一种矩形离轴金属反射镜的一体化柔性支撑结构的制作方法

本发明属于光学遥感技术领域，具体涉及的一种矩形离轴金属反射镜的一体化柔性支撑结构，尤其是适用于离轴三反空间光学遥感器。

背景技术：

空间光学遥感器是星载的高度轻量化与高精密度光机成像系统，其拍摄得到地面景物的影像后，经过图像处理可用于防灾救灾、国土安全、水利监测、地形测绘、海洋监测与军事侦察等领域。离轴三反光学系统由于其无遮拦、无色差、视场大、热稳定性高与结构紧凑等独特优点，正逐渐成为空间光学遥感器的主流光学设计。将离轴三反光学系统应用于推扫式大视场成像空间光学遥感器时，除孔径光阑外，其余反射镜一般为矩形。同时随着单点金刚石车削(SPDT)加工技术的提高，金属材料正逐渐应用于反射式空间光学系统的反射镜镜体制备。同传统光学玻璃相比，金属具有低成本、易加工、安装简单的优点。因此，矩形金属离轴反射镜便成为新型低成本离轴三反空间光学系统的关键成像元件。其反射面的面形精度与安装的空间位置精度将直接影响空间光学遥感器的成像质量。由于金属材料的良好加工性，矩形金属反射镜的镜体与柔性支撑结构为一体加工成形。要求反射镜结构具有良好的静态刚度与稳定性、高的动态刚度与强度、高的热稳定性。这就意味着反射镜在外界发生稳态或梯度温度变化、重力变化、承受振动与冲击等动态载荷以及机械接口平面度变化后，不会产生较大的结构应力，其安装对准精度与面形精度不能产生较大变化，仍能保证离轴三反空间光学系统的成像质量。因此，高静态与动态结构刚度、高热稳定性与镜体能够以无应力状态保持安装和面形精度的矩形金属反射镜柔性支撑一体化结构是设计新型低成本轻量化离轴三反空间光学遥感器的关键技术。

与本发明最为接近的已有技术是中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的范磊于2015年5月在《红外技术》期刊上提出的红外离轴系统金属反射镜结构。该反射镜结构如图1所示，包括：1、镜体，2、定位调整螺丝孔，3、安装螺丝孔，4、第一柔性槽，5、第二柔性槽，6、第三柔性槽，7、安装接口面，8、柔性支腿。在镜体1的周边均布设计有三处安装接口7，每处安装接口7通过两个柔性支腿8与镜体1成为一体。在每处安装接口7的中间位置设计有一处定位调整螺丝孔2，在装调时通过分别旋入一个球头调整螺丝，实现整个镜体空间位置的三点调整。每处安装接口7还设计有两处定位安装螺丝孔3，通过分别旋入一个螺钉实现对镜体的安装。在每处柔性支腿8中分别设计有第一柔性槽4、第二柔性槽5与第三柔性槽6共三处柔性铰链，用于卸载安装时引起的集中应力与温度变化导致的热应力。这种安装技术的缺点是：a).该柔性支撑结构需要通过球头调整螺丝进行人工调整，安装的重复性与可靠性较低且调整时容易导致镜面变形；b).所有的柔性环节为豁口式柔性铰链，没有提供平动自由度，难以实现热变形差异的补偿；c).柔性环节的组合设计中没有充分体现精密工程中的运动学定位原理，存在对镜体的过约束问题。

技术实现要素：

为了解决已有技术存在的问题，本发明目的在于，在满足矩形离轴金属反射镜高刚度、高强度、高稳定性的前提下，保证在重力场相对反射镜体坐标系变化和外界环境温度发生一定变化时，反射镜的面形精度与安装的空间位置精度仍然在允差范围内，并且消除反射镜安装过程中装配应力对反射镜面形的影响，特设计一种矩形离轴金属反射镜的一体化柔性支撑结构。

本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下。

一种矩形离轴金属反射镜的一体化柔性支撑结构，包括镜体与三个柔性支撑；

所述三个柔性支撑圆周均布的设置在镜体的侧面上；

每个柔性支撑包括柔性板和两个连接台；

柔性板与镜体固定连接，柔性板上设有安装定位螺钉孔、第一柔性槽、第二柔性槽和第三柔性槽，第一柔性槽与第二柔性槽为圆弧形，相对于安装定位螺钉孔对称布置，第三柔性槽的中间部分为圆弧形，设置在第一柔性槽与第二柔性槽外，与第一柔性槽和第二柔性槽同轴且呈垂直布置，第三柔性槽的端部沿垂直于第一柔性槽与第二柔性槽的对称轴的方向向外延伸至柔性板边缘；

两个连接台分别固定在柔性板的两侧，底端与柔性板的底面对齐，侧面与镜体固定连接。

进一步的，所述柔性板裸露的外边缘的形状与第三柔性槽相对于安装定位螺钉孔对称。

进一步的，所述镜体相邻的两个直角边上切割两个平面，分别固定两个柔性支撑，另一个柔性支撑固定在与两个切割平面不相连的边上，三个柔性支撑的中心点形成一个等边三角形。

进一步的，所述第一柔性槽与第二柔性槽为两个不相连的半圆弧。

进一步的，所述镜体背部加工有轻量化筋。

本发明的工作原理：矩形金属反射镜的一体化柔性支撑结构共有三处呈0°均布的柔性支撑，每处柔性支撑上具有一处安装定位螺钉孔与三处线切割一体成形的第一柔性槽，第二柔性槽、第三柔性槽，使得每处安装面具有三个相互正交方向的相对于镜体的旋转自由度与两个分别沿着镜体轴向与径向的平动自由度，只留下了一个沿着镜体切向的平动自由度约束。这便实现了对镜体的精密安装定位。当重力场相对镜体坐标系发生变化时，三处柔性支撑能够始终实现对镜体的完全约束，极大减小了镜面面形精度的变化；同时由于每处柔性支撑的存在，使得柔性支撑具有沿镜体径向方向的平动柔度。当外界环境温度变化导致镜体与安装结构热膨胀变化量不一致时，通过柔性槽切割形成的两处短直梁的自身变形来吸收应变能，极大的减小了此时镜面面形精度与安装精度的变化；而当安装结构的平面度发生变化时，由于每处柔性支撑具有三个转动自由度的柔性与沿着镜面轴向的平动自由度柔性，可将不平度引入的装配应力与镜体隔绝，通过柔性环节吸收应变能来保持镜面的面形精度。针对不同的动力学环境与热环境，选择合适的柔性环节结构尺寸可以保证柔性支撑的刚度与强度满足设计需要。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明所提出的矩形金属反射镜的一体化柔性支撑结构，在实现对矩形金属反射镜完全运动学定位安装的同时，通过设计在三处柔性支撑上的一体式柔性环节，能大大减小重力变化、温度变化与装配过程中产生的镜体内应力，并保证反射镜的面形精度与安装定位精度在外界力学与热载荷作用下不超出光学设计的允差值，加工工艺与装配过程简单，工作可靠，无需调整环节。

附图说明

图1是已有技术——范磊等人公开的一种红外离轴系统金属反射镜的效果图；

图2是本发明离轴三反空间光学遥感器矩形金属反射镜的一体化柔性支撑结构总体结构示意图；

图3是图2的俯视示意图；

图4是图2的仰视正等测示意图；

图中，1、镜体，2、定位调整螺丝孔，3、安装螺丝孔，4、第一柔性槽，5、第二柔性槽，6、第三柔性槽，7、安装接口面，8、柔性支腿、9、镜体，10、柔性支撑，11、安装定位螺钉孔，12、第一柔性槽，13、第二柔性槽，14、第三柔性槽，15、安装面，16、轻量化筋。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

如图2-4所示，本发明的矩形金属反射镜的一体化柔性支撑结构，包括镜体9和三个柔性支撑10。

其中，镜体9为矩形反射镜，背部通过铣削加工得到轻量化筋16，实现金属反射镜的轻量化。

三个柔性支撑10与镜体9一体化成型，圆周均布的设置在镜体9的侧面上。通常，镜体9相邻的两个直角边上切割两个平面，分别固定两个柔性支撑10，另一个柔性支撑10固定在与两个切割平面不相连的边上，三个柔性支撑10的中心点形成一个等边三角形。每个柔性支撑10包括柔性板和两个连接台，柔性板的侧面与镜体9固定连接，柔性板上设有安装定位螺钉孔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与第二柔性槽13相对于安装定位螺钉孔11对称布置，第一柔性槽12与第二柔性槽13两端共同形成了两处豁口柔性环节，构成内圈柔性结构。第三柔性槽14的中间部分为圆弧形，圆心为安装定位螺钉孔11，开槽方向与第一柔性槽12与第二柔性槽13呈90°垂直布置，两端沿垂直于第一柔性槽12与第二柔性槽13的对称轴的方向向外，延伸至柔性板边缘，且相对于安装定位螺钉孔11，与柔性板的外边缘形成对称结构，构成两处短直梁柔性环节，得到外圈柔性结构。连接台固定在柔性板的两侧，底端与柔性板的底面对齐，连接台的侧面与镜体9固定连接。一般，三处柔性支撑10通过电火花线切割等机械加工工艺保证与镜体9仍为单块式一体成型的光学元件结构。这样每处柔性支撑10背面的安装面15相对于镜体9的三个旋转自由度的柔性释放环节与两个平动自由度的柔性释放环节，只留下了沿镜面切向方向的平动自由度的约束。三处柔性支撑10呈120°均布，从而通过三处沿镜面切向方向的平动自由度约束实现在安装平面内对镜体的定位。使得反射镜在外界温度变化与安装面不平的情况下，柔性环节能够吸收结构应变能，消除镜体内应力，保持镜面的面形精度与安装精度。

本实施方式中，镜体9的外形尺寸为200mm×150mm，边缘厚度最厚为55mm，最薄为35mm，离轴量为220mm。镜体9所采用的材料为锻造铝合金材料，牌号为6061。三处柔性支撑10的尺寸为60mm×22mm×10mm。第一柔性槽12、第二柔性槽13与第三柔性槽14，槽宽均为1mm。反射镜的安装面15总计三处(即柔性板的背面)，利用三处安装定位螺丝孔11，将柔性支撑10通过M5×20mm内六角圆柱头钛合金螺钉安装于空间光学遥感器主承力结构的机械接口上。在所有螺钉端部涂抹室温固化硅橡胶GD-414进行防松处理。