大口徑楔鏡支撐結構分析

朱忠堯 白素平等

摘 要：本文針對大口徑光楔鏡的支撐需求，設計用鋼帶式機械支撐結構，通過UGNX對所設計的機械結構進行三維建模、三維裝配，并使用ANSYS對所設計機械結構進行有限元分析，結果表明機械結構滿足支撐的可調（俯仰、微調）、性能穩定、鏡面面型變形小等要求。

關鍵詞：大口徑楔鏡 鋼帶支撐 有限元分析

中圖分類號：TH751 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（b）-0104-02

隨著現代光學工程技術的進步，尤其是空間光學系統向口徑更大、重量更輕方向發展的需要，進一步推進了大口徑光學鏡技術的發展。光學上把口徑大于或等于500 mm的光學鏡定義為大口徑光學鏡。大口徑光學鏡在天文儀器及其它用途的光學探測器中的地位無疑是十分重要的，它的面形精度直接決定了儀器的精度。光學元件的面型精度除受到加工因素的影響外，其裝夾方法對面型影響也較大。本文設計了應用吊帶裝夾大口徑光學元件的鏡框，并提供了設計的理論依據。

1 鋼帶支撐方式鏡架結構設計

1.1 總體設計結構

被支撐的透鏡為光楔鏡，要求支撐后可俯仰±5°，調節的精度制在1″以內，需要保證透鏡的面差，根據透鏡的功能和參數要求，本文設計了一種鋼帶支撐方式的鏡架結構。總體結構如圖1所示。

1.2 鏡框組件結構設計

鏡框組件包括深溝球軸承、3個點限位結構、鏡框、前后兩個俯仰調節結構和鏡座。鏡框和俯仰調節結構相結合實現楔鏡的俯仰調節，3點限位結構是保證楔鏡俯仰時位置可靠。

1.3 俯仰調節結構

俯仰結構主要由調節螺釘和支座組成，支座固定在鏡座上；調節螺釘采用的是螺距P=1.25 mm的細牙螺紋螺釘。螺釘前部加工成圓頭，可防止調節過程中與鏡框之間的干涉沖突。

當螺距p=0.5時，旋轉中線距離螺釘中心線的距離為315 mm（見附錄工程圖），楔鏡旋轉1″時，旋轉螺釘需伸縮的距離為：；即螺釘需要旋轉：，所得結果滿足本設計最小微動量為1"的技術指標，通過在螺釘前部的半球體的圓周表面刻畫出刻度即可確定旋轉角度的大小，滿足精度要求。

1.4 支撐組件結構設計

支撐組件直接影響著透鏡的安裝精度和面差，本設計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，對面差影響較小。

鋼帶支撐結構同時具有上下、左右位置調節功能，一方面可調整透鏡的位置，另一方面可調節透鏡與鋼帶的接觸角。

2 鏡架結構工作性能分析

2.1 鏡框有限元分析

對于本文設計的鏡框組件，關鍵是要能夠模擬鏡框結構的實際力學特性。本文在不影響主要因素的前提下，合并了只為滿足節后或使用上的要求而設置的次要構件，將所有倒角和過度圓角簡化成直角，把螺栓聯結近似成剛性聯結；對鏡框把手的質量合并到鏡框，得到簡化的分析模型。

（1）有限元模型：采用ANSYS對透鏡實體模型進行網格劃分，得到透鏡的有限元模型，劃分網格時分析結果比較重要的部分盡量細化網格，以得到比較準確的結果，有限元模型。

（2）邊界條件：根據鏡框的實際受力情況，其左右兩端圓柱的下弧面固定，上端兩個二維調節結構的裝配位置施加壓力，如圖4-4所示，m為反射鏡的質量，參數為（材料：K9玻璃；口徑：Ф600 mm；厚度：65 mm）。

為了充分證明鏡框結構的安全性、可靠性，在計算壓力時反射鏡的質量m按60 kg計算得：

（3）查看結果：得到鏡框的最大應力Fj為3.406 MPa，應力云圖如圖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度。

3 結論

該機械結構適合用于口徑為50～600 mm的光學透鏡的支撐，可以實現微量調整光心位置，機械結構相對簡單，性能可靠且實用，提高了大口徑支撐結構的技術水平。

參考文獻

[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.光機系統設計[M].3版.周海憲，程云芳，譯：機械工業出版社，2008：449-468.

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