金属反射镜柔性支撑结构

技术领域

本发明涉及反射镜设计及其支撑结构领域，具体涉及一种适用于强力学环境的金属反射镜集成化设计及低应力安装柔性支撑结构。

背景技术

随着航空航天光学系统载荷逐渐向轻质、高刚度、高稳定性、高性价比方向发展，需要光学反射镜的设计更加轻小集成化。一般采用玻璃材料或者陶瓷材料制造反射镜时，常常通过匹配线胀系数相接近的金属材料作为反射镜的支撑背板，由于反射镜和背部选用材料的线胀系数无法在较大温度范围内匹配，所以光学系统的环境适应性差，无法在宽温度范围内实现较好的成像质量。

为了提高光学系统的使用温度范围，特别是低温光学系统，需要反射镜在室温下进行加工，在低温环境下使用，金属反射镜具有得天独厚的优势。随着单点金刚石车削加工(SPDT)技术的不断提高，以铝合金为代表的金属材料具有良好的可加工性，可以实现反射镜和支撑结构采用同种材料。由于反射镜和支撑材料选用同种材料，大大提高光学系统的环境适应性。金属反射镜可以通过车削的方式直接加工到满足红外光学系统使用的要求，可以大大提高光学反射镜的制造效率，并易于实现装备的批量化生产。同传统的光学玻璃和陶瓷材料相比，金属反射镜具有低成本、制造快、易加工、安装简单、集成化高的优点。

由于以铝合金为代表的金属材料的弹性模量低，制造成光学反射镜后容易受到装配环境的热应力的影响，从而产生反射镜面形的退化。除此以外，反射镜应用于强冲击、振动等工况时，需要螺钉的安装力矩更大，大的螺钉安装力矩会引入螺钉预紧应力，从而带来反射镜面形的下降。

现有的技术公开了一种小口径微晶玻璃材料反射镜微应力装配柔性支撑方法，其中描述小口径微晶反射镜的微应力装配柔性支撑，如图1，该结构包括反射镜，柔性芯轴，该项技术首先在反射镜背部进行轻量化加工，背部中心加工出中心柱；然后加工等边三角形的柔性芯轴，柔性芯轴中间加工有空心圆柱，三个角各加工出一个长方体结构的连接部件，在圆柱与连接部件之间加工有三处矩形通孔，连接部件上加工有两组相互平行的柔性卸载槽以及安装孔和销钉孔。最后将柔性芯轴的圆柱外表面与反射镜背部中心柱内表面直接粘接。

这种支撑方法的缺点如下：

1、温度稳定性差

反射镜和背板采用不同材料，无法实现较大温度范围内的热稳定性；

2、安装可靠性差

反射镜和背板采用胶接的方式连接，在极端环境条件下可能存在胶层失效，从而引起反射镜和背板脱开；

3、装配工艺性差

反射镜和背板装配粘接出现较大应力时，反射镜和背板很难拆开，装配的工艺性差；

4、加工效率低

反射镜采用传统磨抛的形式进行加工，并且需要反射镜和背板分别加工后再组合，无法实现快速低成本批量化生产，不利用装备研发；

5、装配基准与光学基准一致性差

反射镜和背板装配后，可能存在背板背部基准与反射镜镜面基准不一致，需要额外研磨背板的背部基准，使背板背部安装基准与镜面光轴垂直；

6、应力卸载能力差

支撑结构的柔性设计只考虑安装平面度方面的柔性卸载，忽略螺钉预紧时绕螺钉旋转方向的应力引入，使反射镜无法承受较大螺钉预紧力，在需要加大螺钉预紧力抵抗极端力热工况时，应力卸载能力差。

发明内容

本发明为了解决反射镜和背板采用不同种材料引起的宽温度范围的热稳定性问题，发明了一种金属反射镜低应力安装的一体化支撑结构，借助于金属反射镜具有良好的可加工性，可以将反射镜基体和支撑背板进行集成化、一体式结构设计，在金属反射镜的背部直接加工柔性结构，实现安装环境力热卸载，从而实现反射镜的无应力安装。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

一种金属反射镜柔性支撑结构，其特征在于，包括：背部设计有扇形轻量化结构的反射镜、加工在反射镜背面的带引出端的圆形支撑背板、三个加工在支撑背板引出端上的柔性支撑耳、三个对应设置在反射镜和柔性支撑耳之间的应力隔离槽；

三个柔性支撑耳之间呈120°均匀分布，且三个柔性支撑耳上加工的通孔的圆心相连构成的圆的直径大于反射镜的直径。

优选地，反射镜和支撑背板为一体结构。

优选地，柔性支撑耳上设置有用于平面度应力卸载的柔性结构组和用于卸载安装应力的柔性铰链组；柔性支撑耳远离反射镜的面为安装面，柔性结构组的开槽深度方向与安装面垂直，柔性结构组的槽口延伸方向与安装面平行；柔性铰链结构的开槽深度方向与柔性结构组的槽口延伸方向相同，柔性铰链结构的槽口延伸方向与柔性结构组的开槽深度方向相同。

优选地，柔性结构组包括：第一应力卸载槽和第二应力卸载槽，第一应力卸载槽和第二应力卸载槽相互平行，第一应力卸载槽的槽口位于柔性支撑耳的安装面，开槽深度方向垂直于柔性支撑耳的安装面；第二应力卸载槽的槽口位于与安装面相对的背面，开槽方向垂直于柔性支撑耳的安装面；第一应力卸载槽和第二应力卸载槽的开槽深度均小于柔性支撑耳的厚度。

优选地，柔性铰链组包括：第一柔性卸载槽和第二柔性卸载槽形成的一组柔性铰链、第三柔性卸载槽和第四柔性卸载槽形成的另一组柔性铰链，两组柔性铰链并联加工在柔性支撑耳的两侧。

优选地，柔性支撑耳还开设有矩形轻量化槽，使两组柔性铰链分别位于矩形轻量化槽的两侧。

优选地，在支撑背板引出端上，接近支撑背板的圆心方向还加工有减重矩形槽。

优选地，反射镜为圆形、方形或椭圆形的金属反射镜。

优选地，反射镜选用铝合金、铍铝合金、硅铝合金材料中的至少一种制成。

本发明能够取得以下技术效果：

1、反射镜和支撑背板采用同种金属材料，解决了反射镜和背板采用不同种材料引起的宽温度范围的热稳定性问题；

2、反射镜与背板采用集成一体化设计，可以实现光学镜面和背板基准的精确传递，不需要额外连接机构，简化设计复杂性，提高光学反射镜制造效率和可靠性；

3、反射镜的柔性支撑结构不仅能够适应安装平面差异带来的镜面应力变形，还可以适应反射镜的需要大力矩安装时带来的镜面应力变形，应力卸载能力更强，实现反射镜的低应力安装，可适应于强力学环境的安装工况；

4、反射镜结构紧凑，轴向尺寸小，采用传统机械加工的方式即可实现反射镜成型，加工效率高，易于实现快速批量化制造。

附图说明

图1是现有技术中一种小口径微晶反射镜的微应力装配柔性支撑示意图；

图2是本发明一个实施例的一种金属反射镜支撑结构反射镜面示意图；

图3是图2的后视图；

图4是柔性支撑耳的结构图；

图5是图4的局部放大图；

图6是图2的侧视图。

其中的附图标记包括：

反射镜1、支撑背板2、扇形轻量化结构3、

柔性支撑耳4、

柔性结构组41、第一应力卸载槽411、第二应力卸载槽412、

柔性铰链组42、第一柔性卸载槽421、第二柔性卸载槽422、第三柔性卸载槽423、第四柔性卸载槽424、

矩形轻量化槽43、通孔44、

应力隔离槽5、减重矩形槽6。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

下面将对本发明提供的一种金属反射镜集成化设计及柔性支撑结构，通过具体实施例来进行详细说明。

如图2和图4示出了本发明的一种金属反射镜集成化设计及柔性支撑结构的结构，包括在背部加工有扇形轻量化结构3的圆形反射镜1、与反射镜1一体加工成型的支撑背板2、加工在支撑背板2上的柔性支撑耳4以及用于隔离支撑背板2与反射镜1之间应力的应力隔离槽5。

在本发明的一个优选实施例中，三个柔性支撑耳4呈120°均匀分布在支撑背板2的引出端上，且三个柔性支撑耳4上的通孔44的圆心相连构成的圆的直径大于反射镜1的直径。

在本发明的另一个实施例中，在每个柔性支撑耳4与反射镜1之间直接设置应力隔离槽5，使得柔性支撑耳4与反射镜1平行又存在一定间隔，其深度依据光机设计的需求进行，通常情况下，应力隔离槽5的深度越深，反射镜组件的一阶模态越低，反射镜组件的动态刚度越差，但反射镜1的柔性支撑耳4的应力卸载能力就越强；柔性支撑耳4与支撑背板2也一体加工成型。

加工上，应力隔离槽5可用过线切割的方式实现无应力加工，保证加工时不引入额外的加工应力，有利于反射镜1的稳定性。

在本发明的另一个实施例中，反射镜1的背部通过加工中心铣削加工成扇形轻量化结构3，实现反射镜1的轻量化。

图4示出了柔性支撑耳4的具体结构，包括用于卸载平面度应力的柔性结构组41、用于卸载安装应力的柔性铰链组42、位于两组柔性铰链组42中间的矩形轻量化槽43、用于将反射镜1与外界安装面装配的通孔44；其中，第一柔性卸载槽421和第二柔性卸载槽422形成的一组柔性铰链、第三柔性卸载槽423和第四柔性卸载槽424形成的另一柔性组铰链，两组柔性铰链并联加工在柔性支撑耳4的两侧，形成一组完整的柔性铰链组42。

在本实施例中，柔性支撑耳4为扁平形，包括与反射镜1平行的上表面和安装面、以及位于柔性支撑耳4两侧与反射镜1垂直的两个侧面。矩形轻量化槽43的设置，使得柔性支撑耳4具有了两个内侧面。

第一柔性卸载槽421和第四柔性卸载槽424的槽口分别位于柔性支撑耳4的左右两个侧面，开槽是深度方向垂直于柔性支撑耳4的侧面；第二柔性卸载槽422和第三柔性卸载槽423的槽口分别位于柔性支撑耳4的两个内侧面，位置分别与第一柔性卸载槽421和第四柔性卸载槽424的位置相对，开槽深度方向分别与第一柔性卸载槽421和第四柔性卸载槽424的开槽深度方向相反；即第一柔性卸载槽421和第二柔性卸载槽422位于矩形轻量化槽43的一侧，开槽位置在同一水平面，但方向相对；第三柔性卸载槽423和第四柔性卸载槽424位于矩形轻量化槽43的另一侧，开槽位置在同一水平面，方向相对。

在本发明的一个优选实施例中，见图5，第一应力卸载槽411的槽口位于柔性支撑耳4的安装面，开槽方向垂直于柔性支撑耳4的安装面；第二应力卸载槽412的槽口位于与安装面相对的背面，开槽方向垂直于柔性支撑耳4的安装面；第一应力卸载槽411和第二应力卸载槽412相互平行，两个应力卸载槽靠近柔性支撑耳4的底部，与反射镜1和支撑背板2中间的应力隔离槽5一起实现安装平面度产生的应力的卸载；

在本发明的另一个实施例中，第一应力卸载槽411和第二应力卸载槽412通过线切割的方式加工成型，线切割的槽宽一般大于0.2mm，切割后铰链的剩余厚度为1.5～4mm；

从柔性支撑耳4的侧面看，如图6所示，第一应力卸载槽411和第二应力卸载槽412形成“S”型结构，第一应力卸载槽411和第二应力卸载槽412的切割深度可根据反射镜1的平面度适应要求进行合理设计，第一应力卸载槽411和第二应力卸载槽412形成的“S”型结构还可以适应反射镜安装界面温度变化带来的热应力。

在本发明的另一个实施例中，通过通孔44可以实现反射镜1与外界安装面的装配，利用三个螺钉分别穿过三个柔性支撑耳4的上通孔44安装到光学系统的主框架结构接口上，同时利用第二柔性卸载槽422和第三柔性卸载槽423靠近通孔44的位置可以实现对螺钉拧紧应力的有效释放；

装配时，可以在螺钉螺纹1/3长度处涂抹乐泰系列厌氧螺纹胶进行防松处理，并在螺钉端部涂抹室温固化硅橡胶GD-414进行密封防松。

在本发明的另一个实施例中，在对第一柔性卸载槽421、第二柔性卸载槽422、第三柔性卸载槽423和第四柔性卸载槽424加工时，利用矩形轻量化槽43的空间进行穿丝，保证线切割柔性槽时具有较好的工艺性；

一般的，线切割的槽宽一般大于0.2mm，每组柔性铰链剩余厚度为1.5～4mm。

在本发明的一个优选实施例中，如图4所示，支撑背板2引出端上，接近支撑背板2的圆心方向还加工有减重矩形槽6，方便其通过柔性支撑耳4上的通孔44从反射镜1的背部向镜子方向减重。

在本发明的另一个实施例中，采用的金属基反射镜可以为铝合金、铍铝合金、硅铝合金材料等既可作为反射镜又可作为支撑结构的金属材料。

在本发明的另一个实施例中，金属反射镜既可以是圆形的同轴反射镜，也可以是矩形、椭圆等其他形状的金属反射镜。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。