朱忠堯 白素平等

摘 要：本文針對(duì)大口徑光楔鏡的支撐需求，設(shè)計(jì)用鋼帶式機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)，通過(guò)UGNX對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模、三維裝配，并使用ANSYS對(duì)所設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明機(jī)械結(jié)構(gòu)滿足支撐的可調(diào)（俯仰、微調(diào)）、性能穩(wěn)定、鏡面面型變形小等要求。

關(guān)鍵詞：大口徑楔鏡 鋼帶支撐 有限元分析

中圖分類號(hào)：TH751 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）03（b）-0104-02

隨著現(xiàn)代光學(xué)工程技術(shù)的進(jìn)步，尤其是空間光學(xué)系統(tǒng)向口徑更大、重量更輕方向發(fā)展的需要，進(jìn)一步推進(jìn)了大口徑光學(xué)鏡技術(shù)的發(fā)展。光學(xué)上把口徑大于或等于500 mm的光學(xué)鏡定義為大口徑光學(xué)鏡。大口徑光學(xué)鏡在天文儀器及其它用途的光學(xué)探測(cè)器中的地位無(wú)疑是十分重要的，它的面形精度直接決定了儀器的精度。光學(xué)元件的面型精度除受到加工因素的影響外，其裝夾方法對(duì)面型影響也較大。本文設(shè)計(jì)了應(yīng)用吊帶裝夾大口徑光學(xué)元件的鏡框，并提供了設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。

1 鋼帶支撐方式鏡架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

被支撐的透鏡為光楔鏡，要求支撐后可俯仰±5°，調(diào)節(jié)的精度制在1″以內(nèi)，需要保證透鏡的面差，根據(jù)透鏡的功能和參數(shù)要求，本文設(shè)計(jì)了一種鋼帶支撐方式的鏡架結(jié)構(gòu)?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 鏡框組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鏡框組件包括深溝球軸承、3個(gè)點(diǎn)限位結(jié)構(gòu)、鏡框、前后兩個(gè)俯仰調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)和鏡座。鏡框和俯仰調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)楔鏡的俯仰調(diào)節(jié)，3點(diǎn)限位結(jié)構(gòu)是保證楔鏡俯仰時(shí)位置可靠。

1.3 俯仰調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

俯仰結(jié)構(gòu)主要由調(diào)節(jié)螺釘和支座組成，支座固定在鏡座上；調(diào)節(jié)螺釘采用的是螺距P=1.25 mm的細(xì)牙螺紋螺釘。螺釘前部加工成圓頭，可防止調(diào)節(jié)過(guò)程中與鏡框之間的干涉沖突。

當(dāng)螺距p=0.5時(shí)，旋轉(zhuǎn)中線距離螺釘中心線的距離為315 mm（見(jiàn)附錄工程圖），楔鏡旋轉(zhuǎn)1″時(shí)，旋轉(zhuǎn)螺釘需伸縮的距離為：；即螺釘需要旋轉(zhuǎn)：，所得結(jié)果滿足本設(shè)計(jì)最小微動(dòng)量為1"的技術(shù)指標(biāo)，通過(guò)在螺釘前部的半球體的圓周表面刻畫(huà)出刻度即可確定旋轉(zhuǎn)角度的大小，滿足精度要求。

1.4 支撐組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

支撐組件直接影響著透鏡的安裝精度和面差，本設(shè)計(jì)中采用的是鋼帶式支撐，這種支撐方式使反射鏡接觸面積大，受力比較均勻，對(duì)面差影響較小。

鋼帶支撐結(jié)構(gòu)同時(shí)具有上下、左右位置調(diào)節(jié)功能，一方面可調(diào)整透鏡的位置，另一方面可調(diào)節(jié)透鏡與鋼帶的接觸角。

2 鏡架結(jié)構(gòu)工作性能分析

2.1 鏡框有限元分析

對(duì)于本文設(shè)計(jì)的鏡框組件，關(guān)鍵是要能夠模擬鏡框結(jié)構(gòu)的實(shí)際力學(xué)特性。本文在不影響主要因素的前提下，合并了只為滿足節(jié)后或使用上的要求而設(shè)置的次要構(gòu)件，將所有倒角和過(guò)度圓角簡(jiǎn)化成直角，把螺栓聯(lián)結(jié)近似成剛性聯(lián)結(jié)；對(duì)鏡框把手的質(zhì)量合并到鏡框，得到簡(jiǎn)化的分析模型。

（1）有限元模型：采用ANSYS對(duì)透鏡實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到透鏡的有限元模型，劃分網(wǎng)格時(shí)分析結(jié)果比較重要的部分盡量細(xì)化網(wǎng)格，以得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果，有限元模型。

（2）邊界條件：根據(jù)鏡框的實(shí)際受力情況，其左右兩端圓柱的下弧面固定，上端兩個(gè)二維調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的裝配位置施加壓力，如圖4-4所示，m為反射鏡的質(zhì)量，參數(shù)為（材料：K9玻璃；口徑：Ф600 mm；厚度：65 mm）。

為了充分證明鏡框結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性，在計(jì)算壓力時(shí)反射鏡的質(zhì)量m按60 kg計(jì)算得：

（3）查看結(jié)果：得到鏡框的最大應(yīng)力Fj為3.406 MPa，應(yīng)力云圖如圖2所示，最大變形位移Sj為0.006483 mm，位移變形云圖如圖3所示。完全滿足材料的抗拉強(qiáng)度。

3 結(jié)論

該機(jī)械結(jié)構(gòu)適合用于口徑為50～600 mm的光學(xué)透鏡的支撐，可以實(shí)現(xiàn)微量調(diào)整光心位置，機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，性能可靠且實(shí)用，提高了大口徑支撐結(jié)構(gòu)的技術(shù)水平。

參考文獻(xiàn)

[1]R.Prks.Optical Assembly.Appl.Opt.1982（3）：113-118.

[2]Robet K Parks. Optical specification and tolerance for large optics[J].Appl.Opt，1984，7，98-105.

[3]Paul R.Yoder，Jr，著.光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].3版.周海憲，程云芳，譯：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：449-468.

[4]Nick Woolf·The Path to Life Finder[C].NASA Institute for Advanced Concepts，2000（1）：551-600.