大型轻质反射镜加工支撑状态的有限元分析研究

　　1　引　言

　　随着轻型镜向大口径、高精度、高减重率方向的快速发展,轻型镜的制造越来越重要。无论是在镜坯制作,还是在镜面面形加工等方面尚有不少技术难点需要突破,例如在加工过程中镜面由支撑产生的变形就是其中之一。

　　镜面在加工中的变形是由镜体自重、磨盘压力和支撑共同作用的结果。当镜子的结构确定,镜体的自重、磨盘压力保持不变时,镜子的支撑方式就显得特别重要。不同的支撑方式将使镜子产生不同程度的变形。支撑变形对镜面的加工造成多方面的影响,主要表现在:(1)难以实现高精度面形加工。一般来说,为保证磨盘对镜面有效的磨削能力,磨盘按镜面单位面积的压强17·6~24·5 Pa的原则设计。但在这种磨盘作用下,轻质镜镜面的支撑变形很大,镜面精度难以达到设计要求。即使用计算机控制抛光的方法对镜面进行加工,支撑变形也很难从根本上消除。(2)影响镜子的减重比和结构设计。机载光学系统和空间光学系统不但要求镜面面形具有较高精度,而且也希望镜体有足够的减重比。但是,随着减重比的增加,轻质镜的刚性下降很快,加工中轻质镜的变形量也相应地迅速增加,镜子的可加工性变差。为了确保镜子的面形精度,镜子必须具有一定的刚性,这就对镜子结构的设计提出了更为严格的要求。由此可见,全面、准确地对轻质镜加工状态支撑变形作力学分析,无论对加工工艺方法的设计还是对镜子结构设计都是十分重要的。在传统的大口径镜面加工中,镜面的支撑变形主要运用经典的马氏变形理论进行估算和分析。该理论对于口径在φ700 mm以下的实心镜加工基本上是适用的。然而对轻质镜来说,由于镜子的结构复杂,加工精度高,而且在加工中又受到多种力的作用,根据马氏理论估算的变形量与轻质镜实际支撑变形量相差甚大,其变形的分布规律也不能准确地描述。目前,有限元分析方法已成为各领域工程计算的必要手段,合理的有限元模型可使计算结果有足够的精度。将其运用于光学制造领域,不仅可以为镜坯结构设计,而且也可以为支撑结构设计等提供科学依据。本文所作的分析均是利用有限元方法进行的。文中讨论了φ850 mm熔石英轻型反射镜在各种力作用下的镜面变形规律,最后针对这种变形规律设计相应的较为合理的支撑结构。

　　2　镜体结构与主要技术参数

　　2·1　基本结构参数

　　(1)非球面面型:凹抛物面

　　(2)子型状:平凹型

　　(3)抛物面顶点半径:R=3 400 mm

　　(4)外圆直径:φ850 mm

　　(5)相对孔径:D/f=1/2

　　(6)内孔直径:φ190 mm