大口径反射光学系统装调装置设计研究

　　1　引　言

　　反射式光学系统具有不存在任何色差,可用于宽谱段成像;光路折叠,缩短筒长,结构紧凑;采用非球面,减少零件数,易实现轻量化;光学材料容易解 决,稳定性好,易实现大口径和超大口径等优点。因而广泛应用于空间遥感领域。长焦距、大口径反射式成像光学系统焦距在5 m以上,口径在500 mm以上,并有多块反射镜组成。本文研究的是最大口径大于500 mm,由3块反射镜组成的光学系统的装调装置。3块反射镜的空间位置需要通过装调装置来找正。因此,具有6自由度的装调装置是光学系统装调必需的设备,而 该装置的承载能力、精度、稳定性、重复性、灵敏度直接影响到整体装调像质,这就对6自由度的装调装置的结构及驱动提出了极高的要求。本文从满足光学系统装 调要求角度出发,对该装置的组成、工作原理、系统布置进行详细介绍。

　　2　装调装置的要求

　　该装置需有以下要求:XM、YM和ZM位移及XR、YR和ZR转动,共6个自由度。位移精度需达到10μm,转动精度需达到3″;较高的复位 性;无低频固有振动频率;位移与旋转驱动装置具有较高灵敏度;由于光学系统中主镜、次镜、第三镜位置很近,因此要求装调装置的整体结构紧凑。

　　3　装调装置的设计

　　装调装置主要由X2Y平移滑台、ZR转台、上支撑板、下支撑板、螺旋差动机构、配重等组成。反射镜的支撑结构通过6个M10螺钉与装调装置的上 支撑板的前面板连接,该装置结构原理见图1。2个单向平移台成90°上下叠加在一起形成X2Y平移台,X2Y平移台的功能是实现反射镜XM、YM位移。

　　滚柱轴承做机械直线运动有很高的精确度,承载能力大、刚性好(超过球珠的10倍)、摩擦系数低、纯滚动、使用寿命长、免维护。本文选用的是直线 度小于2.5μm/25 mm、角度误差小于4 rad/s、重复定位精度小于2μm的滚柱直线精密线性平移台。而驱动该平移台的滚珠丝杠螺距为2.5 mm,为使平台的直线位移灵敏度能够达到10μm以内,可在平移台的驱动处加装速比为63的单极谐波传动减速器,来满足直线位移高灵敏度的要求。

　　在X2Y平移台的上方有转台,转台的功能是实现ZR转动。转台的轴承用直径大于300 mm,具有轴向止推、径向止压、精度小于10μm的滚珠轴承。转台的旋转通过螺旋差动驱动机构及力封闭弹簧来控制。由于采用螺旋差动驱动机构(其工作原理 在本文后部有详细介绍),转台的旋转灵敏度可达到1″。

　　光学系统中,主镜与第三镜的位置非常近,装调装置不允许做得非常庞大,另外装调装置的调整机构非常繁多,单纯的叠加在一起来实现6自由度的调 整,其整体稳定性也将受到影响。因此,剩余的3个自由度ZM位移、XR转动、YR转动很难通过3个独立的调整机构加到装调装置上。本文将通过一个装调机构 来完成装调装置剩余3个自由度ZM位移、XR转动、YR转动的调整。