光电经纬仪主镜系统自重变形的有限元分析

　　1　引　言

　　光电经纬仪是光机电精密组合的测量设备,设备越大,结构越复杂,机构重量越大。随人们对分辨力的要求的提高,导致经纬仪口径越来越大。随经纬仪口径增加,主镜重量越大,主镜反射面在采用不同支撑方式下,镜面面形如何变化,有何规律,因此有必要通过有限元方法分析,在不同重力倾角状态下,镜面的变形情况,以掌握在各种状态下镜面变形规律[1～3]。

　　2　分析前处理

　　采用有限元分析软件,对某光电经纬仪主镜在有支撑系统的作用下进行有限元力学分析,分析在各个重力倾角状态下主镜镜面面形的变形情况,供光学修正或采用自适应系统的调整机构作用力参考[3]。镜面支撑系统结构见图1。

　　模型各部件材料属性:主镜为玻璃材料,与玻璃接触块为高弹性橡胶,中心轴套为镍合金,其他为合金,由于不进行温度变形分析,因此不考虑材料热膨胀率和导热性的因素。各种材料力学性能见表1[4]。

　　对主镜整体支撑系统,在不同倾角条件下,进行重力变形分析。分析出主镜在各支撑系统作用下,镜面变形位移,从而从整体上了解支撑系统作用下的镜面误差分布。

　　3　分析结果与分析

　　经过网格划分,定义边界条件,进行分析,输出结果。

　　支撑系统作用如何,主要是看镜面的变形情况。镜面变形见表2、表3和图2。

　　图2为从90°到-90°过程中镜面节点变形位移的PV值变化曲线。

　　从图表中看出,随光轴倾角变大,也就是主镜光轴逐渐偏离天顶方向的过程中,如果是逆时针方向旋转,X方向位移不大,在0.007～0.01μm;Y、Z方向变化较大,其中Y方向位移逐渐增加到0.02μm,但倾斜过45°后变化就不大,最大为0.031μm,Z方向逐渐降低,最大降低到0.070μm。如果是顺时针方向旋转,X方向逐渐降低,但降低幅度不大,最大为0.0032μm;Y方向位移逐渐增加,最大为-0.014μm,但倾斜过60°后就变化不大了;Z方向变化较大些,最大降低-0.679μm。从变化梯度看,都比较小,X、Y两方向变化梯度,在水平状态时RMS值较大,有0.002～0.003μm;而Z方向的变化较大,有0.006～0.009μm,这方向的变化对镜面焦距有影响。

　　主镜中心线变形图见图3。

　　从中心线变化看来,无论是顺时针旋转还是逆时针旋转,总变形量都相当,同位置相差0.001～0.015μm,最大0.012″。从变形分量看来,由于X方向为旋转轴方向,所以在旋转过程中没有很大变化;Y方向变化较大,而且其顺时针和逆时针不一样,顺时针方向变形较小,上半部分变形位移比下半部分大,为0.7～1.329μm,而逆时针时,下半部分变形大,平均为0.7～1.314μm,同点相差最大为0.004μm,最大0.003″;Z方向为平移变形,无论是哪个旋转方向,其变形都一样,都在1～1.5μm,沿径向逐渐增大,同点相差最大为0.0148μm,最大0.011″,变形量比X、Y两方向变形都较大,Z向变形影响到镜面焦距,造成离焦影响,引起成像模糊。X、Y方向造成镜面弯曲,引起彗差,在修正成像上要注意。镜面上同点随倾角变化曲线见图4。