一種矩形離軸金屬反射鏡的一體化柔性支撐結構的制作方法

本發明屬于光學遙感技術領域，具體涉及的一種矩形離軸金屬反射鏡的一體化柔性支撐結構，尤其是適用于離軸三反空間光學遙感器。

背景技術：

空間光學遙感器是星載的高度輕量化與高精密度光機成像系統，其拍攝得到地面景物的影像后，經過圖像處理可用于防災救災、國土安全、水利監測、地形測繪、海洋監測與軍事偵察等領域。離軸三反光學系統由于其無遮攔、無色差、視場大、熱穩定性高與結構緊湊等獨特優點，正逐漸成為空間光學遙感器的主流光學設計。將離軸三反光學系統應用于推掃式大視場成像空間光學遙感器時，除孔徑光闌外，其余反射鏡一般為矩形。同時隨著單點金剛石車削(SPDT)加工技術的提高，金屬材料正逐漸應用于反射式空間光學系統的反射鏡鏡體制備。同傳統光學玻璃相比，金屬具有低成本、易加工、安裝簡單的優點。因此，矩形金屬離軸反射鏡便成為新型低成本離軸三反空間光學系統的關鍵成像元件。其反射面的面形精度與安裝的空間位置精度將直接影響空間光學遙感器的成像質量。由于金屬材料的良好加工性，矩形金屬反射鏡的鏡體與柔性支撐結構為一體加工成形。要求反射鏡結構具有良好的靜態剛度與穩定性、高的動態剛度與強度、高的熱穩定性。這就意味著反射鏡在外界發生穩態或梯度溫度變化、重力變化、承受振動與沖擊等動態載荷以及機械接口平面度變化后，不會產生較大的結構應力，其安裝對準精度與面形精度不能產生較大變化，仍能保證離軸三反空間光學系統的成像質量。因此，高靜態與動態結構剛度、高熱穩定性與鏡體能夠以無應力狀態保持安裝和面形精度的矩形金屬反射鏡柔性支撐一體化結構是設計新型低成本輕量化離軸三反空間光學遙感器的關鍵技術。

與本發明最為接近的已有技術是中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的范磊于2015年5月在《紅外技術》期刊上提出的紅外離軸系統金屬反射鏡結構。該反射鏡結構如圖1所示，包括：1、鏡體，2、定位調整螺絲孔，3、安裝螺絲孔，4、第一柔性槽，5、第二柔性槽，6、第三柔性槽，7、安裝接口面，8、柔性支腿。在鏡體1的周邊均布設計有三處安裝接口7，每處安裝接口7通過兩個柔性支腿8與鏡體1成為一體。在每處安裝接口7的中間位置設計有一處定位調整螺絲孔2，在裝調時通過分別旋入一個球頭調整螺絲，實現整個鏡體空間位置的三點調整。每處安裝接口7還設計有兩處定位安裝螺絲孔3，通過分別旋入一個螺釘實現對鏡體的安裝。在每處柔性支腿8中分別設計有第一柔性槽4、第二柔性槽5與第三柔性槽6共三處柔性鉸鏈，用于卸載安裝時引起的集中應力與溫度變化導致的熱應力。這種安裝技術的缺點是：a).該柔性支撐結構需要通過球頭調整螺絲進行人工調整，安裝的重復性與可靠性較低且調整時容易導致鏡面變形；b).所有的柔性環節為豁口式柔性鉸鏈，沒有提供平動自由度，難以實現熱變形差異的補償；c).柔性環節的組合設計中沒有充分體現精密工程中的運動學定位原理，存在對鏡體的過約束問題。

技術實現要素：

為了解決已有技術存在的問題，本發明目的在于，在滿足矩形離軸金屬反射鏡高剛度、高強度、高穩定性的前提下，保證在重力場相對反射鏡體坐標系變化和外界環境溫度發生一定變化時，反射鏡的面形精度與安裝的空間位置精度仍然在允差范圍內，并且消除反射鏡安裝過程中裝配應力對反射鏡面形的影響，特設計一種矩形離軸金屬反射鏡的一體化柔性支撐結構。

本發明解決上述技術問題采取的技術方案如下。

一種矩形離軸金屬反射鏡的一體化柔性支撐結構，包括鏡體與三個柔性支撐；

所述三個柔性支撐圓周均布的設置在鏡體的側面上；

每個柔性支撐包括柔性板和兩個連接臺；

柔性板與鏡體固定連接，柔性板上設有安裝定位螺釘孔、第一柔性槽、第二柔性槽和第三柔性槽，第一柔性槽與第二柔性槽為圓弧形，相對于安裝定位螺釘孔對稱布置，第三柔性槽的中間部分為圓弧形，設置在第一柔性槽與第二柔性槽外，與第一柔性槽和第二柔性槽同軸且呈垂直布置，第三柔性槽的端部沿垂直于第一柔性槽與第二柔性槽的對稱軸的方向向外延伸至柔性板邊緣；

兩個連接臺分別固定在柔性板的兩側，底端與柔性板的底面對齊，側面與鏡體固定連接。

進一步的，所述柔性板裸露的外邊緣的形狀與第三柔性槽相對于安裝定位螺釘孔對稱。

進一步的，所述鏡體相鄰的兩個直角邊上切割兩個平面，分別固定兩個柔性支撐，另一個柔性支撐固定在與兩個切割平面不相連的邊上，三個柔性支撐的中心點形成一個等邊三角形。

進一步的，所述第一柔性槽與第二柔性槽為兩個不相連的半圓弧。

進一步的，所述鏡體背部加工有輕量化筋。

本發明的工作原理：矩形金屬反射鏡的一體化柔性支撐結構共有三處呈0°均布的柔性支撐，每處柔性支撐上具有一處安裝定位螺釘孔與三處線切割一體成形的第一柔性槽，第二柔性槽、第三柔性槽，使得每處安裝面具有三個相互正交方向的相對于鏡體的旋轉自由度與兩個分別沿著鏡體軸向與徑向的平動自由度，只留下了一個沿著鏡體切向的平動自由度約束。這便實現了對鏡體的精密安裝定位。當重力場相對鏡體坐標系發生變化時，三處柔性支撐能夠始終實現對鏡體的完全約束，極大減小了鏡面面形精度的變化；同時由于每處柔性支撐的存在，使得柔性支撐具有沿鏡體徑向方向的平動柔度。當外界環境溫度變化導致鏡體與安裝結構熱膨脹變化量不一致時，通過柔性槽切割形成的兩處短直梁的自身變形來吸收應變能，極大的減小了此時鏡面面形精度與安裝精度的變化；而當安裝結構的平面度發生變化時，由于每處柔性支撐具有三個轉動自由度的柔性與沿著鏡面軸向的平動自由度柔性，可將不平度引入的裝配應力與鏡體隔絕，通過柔性環節吸收應變能來保持鏡面的面形精度。針對不同的動力學環境與熱環境，選擇合適的柔性環節結構尺寸可以保證柔性支撐的剛度與強度滿足設計需要。

與現有技術相比，本發明的有益效果：

本發明所提出的矩形金屬反射鏡的一體化柔性支撐結構，在實現對矩形金屬反射鏡完全運動學定位安裝的同時，通過設計在三處柔性支撐上的一體式柔性環節，能大大減小重力變化、溫度變化與裝配過程中產生的鏡體內應力，并保證反射鏡的面形精度與安裝定位精度在外界力學與熱載荷作用下不超出光學設計的允差值，加工工藝與裝配過程簡單，工作可靠，無需調整環節。

附圖說明

圖1是已有技術——范磊等人公開的一種紅外離軸系統金屬反射鏡的效果圖；

圖2是本發明離軸三反空間光學遙感器矩形金屬反射鏡的一體化柔性支撐結構總體結構示意圖；

圖3是圖2的俯視示意圖；

圖4是圖2的仰視正等測示意圖；

圖中，1、鏡體，2、定位調整螺絲孔，3、安裝螺絲孔，4、第一柔性槽，5、第二柔性槽，6、第三柔性槽，7、安裝接口面，8、柔性支腿、9、鏡體，10、柔性支撐，11、安裝定位螺釘孔，12、第一柔性槽，13、第二柔性槽，14、第三柔性槽，15、安裝面，16、輕量化筋。

具體實施方式

以下結合附圖進一步說明本發明。

如圖2-4所示，本發明的矩形金屬反射鏡的一體化柔性支撐結構，包括鏡體9和三個柔性支撐10。

其中，鏡體9為矩形反射鏡，背部通過銑削加工得到輕量化筋16，實現金屬反射鏡的輕量化。

三個柔性支撐10與鏡體9一體化成型，圓周均布的設置在鏡體9的側面上。通常，鏡體9相鄰的兩個直角邊上切割兩個平面，分別固定兩個柔性支撐10，另一個柔性支撐10固定在與兩個切割平面不相連的邊上，三個柔性支撐10的中心點形成一個等邊三角形。每個柔性支撐10包括柔性板和兩個連接臺，柔性板的側面與鏡體9固定連接，柔性板上設有安裝定位螺釘孔11、第一柔性槽12、第二柔性槽13和第三柔性槽14。第一柔性槽12與第二柔性槽13相對于安裝定位螺釘孔11對稱布置，第一柔性槽12與第二柔性槽13兩端共同形成了兩處豁口柔性環節，構成內圈柔性結構。第三柔性槽14的中間部分為圓弧形，圓心為安裝定位螺釘孔11，開槽方向與第一柔性槽12與第二柔性槽13呈90°垂直布置，兩端沿垂直于第一柔性槽12與第二柔性槽13的對稱軸的方向向外，延伸至柔性板邊緣，且相對于安裝定位螺釘孔11，與柔性板的外邊緣形成對稱結構，構成兩處短直梁柔性環節，得到外圈柔性結構。連接臺固定在柔性板的兩側，底端與柔性板的底面對齊，連接臺的側面與鏡體9固定連接。一般，三處柔性支撐10通過電火花線切割等機械加工工藝保證與鏡體9仍為單塊式一體成型的光學元件結構。這樣每處柔性支撐10背面的安裝面15相對于鏡體9的三個旋轉自由度的柔性釋放環節與兩個平動自由度的柔性釋放環節，只留下了沿鏡面切向方向的平動自由度的約束。三處柔性支撐10呈120°均布，從而通過三處沿鏡面切向方向的平動自由度約束實現在安裝平面內對鏡體的定位。使得反射鏡在外界溫度變化與安裝面不平的情況下，柔性環節能夠吸收結構應變能，消除鏡體內應力，保持鏡面的面形精度與安裝精度。

本實施方式中，鏡體9的外形尺寸為200mm×150mm，邊緣厚度最厚為55mm，最薄為35mm，離軸量為220mm。鏡體9所采用的材料為鍛造鋁合金材料，牌號為6061。三處柔性支撐10的尺寸為60mm×22mm×10mm。第一柔性槽12、第二柔性槽13與第三柔性槽14，槽寬均為1mm。反射鏡的安裝面15總計三處(即柔性板的背面)，利用三處安裝定位螺絲孔11，將柔性支撐10通過M5×20mm內六角圓柱頭鈦合金螺釘安裝于空間光學遙感器主承力結構的機械接口上。在所有螺釘端部涂抹室溫固化硅橡膠GD-414進行防松處理。