旋转平行光管主镜背部柔性支撑设计与仿真分析

针对光学动态靶标进行光电跟踪光端机的跟踪精度的测试时,旋转的光电平行光管由于离心场的存在导致主镜面型误差过大的问题,提出了一种基于挠性梁减小旋转平行光管离心工况下主镜面型误差的方法。文章首先针对主镜支撑点径向位置最优布局进行求解,其次在Isight优化平台上对主镜背部支撑挠性梁的关键设计参数进行尺寸优化,最终利用Sigfit软件分析了离心工况下主镜面型误差。采用优化后的主镜支撑方案,反射镜在1.64g离心力作用下,主镜面型精度RMS优于0.03λ(λ=632.8nm),组件一阶固有频率为167Hz。采用4D干涉仪对平行光管的波像差进行检测,检测结果表明,平行光管光机系统的波像差RMS值优于0.067λ。经过仿真分析与检测实验证明,采用挠性支撑的旋转平行光管镜的动态刚度与面形精度满足光学动态靶标的应用要求。     

长条型SiC反射镜轻量化及支撑结构的设计

从满足空间光学遥感器反射镜在复杂工况下综合面形误差要求的角度出发,介绍了长条型反射镜柔性支撑结构材料的选择,讨论了反射镜轻量化及柔性支撑结构的设计方法,采用有限元法进行了工程分析及多次迭代优化,设计出了一种在不同重力方向下引入面形误差变化量RMS值小于λ/40(λ=632.8nm)的反射镜柔性支撑结构。检测实验证明,各项指标均满足设计要求。     

中心支撑610mm圆形主镜的超轻量化设计

为满足轻小卫星相机质量更轻、性能更好的要求,对某离轴三反空间相机610mm口径圆形主镜进行了超轻量化设计.选用背部中心单点支撑方式,采用变筋厚和变筋高的设计形式,结合集成优化方法,设计的主镜质量仅为6.23kg,面密度约为21.3kg/m2.并设计了主镜的支撑结构,仿真分析了组件的静、动力学性能.结果表明:三个方向重力工况下主镜的面形准确度(RMS值)均优于6nm,4℃均匀温变载荷工况下主镜的面形准确度优于1nm;主镜组件的一阶自然频率为112 Hz,频响分析的最大应力发生在钛合金柔性连接件的螺栓孔处,最大应力值为104 MPa,远小于钛合金的屈服极限870 MPa.主镜轻量化效果显著,主镜组件的静、动力学性能均满足设计要求,本文所述单点支撑形式的最大适用口径为683mm,为同类型空间反射镜的超轻量化设计提供了思路和参考.     

700mm光学望远镜结构设计与分析

针对某700mm口径高分辨率光学成像望远镜,提出了一种结构设计方案。对主镜支撑采用9点whiffle-tree底支撑加球头芯轴侧支撑的结构方案,保证主镜具有高面形精度;望远镜镜筒采用碳纤维桁架式结构,既满足望远镜整体重量较轻,又可以保证系统刚度;建立了望远镜有限元模型,分析主镜支撑面形、主次镜相对偏心及系统整体模态特性,其中主镜支撑面形精度可达到λ/40,主、次偏心为0.015mm(水平状态)、0.008mm(竖直状态);使用激光干涉仪及平行光管对望远镜光学指标进行定量检测,光学系统RMS可达到λ/14,鉴别率板检测望远镜分辨率可达到46lp/mm,均接近光学极限水平。为同类望远镜的结构设计提供一定参考价值。     

经纬仪主镜在支撑系统下的面形变化

为研究在重力作用下主镜支撑系统对经纬仪主镜处于不同工作角度时面形误差的影响,以600 mm口径主镜为研究对象,利用Abaqus软件分别建立了600 mm主镜在加工状态下和工作状态下的有限元支撑模型,并进行了重力变形分析,然后借助4D干涉仪对在不同支撑系统下的主镜进行相关的面形检测。实验结果表明,在吊带支撑系统和主镜室支撑系统下,主镜的自身面形误差RMS为16.18 nm和16.90 nm。利用有限元分析了理想状态的主镜在不同仰角工况下的面形误差,结合主镜自身的面形误差,计算得到了主镜面形误差在光轴由水平变化到竖直的过程中逐渐变大,其RMS最大为19.58 nm,表明该主镜室支撑系统具有良好支撑效果,可满足工程要求,同时也验证了主镜室支撑系统有限元理论模型的准确性。     

轻型高稳定性离轴非球面平行光管设计

为了满足高精度相机在外场环境下的检测要求,采用碳化硅光学材料制作反射镜,碳纤/环氧树脂基复合材料制作遮光筒,设计了一套重量轻、自身精度高、温度稳定性好的离轴平行光管。在二者线胀系数保持二倍关系的情况下,在一定温变范围内保持精度的稳定性。经检测,口径为400 mm,焦距为8 m的离轴平行光管的温变为（20±10）℃,系统波像差为1/5λ（P-V值,λ=632.8 nm）和1/27λ（RMS值）,达到了设计要求,能够在外场环境下使用。     

轻型高稳定性离轴非球面平行光管设计

为了满足高精度相机在外场环境下的检测要求,采用碳化硅光学材料制作反射镜,碳纤/环氧树脂基复合材料制作遮光筒,设计了一套重量轻、自身精度高、温度稳定性好的离轴平行光管。在二者线胀系数保持二倍关系的情况下,在一定温变范围内保持精度的稳定性。经检测,口径为400 mm,焦距为8 m的离轴平行光管的温变为(20±10)℃,系统波像差为1/5λ(P-V值,λ=632.8 nm)和1/27λ(RMS值),达到了设计要求,能够在外场环境下使用。     

1.2m轻量化SiC主镜支撑系统优化设计

针对1.2 m轻量化SiC主镜,提出了轴向支撑采用18点Whiffle-tree结构结合压杆结构,侧向支撑采用A-Frame柔性机构结合切向支撑机构的支撑方案。从原理上对该主镜支撑方案进行了分析,说明了采用以上两种结构的优点;通过有限元方法对各个机构参数进行了分析、优化,并对整体结构进行了静力学以及热学仿真。实验显示：在参考温度下主镜面形精度（RMS）值为3.5 nm;温差达到40℃时,RMS值为11.1 nm。该设计方案满足了1.2 m轻量化SiC主镜的支撑要求,同时可以很好地抵消热应力对主镜的影响。     

利用调整技术补偿离轴抛物面反射镜面形误差

为了提高光学系统的成像质量,对离轴抛物面反射镜的面形准确度要求越来越高,这大大增加了反射镜的加工难度.本文基于波像差理论,分析了在离轴抛物面反射镜中调整量引入的波像差,提出通过适当调整离轴抛物面反射镜的位置补偿反射镜的面形误差,可以降低离轴反射镜的加工难度、缩短其加工周期、减少加工成本.并借助于ZEMAX软件对一块面形准确度低于λ/40RMS(λ=632.8nm)离轴抛物面反射镜进行仿真实验,根据理论计算的调整量调整反射镜的位置,得到了补偿后的离轴抛物面反射镜的面形误差小于λ/60RMS,仿真结果表明在离轴抛物面反射镜中引入适当的调整量可以有效地补偿反射镜的面形误差.     

空间光学遥感器主镜柔性支撑的参数化设计

为提高设计效率提出了一种空间光学遥感器柔性支撑参数化设计方法。分析了温度变化、装配误差两种工况下对柔性支撑形变的需求。并根据折衷规划理论设置柔性支撑的优化函数,以某空间光学遥感器主镜所用柔性支撑为例给出柔性支撑参数化设计的详细设计过程。经过参数化设计,主镜柔性支撑基频达到88.8Hz,温度变化4℃,镜面的均方根(RMS)达到5.3nm,0.1mm装配误差下的镜面RMS达到12.9nm,光轴水平1g重力镜面RMS达到5.0nm。柔性支撑的性能显著提高并且所有设计满足指标。同时设计过程实现了计算机自动化设计,大大减少了人力投入,缩减了设计周期。     

空间太阳望远镜主镜支撑结构的优化设计

空间太阳望远镜主镜是有效口径为1m的抛物面镜,工作状态需要达到衍射极限,因此光学系统要求主镜面形误差小于λ/40(RMS),精度主要靠主镜支撑结构来保证。主镜支撑结构应满足地面调试、在轨及发射状态的需要。支撑结构试验样机已经加工完成,地面调试结果表明主镜的镜面变形满足整个光学系统的要求。试验样机强度和刚度还有较大余量,结构本身比较复杂。用有限元分析方法进行优化设计,优化后的主镜支撑结构满足地面调试、在轨及发射状态的需要,也能保证主镜的面形满足整个光学系统的要求,有效减轻仪器重量、简化支撑结构的同时,提高了整个仪器的可靠性。     

多节点激光通信天线紧凑型摆镜组件设计

为了减小多节点激光通信天线的工作包络尺寸并提高二维摆镜的运动控制精度,提出了一种紧凑型摆镜组件。采用高体分铝基碳化硅(SiC/Al)支撑板与H-K9L反射镜直接黏接的方案,提高了摆镜面形的热稳定性,摆镜回转中心至镜面的距离被缩短至20mm。黏接面采用三点薄圆环的设计,在保证摆镜组件动态刚度的前提下有效降低了黏接应力对摆镜面形的影响。有限元分析结果表明,摆镜组件的基频为1319.96Hz,在(20±5)℃工作温度范围内,面形峰谷(PV)值优于λ/4(λ=632.8nm),面形均方根(RMS)值优于λ/22。使用ZYGO激光干涉仪对摆镜的面形进行检测,结果表明,在(20±5)℃温度范围内,摆镜面形的PV值优于λ/4,RMS值优于λ/29,满足激光通信天线RMS为λ/15的指标要求。     

大口径球面镜支撑系统的优化设计

应用有限元法并借助于有限元分析软件,建立了轴对称平面单元和三维实体有限元模型.对1.2 m球面反射镜的支撑系统进行了优化设计,优化确定了轴向支撑圈数、支撑半径和支撑点排列组合、侧向支撑位置.分析计算出主镜在水平放置轴向支撑作用和竖直放置侧支撑作用下重力引起的镜面面形误差RMS值分别为2.5 nm和3.16 nm,满足设计指标要求,预示了所设计的支撑系统方案的合理可行性.     

地平式离轴扩束光学系统装调技术

为实现地平式离轴扩束光学系统的高精度装调,利用4D干涉仪加装平面镜头配合标准平面镜实现自准直检测,并针对实际使用过程中镜筒需要绕俯仰轴旋转的问题,提出一种动态检测方法。根据实际装调结果,建立空间直角坐标系,利用旋转过程中光斑最大偏离量计算二轴正交误差。装调结果表明,采用自准直检测及动态检测方法,主镜面形精度为0.028 8λ@632.8 nm,系统波像差RMS为0.131λ@632.8 nm,二轴正交误差为2.06″。     

1m口径主反射镜支撑系统的优化设计

应用有限元法并借助有限元分析软件建立了主镜的三维实体有限元模型,对1m主镜的支撑系统进行了优化设计。分析比较了两种常用主镜侧支撑结构,优化确定了轴向支撑半径、侧支撑方式和侧支撑点位置。分析计算显示主镜处于不同俯仰角位置时的最大面形精度RMS值为5.3nm,满足设计指标要求,该有限元优化设计方法和过程不受主镜直径及厚度的影响,适用于平面、球面、非球面甚至异形面主镜的设计。结果表明了所设计的支撑系统方案的合理性与可行性。     

二氧化碳探测仪典型透镜支撑结构的设计及分析

为了降低外界载荷和温度变化对二氧化碳探测仪光学系统透镜面形及共轴的影响,根据系统的特点和技术要求,对其典型透镜的支撑结构进行了研究,设计了一种径向挠性支撑结构并建立了3D实体模型。运用工程CAD分析软件,采用非线性有限元分析方法对其进行了动静刚度特性和热特性仿真分析,验证了支撑结构设计的合理性。分析结果表明,透镜结构组件的一阶固有频率为1 301 Hz;利用面型拟合,得到了各工况下镜面面形误差值为PV≤λ/10,RMS≤λ/50,偏转误差≤1″。该径向支撑结构能很好地保持透镜共轴精度,减小了温度变化对镜面变形的影响,各项结果满足设计要求,证明了结构设计的合理性。     

二氧化碳探测仪典型透镜支撑结构的设计及分析(英文)

为了降低外界载荷和温度变化对二氧化碳探测仪光学系统透镜面形及共轴的影响,根据系统的特点和技术要求,对其典型透镜的支撑结构进行了研究,设计了一种径向挠性支撑结构并建立了3D实体模型。运用工程CAD分析软件,采用非线性有限元分析方法对其进行了动静刚度特性和热特性仿真分析,验证了支撑结构设计的合理性。分析结果表明,透镜结构组件的一阶固有频率为1 301 Hz;利用面型拟合,得到了各工况下镜面面形误差值为PV≤λ/10,RMS≤λ/50,偏转误差≤1″。该径向支撑结构能很好地保持透镜共轴精度,减小了温度变化对镜面变形的影响,各项结果满足设计要求,证明了结构设计的合理性。     

离轴抛物面镜离子束抛光工艺研究

针对离轴抛物面镜离子束修形过程中存在的热效应累积和迭代加工效率问题，提出了将总去除量按一定比例划分的分批次加工与变束径加工相结合的方法，并采用该方法进行工艺实验探索。对口径为110 mm、曲率半径为1732.7 mm、初始面形峰谷值(PV)为0.525λ(λ=632.8 nm),均方根(RMS)值为0.025λ的球面镜进行分批次变束径离子束抛光实验，最终加工得到顶点曲率半径为1728 mm、离轴量为85 mm、PV为0.36λ、RMS值0.029λ的离轴抛物面镜。对实验过程及结果进行分析，证明分批次加工方法有效消除了离子束加工过程中的热效应，通过变束径局部精修加工的方法可以减少迭代加工次数，提升加工效率。     

大口径光学离轴平行光管研究——主反镜结构及光学检测

在长焦距大口径平行光管的应用中,平行光管物镜的定位精度以及在装调过程中高灵敏度的调试环节十分重要.介绍大口径离轴光学平行光管主镜结构及其检测方法,给出3种不同口径下的光学系统的装调方法,详细分析 700 mm的平行光管的主镜结构及精调装置,并利用4D干涉仪来检测装调装置对面形的影响.结果表明,该装调装置为自由移动装置,...     

平面光栅支撑结构设计及其面形分析计算

为满足二氧化碳探测仪平面光栅高精度面形要求,对光栅及其支撑结构进行了设计和分析.首先,对光栅结构组件各材料的选取和支撑结构形式进行了研究;然后,以坐标变换法和最小二乘法为理论依据,对镜面刚体位移和畸变的计算求解进行了探讨;接着,采用有限元法对光栅结构组件在不同热力耦合状态下的面形精度和结构强度进行仿真分析.运用有限元软件本身提供的二次开发功能,开发了能内部调用MATLAB编写的面形误差计算程序.经计算,各工况下面形误差PV≤63nm,RMS≤12.6nm.最后,为了验证结构组件的动态特性,进行了模态分析和谐响应分析,三个方向的基频分别达到1 046.3Hz,1 640Hz,1 147.5Hz.这些结果表明,光栅结构组件设计合理可行,能够满足各项设计要求.