专利名称：一种大口径轻质反射镜柔性限位支撑装置及安装方法
技术领域：
本发明涉及轻质反射镜支撑装置的技术领域，特别涉及一种大口径轻质反射镜柔性限位支撑装置及方法，该支撑装置及方法可应用于大口径磨盘的能动抛光过程以及检测过程，在实施应用阶段，该支撑装置及方法可以降低外界力载荷，惯性载荷及热载荷的负作用，从而保证光学系统的成像质量。
背景技术：
随着现代光学系统性能要求的不断提高，光学零件的质量要求也在不断提高。为提高光学系统的成像质量并降低成本，现代光学零件正朝着非球面、大相对口径、高轻量化的趋势发展。但由于使用过程中，轻质镜容易受外界作用力，如空间微重力、惯性载荷、振动、装配误差应力、气流、温度载荷等的变化而影响光学系统的成像质量，因此，需要采用一种柔性支撑的隔离装置隔离支撑系统中机械和热作用对光学系统的影响，保证反射镜及其支撑结构具有良好的动态结构性能及热稳定性。大口径轻质反射镜的加工方法主要有CCOS小磨头技术，磁流变(MRF)技术，离子束(IBF)技术，以及应力盘抛光CCAL技术等。然而，CCOS抛光技术容易造成工件表面的中高频误差，影响光学系统成像质量，而且，在大口径光学元件加工过程中难以保证去除函数的一致性；而MRF及IBF成本昂贵，去除量低，一般应用于加工工序的纳米精度提升阶段。 CCAL抛光技术基于弹性薄板理论，采用工件口径1/6-1/3尺寸的铝盘在外加变力矩的作用下，薄板产生高次曲面变形匹配非球面主镜表面，完成主镜高精度抛光，具有去除效率高， 抑制中高频等优势。目前，大口径轻质反射镜的支撑模型主要为Whiffletree浮动支撑结构模型与GriAb摇板式支撑结构模型。WhifTletree支撑模型能通过调节支撑盘浮动来平衡工件界面的外在载荷，使反射镜面受力更加均勻，特别是大口径磨盘能动磨盘抛光过程。 Whiff Ietree支撑模型是在基层支撑面上选定支撑点，通过杠杆平衡原理将支撑点扩展为双倍支撑面，并在每个支撑面上设定动态的支撑盘。该支撑模型选定的支撑点相对独立， 而支撑点上扩展的每组支撑面构成动态平衡。GriAb支撑模型是在每一个静定的支撑点上通过一个刚性的浮动支架，把支撑点扩展为多点支撑再作用于主镜面，作用于镜面的多点支撑服从静力平衡规则。Whiffletree及GriAb支撑模型在工件支撑面上的定位精度通过支撑板的三点水平度来保证，因此工件在应用过程中支撑面受力容易达到平衡。然而， WhiffIetree及GriAb支撑模型最终的支撑力都体现在刚性支撑杆上，对外界温度变化引起的热-结构变形、振动载荷、气流变化引其的局部变形无法消除。参考文献"Jerry Ε. Nelson, Jacob Lubliner, Terry S. Mast, Telescope mirror suppors :plate deflections on point supports[J]. Advanced Technology Optical Telescopes, SPIE, 1982 (332)，212-228”公开了基于薄板变形理论及 Vukobratovich “网格效应”公式，本领域技术人员容易根据上述理论及相关公式大致推算出大口径轻质镜的支撑点以及支撑点环带位置。
柔性限位支撑将柔性支撑方式与刚性支撑方式相结合。柔性支撑装置为组合的柔性弹簧，其目的是平衡抛光磨头的压力，消除振动误差以及抑制外界负载荷引起的镜面变形；刚性支撑旨于在抛光以及应用阶段对大口径轻质镜进行限位以及保护。在能动磨盘抛光过程中，由于能动磨盘重量大，当磨盘处于工件边沿位置时(磨盘露出工件边沿尺寸小于磨盘尺寸的1/3)，会导致工件产生微米级的倾斜，而此时可以同时采用三点刚性支撑同时作用于工件支撑面，以此消除工件抛光过程的微量倾斜，三点限位支撑将大口径轻质镜边沿抛光时由初始的倾斜量由3. 4微米降低为0. 96微米，该精度远低于抛光机床Z轴的定位精度，而且，该支撑方式下的镜面变形具有可恢复性。经过仿真分析，采用柔性限位支撑模型，柔性支撑装置可支撑工件及磨盘80%的重力，支撑面等效应力变化较低，最大主应力满足工件的极限应力要求，极大提高了工件抵制外界振动，大气湍流变化、温度热载荷变形的能力。
发明内容
本发明的目的是为设计一种可应用于大口径磨盘加工、实施应用的柔性限位支撑装置，该支撑装置具有提高大口径轻质镜边沿抛光时镜面受力平衡、消除了支撑面局部主应力过大以及在实施应用过程中提高光学系统抵制外界负载影响从而提高光学成像质量等优势。从而提供了一种结构简单紧凑、成本低廉、控制简单、集成度高、操作方便，能够实现大口径、高轻量化反射镜的高精度抛光及光学系统安装应用的柔性限位装置。本发明的目的是由下述技术方案实现的一种大口径轻质反射镜柔性限位支撑装置，该装置包括浮动支撑结构、柔性支撑结构、齿轮传动机构以及压力传感装置；其中所述浮动支撑结构，其采用WhifTletree模型，该模型为一种过渡的支撑结构模型，其目的是对工件进行初始定位；所述浮动支撑结构包括底座、中心柱、杠杆支撑架、杠杆、圆球、三角架、浮动定位柱、浮动支撑盘、圆柱销；其中杠杆支撑架、杠杆、圆球、三角架构成浮动杠杆平衡模型；所述柔性支撑结构，包括支撑柱，基座，柔性支撑盘，侧支撑架，限位支撑孔、柔性支撑柱以及组合式弹簧模型；基座固定于三根支撑柱上；所述压力传感装置，包括压力传感器、信号转换器以及压力输出显示器，其目的是对每个柔性支撑结构模型对轻质镜产生的作用力进行监控；信号转换器包括信号放大电路以及A/D转换电路，输出为每个柔性支撑盘对工件的弹性作用力。进一步的，浮动定位柱、浮动支撑盘的连接方式为球头万向节连接。进一步的，杠杆两端表面为半球凹面，与三角架的连接方式为球头万向节连接。进一步的，组合式弹簧模型包括安装架、组合弹簧，安装架与升降柱固定配合，柔性支撑结构具有抑制振动，抵抗热载荷干扰的功能。进一步的，WhifTletree模型支撑的升降模型采用蜗轮蜗杆传动机构，柔性支撑盘及限位支撑盘的升降模型采用伞齿轮传动机构；蜗轮蜗杆传动机构可应用于大重量负载， 并带有自锁功能；而伞齿轮传动机构传动比高，定位精度好。进一步的，蜗轮蜗杆传动机构的主动齿轮为蜗杆、从动齿轮为蜗轮、调节齿轮为中心柱；伞齿轮传动机构主动齿轮为伞齿轮、从动齿轮为伞齿轮、调节齿轮为升降柱；其中从动蜗轮、从动伞齿轮为变向齿轮，从动蜗轮左端为蜗轮、右端为直齿轮；从动伞齿轮外端为伞齿轮、内环为螺纹孔。进一步的，蜗轮蜗杆传动机构通过轴承固定于底座内部，杠杆平衡模型安装于基座上方，浮动支撑模型的升降方式为通过旋转蜗杆，带动蜗轮，并由蜗轮右端直齿轮与中心柱直齿配合实现底座升降。进一步的，伞齿轮传动机构通过轴承固定于基座内部，升降柱穿过限位支撑孔与从动伞齿轮配合，柔性及限位支撑的升降方式位通过旋转主动伞齿轮，带动伞齿轮，并由伞齿轮的内螺纹实现升降柱的升降。进一步的，压力传感器为贴片式压力传感器，该贴片式压力传感器分辨力为0. ImV 的电压输出模拟信号。根据上述的一种大口径轻质反射镜柔性限位支撑装置的安装方法，所述安装方法步骤如下第一步基于薄板变形理论及Vukobratovich “网格效应”公式，大致推算出大口径轻质镜的支撑点以及支撑点环带位置；第二步采用有限元分析软件，分析在重力以及磨盘压力作用下，优化分析大口径轻质反射镜面低精度变形的柔性、限位支撑盘口径、位置以及支撑面所受的支反力；第三步将压力传感器置于柔性支撑盘上，并将传感器电压输出信号通过信号放大电路以及A/D转换电路将测量压力输出到压力输出显示器中；第四步将与工件同等质量的金属平板置于柔性限位支撑结构模型上，对针对第一步计算的作用力对主动伞齿轮进行调节，大致对每个柔性限位支撑盘的位置进行定位， 并撤消平板；第五步调节手轮蜗杆，提升Whiffletree支撑平台，将工件置于安装平台的 Whiffletree浮动支撑模型上，对工件进行定位；缓慢降低Whiffletree支撑平台，实现工件底面支撑由Whiffletree浮动支撑过度到柔性限位支撑；第六步通过旋转主动伞齿轮，调节每个柔性限位支撑盘，并通过压力传感装置反馈得到的压力传感器数字对每个柔性限位支撑盘进行精确定位。与现有技术相比，本发明的优点为1、本发明的大口径轻质反射镜柔性限位支撑装置对光学系统的支撑能力主要体现在柔性支撑结构上，提高了支撑结构的抗振动能力以及抵制外界负载荷变形能力；2、相对于浮动支撑及摆动支撑，柔性限位支撑降低大大降低了工件的最大主应力，消除了应用过程应力集中的情况；3、柔性限位支撑在能动磨盘抛光过程中，磨盘重力载荷完全作用在柔性支撑模型上，磨盘抛光面与镜面完全贴合，抛光区域受力更加均勻；4、浮动支撑模型或摆动支撑模型对工件的支撑力随抛光盘位置到镜子中心距离而变化，而柔性支撑模型各个支撑盘对工件的支撑力几乎一致，支撑面受力均勻。
图1为柔性限位支撑结构模型示意图；图2为浮动支撑结构模型示意图3为杠杆平衡装置模型示意图；图4为组合式弹簧模型示意图；图5为蜗轮蜗杆传动模型示意图；图6为伞齿轮传动装置示意7为压力传感显示装置示意图；图8为口径Φ 1. 8m轻质镜柔性限位支撑位置示意图；图9为限位支撑盘位置优化分析图；图10为限位支撑盘口径优化分析；图11为基于柔性限位支撑条件下能动磨盘边缘抛光时的镜面变形；图12为浮动结构模型、柔性支撑模型、柔性限位支撑模型下支撑盘受力分布。图中标号:101、底座；102、中心柱；103、杠杆支撑架；104、杠杆；105、圆球；106、 三角架；107、浮动定位柱；108、浮动支撑盘；109、圆柱销；201、支撑柱；202、基座；203、柔性支撑盘；204、侧支撑架；205、限位支撑孔；206、安装架；207、组合弹簧；208、柔性支撑；
301、蜗杆；302、从动蜗轮；303、轴承；304、升降柱；305、主动伞齿轮；306、从动伞齿轮； 401、压力传感器；402、信号放大电路；403、A/D转换电路；404、压力输出显示器；
具体实施例方式以下结合附图以及具体实施方式
对本发明做进一步的解释如图1、2、3所示，本发明装置的浮动支撑结构采用Whiffletree模型，为一种过渡的支撑结构模型，其目的是对工件进行初始定位。浮动支撑结构主要包括底座101、中心柱 102、杠杆支撑架103、杠杆104、圆球105、三角架106、浮动定位柱107、浮动支撑盘108、圆柱销109。其中杠杆支撑架103、杠杆104、圆球105、三角架106构成浮动杠杆平衡模型；如图3所示，杠杆104两端表面为半球凹面，与三角架106的连接方式为球头万向节连接；如图1、4所示，柔性支撑结构主要包括支撑柱201，基座202，柔性支撑盘203，侧支撑架204，限位支撑孔205、柔性支撑柱208、安装架206以及组合弹簧207 ；基座202固定于三根支撑柱201上；安装架206与升降柱304固定配合；如图1、2、5、6所示，蜗轮蜗杆传动机构的主动齿轮为蜗杆301、从动齿轮为蜗轮
302、调节齿轮为中心柱102；伞齿轮传动机构主动齿轮为伞齿轮305、从动齿轮为伞齿轮 306、调节齿轮为升降柱304 ；其中蜗轮302、从动伞齿轮306为变向齿轮，蜗轮302左端为蜗轮、右端为直齿轮；从动伞齿轮306外端为伞齿轮、内环为螺纹孔。蜗轮蜗杆传动机构通过轴承303固定于底座101内部，杠杆平衡模型安装于基座上方，浮动支撑模型的升降方式为通过旋转蜗杆301，带动蜗轮302，并由齿轮302右端直齿轮与中心柱102直齿配合实现底座101升降。伞齿轮传动机构通过轴承固定于基座202内部，升降柱304穿过限位支撑孔 205与传动伞齿轮306配合，柔性及限位支撑的升降方式位通过旋转主动伞齿轮305，带动伞齿轮306，并由伞齿轮306的内螺纹实现升降柱304的升降；如图7所示，压力传感装置包括贴片式压力传感器401、信号放大电路402、A/D转换电路403以及压力输出显示器404，信号放大电路402和A/D转换电路403组成信号转换器，其目的是对每个柔性支撑结构模型对轻质镜产生的作用力进行监控，并根据测量数据
7对主动伞齿轮305进行定位；本实施例子结合一块口径1.8m的高轻量化双曲面轻质镜进行模拟仿真，轻质镜材料为熔石英，工件重量为408. 68Kg，轻量化为(80. 3% )，采用能动磨盘抛光技术，磨盘重量为20kg。图8为基于薄板理论模型，优化后得到的18个柔性支撑盘以及3点限位支撑盘位置及口径的分布图。通过有限元仿真分析，采用Whiffletree模型中，内、外环每个支撑盘的作用力随圆环半径变化，外环每个支撑面的支反力为225. 217N,内环每个支撑面的支反力为217. 743N ；而柔性支撑结构模型中，18个支撑盘的对工件的作用力为222. 73N,因此，柔性支撑具有消除支撑面应力集中的优势；图9为基于柔性支撑模型，对三点刚性限位支撑盘的位置进行优化分析；图10为基于柔性支撑模型，对三点刚性限位支撑盘的口径进行优化分析；图11为磨盘处于工件边沿处抛光时，基于柔性限位支撑模型分析得到的镜面变形，PV (峰谷值)964. 4nm、RMS (均方根值)215. Onm ；图12对采用Whiffletree浮动支撑、柔性支撑以及柔性限位支撑三种模型对口径1. 8m的高轻量化双曲面轻质镜支撑时的受力进行对比分析。Whiffletree模型外环位置支撑受力(A7-A18)比内环位置支撑受力(A1-A6)大，而且支撑盘受力受磨盘抛光位置的影响；柔性支撑模型18点受力分布均勻，而且支撑盘对工件作用力基本不受磨盘位置的影响，但磨盘边沿抛光时，支撑面会产生微米量级倾斜；柔性限位支撑结合了前两者的优点， A1-A18为柔性支撑特征，受力分布均勻，而且支撑盘对工件作用力基本不受磨盘位置的影响，A19-A21为限位支撑，对工件进行限位保护以及降低工件抛光过程的倾斜。本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
权利要求
1.一种大口径轻质反射镜柔性限位支撑装置，其特征在于该装置包括浮动支撑结构、柔性支撑结构、齿轮传动机构以及压力传感装置；其中所述浮动支撑结构，其采用WhifTletree模型，该模型为一种过渡的支撑结构模型，其目的是对工件进行初始定位；所述浮动支撑结构包括底座(101)、中心柱(102)、杠杆支撑架(103)、杠杆(104)、圆球(105)、三角架(106)、浮动定位柱(107)、浮动支撑盘(108)、圆柱销(109)；其中杠杆支撑架(103)、杠杆(104)、圆球(105)、三角架(106)构成浮动杠杆平衡模型；所述柔性支撑结构，包括支撑柱001)，基座002)，柔性支撑盘003)，侧支撑架 004)，限位支撑孔005)、柔性支撑柱Q08)以及组合式弹簧模型；基座O02)固定于三根支撑柱O01)上；所述压力传感装置，包括压力传感器G01)、信号转换器以及压力输出显示器004)， 其目的是对每个柔性支撑结构模型对轻质镜产生的作用力进行监控；信号转换器包括信号放大电路G02)以及A/D转换电路003)，输出为每个柔性支撑盘对工件的弹性作用力。
2.根据权利要求1所述的一种大口径轻质反射镜柔性限位支撑装置，其特征在于浮动定位柱(107)、浮动支撑盘(108)的连接方式为球头万向节连接。
3.根据权利要求1所述的一种大口径轻质反射镜柔性限位支撑装置，其特征在于杠杆(104)两端表面为半球凹面，与三角架(106)的连接方式为球头万向节连接。
4.根据权利要求1所述的一种大口径轻质反射镜柔性限位支撑装置，其特征在于组合式弹簧模型包括安装架006)、组合弹簧007)，安装架(206)与升降柱(304)固定配合， 柔性支撑结构具有抑制振动，抵抗热载荷干扰的功能。
5.根据权利要求1所述的一种大口径轻质反射镜柔性限位支撑装置，其特征在于 Whiffletree模型支撑的升降模型采用蜗轮蜗杆传动机构，柔性支撑盘及限位支撑盘的升降模型采用伞齿轮传动机构；蜗轮蜗杆传动机构可应用于大重量负载，并带有自锁功能； 而伞齿轮传动机构传动比高，定位精度好。
6.根据权利要求5所述的一种大口径轻质反射镜柔性限位支撑装置，其特征在于 蜗轮蜗杆传动机构的主动齿轮为蜗杆(301)、从动齿轮为蜗轮(302)、调节齿轮为中心柱 (102)；伞齿轮传动机构主动齿轮为伞齿轮(305)、从动齿轮为伞齿轮(306)、调节齿轮为升降柱(304)；其中从动蜗轮(302)、从动伞齿轮(306)为变向齿轮，从动蜗轮(30 左端为蜗轮、右端为直齿轮；从动伞齿轮(306)外端为伞齿轮、内环为螺纹孔。
7.根据权利要求5所述的一种大口径轻质反射镜柔性限位支撑装置，其特征在于蜗轮蜗杆传动机构通过轴承(303)固定于底座(101)内部，杠杆平衡模型安装于基座上方，浮动支撑模型的升降方式为通过旋转蜗杆(301)，带动蜗轮(302)，并由蜗轮(30 右端直齿轮与中心柱(102)直齿配合实现底座(101)升降。
8.根据权利要求5所述的一种大口径轻质反射镜柔性限位支撑装置，其特征在于伞齿轮传动机构通过轴承固定于基座O02)内部，升降柱(304)穿过限位支撑孔Q05)与从动伞齿轮(306)配合，柔性及限位支撑的升降方式位通过旋转主动伞齿轮(305)，带动伞齿轮(306)，并由伞齿轮(306)的内螺纹实现升降柱(304)的升降。
9.根据权利要求1所述的一种大口径轻质反射镜柔性限位支撑装置，其特征在于压力传感器G01)为贴片式压力传感器，该贴片式压力传感器分辨力为0. ImV的电压输出模拟信号。
10.根据权利要求1所述的一种大口径轻质反射镜柔性限位支撑装置的安装方法，其特征在于所述安装方法步骤如下第一步基于薄板变形理论及Vukobratovich “网格效应”公式，大致推算出大口径轻质镜的支撑点以及支撑点环带位置；第二步采用有限元分析软件，分析在重力以及磨盘压力作用下，优化分析大口径轻质反射镜面低精度变形的柔性、限位支撑盘口径、位置以及支撑面所受的支反力；第三步将压力传感器G01)置于柔性支撑盘(203)上，并将传感器电压输出信号通过信号放大电路G02)以及A/D转换电路(40 将测量压力输出到压力输出显示器(404) 中；第四步将与工件同等质量的金属平板置于柔性限位支撑结构模型上，对针对第一步计算的作用力对主动伞齿轮(30 进行调节，大致对每个柔性限位支撑盘的位置进行定位，并撤消平板；第五步调节手轮蜗杆(301)，提升Whiffletree支撑平台，将工件置于安装平台的 Whiffletree浮动支撑模型上，对工件进行定位；缓慢降低Whiffletree支撑平台，实现工件底面支撑由Whiffletree浮动支撑过度到柔性限位支撑；第六步通过旋转主动伞齿轮(305)，调节每个柔性限位支撑盘003)，并通过压力传感装置反馈得到的压力传感器数字对每个柔性限位支撑盘进行精确定位。
全文摘要
本发明公开了一种大口径轻质反射镜柔性限位支撑装置及安装方法，该装置主要包括浮动支撑结构、柔性支撑结构、齿轮传动机构以及压力传感装置。具体支撑方法主要为以下步骤基于薄形圆板变形理论，优化分析大口径轻质反射镜面在重力以及磨盘压力作用条件下的柔性限位支撑盘位置、口径以及支撑面所受的支反力；将工件放置于Whiffletree结构模型过度支撑盘上，对工件进行定位；旋转蜗轮蜗杆传动机构，提升柔性支撑盘；基于有限元计算的支反力，利用压力传感装置实时对每个支撑盘的位置进行定位。本发明误差修正效果好，抑制外界热梯度变化的影响，可满足大口径轻质反射镜的能动磨盘加工、检测以及应用过程。
文档编号B24B13/01GK102416590SQ20111033383
公开日2012年4月18日 申请日期2011年10月28日 优先权日2011年10月28日
发明者万勇建, 周家斌, 曾志革, 范斌, 钟显云 申请人:中国科学院光电技术研究所