專利名稱：小型高穩(wěn)定多功能光學(xué)反射鏡撓性支撐架的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于空間光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中涉及的一種小型高穩(wěn)定多功能光學(xué)反射鏡撓性支撐架。
背景技術(shù)：
撓性支撐架是通過撓性環(huán)節(jié)變形來隔離或者減小因工作環(huán)境溫度變化、裝配應(yīng)力等因素對光學(xué)反射鏡面形精度產(chǎn)生不利影響的一種被動調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、無遲滯、無爬行、可經(jīng)受空間的各種惡劣環(huán)境的影響的優(yōu)點，目前被廣泛的應(yīng)用于空間光學(xué)載荷中反射式光學(xué)反射鏡的支撐結(jié)構(gòu)中。 當(dāng)前，空間反射式光學(xué)反射鏡均采用撓性結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定的支撐設(shè)計。與本發(fā)明最為接近的已有技術(shù)，是美國Paul R. Yoder, Jr.著Opto-Mechanical SystemsDesign (光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計，第三版，周海憲，程云芳譯)第604頁圖13-55所示金屬反射鏡撓性支撐裝置。這種撓性結(jié)構(gòu)最大的缺點在于其僅適用于反射鏡與支撐結(jié)構(gòu)為同種金屬材料的集成設(shè)計，撓性結(jié)構(gòu)的用途和尺寸嚴(yán)重受限，且該種撓性結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大、成本高、周期長，不利于大范圍、大批量的使用。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述支撐機(jī)構(gòu)僅適用于同種材料反射鏡，用途和尺寸受限的問題，本發(fā)明提供了一種小型高穩(wěn)定多功能光學(xué)反射鏡撓性支撐架，包括撓性支撐架，撓性支撐架為含中空圓的矩形結(jié)構(gòu)，兩側(cè)加工同等寬度的矩形凸臺結(jié)構(gòu)機(jī)械連接平臺，機(jī)械連接平臺的兩端各加工兩個機(jī)械接口，沿中空圓加工環(huán)形凸臺結(jié)構(gòu)光機(jī)連接平臺，光機(jī)連接平臺的的底面加工凹體結(jié)構(gòu)，機(jī)械連接平臺和光機(jī)連接平臺之間加工凹體結(jié)構(gòu)卸載基板，卸載基板上加工圓形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的卸載狹縫，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)軸線O1O/與光機(jī)連接平臺軸線同軸，卸載狹縫分為內(nèi)層和外層兩部分，內(nèi)層與光機(jī)連接平臺連接，外層與機(jī)械連接平臺連接，外層卸載狹縫末端的四處圓弧中心連線O2O2'和O3O3'互成90°夾角且交相于光機(jī)連接平臺圓弧中心Otl，光機(jī)接口和銷釘孔位于光機(jī)連接平臺上，光機(jī)接口呈90°分布，銷釘孔中心連線與軸線O2O2'成45°夾角；內(nèi)層卸載狹縫分為五組，且互成180°夾角間隔的卸載狹縫為一組，其末端的四處圓弧中心連線均相交于光機(jī)連接平臺圓弧中心(V本發(fā)明的積極效果I.該撓性支撐架不同于以往金屬鏡支撐結(jié)構(gòu)采用的集成式設(shè)計方式，該撓性支撐架與反射鏡鏡體為分體式連接設(shè)計，可適用于金屬、玻璃、SiC等材料空間反射鏡的支撐要求，適用范圍更廣，適應(yīng)性更強(qiáng)；2.該撓性支撐架所用材料的選擇更加的靈活多樣，可依據(jù)反射鏡鏡坯的不同、使用環(huán)境的好壞、加工成本的多少，選擇熱匹配更好、強(qiáng)度更好、可加工性好的結(jié)構(gòu)材料，使得設(shè)計和加工過程更加的方便和節(jié)約；3.該撓性支撐架結(jié)構(gòu)簡單，加工極其容易，避免了集成化結(jié)構(gòu)所引起的加工制造難題，可大幅降低結(jié)構(gòu)件加工成本，縮短加工周期，同時該支撐架撓性結(jié)構(gòu)簡潔化的處理方式，可大大提高其安全性和可靠性，這在空間項目的研制中是極其重要的一項考核指標(biāo)；4.該撓性支撐架結(jié)構(gòu)和尺寸不受反射鏡限制，設(shè)計變量簡單可控，尤其是軸向尺寸的設(shè)計較為靈活，可適于軸向承載要求更為苛刻的光學(xué)反射鏡的支撐設(shè)計要求，同時也可滿足光學(xué)反射鏡光軸方向高穩(wěn)定性的使用要求；5.該撓性支撐架采用了分體式平面結(jié)構(gòu)，在滿足光學(xué)反射鏡支撐結(jié)構(gòu)高穩(wěn)定性使用要求的前提下，使結(jié)構(gòu)軸向尺寸縮短，降低了光學(xué)系統(tǒng)軸向的尺寸約束限制，非常適合于結(jié)構(gòu)的輕小型化設(shè)計要求。


圖I是小型高穩(wěn)定多功能光學(xué)反射鏡撓性支撐架的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是小型高穩(wěn)定多功能光學(xué)反射鏡撓性支撐架的剖視圖； 圖3是小型高穩(wěn)定多功能光學(xué)反射鏡撓性支撐架與金屬鏡/SiC反射鏡螺釘連接示意圖；圖4是小型高穩(wěn)定多功能光學(xué)反射鏡撓性支撐架與玻璃反射鏡膠合連接示意圖；圖5是小型高穩(wěn)定多功能光學(xué)反射鏡撓性支撐架與玻璃反射鏡膠合面剖視具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述具體實施方式
一如圖1-2所示，小型高穩(wěn)定多功能光學(xué)反射鏡撓性支撐架，包括撓性支撐架8，撓性支撐架8為含中空圓的矩形結(jié)構(gòu)，兩側(cè)加工同等寬度的矩形凸臺結(jié)構(gòu)機(jī)械連接平臺5，機(jī)械連接平臺5的兩端各加工兩個機(jī)械接口 1，沿中空圓加工環(huán)形凸臺結(jié)構(gòu)光機(jī)連接平臺7，光機(jī)連接平臺的7的底面加工凹體結(jié)構(gòu)，機(jī)械連接平臺5和光機(jī)連接平臺7之間加工凹體結(jié)構(gòu)卸載基板6，卸載基板6上加工圓形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的卸載狹縫3，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)軸線O1O/與光機(jī)連接平臺7軸線同軸，卸載狹縫3分為內(nèi)層和外層兩部分，內(nèi)層與光機(jī)連接平臺7連接，外層與機(jī)械連接平臺5連接，外層卸載狹縫末端的四處圓弧中心連線O2O2'和O3O3'互成90°夾角且交相于光機(jī)連接平臺7圓弧中心Otl，光機(jī)接口 2和銷釘孔4位于光機(jī)連接平臺7上，光機(jī)接口 2呈90°分布，銷釘孔4中心連線與軸線O2O2'成45°夾角；內(nèi)層卸載狹縫分為五組，且互成180°夾角間隔的卸載狹縫為一組，其末端的四處圓弧中心連線均相交于光機(jī)連接平臺7圓弧中心(V機(jī)械連接平臺5和光機(jī)連接平臺7的凸面處于同一平面內(nèi)，光機(jī)連接平臺7底面加工的凹體結(jié)構(gòu)與卸載基板6的下凹高度相同。如圖3所示，撓性支撐架8與光學(xué)反射鏡9通過螺釘連接，光學(xué)反射鏡9為金屬鏡或SiC反射鏡。如圖4所示，撓性支撐架8與光學(xué)反射鏡9通過膠合連接，光學(xué)反射鏡9為玻璃鏡。如圖5所示，光學(xué)反射鏡9為玻璃鏡時，撓性支撐架8與光學(xué)反射鏡9膠合連接的剖視圖。
具體實施方式
二撓性支撐架8與光學(xué)反射鏡9采用分體結(jié)構(gòu)，增加了可加工性和通用性，光學(xué)反射鏡為金屬或SiC材質(zhì)時，撓性支撐架與光學(xué)反射鏡9之間連接通過光機(jī)接口 2、銷釘孔4與光機(jī)連接平臺7連接，銷釘孔4保證光機(jī)連接平臺7與光學(xué)反射鏡9的連接定位精度和重復(fù)安裝定位精度，卸載基板6對機(jī)械連接平臺5和光機(jī)連接平臺7產(chǎn)生的裝配應(yīng)力及熱應(yīng)力進(jìn)行了均勻分布，防止應(yīng)力的集中，且在卸載基板6上的卸載狹縫3分為內(nèi)層和外層兩部分，內(nèi)層與光機(jī)連接平臺7連接，外層與機(jī)械連接平臺5連接，這兩部分大撓性變形區(qū)域一方面可將較大結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力或熱應(yīng)力 阻隔在非關(guān)鍵部位，防止其機(jī)械連接平臺5與光機(jī)連接平臺7間應(yīng)力能的直接傳遞，盡量避免大應(yīng)力能對反射鏡精度穩(wěn)定性的影響，另一方面可通過自身結(jié)構(gòu)的撓性變形將機(jī)械連接平臺5和光機(jī)連接平臺7之間殘留的結(jié)構(gòu)應(yīng)力或熱應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)能量進(jìn)行存儲，增加了反射鏡的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，同時由于卸載狹縫3為圓形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)軸線O1O/與光機(jī)連接平臺7軸線同軸，故與內(nèi)層卸載狹縫連接的光機(jī)連接平臺7具有繞卸載狹縫3中心軸線O1O/回轉(zhuǎn)的微小位移，可對由機(jī)械連接平臺5引起的扭轉(zhuǎn)力矩進(jìn)行微位移補(bǔ)償，使該支撐架抗扭適應(yīng)性增強(qiáng)，提高了反射鏡的穩(wěn)定性。該支撐架光機(jī)連接平臺7沿軸線方向厚度具有可設(shè)計性，通過對其厚度的選擇可以提供適宜的軸向剛度，滿足該撓性支撐架的沿軸向的剛度要求，而其垂直于軸向的剛度同樣可通過適當(dāng)選擇卸載狹縫3與光機(jī)連接平臺7的連接截面面積來獲得，該結(jié)構(gòu)可滿足較大剛度需求，一般其一階諧振頻率可高于300Hz，熱適應(yīng)范圍可達(dá)±15°C。光學(xué)反射鏡為玻璃材質(zhì)時，撓性支撐架8上中空圓的柱面與光學(xué)反射鏡9接觸圓柱面進(jìn)行尺寸配車，配合間隙為O. 0Γ0. 015mm之間，然后撓性支撐架8和光學(xué)件接觸部位配研，保證兩者接觸面積> 85%后，在兩者接觸部位上均勻涂光學(xué)環(huán)氧膠GHJ-Ol (Z)后粘接固定，撓性支撐架8的熱膨脹系數(shù)需與光學(xué)反射鏡9的熱膨脹系數(shù)相匹配。
具體實施方式
三撓性支撐架8所用材料可選用與光學(xué)反射鏡9所用材料熱膨脹系數(shù)相匹配的殷鋼(Invar)材料，最大限度的減少熱不匹配對光學(xué)反射鏡鏡面面形的影響，或是選用抗拉強(qiáng)度更高、加工性能更好的鈦合金材料。該撓性支撐架選用北京宇航殷材科技發(fā)展有限公司的殷鋼(Invar)或中國科學(xué)院沈陽金屬研究所的鈦合金(TC4)為結(jié)構(gòu)件材料，在具體加工過程中進(jìn)行多次真空時效處理，該撓性支撐架內(nèi)外兩層卸載狹縫3均采用慢走絲的方式進(jìn)行線切割加工，嚴(yán)格控制零件表面質(zhì)量，要求結(jié)構(gòu)件表面光滑、無刀痕，特別是卸載狹縫的橫截面處要求其表面光潔度在O. 6-0. 9，無加工刀痕，在結(jié)構(gòu)件拐角處以圓角自然過渡，避免形成應(yīng)力集中。機(jī)械連接平臺5與光機(jī)連接平臺7的連接安裝面處于同一平面內(nèi)，平面加工面形精度要求< O. 003mm，平面與光學(xué)反射鏡的光軸垂直度< O. Olmm0撓性支撐架的卸載基板6及光機(jī)連接平臺7在軸向上采用錯層設(shè)計，使結(jié)構(gòu)軸向尺寸縮短，增加了設(shè)計的參數(shù)，選擇合適的軸向參數(shù)可獲得不同的軸向剛度和軸向微位移補(bǔ)惶效果，在滿足光學(xué)反射鏡支撐結(jié)構(gòu)高穩(wěn)定性使用要求的前提下，降低了光學(xué)系統(tǒng)軸向的尺寸約束限制，非常適合于結(jié)構(gòu)的輕小型化設(shè)計要求。
權(quán)利要求
1.小型高穩(wěn)定多功能光學(xué)反射鏡撓性支撐架，包括撓性支撐架(8)，其特征在于，撓性支撐架(8)為含中空圓的矩形結(jié)構(gòu)，兩側(cè)加工同等寬度的矩形凸臺結(jié)構(gòu)的機(jī)械連接平臺(5)，機(jī)械連接平臺(5)的兩端各加工兩個機(jī)械接ロ(1)，沿中空圓加工環(huán)形凸臺結(jié)構(gòu)的光機(jī)連接平臺(7)，光機(jī)連接平臺的(7)的底面加工凹體結(jié)構(gòu)，機(jī)械連接平臺(5)和光機(jī)連接平臺(7 )之間加工凹體結(jié)構(gòu)的卸載基板(6 )，卸載基板(6 )上加工圓形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的卸載狹縫(3)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)軸線O1O/與光機(jī)連接平臺(7)軸線同軸，卸載狹縫(3)分為內(nèi)層和外層兩部分，內(nèi)層與光機(jī)連接平臺(7)連接，外層與機(jī)械連接平臺(5)連接，外層卸載狹縫末端的四處圓弧中心連線O2O2'和O3O3'互成90°夾角且相交于光機(jī)連接平臺(7)圓弧中心Otl，光機(jī)接ロ(2)和銷釘孔(4)位于光機(jī)連接平臺(7)上，光機(jī)接ロ(2)呈90°分布，銷釘孔(4)中心連線與軸線O2O2'成45°夾角；內(nèi)層卸載狹縫分為五組，且互成180°夾角間隔的卸載狹縫為ー組，其末端的四處圓弧中心連線均相交于光機(jī)連接平臺(7)圓弧中心Otl，五組內(nèi)層狹縫處于與圓弧中心Otl同圓心的圓周上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述小型高穩(wěn)定多功能光學(xué)反射鏡撓性支撐架，其特征在于，機(jī)械連接平臺(5)和光機(jī)連接平臺(7)的凸面處于同一平面內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述小型高穩(wěn)定多功能光學(xué)反射鏡撓性支撐架，其特征在于，光機(jī)連接平臺(7)底面加工的凹體結(jié)構(gòu)與卸載基板(6)的下凹高度相同。
全文摘要
小型高穩(wěn)定多功能光學(xué)反射鏡撓性支撐架，屬于空間光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，為了解決現(xiàn)有支撐機(jī)構(gòu)僅適用于同種材料反射鏡，用途和尺寸受限的問題，本發(fā)明的撓性支撐架為含中空圓的矩形結(jié)構(gòu)，兩側(cè)加工同等寬度的矩形凸體結(jié)構(gòu)機(jī)械連接平臺，機(jī)械連接平臺的兩端各加工兩個機(jī)械接口，沿中空圓加工環(huán)形凸體結(jié)構(gòu)光機(jī)連接平臺，光機(jī)連接平臺的的底面加工凹體結(jié)構(gòu)，機(jī)械連接平臺和光機(jī)連接平臺之間加工下沉結(jié)構(gòu)卸載基板，卸載基板上加工圓形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的卸載狹縫，該撓性支撐架集成式設(shè)計方式，適用范圍更廣，適應(yīng)性更強(qiáng)，可提高安全性和可靠性。
文檔編號G02B7/182GK102705657SQ20121019945
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者姚勁松, 安源, 張雷, 王棟, 谷松, 賈學(xué)志, 金光, 閆勇 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所