望遠(yuǎn)鏡鏡筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文

1、1 望遠(yuǎn)鏡鏡筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 鏡筒的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鏡筒是一架望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵零件， 其功能是裝載光學(xué)零件， 并保證赤緯軸轉(zhuǎn)動時(shí)光軸的穩(wěn)定程度。望遠(yuǎn)鏡鏡筒的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的是支撐和固定主鏡、非球面改正板、 焦面機(jī)構(gòu)等裝置，要求其在不同姿態(tài)時(shí)能 夠保證主、非球面改正板的面形改變最小，遮擋最少，鏡筒的結(jié)構(gòu)盡 量的輕量化，具有較強(qiáng)的剛度，并在各個(gè)姿態(tài)的剛度保證一致。在南極極低溫條件下， 為了防止主鏡內(nèi)部結(jié)霜， 需要對鏡筒進(jìn)行密封處理。由于該望遠(yuǎn)鏡在國內(nèi)裝調(diào)，溫度在-1040C之間，而使用的南極冰穹處最低溫度為-80C,最高和最低溫度有110C的溫差, 為防止裝調(diào)和使用時(shí)鏡筒尺寸變化過大導(dǎo)致光學(xué)部件的

2、位置相差過 大，采用了極低熱膨脹系數(shù)的殷鋼的桁架桿連接主鏡和副鏡， 并且有套低溫補(bǔ)償機(jī)構(gòu)防止主副鏡的位置由于溫度的變化而發(fā)生變化， 當(dāng)溫度發(fā)生變化而導(dǎo)致材料收縮時(shí)， 通過彈性元件的變形可以彌補(bǔ)材料的收縮量。12 主鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)南極巡天望遠(yuǎn)鏡主鏡的支撐通過膠接在主鏡背面的因鋼墊和主鏡相連， 要承擔(dān)主鏡沿光軸方向上的重力分量，主鏡支撐結(jié)構(gòu)。主鏡支撐應(yīng)具備以下功能 1 位置精確，提供準(zhǔn)確、恒定的支撐力； 2 自重輕、結(jié)構(gòu)牢靠、便于維護(hù)； 3能允許結(jié)構(gòu)本身的溫度膨脹和小的裝配誤差； 4軸向剛度好，兼具 軸向定位的作用，同時(shí)不能承擔(dān)側(cè)向力； 5 具有一定的抗震性能。大口徑的鏡面支撐一直是望遠(yuǎn)鏡機(jī)械設(shè)

3、計(jì)的主要任務(wù)之一。常情況下望遠(yuǎn)鏡的鏡面支撐主要包括軸向支撐和側(cè)向支撐兩種情況， 鏡面支撐又可以分為固定支撐和浮動支撐前者主要起定位作用而后者起卸荷作用。多年來已發(fā)展比較成熟的支撐方法有杠桿平衡重、蹺蹺板、氣墊或液墊、 水銀帶，等。為了運(yùn)輸?shù)陌踩煽浚h(yuǎn)鏡主鏡設(shè)計(jì)的徑厚比較大。在南極低溫的條件下，水銀帶已經(jīng)成為了固態(tài)的物體，因此無法用水銀帶的方法進(jìn)行側(cè)支撐。由于該主鏡的徑厚比較大， 單獨(dú)靠中孔的球頭定位支撐系統(tǒng)在鏡筒水平的極限情況下仍然可以使面形變化較少。南極巡天望遠(yuǎn)鏡采用了蹺蹺板的機(jī)械浮動支撐結(jié)構(gòu)， 該結(jié)構(gòu)由一系列浮動板或杠桿構(gòu)成。由于制造它們中的每一個(gè)可將一個(gè)支撐點(diǎn)轉(zhuǎn)化為 3 個(gè)支撐點(diǎn)。的

4、地點(diǎn)和南極的溫度相差過大，為了防止主鏡的支撐位置有所變化， 機(jī)械浮動支撐的 9 個(gè)點(diǎn)，以及定位主鏡中孔的軸都使用了溫度膨脹系 數(shù)極低的材料制造，保證在低溫狀態(tài)下主鏡結(jié)構(gòu)不發(fā)生大的變化。為了消除溫度對支撐的影響， 消除溫度變化下主鏡與支撐之間的相對 運(yùn)動，減小因支撐引起的主鏡面形的變化， 應(yīng)對傳統(tǒng)的主鏡支撐結(jié)構(gòu) 進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化和改造， 設(shè)計(jì)一種能夠提供在主鏡徑向方向上有自由度， 同時(shí)在溫度變化時(shí)對主鏡產(chǎn)生盡量小的附加力的主鏡底部支撐結(jié)構(gòu)。在材料的選擇上，與鏡面接觸的零件如中孔位置和子鏡背面的墊塊，為了防止由于溫度變化而產(chǎn)生熱應(yīng)力影響子鏡的面型， 采用了熱膨脹系數(shù)小的殷鋼材料。13主鏡室靜力學(xué)分析結(jié)

5、構(gòu)靜力學(xué)分析用于確定加載結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力、應(yīng)變及反力，在分析時(shí)，忽略慣性和阻 尼作用的影響，假設(shè)結(jié)構(gòu)加載及響應(yīng)時(shí)間隨時(shí)間變化緩慢。遠(yuǎn)鏡在垂直狀態(tài)下所受到的軸向壓力最大， 因此主鏡支撐系統(tǒng)受到的 壓力和變形量也最大， 對望遠(yuǎn)鏡主鏡部分垂直狀態(tài)下的靜力學(xué)進(jìn)行分析可以校驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡主鏡支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。主鏡系統(tǒng)應(yīng)力云圖，看出在垂直狀態(tài)下， 主鏡受到的機(jī)械浮動支撐結(jié)構(gòu)帶來的最大應(yīng)力為 0425，位置位于在內(nèi)圓附近的殷鋼墊支撐點(diǎn)上，該數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鏡面的許用應(yīng)力，因此該支撐機(jī)構(gòu)對主鏡是安全。主鏡面形變化圖。鏡面面形的值為 437，值為 72。該數(shù)值符合主鏡設(shè)計(jì)的機(jī)械要求。25 焦面改正鏡組機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)副鏡機(jī)

6、構(gòu)采用偏心的四翼薄葉片固定在副鏡圈上， 以減小擋光， 并有一定抗扭剛度和較高抗彎剛度。由于在南極地區(qū)有接近 110C的溫差，為了保證望遠(yuǎn)鏡能在不同的溫度下都能正常工作， 需要引入焦面移動機(jī)構(gòu)對副鏡的位置進(jìn)行調(diào)整， 使得能根據(jù)氣溫的變化進(jìn)行位置的動態(tài)調(diào)節(jié)，保證的像質(zhì)不隨溫度的變化而變化。調(diào)整機(jī)構(gòu)由直線導(dǎo)軌和直線驅(qū)動機(jī)構(gòu)兩部分組成， 導(dǎo)軌采用滾珠導(dǎo)軌以防止微動時(shí)的爬行出現(xiàn)，直線驅(qū)動結(jié)構(gòu)的靈敏度在 05卩左右，可保證調(diào)焦精度優(yōu)于001。2 鏡筒模態(tài)分析模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)

7、振型。在減振設(shè)計(jì)中， 對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析可以找出結(jié)構(gòu)的固有頻率以及最容易發(fā)生共振的位置， 并對該位置進(jìn)行特殊有效的防護(hù)， 以保證結(jié)構(gòu)的安全。對于鏡筒的結(jié)構(gòu)，主要采用的是板殼單元進(jìn)行模擬分析，將鏡筒與軸系的連接處設(shè)置為只允許繞鏡筒法向方向旋轉(zhuǎn)的約束方式，以模擬實(shí)際望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)， 其余部分采用固定連接的約束方式。對于軸向支撐的桿件，由于只受軸向力，因此采用桿單元進(jìn)行模擬， 對于如徑向傳力膜片和柔性支撐膜片等薄板結(jié)構(gòu)， 采用的是板殼單元單元進(jìn)行模擬。3 鏡筒測試分析測試采用振動信號分析儀及信號采集軟件以磁力座吸附在結(jié)構(gòu)上。測試采用滿足望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)裝調(diào)要求，并適應(yīng)在南極低溫環(huán)境下自動運(yùn)行。作者溫

8、海焜顧伯忠姜翔張如單位中國科學(xué)院力錘敲擊結(jié)構(gòu)某些點(diǎn)， 以加速度傳感器拾振， 信號經(jīng)過采集軟件計(jì)算后得到兩點(diǎn)敲擊點(diǎn)和拾振點(diǎn)的頻響函數(shù)。根據(jù)模態(tài)識別法編制程序，將得到的頻響函數(shù)數(shù)據(jù)輸入程序即可得到模態(tài)頻率、阻尼比、振型系數(shù)。測試前經(jīng)過噪音排除測試，即不敲擊時(shí)，看傳感器信號中的頻率成分，可以排除噪音的干擾。然后經(jīng)過多次試測，確定分析頻率 1000，塊大小為 8192，頻率分辨率約為 031。擊結(jié)果平均 4 次，力錘及傳感器的放大倍數(shù)均為 10 倍，力錘錘頭采用橡膠錘頭。4 總結(jié)針對南極的特殊情況設(shè)計(jì)了一套適合于南極地區(qū)的中型天文望遠(yuǎn)鏡鏡筒， 并對該鏡筒進(jìn)行了等彎沉分析、 主鏡 面形變化分析以及模態(tài)測試分析， 經(jīng)過模擬分析和測試， 該鏡筒能夠單元進(jìn)行模擬， 對于如徑向傳力膜片和柔性支撐膜片等薄板結(jié)構(gòu)， 采用的是板殼單元單元進(jìn)行模擬。3 鏡筒測試分析測試采用振動信號分析儀及信號采集軟件以磁力座吸附在結(jié)構(gòu)上。測試采用力錘敲擊結(jié)構(gòu)某些點(diǎn)， 以加速度傳感器拾振， 信號經(jīng)過采集軟件計(jì)算后得到兩點(diǎn)敲擊點(diǎn)和拾振點(diǎn)的頻響函數(shù)。根據(jù)模態(tài)識別法編制程序，將得到的頻響函數(shù)數(shù)據(jù)輸入程序即可得到模態(tài)頻率、阻尼比、振型系數(shù)。測試前經(jīng)過噪音排除測試，即不敲擊時(shí)，看傳感器信號中的頻率成分，可以排除噪音的干擾。然后經(jīng)過多次試測，確定分析頻率 1000，塊大小為 819