導(dǎo)語：望遠(yuǎn)鏡鏡筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1望遠(yuǎn)鏡鏡筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1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(dòng)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（-10~40）℃之間，而使用的南極冰穹A處最低溫度為-80℃，最高和最低溫度有110℃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，并且有一套低溫補(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。

1.2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)計(jì)的主要任務(wù)之一。通常情況下望遠(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(dòng)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（Whiffletree）的機(jī)械浮動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由一系列浮動(dòng)板或杠桿構(gòu)成。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)。由于制造的地點(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(dòng)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(dòng)，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。

1.3主鏡室靜力學(xué)分析

結(jié)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。望遠(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(dòng)支撐（whilffletree）結(jié)構(gòu)帶來的最大應(yīng)力為0.425MPa，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PV值為43.7nm，RMS值為7.2nm。該數(shù)值符合主鏡設(shè)計(jì)的機(jī)械要求。2.5焦面改正鏡組機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)副鏡機(jī)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DOMEA地區(qū)有接近110℃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(dòng)機(jī)構(gòu)對副鏡的位置進(jìn)行調(diào)整，使得CCD能根據(jù)氣溫的變化進(jìn)行位置的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，保證CCD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(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分組成，導(dǎo)軌采用滾珠導(dǎo)軌以防止微動(dòng)時(shí)的爬行出現(xiàn)，直線驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的靈敏度在0.5μ左右，可保證調(diào)焦精度優(yōu)于0.01mm。

2鏡筒模態(tài)分析

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)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)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（shell）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（shell）單元進(jìn)行模擬。

3鏡筒測試分析

測試采用振動(dòng)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MATLAB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1000Hz，F(xiàn)FT塊大小為8192，頻率分辨率約為0.31Hz。錘擊結(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(dòng)運(yùn)行。

作者:溫海焜顧伯忠姜翔張如單位:中國科學(xué)院