铁和可移动电磁铁之间的相对距离；
所述磁力吸盘固定在磁力吸盘架上磁力吸盘的位置可调，其工作位置与反射镜背部的固定电磁铁相对应；
各电磁元件中的电流单独控制，通过控制电流的大小和方向，使得磁力吸盘与固定电磁铁之间产生吸力，实现吊装转运功能；使可移动电磁铁与固定电磁铁之间产生斥力，从而提供支持力实现重力卸载。
第二方面，一种适用于超大口径轻质反射镜的磁悬浮式重力卸载方法，包括如下步骤：
步骤1，运用磁力吸盘机构将待测反射镜从加工区吊装转运到待测区，吊装时将磁力吸盘对准反射镜背面的固定电磁铁，两者电磁铁通相反电流，两电磁铁之间产生吸力，实现吊装转运；
步骤2，当反射镜转运到待测区，调整反射镜位置，使反射镜背部的固定电磁铁和底座上布置的可移动电磁铁相互对应，每个固定电磁铁对应多个可移动电磁铁，固定电磁铁所对应的多个可移动电磁铁围绕固定电磁铁成一个环状；
步骤3，反射镜位置确定后，将反射镜先放到可升降电机上，此时磁力吸盘断电与反射镜分离，可升降电机带着反射镜缓缓下降，直到固定电磁铁与可移动电磁铁之间达到设定距离；此时对可移动电磁铁和固定电磁铁通电，同向电流使两者之间产生排斥力，且各电磁铁中的电流可实现单独控制，每组卸载支撑单元之间的排斥力大小由力学仿真设计得出，根据具体数值，运用固定电磁铁上所带的力学传感器进行实时监测反馈，调整电流；
步骤4，卸载支撑力达到力学仿真给出的设定值后，升降电机脱离反射镜，通过可移动电磁铁和固定电磁铁之间产生的排斥力，实施反射镜卸载。
根据本发明提供的一种适用于超大口径轻质反射镜的磁悬浮式重力卸载机构及卸载方法，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种适用于超大口径轻质反射镜的磁悬浮式重力卸载机构及卸载方法，完全颠覆原有卸载支撑形式，首次提出运用磁悬浮原理提供卸载力，重力卸载部分联动装置内嵌到反射镜镜面背部，卸载力可直接作用在反射镜镜面的背面，实现对反射镜镜面的非接触式柔性均匀化支撑，做到了设计加工检测一体化，并大大降低了反射镜设计加工难度；
(2)本发明提供的一种适用于超大口径轻质反射镜的磁悬浮式重力卸载机构及卸载方法，创新的将磁悬浮技术引入到重力卸载技术中，实现多学科交叉融合。相比于现有重力卸载技术，非接触磁悬浮式重力卸载技术特别适用于超大口径轻质反射镜，可以大大降低反射镜的面密度指标(将传统反射镜的面密度指标从60kg/m2提高至30kg/m2)，从而实现超薄镜坯减重设计，从源头上改变超大口径反射镜设计方案，降低设计加工难度，为Φ4-7m口径的超薄超轻反射镜的加工制造提供可行性；
(3)本发明提供的一种适用于超大口径轻质反射镜的磁悬浮式重力卸载机构及卸载方法，不受反射镜镜坯背面轻量化结构设计的限制，可以进行灵活的重力卸载设计，卸载精度高。对于不同类型及口径的反射镜，运用磁悬浮式重力卸载，理论卸载精度普遍能达到2nm-RMS，是现有卸载技术的5倍；
(4)本发明提供的一种适用于超大口径轻质反射镜的磁悬浮式重力卸载机构，该卸载装置可同时实现吊装、装运与重力卸载，不用再投产吊装转运工装，降低成本。
附图说明
图1为目前传统反射镜轻量化结构(a)与超轻镜结构(b)对比图；
图2为磁悬浮式重力卸载机构原理图；
图3为磁悬浮式重力卸载机构整体外观图；
图4为卸载支撑单元布置方式图；
图5为阻尼减振单元结构图。
图中：1-底座，2-可移动电磁铁，3-固定电磁铁，4-力学传感器，5-可升降电机，6-阻尼减振单元，7-磁力吸盘，8-磁力吸盘架。
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。
根据现有的反射镜重力卸载形式，卸载支撑点只能作用在反射镜背部的轻量化筋处，支撑效率低，对反射镜的刚度要求高，针对口径Φ4-7m的背部开放式反射镜，其背部要设计足够多的轻量化筋，从而满足卸载精度需求，具体结构可参见图1(a)传统反射镜轻量化结构。针对口径Φ4-7m的背部开放式的反射镜，本发明人进行了大量研究发现，如果采用新型的磁悬浮式重力卸载机构，因固定电磁铁可以直接粘贴在反射镜镜面背面，卸载力将直接作用在反射镜镜面上，支撑效率与卸载精度高，所需的卸载支撑点个数将大大减少，且该卸载方式对反射镜的刚度要求低，可以大大降低反射镜的面密度指标，大大减少反射镜背部轻量化筋的个数，结构示意图可参见图1(b)超轻镜结构，该结构实现了超薄镜坯减重设计，从设计源头上降低超大口径反射镜设计加工检测难度。
本发明提供了一种适用于超大口径轻质反射镜的磁悬浮式重力卸载机构，如图2和图3所示，包括底座1、设置在底座1上的可移动电磁铁2、带有位移传感器的可升降电机5、嵌在反射镜背面的固定电磁铁3、磁力吸盘7以及磁力吸盘架8。
本发明中，所述嵌在反射镜背面的固定电磁铁3主要是通过胶粘等方式固定在反射镜镜面的背部。进一步地，所述固定电磁铁3上带有力学传感器4，用于实时监测可移动电磁铁2和固定电磁铁3之间的卸载力，并进行反馈，从而精确控制各卸载支撑单元的排斥力。
本发明中，所述可移动电磁铁2是根据嵌在反射镜背面的固定电磁铁3的位置布置在底座1上，每个固定电磁铁3对应多个可移动电磁铁2，从而组成一组卸载支撑单元。如图4所示，在每组卸载支撑单元中，固定电磁铁3所对应的多个可移动电磁铁2围绕成一个环状，其共同形成的整体磁场正好与所对应的固定电磁铁磁场相契合，此排列方式可以产生具有“凹凸状”的空间磁场，当反射镜在水平方向发生位移时，其发生位移的方向都是磁场强度增大的方向，因此会阻碍其运动，从而利于反射镜在水平方向上的稳定。固定电磁铁3相对于反射镜的粘贴位置确定后，可移动电磁铁2相对于底座1的位置也就随之固定，但可移动电磁铁2与固定电磁铁3之间的垂直距离是可变化的，两者之间的具体距离值可通过可升降电机5上的位移传感器来获得。针对不同反射镜，可移动电磁铁2和固定电磁铁3都是可重复使用的，只需改变相应的布置位置即可。
本发明中，可升降电机5的顶部为托盘结构，用于在卸载平衡前支撑反射镜，通过升降操作调节固定电磁铁3和可移动电磁铁2之间的相对距离。
本发明中，所述磁力吸盘7固定在磁力吸盘架8上，与磁力吸盘架8一起组成磁力吸盘机构，磁力吸盘7的位置可调，其工作位置与反射镜背部的固定电磁铁3相对应。通过调节磁力吸盘7相对于反射镜的位置，借助磁力吸盘架8可以适用于不同反射镜的吊装转运，此外磁力吸盘7与磁力吸盘架8可拆卸，可更换不同形式的磁力吸盘。
进一步地，如图3所示，所述磁力吸盘架8为三脚架机构，包括顶部吊装结构81、三条臂结构82、三组横梁83以及三组脚结构84，所述顶部吊装结构81与三条臂结构82的上端铰接，三条臂结构82通过绕铰接轴转动调整下端位置，三组横梁83分别连接相邻的臂结构82实施臂结构角度固定；所述脚结构84用于固定磁力吸盘7，脚结构84上安装轴结构，穿设臂结构82的下端，与臂结构82连接后可绕轴转动，实施固定磁力吸盘7与固定电磁铁3的对准。更进一步地，所述脚结构84为星形脚结构，磁力吸盘7固定在星形脚结构各角下端，实现一个脚结构负载多个磁力吸盘7设计。
本发明中，各电磁元件中的电流可实现单独控制，通过控制电流的大小和方向，使得磁力吸盘7与固定电磁铁3之间产生吸力，实现吊装转运功能；使可移动电磁铁2与固定电磁铁3之间产生斥力，从而提供支持力实现重力卸载。
本发明中，为了保证卸载状态稳定，卸载机构上需要设计相应的阻尼减振系统，该系统包括多个阻尼减振单元6。阻尼减振单元结构见图5，阻尼减振单元6包括安装在反射镜背部轻量化筋上的电磁线圈a和安装在底座1上的电磁线圈b，电磁线圈a和电磁线圈b同心安装，电磁线圈a不通电，通过导线与充电模块(如可充电电池)或散热电阻相连，电磁线圈b通电，电磁线圈b中间可以产生大致均匀的磁场，磁场的强度由电磁线圈b的电流大小控制，当反射镜发生振动时，电磁线圈a切割磁感线产生电流，将振动的能量转换为电能充入充电模块，或者通过散热电阻转换成热能，从而实现整个系统的稳定保持。
本发明中，所述底座1设计为与反射镜相同的外周轮廓形状，利于在卸载时通过反射镜与底座1同心设置，调整固定电磁铁3与多个可移动电磁铁2的对应。
本发明提供的一种适用于超大口径轻质反射镜的磁悬浮式重力卸载机构，可以实现背部开放式超大口径轻质反射镜在铣磨、研磨及抛光阶段面形轮廓检测时的吊装转运及重力卸载。具体实施步骤如下：
步骤1，运用磁力吸盘机构将待测反射镜从加工区吊装转运到待测区，磁力吸盘机构包括磁力吸盘7和磁力吸盘架8，具体结构形式见图3，但不局限于此，图3只是其中一种结构，可根据实际情况对磁力吸盘7和磁力吸盘架8的结构形状进行调整。比如选用不同长度的横梁从而调整整个机构的张角，从而调节磁力吸盘相对于反射镜的位置，磁力吸盘与磁力吸盘架可拆卸，可更换不同形式的磁力吸盘。
步骤2，吊装时将磁力吸盘7对准反射镜背面的固定电磁铁3，两者电磁铁通相反电流，两电磁铁之间产生吸力，从而实现吊装转运。
步骤3，当反射镜转运到待测区，放到卸载平台之前，要保证反射镜与底座1同心，两者之间的同心可以通过激光跟踪仪来实现，调同心的目的是让反射镜背部的固定电磁铁3和底座1上布置的可移动电磁铁2相互对应。每个固定电磁铁3对应多个可移动电磁铁2，从而组成一组卸载支撑单元，卸载支撑单元布置方式见图4，在每组卸载支撑单元中，固定电磁铁3所对应的多个可移动电磁铁2围绕成一个环状，多个可移动电磁铁2形成的整体磁场正好与所对应的固定电磁铁3磁场相契合。
步骤4，当反射镜与底座1同心后，固定电磁铁3和可移动电磁铁2之间的相对距离可以通过可升降电机5来实现，可升降电机5布置在底座1上，反射镜先放到可升降电机5的托盘上，此时磁力吸盘7断电与反射镜分离，可升降电机5带着反射镜缓缓下降，直到固定电磁铁3与可移动电磁铁2之间达到设定适宜的距离，该距离具体数值通过可升降电机5上所带的位移传感器来获得。此时对可移动电磁铁2和固定电磁铁3通电，同向电流使两者之间产生排斥力，且各电磁铁中的电流可实现单独控制，每组卸载支撑单元之间的排斥力大小由力学仿真设计得出，根据得出的具体数值，运用固定电磁铁3上所带的力学传感器4进行实时监测反馈，调整电流等相关参数，保证各组卸载支撑单元之间排斥力数值的精确性。
步骤5，卸载支撑力达到力学仿真给出的设定值后，升降电机5脱离反射镜。整套装置上设置有相应的阻尼减振系统，电磁线圈a不通电，并通过导线与充电模块(如可充电电池)或散热电阻相连，电磁线圈b通电，电磁线圈b中间可以产生大致均匀的磁场，磁场的强度由电磁线圈b的电流大小控制，当反射镜发生振动时，电磁线圈a切割磁感线产生电流，将振动的能量转换为电能充入充电模块，或者通过散热电阻转换成热能，从而实现整个系统的稳定保持。
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 (6)
1.一种适用于超大口径轻质反射镜的磁悬浮式重力卸载方法，其特征在于，采用适用于超大口径轻质反射镜的磁悬浮式重力卸载机构，磁悬浮式重力卸载机构包括底座(1)、可移动电磁铁(2)、可升降电机(5)、固定电磁铁(3)、磁力吸盘(7)以及磁力吸盘架(8)；
所述可移动电磁铁(2)设置在底座(1)上，所述固定电磁铁(3)嵌在反射镜背面，每个固定电磁铁(3)对应多个可移动电磁铁(2)，固定电磁铁(3)所对应的多个可移动电磁铁(2)围绕固定电磁铁(3)成一个环状；
所述可升降电机(5)用于在卸载平衡前支撑反射镜，通过升降操作调节固定电磁铁(3)和可移动电磁铁(2)之间的相对距离；
所述磁力吸盘(7)固定在磁力吸盘架(8)上，磁力吸盘(7)的位置可调，其工作位置与反射镜背部的固定电磁铁(3)相对应；
各电磁元件中的电流单独控制，通过控制电流的大小和方向，使得磁力吸盘(7)与固定电磁铁(3)之间产生吸力，实现吊装转运功能；使可移动电磁铁(2)与固定电磁铁(3)之间产生斥力，从而提供支持力实现重力卸载；
磁悬浮式重力卸载方法包括：
步骤1，运用磁力吸盘机构将待测反射镜从加工区吊装转运到待测区，吊装时将磁力吸盘(7)对准反射镜背面的固定电磁铁(3)，两者电磁铁通相反电流，两电磁铁之间产生吸力，实现吊装转运；
步骤2，当反射镜转运到待测区，调整反射镜位置，使反射镜背部的固定电磁铁(3)和底座(1)上布置的可移动电磁铁(2)相互对应，每个固定电磁铁(3)对应多个可移动电磁铁(2)，固定电磁铁(3)所对应的多个可移动电磁铁(2)围绕固定电磁铁(3)成一个环状；
步骤3，反射镜位置确定后，将反射镜先放到可升降电机(5)上，此时磁力吸盘(7)断电与反射镜分离，可升降电机(5)带着反射镜缓缓下降，直到固定电磁铁(3)与可移动电磁铁(2)之间达到设定距离；此时对可移动电磁铁(2)和固定电磁铁(3)通电，同向电流使两者之间产生排斥力，且各电磁铁中的电流可实现单独控制，每组卸载支撑单元之间的排斥力大小由力学仿真设计得出，根据具体数值，运用固定电磁铁(3)上所带的力学传感器(4)进行实时监测反馈，调整电流；
步骤4，卸载支撑力达到力学仿真给出的设定值后，升降电机(5)脱离反射镜，通过可移动电磁铁(2)和固定电磁铁(3)之间产生的排斥力，实施反射镜卸载。
2.根据权利要求1所述的适用于超大口径轻质反射镜的磁悬浮式重力卸载方法，其特征在于，所述可升降电机(5)上安装位移传感器，用于获得可移动电磁铁(2)与固定电磁铁(3)之间的垂直距离。
3.根据权利要求1所述的适用于超大口径轻质反射镜的磁悬浮式重力卸载方法，其特征在于，所述磁力吸盘架(8)为三脚架机构，包括顶部吊装结构(81)、三条臂结构(82)、三组横梁(83)以及三组脚结构(84)，所述顶部吊装结构(81)与三条臂结构(82)的上端铰接，三条臂结构(82)通过绕铰接轴转动调整下端位置，三组横梁(83)分别连接相邻的臂结构(82)实施臂结构角度固定；所述脚结构(84)用于固定磁力吸盘(7)，脚结构(84)上安装轴结构，穿设臂结构(82)的下端，与臂结构(82)连接后可绕轴转动，实施固定磁力吸盘(7)与固定电磁铁(3)的对准。
4.根据权利要求3所述的适用于超大口径轻质反射镜的磁悬浮式重力卸载方法，其特征在于，所述脚结构(84)为星形脚结构，磁力吸盘(7)固定在星形脚结构各角下端。
5.根据权利要求1所述的适用于超大口径轻质反射镜的磁悬浮式重力卸载方法，其特征在于，所述磁力吸盘(7)与磁力吸盘架(8)可拆卸。
6.根据权利要求1所述的适用于超大口径轻质反射镜的磁悬浮式重力卸载方法，其特征在于，其特征在于，所述卸载机构上设计有阻尼减振系统，该系统由多个阻尼减振单元(6)组成，阻尼减振单元(6)包括安装在反射镜背部轻量化筋上的电磁线圈a和安装在底座(1)上的电磁线圈b，电磁线圈a和电磁线圈b同心安装，电磁线圈a不通电，通过导线与充电模块或散热电阻相连，电磁线圈b通电，电磁线圈b中间可以产生大致均匀的磁场，磁场的强度由电磁线圈b的电流大小控制，当反射镜发生振动时，电磁线圈a切割磁感线产生电流，将振动的能量转换为电能充入充电模块，或者通过散热电阻转换成热能，从而实施整个系统的稳定保持。
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| CN202111581820.0A CN114435957B (zh) | 2021-12-22 | 2021-12-22 | 一种超大口径轻质反射镜磁悬浮式重力卸载机构及方法 |
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| US5267091A (en) * | 1991-07-18 | 1993-11-30 | Computer Sciences Corporation | Levitating support and positioning system |
| CN101314329A (zh) * | 2008-07-15 | 2008-12-03 | 西南交通大学 | 一种提高高温超导磁悬浮系统稳定性的方法 |
| CN102185540A (zh) * | 2011-05-11 | 2011-09-14 | 长春理工大学 | 一种大口径平行光管主反射镜的磁悬浮支撑系统 |
| CN205356194U (zh) * | 2016-02-02 | 2016-06-29 | 杨欢 | 一种磁悬浮系统 |
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-
2021
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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