專利名稱：基于運動學平衡的光學望遠鏡主鏡被動式徑向支撐機構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學望遠鏡主鏡徑向支撐機構，特別涉及一種基于運動學平衡的 1 2米級光學望遠鏡主鏡徑向被動支撐機構。
背景技術：
光學望遠鏡主鏡需要在工作狀態下保持主鏡準確的位置和良好的面形。鏡面支撐機構包括軸向支撐系統以及徑向支撐系統，通常基于剛體靜力學原理進行設計，通過在主鏡背面以及側面施加適當位置施加大小合理的支撐力來實現。支撐機構主要負責維持鏡面面形以及位置精度，其中徑向支撐結構還需抵消因望遠鏡工作環境溫度變化而引起鏡面的應力和變形。目前，1 2米級光學望遠鏡徑向支撐主要采用被動式徑向支撐結構。其中，如圖 IaUbUc所示，采用“推一拉”結構的被動的機械浮動式支撐機構應用最為廣泛，該方式通過杠桿平衡配重塊抵消主鏡重力。單獨機械浮動式徑向支撐方式將使主鏡處于動態平衡狀態，因而需要采用定位芯軸或硬點等定位機構維持主鏡位置的精確性及穩定性。定位機構的引進使得被動的機械浮動式支撐機構不再是動態支撐機構，此時該種徑向支撐機構通常為過約束機構。由于定位機構限制了主鏡剛體位移，尤其在環境發生溫度變化時，這種徑向支撐機構將會給主鏡帶來較大的應力和變形，因而不適合應用于自身材料熱膨脹系數較大的主鏡徑向支撐，例如目前正在蓬勃發展的新型SiC材料主鏡；同時對現有技術文獻的檢索發現，Hans J. Kaercher 等在 SPIE (Ground-based and Airborne Telescope III, 2010)第 7733 卷上發表的“Mechanical principles of large mirror supports”，該文章指出杠桿平衡重式的被動的機械浮動式支撐機構將會使被支撐體的等效質量放大，若杠桿比例系數為η (η通常為大于5的常數)，則等效質量的放大系數為 (η+1)倍，其系統的固有頻率則降低了(η+1)1/2倍，不利于提高望遠鏡整體的剛度。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種主鏡面形及位置精度受溫度變化影響小，不降低系統固有頻率，有利于提高望遠鏡整體剛度的基于運動學平衡的光學望遠鏡主鏡被動式徑向支撐機構。為了解決上述技術問題，本發明的基于運動學平衡的光學望遠鏡主鏡被動式徑向支撐機構包括主鏡室，至少三個分布在主鏡周圍的第一級連桿，與第一級連桿數量相應的第二級連桿和第三級連桿；所述第一級連桿的一端與主鏡室的邊緣鉸接，另一端同時與第二級連桿和第三級連桿鉸接，第二級連桿和第三級連桿的另一端與主鏡邊緣鉸接；且第二級連桿和第三級連桿之間有一夾角θ ；主鏡的中心位于各第一級連桿與第二級連桿、第三級連桿的鉸接點構成的多邊形內。本發明利用運動學平衡系統不存在過約束的特性，即系統自由度方程為零，對主鏡徑向進行約束，使其達到穩定的平衡狀態；當溫度發生改變時，利用連桿機構因熱變形導致的自身幾何尺寸變化使整個徑向支撐系統發生符合運動學規律的微量運動，即主鏡因受熱變形時，第一級連桿、第二級連桿、第三級連桿也因受熱而產生形變，使主鏡與主鏡室之間產生相對微量的繞光軸旋轉的運動，從而抵消主鏡、徑向支撐機構和主鏡室三者之間因熱變形帶來的應力。采用虛約束結構(即第一連桿、第二連桿和第三連桿構成的徑向支撐機構)，以及在支撐位置利用第二、第三級連桿形成的三角架結構，可顯著提高支撐點數量， 降低了主鏡膠結支撐點處的應力影響。所述第一級連桿與第二級連桿、第三級連桿鉸接處采用球鉸結構，第一級連桿與主鏡室邊緣鉸接處、第二級連桿和第三級連桿與主鏡邊緣鉸接處采用柱鉸結構。由于第一級連桿與第二級連桿、第三級連桿鉸接處采用球鉸結構，有利于抵消主鏡受熱變形時因發生軸向微量位移帶給徑向支撐點處的剪切應力。第一級連桿、第二級連桿和第三級連桿均采用鄰近兩端處帶有縮頸的彈簧鋼材料，從而在第一級連桿、第二級連桿和第三級連桿鉸接處、第一級連桿與主鏡室邊緣鉸接處、第二級連桿和第三級連桿與主鏡邊緣鉸接處均形成柔性鉸接。連桿支撐機構在實際使用過程中，由于剛性鉸鏈結構屬于傳統摩擦轉動副，無法避免摩擦和間隙乃至遲滯等較難克服的固有缺點，對此柔性鉸鏈機構可以很好地解決以上問題。所述第二級連桿、第三級連桿均與主鏡徑向相切，可有效降低徑向支撐機構帶來
的彗差。第一級連桿與第二級連桿、第三級連桿的鉸接處沿主鏡周向均勻分布。所述施加的虛約束機構以及第二、第三級連桿構成的三角形鉸鏈連桿機構既可以通過拓展支撐點數量降低主鏡膠結支撐點處的應力影響，同時三角形連桿機構自身受熱時可以通過微量運動抵消連桿與主鏡之間因熱變形不匹配導致的應力，又可以克服支撐點膠結面積大導致鏡面局部受熱影響大與膠結面積小導致抗剪切能力弱的矛盾。
本發明還可以包括徑向保護機構，所述徑向保護機構為一端與主鏡室固定連接、 另一端由主鏡中心通孔穿出的芯軸或軸套；芯軸或軸套與主鏡中心通孔之間粘接一圈硅橡膠片，正常工作狀態下將徑向保護機構與主鏡隔離，其作用在于一旦出現沖擊、脫膠等突發現象而導致的徑向支撐機構失效時，對主鏡進行保護。本發明的有益效果所述徑向支撐結構屬于被動式機構，原理明了，結構簡單，造價相比主動式支撐采用的促動器一傳感器方式低廉；所述徑向支撐結構自身可使主鏡達到穩定的平衡狀態，無需外加芯軸、硬點等定位機構；所述徑向支撐結構利用運動學平衡原理，自由度方程為零，不存在干涉現象；所述徑向支撐結構在環境溫度發生改變時，可通過自身發生微量運動抵消主鏡、支撐機構和主鏡室之間熱變形不匹配導致的應力及面形影響，尤其適用于自身材料熱膨脹系數大的主鏡支撐以及溫度條件較為嚴酷的工作環境下的主鏡支撐。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。圖la、lb、lc為傳統機械浮動式徑向支撐主鏡受力方向示意圖。圖2為本發明的基于運動學平衡的光學望遠鏡主鏡被動式徑向支撐機構實施例1結構示意圖。圖3為本發明的基于運動學平衡的光學望遠鏡主鏡被動式徑向支撐機構實施例2 結構示意圖。圖4為本發明的基于運動學平衡的光學望遠鏡主鏡被動式徑向支撐機構實施例2 結構主視圖。圖5為本發明的基于運動學平衡的光學望遠鏡主鏡被動式徑向支撐機構在第二級連桿和第三級連桿基礎上進行三級拓展的結構示意圖。
具體實施例方式實施例1如圖2所示，本發明的基于運動學平衡的光學望遠鏡主鏡被動式徑向支撐機構包括主鏡室2、三個均勻分布在主鏡1周圍的第一級連桿3，三個第二級連桿4和三個第三級連桿5 ；第一級連桿3的一端與主鏡室2的邊緣鉸接，另一端同時與第二級連桿4和第三級連桿5鉸接，第二級連桿4和第三級連桿5的另一端與主鏡1邊緣鉸接；且第二級連桿4和第三級連桿5之間有一夾角θ。所述第一級連桿3與第二級連桿4、第三級連桿5鉸接處采用球鉸結構，第一級連桿3與主鏡室2邊緣鉸接處、第二級連桿4和第三級連桿5與主鏡1邊緣鉸接處采用柱鉸結構。實施例2如圖3、4所示，本發明的基于運動學平衡的光學望遠鏡主鏡被動式徑向支撐機構包括主鏡室2、六個均勻分布在主鏡1周圍的第一級連桿3，六個第二級連桿4和六個第三級連桿5 ；第一級連桿3的一端與主鏡室2的邊緣鉸接，另一端同時與第二級連桿4和第三級連桿5鉸接，第二級連桿4和第三級連桿5的另一端與主鏡1邊緣鉸接；第二級連桿4和第三級連桿5分別與主鏡1的邊緣相切。第一級連桿3、第二級連桿4和第三級連桿5均采用鄰近兩端處帶有縮頸的彈簧鋼材料，從而在第一級連桿3、第二級連桿4和第三級連桿5鉸接處、第一級連桿3與主鏡室2 邊緣鉸接處、第二級連桿4和第三級連桿5與主鏡1邊緣鉸接處均形成柔性鉸接。本發明還可以包括徑向保護機構7，所述徑向保護機構7為一端與主鏡室2固定連接、另一端由主鏡1的中心通孔穿出的芯軸或軸套。所述徑向保護機構7正常工作狀態下不與主鏡1接觸，其作用在于一旦出現沖擊、脫膠等突發現象而導致的徑向支撐機構失效時， 對主鏡1進行保護。本發明還可以包括壓緊機構6 ；所述壓緊機構6為一個彎折成三段的條形鋼片，鋼片的第一段壓緊主鏡1的邊緣，第三段通過螺釘與主鏡室2固定連接。參見圖2，在支撐位置采用三角形鉸鏈連桿機構，第二級連桿4和第三級連桿5與主鏡1邊緣相切，此時機構自由度方程為F = 3Χ (11-1)-2X 15 = 0，滿足自由度要求；參考圖3，在圖2所示布置桿件結構的位置對稱添加新的相同的桿件機構，對原有系統形成虛約束，不影響原有的自由度方程。本發明不限于上述實施方式，第一級連桿、第二級連桿和第三級連桿機構可以均勻分布于主鏡周圍，也可以不均勻分布(在對稱分布情況下，其中每間隔180°的相應兩組連桿機構起約束相同自由度的作用)。本發明還可以在第二級連桿和第三級連桿基礎上進行三級拓展，如圖5所示。因此凡是在本發明權利要求1技術方案基礎上做出的任何簡單變形，都在本發明意圖保護范圍之內。
權利要求
1.一種基于運動學平衡的光學望遠鏡主鏡被動式徑向支撐機構，其特征在于包括主鏡室O)，至少三個分布在主鏡周圍的第一級連桿(3)，與第一級連桿C3)數量相應的第二級連桿(4)和第三級連桿(5)；所述第一級連桿(3)的一端與主鏡室O)的邊緣鉸接，另一端同時與第二級連桿(4)和第三級連桿( 鉸接，第二級連桿(4)和第三級連桿( 的另一端與主鏡(1)邊緣鉸接；且第二級連桿(4)和第三級連桿( 之間有一夾角θ ；主鏡(1)的中心位于各第一級連桿(3)與第二級連桿G)、第三級連桿(5)的鉸接點構成的多邊形內。
2.根據權利要求1所述的基于運動學平衡的光學望遠鏡主鏡被動式徑向支撐機構，其特征在于所述第一級連桿(3)與第二級連桿G)、第三級連桿( 鉸接處采用球鉸結構，第一級連桿C3)與主鏡室( 邊緣鉸接處、第二級連桿(4)和第三級連桿(5)與主鏡(1)邊緣鉸接處采用柱鉸結構。
3.根據權利要求1所述的基于運動學平衡的光學望遠鏡主鏡被動式徑向支撐機構，其特征在于第一級連桿( 、第二級連桿(4)和第三級連桿( 均采用鄰近兩端處帶有縮頸的彈簧鋼材料，在第一級連桿(3)、第二級連桿(4)和第三級連桿( 鉸接處、第一級連桿(3) 與主鏡室( 邊緣鉸接處、第二級連桿(4)和第三級連桿( 與主鏡(1)邊緣鉸接處均形成柔性鉸接。
4.根據權利要求1或2所述的基于運動學平衡的光學望遠鏡主鏡被動式徑向支撐機構，其特征在于所述第二級連桿G)、第三級連桿(5)均與主鏡徑向相切。
5.根據權利要求1所述的基于運動學平衡的光學望遠鏡主鏡被動式徑向支撐機構，其特征在于第一級連桿C3)與第二級連桿G)、第三級連桿( 的鉸接處沿主鏡(1)周向均勻分布。
6.根據權利要求1所述的基于運動學平衡的光學望遠鏡主鏡被動式徑向支撐機構，其特征在于還包括徑向保護機構(7)，所述徑向保護機構(7)為一端與主鏡室O)固定連接、 另一端由主鏡(1)的中心通孔穿出的芯軸或軸套，芯軸或軸套與主鏡中心通孔之間粘接一圈硅橡膠片。
全文摘要
本發明涉及一種基于運動學平衡的光學望遠鏡主鏡被動式徑向支撐機構，該機構的第一級連桿的一端與主鏡室的邊緣鉸接，另一端同時與第二級連桿和第三級連桿鉸接，第二級連桿和第三級連桿的另一端與主鏡邊緣鉸接；且第二級連桿和第三級連桿之間有一夾角θ。本發明利用運動學平衡系統不存在過約束的特性對主鏡徑向進行約束，使其達到穩定的平衡狀態；當溫度發生改變時，利用連桿機構因熱變形導致的自身幾何尺寸變化使整個徑向支撐系統發生符合運動學規律的微量運動，從而抵消主鏡、徑向支撐機構和主鏡室三者之間因熱變形帶來的應力，適用于自身材料熱膨脹系數大的主鏡支撐以及溫度條件較為嚴酷的工作環境下的主鏡支撐。
文檔編號G02B7/00GK102508347SQ20111035265
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月9日 優先權日2011年11月9日
發明者吳小霞, 明名, 楊飛, 賈建祿 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所