可调节反射镜Bipod柔性支撑结构、支撑装置及其装调方法与流程

本发明属于空间光学技术领域，具体涉及一种可调节反射镜bipod柔性支撑结构、支撑装置及其装调方法。

背景技术：

反射镜作为空间相机的核心部件，其面形精度和位置精度直接影响到光学系统的成像质量。为减小胶粘应力及温度变化产生的热应力对反射镜面形精度的影响，反射镜通常采用bipod柔性支撑结构与主承力结构进行连接。在空间相机设备装调过程中，反射镜与支撑结构的装调是保证整机光学性能的重要环节。

2015年2月，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的张丽敏等人在论文《bipod柔性结构在小型反射镜支撑中的应用》(光学精密工程，第23卷第2期)中提出了一种由3组bipod组成的柔性支撑结构，用于提高在实际工作条件下小型反射镜的面形精度。为了避免不对称性对反射镜造成的影响，该柔性支撑结构是根据光学设计要求整体加工而成的具有固定参数的结构。

在地面进行相机装调时，由于重力的影响，反射镜与bipod柔性支撑结构装调需采用光轴水平方式进行检测。在光轴水平装调时，反射镜面形精度对支撑位置非常敏感，为减小光轴水平方向检测、装调时反射镜的倾覆力矩，需要使bipod柔性支撑结构柔性杆交点形成的面接近反射镜重心所在平面，这有利于控制反射镜的面形精度和倾角。另外，目前空间相机的反射镜大多选用碳化硅材料，由于制备过程中各环节加工误差的叠加，虽然最终得到的反射镜可达到光学设计要求，但其外形和重心与设计的反射镜都存在一定差异，如果按照初始设计进行装调，反射镜与支撑结构的安装位置将产生偏离。采用整体加工的具有固定参数的柔性支撑结构无法针对实际装调情况进行调节控制，为了达到反射镜面形精度的设计要求，则必须对支撑结构进行反复加工和装调测试，装调精度差且效率低下。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种可调节反射镜bipod柔性支撑结构、支撑装置及其装调方法，解决了传统的反射镜支撑结构存在的装调精度差且效率低下的技术问题。

本发明的技术解决方案是：一种可调节反射镜bipod柔性支撑结构，包括两个顶部相连的柔性杆，其特殊之处在于：还包括双向调节机构；

所述双向调节机构包括固定支架和安装于固定支架上的双向滚珠丝杠，双向滚珠丝杠的两端各设置一个丝杠接头；双向滚珠丝杠具有两段螺距相同但旋向相反的螺纹，当双向滚珠丝杠旋转时，两个丝杠接头沿滚珠丝杠对称移动；两个柔性杆的底部分别与两个丝杠接头铰接，两个柔性杆可绕顶部连接点转动；

所述固定支架上还设置有用于驱动双向滚珠丝杠旋转的伺服电机和用于记录反馈双向滚珠丝杠旋转方向和角度的电位器。

进一步地，上述柔性杆包括一个径向柔节和在径向柔节两端对称设置的两个切向柔节，所述径向柔节可沿反射镜的半径方向弹性形变，所述切向柔节可沿反射镜的切线方向弹性形变。

进一步地，上述径向柔节通过中部连接块与切向柔节的一端相连，所述切向柔节的另一端设置有端部连接块，所述端部连接块内安装圆锥滚子轴承。

进一步地，上述固定支架上还设置有两个与双向滚珠丝杠平行的直线导轨，所述双向滚珠丝杠位于两个直线导轨之间；每个直线导轨上均设置有两个滑块，其中一个滑块与双向滚珠丝杠的一个丝杠接头相连，另一个滑块与双向滚珠丝杠的另一个丝杠接头相连；位于双向滚珠丝杠同一端的两个滑块和一个丝杠接头通过支撑座连接为一体，柔性杆的底部通过转轴安装于所述支撑座上。

进一步地，上述固定支架上还设置有减速箱，所述减速箱内设置有蜗轮蜗杆组件，蜗杆通过柔性联轴器与伺服电机相连，蜗轮通过柔性联轴器与双向滚珠丝杠一端相连；所述电位器通过柔性联轴器与双向滚珠丝杠的另一端相连。

进一步地，两个柔性杆的顶部通过一个三角形支撑框相连，所述三角形支撑框的两个底角分别与两个柔性杆的顶部铰接。

进一步地，上述三角形支撑框是由三个面板组成的截面为等边三角形的框架结构，每个面板上均设置有至少两个用于固定反射镜的安装孔。

本发明还提供一种基于上述的可调节反射镜bipod柔性支撑结构的支撑装置，其特殊之处在于：包括三个在反射镜周面上轴对称设置的固定嵌件，每个固定嵌件的底部均安装一个可调节反射镜bipod柔性支撑结构；所述固定嵌件与反射镜胶接固定，固定嵌件与可调节反射镜bipod柔性支撑结构内的柔性杆顶部螺接固定；三个固定嵌件的中心与反射镜的重心重合，三个固定嵌件的中心所在平面垂直于反射镜的光轴。

进一步地，上述固定嵌件包括弧形粘接板和位于弧形粘接板中部的三角形凸台；所述弧形粘接板的弧面半径与反射镜镜壁半径相同，所述三角形凸台嵌入位于柔性杆顶部的三角形支撑框内并通过三角形支撑框面板上的安装孔螺接固定。

本发明还提供一种如上所述的支撑装置的装调方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)测量反射镜的重心位置；

2)在反射镜周面上中心对称位置粘接三个固定嵌件，三个固定嵌件的中心与反射镜的重心重合，三个固定嵌件的中心所在平面垂直于反射镜的光轴；

3)调整三个可调节反射镜bipod柔性支撑结构的位置，使每个可调节反射镜bipod柔性支撑结构与对应的固定嵌件按照规定力矩螺接固定；

4)控制三个可调节反射镜bipod柔性支撑结构内的柔性杆移动，调节反射镜面形精度，使反射镜镜面面形达到设计要求。

本发明的有益效果在于：

(1)易调节，方便调节最佳支撑位置。本发明的双向滚珠丝杠两端有两段正反的螺纹，使用三个bipod柔性支撑结构同时调节，可保证反射镜在不产生额外应力的条件下沿光轴方向平动，稳定调整至面形精度最优的位置。当本发明应用于次镜支撑时，可用于调节保证主次镜间距。

(2)精度高，稳定性好。本发明导向采用高精度直线导轨和高精度双向滚珠丝杠，使用伺服电机作为驱动，电位器反馈调节量的大小和方向，使调节后的反射镜位置准确定位；支撑框与固定嵌件通过等边三角形凸台连接，等边三角形凸台增加连接刚度的同时，保证了定位精度；另外，蜗轮蜗杆变速机构具有自锁的能力，保证调节后支撑位置的稳定性。滑块通过干摩擦的形式在直线导轨上滑动，具有间隙小、精度高的特点，保证调节精度的同时，提高了本发明的结构刚度和可靠性。圆锥滚子球轴承可以承受轴向和径向力，保证本发明的装调精度和稳定性。

(3)易装调。本发明中的柔性杆采用径向柔节与切向柔节组合的形式，不仅可以吸收胶粘应力，还可以吸收外界温度变化导致反射镜与主承力结构不一致引入的热应力，进一步提高反射镜面形精度。通过确定固定嵌件与反射镜重心的相对位置，可确保可调节bipod柔性支撑结构具有较高精度的初始位置，提高反射镜组件的装调效率。

(4)通用性强，可重复使用。本发明使用模块化设计，通过更换柔性杆和支撑框可快速用于其他反射镜，大大降低了反射镜支撑装置的设计、制造和使用成本，提高了反射镜与支撑装置的装调效率。

附图说明

图1为本发明实施例一可调节反射镜bipod柔性支撑结构的整体结构示意图。

图2为本发明实施例一可调节反射镜bipod柔性支撑结构的支撑框结构示意图。

图3为本发明实施例一可调节反射镜bipod柔性支撑结构的柔性杆结构示意图。

图4为本发明实施例一可调节反射镜bipod柔性支撑结构的双向调节机构结构示意图。

图5为本发明实施例一可调节反射镜bipod柔性支撑结构的结构参数示意图。

图6为图5中可调节反射镜bipod柔性支撑结构的a向视图。

图7为本发明实施例一可调节反射镜bipod柔性支撑的柔性杆夹角ψ与δry的关系图。

图8为本发明实施例一可调节反射镜bipod柔性支撑结构的调节原理示意图。

图9为本发明实施例二支撑装置的整体结构示意图。

图10为本发明实施例二支撑装置的固定嵌件结构示意图。

图11为本发明实施例二支撑装置在不同工况下的调节量与反射镜面形精度的关系图。

其中，附图标记如下：

1-三角形支撑框，11-面板，12-柔性杆安装槽，13-转动轴，2-柔性杆，21-径向柔节，22-切向柔节，23-中部连接块，24-端部连接块，3-双向调节机构，31-固定支架，32-双向滚珠丝杠，33-丝杠接头，34-伺服电机，35-减速箱，36-电位器，37-直线导轨，38-滑块，39-支撑座，4-反射镜，5-固定嵌件，51-弧形粘接板，52-三角形凸台，53-减重孔，6-可调节反射镜bipod柔性支撑结构。

具体实施方式

实施例一

参见图1，本实施例为一种可调节反射镜bipod柔性支撑结构，包括两个柔性杆2，两个柔性杆2的底部设置在双向调节机构3上；两个柔性杆2的顶部通过三角形支撑框1相连，三角形支撑框1的两个底角分别与两个柔性杆2的顶部铰接。

参见图2，本实施例中的三角形支撑框1是由三个面板11组成的截面为等边三角形的框架结构，每个面板11上均设置有两个用于固定反射镜的安装孔，三角形支撑框1的两个底角上各设置一个柔性杆安装槽12，柔性杆安装槽12内设置有转动轴13，两个柔性杆2可以绕转动轴13转动。

参见图3，本实施例中的柔性杆2包括一个径向柔节21和在径向柔节21两端对称设置的两个切向柔节22，两个切向柔节22共面并与径向柔节21相互正交。径向柔节21可沿反射镜的半径方向弹性形变，切向柔节22可沿反射镜的切线方向弹性形变，通过柔性杆2的弹性变形可以抵消可调节反射镜bipod柔性支撑结构所受的径向力和轴向力。径向柔节21通过中部连接块23与切向柔节22的一端相连，切向柔节22的另一端设置有端部连接块24，端部连接块24内安装圆锥滚子轴承。圆锥滚子轴承成对使用可同时承受径向载荷和轴向载荷，保证柔性杆2的高精度转动。

参见图4，双向调节机构3包括固定支架31和安装于固定支架31上的双向滚珠丝杠32，双向滚珠丝杠32的两端各设置一个丝杠接头33。双向滚珠丝杠32的两端具有对称但旋向相反的螺纹，当双向滚珠丝杠32旋转时，两个丝杠接头33将对称地沿滚珠丝杠产生向心或背心的等速移动。

固定支架31上还设置有用于驱动双向滚珠丝杠32旋转的伺服电机34、减速箱35和用于记录反馈双向滚珠丝杠旋转方向和角度的电位器36。减速箱35内设置有蜗轮蜗杆组件，蜗杆通过柔性联轴器与伺服电机34相连，蜗轮通过柔性联轴器与双向滚珠丝杠32一端相连，电位器36通过柔性联轴器与双向滚珠丝杠32的另一端相连。

固定支架31上还设置有两个与双向滚珠丝杠32平行的直线导轨37，双向滚珠丝杠32位于两个直线导轨37之间。每个直线导轨37上均设置有两个滑块38，其中一个滑块与双向滚珠丝杠的一个丝杠接头相连，另一个滑块与双向滚珠丝杠的另一个丝杠接头相连。位于双向滚珠丝杠32同一端的两个滑块38和一个丝杠接头33通过支撑座39连接为一体，柔性杆的底部通过圆锥滚子轴承安装于支撑座39上。两个平行直线导轨的设置可以提高柔性杆的滑动稳定性。

控制电路控制伺服电机34工作，伺服电机的旋转通过减速箱35减速后，带动双向滚珠丝杠32转动，双向滚珠丝杠32的旋转运动转化为支撑座39的直线运动，两个柔性杆的夹角也随之改变，进而使两个柔性杆的交点沿对称线移动。

本实施例中的可调节反射镜bipod柔性支撑结构可以简化为两个呈ψ角度的柔性杆，以两柔性杆顶部连线的中心作为坐标原点，建立如图5和图6所示的坐标系，其中x轴是两柔性杆顶部连线所在的直线，y轴是反射镜光轴所在的直线，z轴为反射镜半径所在的直线。

在该坐标系下，可调节反射镜bipod柔性支撑结构的柔度矩阵为：

其中，c36代表弯矩mz在z轴的转动角度θz，c46代表弯矩mz在x轴的移动距离δx。通过计算δx与θz的比值可得到可调节反射镜bipod柔性支撑结构在y轴的转动瞬心，其位置矢量r＝(0,ry,0)。

其中l为柔节长度，t为柔节厚度，w为柔节宽度，d为两个柔性杆的顶部之间的水平距离，各长度距离的单位均为mm，设α＝l/w，β＝l/t。

理想情况下，柔性杆交点即为可调节反射镜bipod柔性支撑结构在y轴的名义转动瞬心，其位置矢量为：

r＝(0,-dcot(ψ/2)/2,0)

可调节反射镜bipod柔性支撑结构在y轴的转动瞬心与两柔性杆交点的差值为δry，单位为mm。

如图7所示，通过计算比较，当ψ∈(80°,120°)时，-0.4mm≤δry≤0mm，可调节反射镜bipod柔性支撑结构的转动瞬心与两柔性杆的交点偏差在允许范围内，即可调节反射镜bipod柔性支撑结构的转动瞬心可近似视为两柔性杆的交点。调节柔性杆的夹角ψ，可使可调节反射镜bipod柔性支撑结构的转动瞬心(即两柔性杆的交点)在一定范围内规律移动。此时，通过调节双向调节机构改变转动瞬心位置可以寻找到最佳支撑位置。

参见图8，本实施例中两柔性杆的底部之间的水平距离为u(单位为mm)，当控制双向调节机构3使柔性杆底部产生δu的移动量时，两柔性杆的夹角变化量为δψ，此时两柔性杆的交点将沿着反射镜光轴方向移动δh：

实施例二

参见图9，本实施例为一种基于可调节反射镜bipod柔性支撑结构的支撑装置。该支撑装置包括三个在反射镜4的周面上中心对称设置的固定嵌件5，每个固定嵌件5的底部均安装一个可调节反射镜bipod柔性支撑结构6；固定嵌件5与反射镜4胶接固定，固定嵌件5与可调节反射镜bipod柔性支撑结构6内的柔性杆顶部螺接固定；三个固定嵌件5的中心与反射镜4的重心重合，三个固定嵌件5的中心所在平面垂直于反射镜4的光轴。

参见图10，固定嵌件5包括弧形粘接板51和位于弧形粘接板51中部的三角形凸台52；弧形粘接板51的弧面半径与反射镜4的半径相同，三角形凸台52嵌入位于柔性杆顶部的三角形支撑框内并通过三角形支撑框面板上的安装孔螺接固定。三角形凸台52的中心还设置有减重孔53，在保证固定嵌件与三角形支撑框的稳定连接的前提下尽量减少支撑装置的整体重量。本实施例中的固定嵌件5可以选用殷钢材质，降低因温度变化而导致的支撑形变。

使用本实施例支撑装置对反射镜进行地面装调时，可以根据干涉仪反馈对可调节反射镜bipod柔性支撑结构进行实时调节，使可调节反射镜bipod柔性支撑结构处于最佳支撑状态，从而得到最佳的反射镜面形精度。

具体装调方法包括以下步骤：

1)测量反射镜的重心位置；

2)在反射镜周面上轴对称位置粘接三个固定嵌件，三个固定嵌件的中心与反射镜的重心重合，三个固定嵌件的中心所在平面垂直于反射镜的光轴；

3)调整三个可调节反射镜bipod柔性支撑结构的位置，使每个可调节反射镜bipod柔性支撑结构与对应的固定嵌件按照规定力矩螺接固定，尽量减小装调应力。

4)根据干涉仪反馈，控制三个可调节反射镜bipod柔性支撑结构内的柔性杆移动，调节反射镜面形精度，使反射镜镜面面形达到设计要求。

如图11所示，当反射镜重心与柔性支撑柔性杆连线交点偏差ε∈{-2,-1,0,1,2}mm时，通过控制可调节反射镜bipod柔性支撑结构内柔性杆的移动量均可使反射镜的面形精度rms小于10nm。

地面装调结束后，可通过蜗轮蜗杆的自锁性保证反射镜位置固定。对于大口径反射镜，也可以在本发明的支撑装置上增加锁紧机构，或者根据本发明的装调数据，重新设计不可调支撑装置，同样可以节约设计制造发射成本。

当本发明的支撑装置和方法应用于次镜的安装支撑时，可通过控制可调节反射镜bipod柔性支撑结构改变次镜沿光轴方向的位置，保证主镜和次镜之间的间距。由于空间相机处于真空的工作环境，其碳纤维连接部件常出现真空放气，导致相机的主次镜间距出现偏差。通过可调节反射镜bipod柔性支撑结构进给相同量，可使次镜沿光轴方向平移，进而使主次镜间距回到目标位置。