專利名稱：一種大口徑輕質反射鏡柔性限位支撐裝置及安裝方法
技術領域：
本發(fā)明涉及輕質反射鏡支撐裝置的技術領域，特別涉及一種大口徑輕質反射鏡柔性限位支撐裝置及方法，該支撐裝置及方法可應用于大口徑磨盤的能動拋光過程以及檢測過程，在實施應用階段，該支撐裝置及方法可以降低外界力載荷，慣性載荷及熱載荷的負作用，從而保證光學系統(tǒng)的成像質量。
背景技術：
隨著現(xiàn)代光學系統(tǒng)性能要求的不斷提高，光學零件的質量要求也在不斷提高。為提高光學系統(tǒng)的成像質量并降低成本，現(xiàn)代光學零件正朝著非球面、大相對口徑、高輕量化的趨勢發(fā)展。但由于使用過程中，輕質鏡容易受外界作用力，如空間微重力、慣性載荷、振動、裝配誤差應力、氣流、溫度載荷等的變化而影響光學系統(tǒng)的成像質量，因此，需要采用一種柔性支撐的隔離裝置隔離支撐系統(tǒng)中機械和熱作用對光學系統(tǒng)的影響，保證反射鏡及其支撐結構具有良好的動態(tài)結構性能及熱穩(wěn)定性。大口徑輕質反射鏡的加工方法主要有CCOS小磨頭技術，磁流變(MRF)技術，離子束(IBF)技術，以及應力盤拋光CCAL技術等。然而，CCOS拋光技術容易造成工件表面的中高頻誤差，影響光學系統(tǒng)成像質量，而且，在大口徑光學元件加工過程中難以保證去除函數(shù)的一致性；而MRF及IBF成本昂貴，去除量低，一般應用于加工工序的納米精度提升階段。 CCAL拋光技術基于彈性薄板理論，采用工件口徑1/6-1/3尺寸的鋁盤在外加變力矩的作用下，薄板產(chǎn)生高次曲面變形匹配非球面主鏡表面，完成主鏡高精度拋光，具有去除效率高， 抑制中高頻等優(yōu)勢。目前，大口徑輕質反射鏡的支撐模型主要為Whiffletree浮動支撐結構模型與GriAb搖板式支撐結構模型。WhifTletree支撐模型能通過調節(jié)支撐盤浮動來平衡工件界面的外在載荷，使反射鏡面受力更加均勻，特別是大口徑磨盤能動磨盤拋光過程。 Whiff Ietree支撐模型是在基層支撐面上選定支撐點，通過杠桿平衡原理將支撐點擴展為雙倍支撐面，并在每個支撐面上設定動態(tài)的支撐盤。該支撐模型選定的支撐點相對獨立， 而支撐點上擴展的每組支撐面構成動態(tài)平衡。GriAb支撐模型是在每一個靜定的支撐點上通過一個剛性的浮動支架，把支撐點擴展為多點支撐再作用于主鏡面，作用于鏡面的多點支撐服從靜力平衡規(guī)則。Whiffletree及GriAb支撐模型在工件支撐面上的定位精度通過支撐板的三點水平度來保證，因此工件在應用過程中支撐面受力容易達到平衡。然而， WhiffIetree及GriAb支撐模型最終的支撐力都體現(xiàn)在剛性支撐桿上，對外界溫度變化引起的熱-結構變形、振動載荷、氣流變化引其的局部變形無法消除。參考文獻"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”公開了基于薄板變形理論及 Vukobratovich “網(wǎng)格效應”公式，本領域技術人員容易根據(jù)上述理論及相關公式大致推算出大口徑輕質鏡的支撐點以及支撐點環(huán)帶位置。
柔性限位支撐將柔性支撐方式與剛性支撐方式相結合。柔性支撐裝置為組合的柔性彈簧，其目的是平衡拋光磨頭的壓力，消除振動誤差以及抑制外界負載荷引起的鏡面變形；剛性支撐旨于在拋光以及應用階段對大口徑輕質鏡進行限位以及保護。在能動磨盤拋光過程中，由于能動磨盤重量大，當磨盤處于工件邊沿位置時(磨盤露出工件邊沿尺寸小于磨盤尺寸的1/3)，會導致工件產(chǎn)生微米級的傾斜，而此時可以同時采用三點剛性支撐同時作用于工件支撐面，以此消除工件拋光過程的微量傾斜，三點限位支撐將大口徑輕質鏡邊沿拋光時由初始的傾斜量由3. 4微米降低為0. 96微米，該精度遠低于拋光機床Z軸的定位精度，而且，該支撐方式下的鏡面變形具有可恢復性。經(jīng)過仿真分析，采用柔性限位支撐模型，柔性支撐裝置可支撐工件及磨盤80%的重力，支撐面等效應力變化較低，最大主應力滿足工件的極限應力要求，極大提高了工件抵制外界振動，大氣湍流變化、溫度熱載荷變形的能力。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為設計一種可應用于大口徑磨盤加工、實施應用的柔性限位支撐裝置，該支撐裝置具有提高大口徑輕質鏡邊沿拋光時鏡面受力平衡、消除了支撐面局部主應力過大以及在實施應用過程中提高光學系統(tǒng)抵制外界負載影響從而提高光學成像質量等優(yōu)勢。從而提供了一種結構簡單緊湊、成本低廉、控制簡單、集成度高、操作方便，能夠實現(xiàn)大口徑、高輕量化反射鏡的高精度拋光及光學系統(tǒng)安裝應用的柔性限位裝置。本發(fā)明的目的是由下述技術方案實現(xiàn)的一種大口徑輕質反射鏡柔性限位支撐裝置，該裝置包括浮動支撐結構、柔性支撐結構、齒輪傳動機構以及壓力傳感裝置；其中所述浮動支撐結構，其采用WhifTletree模型，該模型為一種過渡的支撐結構模型，其目的是對工件進行初始定位；所述浮動支撐結構包括底座、中心柱、杠桿支撐架、杠桿、圓球、三角架、浮動定位柱、浮動支撐盤、圓柱銷；其中杠桿支撐架、杠桿、圓球、三角架構成浮動杠桿平衡模型；所述柔性支撐結構，包括支撐柱，基座，柔性支撐盤，側支撐架，限位支撐孔、柔性支撐柱以及組合式彈簧模型；基座固定于三根支撐柱上；所述壓力傳感裝置，包括壓力傳感器、信號轉換器以及壓力輸出顯示器，其目的是對每個柔性支撐結構模型對輕質鏡產(chǎn)生的作用力進行監(jiān)控；信號轉換器包括信號放大電路以及A/D轉換電路，輸出為每個柔性支撐盤對工件的彈性作用力。進一步的，浮動定位柱、浮動支撐盤的連接方式為球頭萬向節(jié)連接。進一步的，杠桿兩端表面為半球凹面，與三角架的連接方式為球頭萬向節(jié)連接。進一步的，組合式彈簧模型包括安裝架、組合彈簧，安裝架與升降柱固定配合，柔性支撐結構具有抑制振動，抵抗熱載荷干擾的功能。進一步的，WhifTletree模型支撐的升降模型采用蝸輪蝸桿傳動機構，柔性支撐盤及限位支撐盤的升降模型采用傘齒輪傳動機構；蝸輪蝸桿傳動機構可應用于大重量負載， 并帶有自鎖功能；而傘齒輪傳動機構傳動比高，定位精度好。進一步的，蝸輪蝸桿傳動機構的主動齒輪為蝸桿、從動齒輪為蝸輪、調節(jié)齒輪為中心柱；傘齒輪傳動機構主動齒輪為傘齒輪、從動齒輪為傘齒輪、調節(jié)齒輪為升降柱；其中從動蝸輪、從動傘齒輪為變向齒輪，從動蝸輪左端為蝸輪、右端為直齒輪；從動傘齒輪外端為傘齒輪、內環(huán)為螺紋孔。進一步的，蝸輪蝸桿傳動機構通過軸承固定于底座內部，杠桿平衡模型安裝于基座上方，浮動支撐模型的升降方式為通過旋轉蝸桿，帶動蝸輪，并由蝸輪右端直齒輪與中心柱直齒配合實現(xiàn)底座升降。進一步的，傘齒輪傳動機構通過軸承固定于基座內部，升降柱穿過限位支撐孔與從動傘齒輪配合，柔性及限位支撐的升降方式位通過旋轉主動傘齒輪，帶動傘齒輪，并由傘齒輪的內螺紋實現(xiàn)升降柱的升降。進一步的，壓力傳感器為貼片式壓力傳感器，該貼片式壓力傳感器分辨力為0. ImV 的電壓輸出模擬信號。根據(jù)上述的一種大口徑輕質反射鏡柔性限位支撐裝置的安裝方法，所述安裝方法步驟如下第一步基于薄板變形理論及Vukobratovich “網(wǎng)格效應”公式，大致推算出大口徑輕質鏡的支撐點以及支撐點環(huán)帶位置；第二步采用有限元分析軟件，分析在重力以及磨盤壓力作用下，優(yōu)化分析大口徑輕質反射鏡面低精度變形的柔性、限位支撐盤口徑、位置以及支撐面所受的支反力；第三步將壓力傳感器置于柔性支撐盤上，并將傳感器電壓輸出信號通過信號放大電路以及A/D轉換電路將測量壓力輸出到壓力輸出顯示器中；第四步將與工件同等質量的金屬平板置于柔性限位支撐結構模型上，對針對第一步計算的作用力對主動傘齒輪進行調節(jié)，大致對每個柔性限位支撐盤的位置進行定位， 并撤消平板；第五步調節(jié)手輪蝸桿，提升Whiffletree支撐平臺，將工件置于安裝平臺的 Whiffletree浮動支撐模型上，對工件進行定位；緩慢降低Whiffletree支撐平臺，實現(xiàn)工件底面支撐由Whiffletree浮動支撐過度到柔性限位支撐；第六步通過旋轉主動傘齒輪，調節(jié)每個柔性限位支撐盤，并通過壓力傳感裝置反饋得到的壓力傳感器數(shù)字對每個柔性限位支撐盤進行精確定位。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點為1、本發(fā)明的大口徑輕質反射鏡柔性限位支撐裝置對光學系統(tǒng)的支撐能力主要體現(xiàn)在柔性支撐結構上，提高了支撐結構的抗振動能力以及抵制外界負載荷變形能力；2、相對于浮動支撐及擺動支撐，柔性限位支撐降低大大降低了工件的最大主應力，消除了應用過程應力集中的情況；3、柔性限位支撐在能動磨盤拋光過程中，磨盤重力載荷完全作用在柔性支撐模型上，磨盤拋光面與鏡面完全貼合，拋光區(qū)域受力更加均勻；4、浮動支撐模型或擺動支撐模型對工件的支撐力隨拋光盤位置到鏡子中心距離而變化，而柔性支撐模型各個支撐盤對工件的支撐力幾乎一致，支撐面受力均勻。


圖1為柔性限位支撐結構模型示意圖；圖2為浮動支撐結構模型示意圖3為杠桿平衡裝置模型示意圖；圖4為組合式彈簧模型示意圖；圖5為蝸輪蝸桿傳動模型示意圖；圖6為傘齒輪傳動裝置示意7為壓力傳感顯示裝置示意圖；圖8為口徑Φ 1. 8m輕質鏡柔性限位支撐位置示意圖；圖9為限位支撐盤位置優(yōu)化分析圖；圖10為限位支撐盤口徑優(yōu)化分析；圖11為基于柔性限位支撐條件下能動磨盤邊緣拋光時的鏡面變形；圖12為浮動結構模型、柔性支撐模型、柔性限位支撐模型下支撐盤受力分布。圖中標號:101、底座；102、中心柱；103、杠桿支撐架；104、杠桿；105、圓球；106、 三角架；107、浮動定位柱；108、浮動支撐盤；109、圓柱銷；201、支撐柱；202、基座；203、柔性支撐盤；204、側支撐架；205、限位支撐孔；206、安裝架；207、組合彈簧；208、柔性支撐；
301、蝸桿；302、從動蝸輪；303、軸承；304、升降柱；305、主動傘齒輪；306、從動傘齒輪； 401、壓力傳感器；402、信號放大電路；403、A/D轉換電路；404、壓力輸出顯示器；
具體實施例方式以下結合附圖以及具體實施方式
對本發(fā)明做進一步的解釋如圖1、2、3所示，本發(fā)明裝置的浮動支撐結構采用Whiffletree模型，為一種過渡的支撐結構模型，其目的是對工件進行初始定位。浮動支撐結構主要包括底座101、中心柱 102、杠桿支撐架103、杠桿104、圓球105、三角架106、浮動定位柱107、浮動支撐盤108、圓柱銷109。其中杠桿支撐架103、杠桿104、圓球105、三角架106構成浮動杠桿平衡模型；如圖3所示，杠桿104兩端表面為半球凹面，與三角架106的連接方式為球頭萬向節(jié)連接；如圖1、4所示，柔性支撐結構主要包括支撐柱201，基座202，柔性支撐盤203，側支撐架204，限位支撐孔205、柔性支撐柱208、安裝架206以及組合彈簧207 ；基座202固定于三根支撐柱201上；安裝架206與升降柱304固定配合；如圖1、2、5、6所示，蝸輪蝸桿傳動機構的主動齒輪為蝸桿301、從動齒輪為蝸輪
302、調節(jié)齒輪為中心柱102；傘齒輪傳動機構主動齒輪為傘齒輪305、從動齒輪為傘齒輪 306、調節(jié)齒輪為升降柱304 ；其中蝸輪302、從動傘齒輪306為變向齒輪，蝸輪302左端為蝸輪、右端為直齒輪；從動傘齒輪306外端為傘齒輪、內環(huán)為螺紋孔。蝸輪蝸桿傳動機構通過軸承303固定于底座101內部，杠桿平衡模型安裝于基座上方，浮動支撐模型的升降方式為通過旋轉蝸桿301，帶動蝸輪302，并由齒輪302右端直齒輪與中心柱102直齒配合實現(xiàn)底座101升降。傘齒輪傳動機構通過軸承固定于基座202內部，升降柱304穿過限位支撐孔 205與傳動傘齒輪306配合，柔性及限位支撐的升降方式位通過旋轉主動傘齒輪305，帶動傘齒輪306，并由傘齒輪306的內螺紋實現(xiàn)升降柱304的升降；如圖7所示，壓力傳感裝置包括貼片式壓力傳感器401、信號放大電路402、A/D轉換電路403以及壓力輸出顯示器404，信號放大電路402和A/D轉換電路403組成信號轉換器，其目的是對每個柔性支撐結構模型對輕質鏡產(chǎn)生的作用力進行監(jiān)控，并根據(jù)測量數(shù)據(jù)
7對主動傘齒輪305進行定位；本實施例子結合一塊口徑1.8m的高輕量化雙曲面輕質鏡進行模擬仿真，輕質鏡材料為熔石英，工件重量為408. 68Kg，輕量化為(80. 3% )，采用能動磨盤拋光技術，磨盤重量為20kg。圖8為基于薄板理論模型，優(yōu)化后得到的18個柔性支撐盤以及3點限位支撐盤位置及口徑的分布圖。通過有限元仿真分析，采用Whiffletree模型中，內、外環(huán)每個支撐盤的作用力隨圓環(huán)半徑變化，外環(huán)每個支撐面的支反力為225. 217N,內環(huán)每個支撐面的支反力為217. 743N ；而柔性支撐結構模型中，18個支撐盤的對工件的作用力為222. 73N,因此，柔性支撐具有消除支撐面應力集中的優(yōu)勢；圖9為基于柔性支撐模型，對三點剛性限位支撐盤的位置進行優(yōu)化分析；圖10為基于柔性支撐模型，對三點剛性限位支撐盤的口徑進行優(yōu)化分析；圖11為磨盤處于工件邊沿處拋光時，基于柔性限位支撐模型分析得到的鏡面變形，PV (峰谷值)964. 4nm、RMS (均方根值)215. Onm ；圖12對采用Whiffletree浮動支撐、柔性支撐以及柔性限位支撐三種模型對口徑1. 8m的高輕量化雙曲面輕質鏡支撐時的受力進行對比分析。Whiffletree模型外環(huán)位置支撐受力(A7-A18)比內環(huán)位置支撐受力(A1-A6)大，而且支撐盤受力受磨盤拋光位置的影響；柔性支撐模型18點受力分布均勻，而且支撐盤對工件作用力基本不受磨盤位置的影響，但磨盤邊沿拋光時，支撐面會產(chǎn)生微米量級傾斜；柔性限位支撐結合了前兩者的優(yōu)點， A1-A18為柔性支撐特征，受力分布均勻，而且支撐盤對工件作用力基本不受磨盤位置的影響，A19-A21為限位支撐，對工件進行限位保護以及降低工件拋光過程的傾斜。本發(fā)明未詳細闡述的部分屬于本領域公知技術。
權利要求
1.一種大口徑輕質反射鏡柔性限位支撐裝置，其特征在于該裝置包括浮動支撐結構、柔性支撐結構、齒輪傳動機構以及壓力傳感裝置；其中所述浮動支撐結構，其采用WhifTletree模型，該模型為一種過渡的支撐結構模型，其目的是對工件進行初始定位；所述浮動支撐結構包括底座(101)、中心柱(102)、杠桿支撐架(103)、杠桿(104)、圓球(105)、三角架(106)、浮動定位柱(107)、浮動支撐盤(108)、圓柱銷(109)；其中杠桿支撐架(103)、杠桿(104)、圓球(105)、三角架(106)構成浮動杠桿平衡模型；所述柔性支撐結構，包括支撐柱001)，基座002)，柔性支撐盤003)，側支撐架 004)，限位支撐孔005)、柔性支撐柱Q08)以及組合式彈簧模型；基座O02)固定于三根支撐柱O01)上；所述壓力傳感裝置，包括壓力傳感器G01)、信號轉換器以及壓力輸出顯示器004)， 其目的是對每個柔性支撐結構模型對輕質鏡產(chǎn)生的作用力進行監(jiān)控；信號轉換器包括信號放大電路G02)以及A/D轉換電路003)，輸出為每個柔性支撐盤對工件的彈性作用力。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種大口徑輕質反射鏡柔性限位支撐裝置，其特征在于浮動定位柱(107)、浮動支撐盤(108)的連接方式為球頭萬向節(jié)連接。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種大口徑輕質反射鏡柔性限位支撐裝置，其特征在于杠桿(104)兩端表面為半球凹面，與三角架(106)的連接方式為球頭萬向節(jié)連接。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種大口徑輕質反射鏡柔性限位支撐裝置，其特征在于組合式彈簧模型包括安裝架006)、組合彈簧007)，安裝架(206)與升降柱(304)固定配合， 柔性支撐結構具有抑制振動，抵抗熱載荷干擾的功能。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種大口徑輕質反射鏡柔性限位支撐裝置，其特征在于 Whiffletree模型支撐的升降模型采用蝸輪蝸桿傳動機構，柔性支撐盤及限位支撐盤的升降模型采用傘齒輪傳動機構；蝸輪蝸桿傳動機構可應用于大重量負載，并帶有自鎖功能； 而傘齒輪傳動機構傳動比高，定位精度好。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種大口徑輕質反射鏡柔性限位支撐裝置，其特征在于 蝸輪蝸桿傳動機構的主動齒輪為蝸桿(301)、從動齒輪為蝸輪(302)、調節(jié)齒輪為中心柱 (102)；傘齒輪傳動機構主動齒輪為傘齒輪(305)、從動齒輪為傘齒輪(306)、調節(jié)齒輪為升降柱(304)；其中從動蝸輪(302)、從動傘齒輪(306)為變向齒輪，從動蝸輪(30 左端為蝸輪、右端為直齒輪；從動傘齒輪(306)外端為傘齒輪、內環(huán)為螺紋孔。
7.根據(jù)權利要求5所述的一種大口徑輕質反射鏡柔性限位支撐裝置，其特征在于蝸輪蝸桿傳動機構通過軸承(303)固定于底座(101)內部，杠桿平衡模型安裝于基座上方，浮動支撐模型的升降方式為通過旋轉蝸桿(301)，帶動蝸輪(302)，并由蝸輪(30 右端直齒輪與中心柱(102)直齒配合實現(xiàn)底座(101)升降。
8.根據(jù)權利要求5所述的一種大口徑輕質反射鏡柔性限位支撐裝置，其特征在于傘齒輪傳動機構通過軸承固定于基座O02)內部，升降柱(304)穿過限位支撐孔Q05)與從動傘齒輪(306)配合，柔性及限位支撐的升降方式位通過旋轉主動傘齒輪(305)，帶動傘齒輪(306)，并由傘齒輪(306)的內螺紋實現(xiàn)升降柱(304)的升降。
9.根據(jù)權利要求1所述的一種大口徑輕質反射鏡柔性限位支撐裝置，其特征在于壓力傳感器G01)為貼片式壓力傳感器，該貼片式壓力傳感器分辨力為0. ImV的電壓輸出模擬信號。
10.根據(jù)權利要求1所述的一種大口徑輕質反射鏡柔性限位支撐裝置的安裝方法，其特征在于所述安裝方法步驟如下第一步基于薄板變形理論及Vukobratovich “網(wǎng)格效應”公式，大致推算出大口徑輕質鏡的支撐點以及支撐點環(huán)帶位置；第二步采用有限元分析軟件，分析在重力以及磨盤壓力作用下，優(yōu)化分析大口徑輕質反射鏡面低精度變形的柔性、限位支撐盤口徑、位置以及支撐面所受的支反力；第三步將壓力傳感器G01)置于柔性支撐盤(203)上，并將傳感器電壓輸出信號通過信號放大電路G02)以及A/D轉換電路(40 將測量壓力輸出到壓力輸出顯示器(404) 中；第四步將與工件同等質量的金屬平板置于柔性限位支撐結構模型上，對針對第一步計算的作用力對主動傘齒輪(30 進行調節(jié)，大致對每個柔性限位支撐盤的位置進行定位，并撤消平板；第五步調節(jié)手輪蝸桿(301)，提升Whiffletree支撐平臺，將工件置于安裝平臺的 Whiffletree浮動支撐模型上，對工件進行定位；緩慢降低Whiffletree支撐平臺，實現(xiàn)工件底面支撐由Whiffletree浮動支撐過度到柔性限位支撐；第六步通過旋轉主動傘齒輪(305)，調節(jié)每個柔性限位支撐盤003)，并通過壓力傳感裝置反饋得到的壓力傳感器數(shù)字對每個柔性限位支撐盤進行精確定位。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大口徑輕質反射鏡柔性限位支撐裝置及安裝方法，該裝置主要包括浮動支撐結構、柔性支撐結構、齒輪傳動機構以及壓力傳感裝置。具體支撐方法主要為以下步驟基于薄形圓板變形理論，優(yōu)化分析大口徑輕質反射鏡面在重力以及磨盤壓力作用條件下的柔性限位支撐盤位置、口徑以及支撐面所受的支反力；將工件放置于Whiffletree結構模型過度支撐盤上，對工件進行定位；旋轉蝸輪蝸桿傳動機構，提升柔性支撐盤；基于有限元計算的支反力，利用壓力傳感裝置實時對每個支撐盤的位置進行定位。本發(fā)明誤差修正效果好，抑制外界熱梯度變化的影響，可滿足大口徑輕質反射鏡的能動磨盤加工、檢測以及應用過程。
文檔編號B24B13/01GK102416590SQ20111033383
公開日2012年4月18日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權日2011年10月28日
發(fā)明者萬勇建, 周家斌, 曾志革, 范斌, 鐘顯云 申請人:中國科學院光電技術研究所