敏感器主鏡支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

張銀剛，郭旭紅，寇 生

（蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘇州 215006）

0 引言

近年來(lái)，隨著空間科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，為適應(yīng)小衛(wèi)星搭載，人們對(duì)敏感器CCD相機(jī)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。主反射鏡（以下簡(jiǎn)稱(chēng)主鏡）是光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，主鏡的支撐技術(shù)是主鏡工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文研究的主鏡形狀是敏感器相機(jī)部件的平背形小口徑主鏡，采用石英玻璃材料，外部圓周孔徑為Φ162mm，中心孔徑Φ46mm。

主鏡支撐結(jié)構(gòu)是相機(jī)整個(gè)結(jié)構(gòu)中極其重要的部分，支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與否，直接關(guān)系到主鏡在各種載荷作用下的面形精度的好壞。因?yàn)橹麋R支撐結(jié)構(gòu)在對(duì)主鏡進(jìn)行有效定位的同時(shí)卸載它的自重，以達(dá)到減小鏡面變形的目的。在力的傳遞過(guò)程中，應(yīng)盡量避免較大的集中力的產(chǎn)生，使力盡量均勻的傳遞。同時(shí)需要主鏡組件具有良好的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性，能夠承受發(fā)射階段產(chǎn)生的沖擊和振動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)主鏡鏡面變形最小，得到最好的成像質(zhì)量。

1 初始支撐結(jié)構(gòu)的材料及其自重變形分析

該支撐結(jié)構(gòu)有其獨(dú)特之處：該結(jié)構(gòu)不僅起到支撐主鏡的作用，其套筒還用來(lái)安放光學(xué)系統(tǒng)的兩個(gè)透鏡，即節(jié)省了材料，起到減重的效果，有簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，避免了加工的復(fù)雜性。

該相機(jī)為懸臂梁結(jié)構(gòu)，由于重心的偏置，鏡筒對(duì)主鏡支撐結(jié)構(gòu)存在一定的壓力，這樣將導(dǎo)致光學(xué)元件間的相對(duì)位置變化和光學(xué)元件的波前畸變，從而影響和破壞光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。因此必須使設(shè)計(jì)的主鏡支撐結(jié)構(gòu)具有高的靜態(tài)結(jié)構(gòu)剛度。

主鏡選用的是高穩(wěn)定性的石英材料，主鏡與其支撐結(jié)構(gòu)的連接部件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料的選擇等方面要滿足多方面的要求，除要求支撐結(jié)構(gòu)的材料選擇盡量與主鏡匹配外，還要求連接結(jié)構(gòu)具有一定的柔性，這里采用膠劑材料作為柔性支撐結(jié)構(gòu)，在其背部及圓周均開(kāi)有灌膠孔，在壓圈與主鏡之間加橡膠圈。常用的主鏡支撐結(jié)構(gòu)的材料如表1所示。

表1 常用的主鏡支撐結(jié)構(gòu)的材料

從表中可看出，碳纖維復(fù)合材料與其它材料比較具有重量輕比強(qiáng)度和比剛度高等優(yōu)點(diǎn)，是相機(jī)輕量化較理想的結(jié)構(gòu)材料。但碳纖維復(fù)合材料工藝復(fù)雜、成本較高，對(duì)該支撐結(jié)構(gòu)減重優(yōu)勢(shì)不明顯；結(jié)構(gòu)材料硬鋁LY12是較常用的一種金屬材料，加工特性好，鈦合金是一種具有很多優(yōu)異特性的金屬材料，但重量比鋁合金重。

根據(jù)重力作用下結(jié)構(gòu)變形的計(jì)算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)變形明顯或應(yīng)力、應(yīng)變集中的地方，推斷出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，以便提出改進(jìn)方案。采用Catia三維造型，導(dǎo)入有限元分析軟件MSC.Patran中進(jìn)行分析。

有限元模型采用的坐標(biāo)系為：Y軸正向由次鏡指向主鏡，是光軸方向；Z軸正向豎直向上；Y軸由右手定則確定。

計(jì)算參數(shù)采用下列單位：長(zhǎng)度，mm；質(zhì)量，t；力，N

邊界條件為支撐結(jié)構(gòu)外部圓周固定，背部6個(gè)螺孔固定。

針對(duì)上述計(jì)算內(nèi)容和要求，采用的主要單元是Tet10單元，分別采用硬鋁和鈦合金為材料進(jìn)行靜力分析，分析結(jié)果如圖1所示，硬鋁材料最大位移變形量為371nm，鈦合金材料的最大位移變形量為370nm不能滿足設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)綜合分析其在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中綜合光學(xué)設(shè)計(jì)的公差要求，確定零件采用硬鋁材料。

盡管選擇了硬鋁材料，但此支撐結(jié)構(gòu)變形量依然過(guò)大，需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

圖1 不同材料支撐結(jié)構(gòu)變形圖

2 支撐結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，圖形參照?qǐng)D2(a),在其背部伸出一部分，伸出量為1mm,分析后結(jié)果最大位移變形量較之以前有明顯改觀，并且在允許的情況下，伸出量越多，最大位移變形量越小。再將尾部的倒角半徑有R2改為R3，最大位移變形量進(jìn)一步減少。在此基礎(chǔ)上，透鏡鏡筒半徑縮短0.5mm,進(jìn)行分析，此時(shí)最大位移變形量為146nm。

在不影響光路的情況下，把鏡筒外徑不與主鏡接觸的部分進(jìn)一步減少，也可以起到減重的效果。

最終，根據(jù)要求和分析結(jié)果，確定方案六支撐結(jié)構(gòu)的模型和分析結(jié)果如圖2、3，其最大位移變形量為114nm，與初始方案比較，其質(zhì)量雖然略有增加，但在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)，其最大位移變形量減少69.2%，具體設(shè)計(jì)方案如表2。

表2 支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

圖2 方案六支撐結(jié)構(gòu)

圖3 方案六靜力分析結(jié)果

3 主鏡部件的靜力分析及支撐結(jié)構(gòu)的最終確定

支撐結(jié)構(gòu)的確定跟主鏡的支撐方式有很大關(guān)系。根據(jù)在主鏡上的支撐位置的不同，支撐方式可以分為中心支撐、周邊支撐、背部支撐（根據(jù)反射鏡的口徑可以采用三點(diǎn)支撐和六點(diǎn)、九點(diǎn)、十八點(diǎn)等多層支撐方式）和側(cè)面支撐（帶/袋子懸掛法、氣袋/水銀袋浮托法）等。一般來(lái)說(shuō)，側(cè)面支撐多用于靜態(tài)和地面設(shè)備，在空間光學(xué)儀器中應(yīng)用的很少。

將主鏡和其支撐結(jié)構(gòu)裝配，采用有限元分析軟件分別分析主鏡支撐方式為中心支撐和背部和周邊支撐時(shí)的靜力變形，其分析結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 中心支撐

兩種支撐方式的最大位移變形量分別為57.2nm和58.7nm，其自重變形量遠(yuǎn)低于面型精度要求，而且最大位移變形量相差不大，但當(dāng)中心支撐時(shí)主鏡的變形非常明顯，會(huì)影響甚至破壞光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量 。故 采 用 背 部 支撐的方式，通過(guò)壓圈把鏡片固定在鏡框上，并最終驗(yàn)證了方案六的可行性，確定其作為最終的主鏡支撐結(jié)構(gòu)。

圖5 背部支撐

4 主鏡支撐結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

支撐結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)剛度最薄弱的環(huán)節(jié)，加上主鏡質(zhì)量載荷對(duì)它的作用，使其固有頻率變低，要想使光學(xué)系統(tǒng)在受迫振動(dòng)時(shí)不至于損壞，其關(guān)鍵在于不產(chǎn)生共振，為研究該結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，必須對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。

模態(tài)分析主要計(jì)算結(jié)構(gòu)的固有頻率、模態(tài)振型、模態(tài)阻尼比以及其他模態(tài)參數(shù)。

其動(dòng)力學(xué)的基本方程為

對(duì)于模態(tài)分析 , 通常f(t)=0， 因此模態(tài)分析的公式為

式中 : [M] 為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣；[K]為結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；f(t)為節(jié)點(diǎn)的荷載向量；為結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)加速度向量；{x}為結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移向量。

對(duì)主鏡支撐結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，比較關(guān)心的是它在X軸向（即光軸向）的運(yùn)動(dòng)，它直接關(guān)系到次鏡和主鏡的光學(xué)間隔，影響最終的成像質(zhì)量。表3給出了支撐結(jié)構(gòu)各階模態(tài)的分析結(jié)果。圖6給出基頻F=1564.7Hz的振型，圖7為F=1682.4Hz光軸向的振型。

圖6 支撐結(jié)構(gòu)基頻

表3 支撐結(jié)構(gòu)的固有頻率

圖7 支撐結(jié)構(gòu)光軸向振型

從模態(tài)計(jì)算結(jié)果可知該支撐架結(jié)構(gòu)的剛度較大，基頻較高，可以避開(kāi)其在發(fā)射過(guò)程中的敏感頻率范圍。

4 結(jié)論

在研究敏感器相機(jī)光學(xué)元件的支撐方案時(shí)，要同時(shí)考慮鏡坯材料、結(jié)構(gòu)形式、支撐結(jié)構(gòu)，而且設(shè)計(jì)、分析的迭代，應(yīng)分步實(shí)施。運(yùn)用CAD,CAE技術(shù)，對(duì)主鏡的支撐形式進(jìn)行研討，利用有限元分析方法，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的變形情況進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選出了最符合設(shè)計(jì)總體要求的支撐結(jié)構(gòu)。這樣有利于快速修正設(shè)計(jì)，及時(shí)反饋驗(yàn)證設(shè)計(jì)思想，完成結(jié)構(gòu)的細(xì)化設(shè)計(jì)消除盲目性。

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