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

1望遠鏡鏡筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1鏡筒的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

鏡筒是一架望遠鏡的關(guān)鍵零件，其功能是裝載光學零件，并保證赤緯軸轉(zhuǎn)動時光軸的穩(wěn)定程度。望遠鏡鏡筒的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目的是支撐和固定主鏡、非球面改正板、焦面機構(gòu)等裝置，要求其在不同姿態(tài)時能夠保證主、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，具有較強的剛度，并在各個姿態(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，需要對鏡筒進行密封處理。由于該望遠鏡在國內(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)和使用時鏡筒尺寸變化過大導致光學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，并且有一套低溫補償機構(gòu)防止主副鏡的位置由于溫度的變化而發(fā)生變化，當溫度發(fā)生變化而導致材料收縮時，通過彈性元件的變形可以彌補材料的收縮量。

1.2主鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

南極巡天望遠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)。主鏡支撐應具備以下功能：

（1）位置精確，提供準確、恒定的支撐力；

（2）自重輕、結(jié)構(gòu)牢靠、便于維護；

（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，同時不能承擔側(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鏡機械設(shè)計的主要任務(wù)之一。通常情況下望遠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。為了運輸?shù)陌踩煽浚h鏡主鏡設(shè)計的徑厚比較大。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行側(cè)支撐。由于該主鏡的徑厚比較大，單獨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。南極巡天望遠鏡采用了蹺蹺板（Whiffletree）的機械浮動支撐結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由一系列浮動板或杠桿構(gòu)成。它們中的每一個可將一個支撐點轉(zhuǎn)化為3個支撐點。由于制造的地點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，機械浮動支撐的9個點，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動，減小因支撐引起的主鏡面形的變化，應對傳統(tǒng)的主鏡支撐結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化和改造，設(shè)計一種能夠提供在主鏡徑向方向上有自由度，同時在溫度變化時對主鏡產(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主鏡室靜力學分析

結(jié)構(gòu)靜力學分析用于確定加載結(jié)構(gòu)的位移、應力、應變及反力，在分析時，忽略慣性和阻尼作用的影響，假設(shè)結(jié)構(gòu)加載及響應時間隨時間變化緩慢。望遠鏡在垂直狀態(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，對望遠鏡主鏡部分垂直狀態(tài)下的靜力學進行分析可以校驗望遠鏡主鏡支撐系統(tǒng)設(shè)計的合理性。主鏡系統(tǒng)應力云圖，看出在垂直狀態(tài)下，主鏡受到的機械浮動支撐（whilffletree）結(jié)構(gòu)帶來的最大應力為0.425MPa，位置位于在內(nèi)圓附近的殷鋼墊支撐點上，該數(shù)值遠遠小于鏡面的許用應力，因此該支撐機構(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)計的機械要求。2.5焦面改正鏡組機構(gòu)的設(shè)計副鏡機構(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，為了保證望遠鏡能在不同的溫度下都能正常工作，需要引入焦面移動機構(gòu)對副鏡的位置進行調(diào)整，使得CCD能根據(jù)氣溫的變化進行位置的動態(tài)調(diào)節(jié)，保證CCD的像質(zhì)不隨溫度的變化而變化。調(diào)整機構(gòu)由直線導軌和直線驅(qū)動機構(gòu)兩部分組成，導軌采用滾珠導軌以防止微動時的爬行出現(xiàn)，直線驅(qū)動結(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)域中的應用。模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。在減振設(shè)計中，對結(jié)構(gòu)進行模態(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，并對該位置進行特殊有效的防護，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，以模擬實際望遠鏡運行時的狀態(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，以加速度傳感器拾振，信號經(jīng)過采集軟件計算后得到兩點（敲擊點和拾振點）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，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)計了一套適合于南極地區(qū)的中型天文望遠鏡鏡筒，并對該鏡筒進行了等彎沉分析、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鏡的光學裝調(diào)要求，并適應在南極低溫環(huán)境下自動運行。

作者:溫海焜顧伯忠姜翔張如單位:中國科學院