[发明专利]一种大口径轻质反射镜柔性限位支撑装置及安装方法

说明书

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Grubb摇板式支撑结构模型。Whiffletree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匀，特别是大口径磨盘能动磨盘抛光过程。Whiffletree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。Grubb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Grubb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，Whiffletree及Grubb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 E.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：