一种角度自适应高精度镜体侧向支撑机构的制作方法

本发明属于地面精密光学实验技术领域，具体涉及一种角度自适应高精度镜体侧向支撑机构。

背景技术：

地面的大型镜体在试验、检测、装调以及使用的过程中，由于检测设备、实验环境以及使用状态的限制，传统的大型反射镜镜体一般都是采用背部支撑来保证整个镜体在使用过程中的面形精度，设计方案都采用光轴竖直的方式，这大大限制了镜体的应用范围。因此，需要针对镜体的偏摆或俯仰设计合理的侧支撑结构来减小整个镜体的面形变化，保证大型镜体的成像质量。

目前，地面大型镜体常针对单一角度的偏摆或俯仰设计刚性机构来支撑镜体，通过对反射镜底面多点进行支撑来保证整个镜体在试验、检测、装调以及使用的过程中的面形精度。但是这种方法的适用范围相对单一，若镜体进行多角度偏摆，则无法保证整个镜体的面形精度。若再根据这种原理设计相应角度的支撑机构，势必要增加整个侧支撑结构的重量以及复杂性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种角度自适应高精度镜体侧向支撑机构，解决现有技术存在的适用范围相对单一、无法保证整个镜体的面形精度、重量大以及结构复杂的问题。

为实现上述目的，本发明的一种角度自适应高精度镜体侧向支撑机构包括：

环形的支撑底板，所述支撑底板上圆周均布多个轴向连接孔，在支撑底板中间通孔位置均匀设置多组whiffletree结构与镜体底面接触支撑；

圆周均布在镜体侧壁上的多个粘接块，所述粘接块和镜体侧壁粘接固定；

圆周均布的多个侧支撑机构，每个侧支撑机构包括连接杆、杠杆结构、杠杆底座、杠杆中心轴、侧支撑底座和配重结构；所述连接杆的一端和所述杠杆结构的一端连接，所述连接杆的另一端和一个粘接块粘接固定，所述杠杆结构的另一端和配重结构连接，杠杆中心轴穿过杠杆结构，两端和杠杆底座连接，杠杆中心轴终端安装有轴端挡片，所述杠杆底座侧壁通过固定螺栓固定在侧支撑底座的侧壁上，所述侧支撑底座的设置在支撑底板上端面上，每个侧支撑底座和支撑底板上的一个连接孔对应。

所述侧支撑机构还包括高度调整结构，所述高度调整结构为一个调整块，所述侧支撑底座的侧壁竖直方向开有长条孔，所述调整块穿过所述长条孔和杠杆底座固定连接。

所述侧支撑机构还包括平面调整结构，所述平面调整结构包括分布在侧支撑底座四个侧壁处的四个调整单元，每个调整单元包括固定座以及与固定座螺纹连接的调整螺钉，所述固定座固定在支撑底板上端面上，所述调整螺钉和所述侧支撑底座接触。

所述连接杆为柔性杆，包括两个对称设置的柔性环节、连接两个柔性环节的连接弹簧以及设置在连接弹簧和柔性环节外侧的套筒；所述柔性环节为端部圆盘结构的杆体，所述套筒侧壁开有夹紧缺口，所述夹紧缺口的通过螺钉连接，调整螺钉实现对两个柔性环节的杆体的夹紧或松开，一个柔性环节的圆盘结构和杠杆结构的上端固定连接，另一个柔性环节的圆盘结构和对应的粘接块粘接固定。

所述配重结构包括杠杆配重连接轴、配重锁紧螺母和配重块；所述杠杆配重连接轴一端和杠杆结构连接，另一端通过配重锁紧螺母连接有配重块，所述杠杆配重连接轴穿过侧支撑底座以及支撑底板上对应的连接孔。

每个粘接块和柔性环节之间的实际粘接面积S的计算公式为：

S_min＝nS＝Wa_G f_s/J

其中：S_min为粘胶总面积；

n为侧支撑点个数；

J为粘接部位的抗剪强度或抗拉强度；

W为镜体的重量；

a_G为最恶劣条件下的加速度因子；

f_s为安全系数，f_s大于等于2小于等于4。

多个所述粘接块位于镜体的质心面上。

本发明的工作原理为：本发明首先利用镜体的结构选择侧面支撑点位置；其次根据镜体的使用要求确定支撑方向；再通过镜体的重量、背部支撑方式以及外形尺寸设计合理的支撑点数量，进而计算出镜体侧面单个支撑点所需支撑力以及所需支撑面积，设计合理的粘接结构，保证侧向支撑机构可以与镜体进行有效连接；根据支撑力、单个支撑点面积以及镜体、粘接结构和支撑底板之间的位置尺寸关系设计柔性环节、套筒、杠杆结构、杠杆底座、杠杆中心轴、侧支撑底座、固定螺栓、杠杆配重连接轴以及轴端挡片，配重块安装需要设计锁紧螺母进行位置定位。还需要设计侧支撑机构的高度调整结构以及平面调整结构，减少侧支撑机构安装在镜体与支撑底板之间所产生的内应力。最后将多组侧支撑机构安装到支撑底板上，完成对整个整体的侧支撑。

随着镜体的偏摆或俯仰，侧支撑机构中的配重块将垂直于杠杆方向的分力通过杠杆原理传递到柔性环节上，实现对镜体侧面的推拉，平衡镜体因偏摆或俯仰而自重产生的分力(垂直于光轴)。这样就可以减小镜体的面形变化，保证镜体的面形精度。

本发明的有益效果为：本发明的一种角度自适应高精度镜体侧向支撑机构由于采用了侧支撑机构，解决了只有背部支撑的镜体在地面重力环境试验中因为镜体偏离水平位置(即光轴与水平线不垂直)而导致面形精度剧烈下降的问题，有效的保证了镜体沿任意角度摆放状态下的面形精度，提高了镜体的整体工作质量和适应性。本机构本身不具有定位作用，需要额外设计定位点约束镜体自由度。这种结构在镜体沿任意角度摆放进行试验、检测、装调、使用等过程中都可以有效的应用，具有极佳的工程可实施性，本发明可应用于大型地基望远镜支撑领域以及精密光学实验领域。

附图说明

图1为本发明的一种角度自适应高精度镜体侧向支撑机构整体结构示意图；

图2为本发明的一种角度自适应高精度镜体侧向支撑机构中支撑底板结构示意图；

图3为本发明的一种角度自适应高精度镜体侧向支撑机构中的侧支撑机构示意图I；

图4为本发明的一种角度自适应高精度镜体侧向支撑机构中的侧支撑机构示意图II；

图5为本发明的一种角度自适应高精度镜体侧向支撑机构中的连接杆结构示意图；

图6为本发明的一种角度自适应高精度镜体侧向支撑机构应用示意图；

其中：1、镜体，2、侧支撑机构，3、支撑底板，4、柔性环节，5、套筒，6、杠杆结构，7、杠杆底座，8、杠杆中心轴，9、侧支撑底座，10、固定螺栓，11、高度调整结构，12、杠杆配重连接轴，13、平面调整结构，14、配重锁紧螺母，15、配重块，16、轴端挡片，17、粘接块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1-附图5，本发明的一种角度自适应高精度镜体侧向支撑机构包括：

环形的支撑底板3，所述支撑底板3上圆周均布多个轴向连接孔，在支撑底板3中间通孔位置均匀设置多组whiffletree结构与镜体1底面接触支撑；

圆周均布在镜体1侧壁上的多个粘接块17，所述粘接块17和镜体1侧壁粘接固定；

圆周均布的多个侧支撑机构2，每个侧支撑机构2包括连接杆、杠杆结构6、杠杆底座7、杠杆中心轴8、侧支撑底座9和配重结构；所述连接杆的一端和所述杠杆结构6的一端连接，所述连接杆的另一端和一个粘接块17粘接固定，所述杠杆结构6的另一端和配重结构连接，杠杆中心轴8穿过杠杆结构6，两端和杠杆底座7连接，杠杆中心轴8终端安装有轴端挡片16，所述杠杆底座7侧壁通过固定螺栓10固定在侧支撑底座9的侧壁上，所述侧支撑底座9的设置在支撑底板3上端面上，每个侧支撑底座9和支撑底板3上的一个连接孔对应。为了保证本结构对镜体1沿任意角度偏摆的适应性，所有侧支撑机构2的支撑方向都朝向镜体1质心位置，即向心式排布。

所述侧支撑机构2还包括高度调整结构11，所述高度调整结构11为一个调整块，所述侧支撑底座9的侧壁竖直方向开有长条孔，所述调整块穿过所述长条孔和杠杆底座7固定连接。

所述侧支撑机构2还包括平面调整结构13，所述平面调整结构13包括分布在侧支撑底座9四个侧壁处的四个调整单元，每个调整单元包括固定座以及与固定座螺纹连接的调整螺钉，所述固定座固定在支撑底板3上端面上，所述调整螺钉和所述侧支撑底座9接触。

通过安装高度调整结构11以及平面调整结构13调整整个侧支撑结构的位置，减少侧向支撑机构安装在镜体1与支撑底板3之间所产生的内应力。

所述连接杆为柔性杆，包括两个对称设置的柔性环节4、连接两个柔性环节4的连接弹簧以及设置在连接弹簧和柔性环节4外侧的套筒5；所述柔性环节4为端部圆盘结构的杆体，所述套筒5侧壁开有夹紧缺口，所述夹紧缺口的通过螺钉连接，调整螺钉实现对两个柔性环节4的杆体的夹紧或松开，一个柔性环节4的圆盘结构和杠杆结构6的上端固定连接，另一个柔性环节4的圆盘结构和对应的粘接块17粘接固定。

所述配重结构包括杠杆配重连接轴12、配重锁紧螺母14和配重块15；所述杠杆配重连接轴12一端和杠杆结构6连接，另一端通过配重锁紧螺母14连接有配重块15，所述杠杆配重连接轴12穿过侧支撑底座9以及支撑底板3上对应的连接孔。

每个粘接块17和柔性环节4之间的实际粘接面积S的计算公式为：S_min＝nS＝Wa_Gf_s/J(粘胶面积计算公式(P425，Optomechanical system design,3^rd edition))，其中S_min为粘胶总面积，n为侧支撑点个数，J为粘接部位的抗剪强度或抗拉强度，W为镜体1的重量；a_G为最恶劣条件下的加速度因子；f_s为安全系数，至少取2，考虑到粘胶操作中一些不可控的因素，安全系数最大可取到4。

多个所述粘接块17位于镜体1的质心面上，减少额外引入的弯矩对镜体1面形的影响。

参见附图6，针对一个φ1.4m口径、镜厚160mm、材料为ULE的大型镜体1进行支撑时，通过反射镜外形尺寸以及材料密度确定反射镜的质心位置，确定质心面；选择向心式排布方案，根据国内外研究经验选择支撑点数目为18和24两种，结合侧支撑结构外形尺寸最终确定为18点侧支撑；通过计算确定单个支撑点所需面积为554.4mm²，支撑力为108N。

本发明的安装过程为：首先需要对侧支撑机构2进行组装。首先将杠杆结构6安装到杠杆底座7上，中间穿入杠杆中心轴8，轴端安装轴端挡片16实现固定，完成杠杆组件的安装；接着将杠杆组件安装到侧支撑底座9上，通过固定螺栓10实现初步定位，不要完全固定，保证杠杆组件可以沿着侧支撑底座9的调整螺孔进行滑动；在杠杆底座7上安装高度调整结构11，在支撑底板3上安装平面调整结构13，将杠杆底座7连同相关组件放置到支撑底板3相应的位置上；将杠杆配重连接轴12穿过支撑底座以及杠杆底座7所设计的杠杆孔，旋入杠杆结构6底部的螺纹孔中，在杠杆配重连接轴12上安装配重锁紧螺母14以及配重，调整配重到理论设计位置，通过配重锁紧螺母14实现固定；将两个柔性环节4安装在套筒5两端，同样可以在套筒5内滑动，其中一个柔性环节4与杠杆结构6固定，另外一个与镜体1侧面的粘接结构实现固定；通过高度调整结构11以及平面调整结构13调整侧支撑机构2到理想位置，保证柔性环节4上不存在弯矩，然后锁紧固定螺栓10实现高度固定，同时将杠杆底座7固定到支撑底板3上，完成单个侧支撑机构2的安装，其余同理，最终完成镜体1、侧支撑机构2以及支撑底板3之间的连接。

本发明的侧支撑点数量和分布形式，并不局限于此实施例，可根据空间反射镜尺寸大小和空间反射镜支撑结构形式进行具体分析。