朱忠尧 白素平等

摘 要：本文针对大口径光楔镜的支撑需求，设计用钢带式机械支撑结构，通过UGNX对所设计的机械结构进行三维建模、三维装配，并使用ANSYS对所设计机械结构进行有限元分析，结果表明机械结构满足支撑的可调（俯仰、微调）、性能稳定、镜面面型变形小等要求。

关键词：大口径楔镜 钢带支撑 有限元分析

中图分类号：TH751 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（b）-0104-02

随着现代光学工程技术的进步，尤其是空间光学系统向口径更大、重量更轻方向发展的需要，进一步推进了大口径光学镜技术的发展。光学上把口径大于或等于500 mm的光学镜定义为大口径光学镜。大口径光学镜在天文仪器及其它用途的光学探测器中的地位无疑是十分重要的，它的面形精度直接决定了仪器的精度。光学元件的面型精度除受到加工因素的影响外，其装夹方法对面型影响也较大。本文设计了应用吊带装夹大口径光学元件的镜框，并提供了设计的理论依据。

1 钢带支撑方式镜架结构设计

1.1 总体设计结构

被支撑的透镜为光楔镜，要求支撑后可俯仰±5°，调节的精度制在1″以内，需要保证透镜的面差，根据透镜的功能和参数要求，本文设计了一种钢带支撑方式的镜架结构。总体结构如图1所示。

1.2 镜框组件结构设计

镜框组件包括深沟球轴承、3个点限位结构、镜框、前后两个俯仰调节结构和镜座。镜框和俯仰调节结构相结合实现楔镜的俯仰调节，3点限位结构是保证楔镜俯仰时位置可靠。

1.3 俯仰调节结构

俯仰结构主要由调节螺钉和支座组成，支座固定在镜座上；调节螺钉采用的是螺距P=1.25 mm的细牙螺纹螺钉。螺钉前部加工成圆头，可防止调节过程中与镜框之间的干涉冲突。

当螺距p=0.5时，旋转中线距离螺钉中心线的距离为315 mm（见附录工程图），楔镜旋转1″时，旋转螺钉需伸缩的距离为：；即螺钉需要旋转：，所得结果满足本设计最小微动量为1"的技术指标，通过在螺钉前部的半球体的圆周表面刻画出刻度即可确定旋转角度的大小，满足精度要求。

1.4 支撑组件结构设计

支撑组件直接影响着透镜的安装精度和面差，本设计中采用的是钢带式支撑，这种支撑方式使反射镜接触面积大，受力比较均匀，对面差影响较小。

钢带支撑结构同时具有上下、左右位置调节功能，一方面可调整透镜的位置，另一方面可调节透镜与钢带的接触角。

2 镜架结构工作性能分析

2.1 镜框有限元分析

对于本文设计的镜框组件，关键是要能够模拟镜框结构的实际力学特性。本文在不影响主要因素的前提下，合并了只为满足节后或使用上的要求而设置的次要构件，将所有倒角和过度圆角简化成直角，把螺栓联结近似成刚性联结；对镜框把手的质量合并到镜框，得到简化的分析模型。

（1）有限元模型：采用ANSYS对透镜实体模型进行网格划分，得到透镜的有限元模型，划分网格时分析结果比较重要的部分尽量细化网格，以得到比较准确的结果，有限元模型。

（2）边界条件：根据镜框的实际受力情况，其左右两端圆柱的下弧面固定，上端两个二维调节结构的装配位置施加压力，如图4-4所示，m为反射镜的质量，参数为（材料：K9玻璃；口径：Ф600 mm；厚度：65 mm）。

为了充分证明镜框结构的安全性、可靠性，在计算压力时反射镜的质量m按60 kg计算得：

（3）查看结果：得到镜框的最大应力Fj为3.406 MPa，应力云图如图2所示，最大变形位移Sj为0.006483 mm，位移变形云图如图3所示。完全满足材料的抗拉强度。

3 结论

该机械结构适合用于口径为50～600 mm的光学透镜的支撑，可以实现微量调整光心位置，机械结构相对简单，性能可靠且实用，提高了大口径支撑结构的技术水平。

参考文献

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