專利名稱：空間觀測(cè)光學(xué)遙感器特大口徑可展開主鏡精密鎖定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于空間光學(xué)精密展開機(jī)構(gòu)領(lǐng)域，特別是一種實(shí)現(xiàn)精密鎖定的空間 觀測(cè)光學(xué)遙感器特大口徑可展開主鏡鎖定裝置。
技術(shù)背景隨著空間相機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和需求的不斷提高，對(duì)空間相機(jī)分辨率的要 求越來越高，而提高分辨率的基本途徑是增大光學(xué)系統(tǒng)的口徑?？臻g觀測(cè)光學(xué)遙感器特大口徑(>4m)主鏡如采用傳統(tǒng)的整體式大口徑光學(xué)系統(tǒng)，考慮能 量和傳遞函數(shù)等的要求，光學(xué)系統(tǒng)口徑很大，焦距很長(zhǎng)(》35m),主鏡很重 (18,000kg)。若釆用傳統(tǒng)的減重方法輕量化，主鏡仍將超過5，000kg，整個(gè) 相機(jī)重量預(yù)計(jì)將達(dá)到15,000kg。特大口徑的光學(xué)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的方法無(wú)論從 反射鏡材料、結(jié)構(gòu)、支撐、制造工藝和檢測(cè)方法都難以實(shí)現(xiàn)，相機(jī)的體積和質(zhì) 量也將導(dǎo)致發(fā)射極為困難，而且在空間失重和地面自重狀態(tài)下光學(xué)元件面形的 差異也將更加嚴(yán)重，其對(duì)成像質(zhì)量的影響制約了相機(jī)性能的進(jìn)一步提高?？臻g觀測(cè)光學(xué)遙感器特大口徑主鏡采用可展開主鏡，可展開主鏡由一些較 小尺寸的分塊鏡組成，系統(tǒng)折疊后發(fā)射，入軌后經(jīng)過解鎖、展開、鎖定，按設(shè) 計(jì)方式展開"拼接"成一個(gè)共相位主鏡。為了滿足光學(xué)成像要求，展開機(jī)構(gòu)必 須具有高展開精度(微米量級(jí))、足夠的剛度和穩(wěn)定性(納米量級(jí))，空間精密 展開機(jī)構(gòu)是空間可展開光學(xué)系統(tǒng)的重要組成部分，也是其關(guān)鍵和基礎(chǔ)，主鏡展開機(jī)構(gòu)的精度和穩(wěn)定性直接影響和決定著鏡子主動(dòng)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本， 鎖定機(jī)構(gòu)對(duì)于展開定位精度和展開后穩(wěn)定性的影響最大。因此鎖定機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn) 上述系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)外對(duì)這方面的研究剛開始，國(guó)內(nèi)還未有這方面的研究。國(guó)外研究的鎖定 裝置其定位和鎖緊是一體的， 一般是通過定位銷的形式或通過精密螺栓的方式實(shí)現(xiàn)定位和鎖緊。但這些方式對(duì)定位銷或精密螺栓的加工要求極高，制造難度大，很難實(shí)現(xiàn)較高的定位精度，鎖緊力較難改變和較難測(cè)量；同時(shí)對(duì)動(dòng)載荷擾 動(dòng)的敏感度較大，設(shè)計(jì)良好的鎖定機(jī)構(gòu)重復(fù)精度和穩(wěn)定性精度也只是在微米量 級(jí)，較高精度要求一體化的鎖定機(jī)構(gòu)在空間環(huán)境下易發(fā)生冷焊現(xiàn)象，因此很難 滿足光學(xué)遙感器特大口徑可展開主鏡精密鎖定機(jī)構(gòu)的要求。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種分別實(shí)現(xiàn)定位 和鎖緊的鎖定裝置，實(shí)現(xiàn)光學(xué)遙感器特大口徑可展開主鏡的鎖定，滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、高精度定位和高穩(wěn)定鎖緊的要求。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是空間觀測(cè)光學(xué)遙感器特大口徑可展開主鏡精密 鎖定裝置，包括定位裝置和鎖緊裝置；定位裝置由限制三個(gè)自由度的A組定 位塊、限制兩個(gè)自由度的B組定位塊和限制一個(gè)自由度的C組定位塊組成；A 組定位塊由固定在主鏡中間鏡支撐結(jié)構(gòu)上的母定位塊A母和固定在主鏡分塊鏡 支撐結(jié)構(gòu)上的子定位塊A f組成；B組定位塊由固定在主鏡中間鏡支撐結(jié)構(gòu)上 的母定位塊B ,和固定在主鏡分塊鏡支撐結(jié)構(gòu)上的子定位塊B "且成；C組定 位塊由固定在主鏡中間鏡支撐結(jié)構(gòu)上的母定位塊C母和固定在主鏡分塊鏡支撐 結(jié)構(gòu)上的子定位塊C子組成。鎖緊裝置由固定彈簧螺母、前基座、彈簧、鎖緊 螺母、后基座、推力軸承、鎖緊螺栓、減速器和步進(jìn)電機(jī)組成；步進(jìn)電機(jī)、減 速器、推力軸承、后基座、鎖緊螺栓固定在主鏡中間鏡支撐結(jié)構(gòu)上，減速器后 端連接步進(jìn)電機(jī)，前端與后基座和鎖緊螺栓連接，推力軸承的外徑與后基座連 接，內(nèi)徑與鎖緊螺栓連接；鎖緊螺母、前基座、彈簧和固定彈簧螺母固定在主 鏡分塊鏡支撐結(jié)構(gòu)上，鎖緊螺母位于前基座內(nèi)，鎖緊螺母前端通過固定彈簧螺 母壓緊彈簧。A子為一球臺(tái)，中心開有連接孔。A母為一與A子的球臺(tái)相配合的凹槽，凹 槽內(nèi)表面為三個(gè)均布的斜面，凹槽底面中心開有連接孔。斜面與底面成45。； B子為一球臺(tái)，中心開有連接孔。B母為一與B子的球臺(tái)相配合的凹槽，凹槽內(nèi)面，凹槽底面中心開有連接孔。斜面與底面成45。 ； C子 為一后端帶有螺紋的球頭。C母為一后端帶有螺紋的平面。定位裝置還可以包括限制一個(gè)自由度的D組定位塊，D組定位塊由固定在 主鏡中間鏡支撐結(jié)構(gòu)上的母定位塊D^和固定在主鏡分塊鏡支撐結(jié)構(gòu)上的子定 位塊D+組成。鎖定裝置的數(shù)量大于2。本發(fā)明的工作原理是定位裝置和鎖緊裝置分開的兩部分分別在主鏡分塊 鏡支撐結(jié)構(gòu)和主鏡中間鏡支撐結(jié)構(gòu)的端面安裝，定位裝置保證主鏡分塊鏡和主 鏡中間鏡的相對(duì)精確位置。鎖緊裝置為主鏡分塊鏡支撐結(jié)構(gòu)和主鏡中間鏡支撐 結(jié)構(gòu)提供預(yù)載荷，使定位裝置的兩部分無(wú)間隙的接觸在一起，保證主鏡分塊鏡 和主鏡中間鏡定位精度的穩(wěn)定性。基于精確約束理論以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)結(jié)構(gòu)間精確定位，采用點(diǎn)接觸精確約束剛體 的自由度，在較低的加工精度和成本條件下可以獲得微米級(jí)的定位精度和納米 級(jí)的穩(wěn)定性。在主約束位置由限制3個(gè)自由度的A組定位塊提供了球杯形接 觸面，同時(shí)提供了三點(diǎn)中的一點(diǎn)來定義接觸平面，子定位塊接觸面是球形，母 定位塊接觸面是與安裝底面成45。的120°均布的3個(gè)斜面，子定位塊與主 鏡分塊鏡支撐結(jié)構(gòu)聯(lián)接，母定位塊與主鏡中間鏡支撐結(jié)構(gòu)連接。在次約束位置 由限制2個(gè)自度的B組定位塊提供了凹槽中的球面來固定第一個(gè)定位裝置的 旋轉(zhuǎn)和建立接觸平面的第二點(diǎn)，子定位塊接觸面是球形，母定位塊接觸面是與 安裝底面成45。的180°均布的2個(gè)斜面，子定位塊與主鏡分塊鏡支撐結(jié)構(gòu) 聯(lián)接，母定位塊與主鏡中間鏡支撐結(jié)構(gòu)連接。在第三約束位置是限制1個(gè)自由 度C組定位塊，提供了定位裝置接觸平面的最后一點(diǎn)，子定位塊接觸面是球 形，母定位塊接觸面是平面，通過子定位塊自身的螺紋與主鏡分塊鏡支撐結(jié)構(gòu) 聯(lián)接，母定位塊自身螺紋與主鏡中間鏡支撐結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)。外加的一組限制一個(gè)自 由度的D組定位塊起過定位作用，增加鎖定裝置的鎖定剛度。鎖緊裝置分為兩部分，分別安裝在主鏡分塊鏡支撐結(jié)構(gòu)和主鏡中間鏡支撐結(jié)構(gòu)上。通過電機(jī)帶動(dòng)安裝在減速器上的鎖緊螺栓旋轉(zhuǎn)與鎖緊螺母嚙合，產(chǎn)生 預(yù)緊力，為主鏡分塊鏡支撐結(jié)構(gòu)和主鏡中間鏡支撐結(jié)構(gòu)提供預(yù)載荷，實(shí)現(xiàn)主鏡 分塊鏡和主鏡中間鏡的鎖緊，達(dá)到保持穩(wěn)定的目的。按照設(shè)計(jì)預(yù)載力的大小利 用扭距扳手確定鎖緊螺栓鎖緊需要旋轉(zhuǎn)的角度，通過控制脈沖控制步進(jìn)電機(jī)的 旋轉(zhuǎn)角度。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于1、 本發(fā)明的鎖定裝置，定位和鎖緊是分開來實(shí)現(xiàn)的，降低了加工難度， 提高了定位精度和鎖緊的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的穩(wěn)定性，鎖緊力可調(diào)節(jié)，對(duì)動(dòng) 載荷擾動(dòng)的敏感度較小。2、 由于定位和鎖緊分開實(shí)現(xiàn)，使本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此對(duì)鎖定結(jié)構(gòu)安裝 在主鏡中間鏡支撐結(jié)構(gòu)和主鏡分塊鏡支撐結(jié)構(gòu)部分的初始相對(duì)位置精度要求 不高，提高了鎖定精度，降低了控制難度，提高了控制精度。


圖1為本發(fā)明的空間觀測(cè)光學(xué)遙感器特大口徑可展開主鏡精密鎖定裝置 布置示意圖；圖2為本發(fā)明的空間觀測(cè)光學(xué)遙感器特大口徑可展開主鏡精密鎖定裝置A -A的剖面圖；圖3為本發(fā)明的空間觀測(cè)光學(xué)遙感器特大口徑可展開主鏡精密鎖定裝置B -B剖面圖；圖4為A子的示意圖；圖5為A母的示意圖；圖6為B子的示意圖；圖7為B母的示意圖；圖8為C子的示意圖；圖9為C母的示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。圖1中，1為C組定位塊，2為D組定位塊，3為A組定位塊，4為B組 定位塊，5為鎖緊裝置，6為主鏡分塊鏡支撐結(jié)構(gòu)。圖2中，7為主鏡中間鏡分塊鏡支撐結(jié)構(gòu)，11為子定位塊C+, 12為母定 位塊C母，31為子定位塊A子,32為母定位塊A母，51為固定彈簧螺母，52為 前基座，53為彈簧，54為鎖緊螺母，55為后基座，56為推力軸承，57為鎖 緊螺栓，58為減速器，59為步進(jìn)電機(jī)。圖3中，21為子定位塊D子,22為母定位塊D母，41為子定位塊B子,42 為母定位塊B,。如圖4、 5、 6、 7、 8、 9所示，A子31為一中心開有連接孔的球臺(tái)，A母 32為一與A子(31 )的球臺(tái)相配合的凹槽，凹槽內(nèi)表面為三個(gè)均布的斜面， 凹槽底面中心開有連接孔；B子41為一中心開有連接孔的球臺(tái)，B母42為一與 B子41的球臺(tái)相配合的凹槽，凹槽內(nèi)表面為兩個(gè)均布的斜面，凹槽底面中心開 有連接孔；C子11為一后端帶有螺紋的球頭，C母12為 一后端帶有螺紋的平面。D組定位塊的D子21為一后端帶有螺紋的球頭，與D母22為一后端帶有 螺紋的平面。空間觀測(cè)光學(xué)遙感器特大口徑可展開主鏡精密鎖定裝置，包括定位裝置和 鎖緊裝置5，當(dāng)主鏡分塊鏡展開到設(shè)計(jì)位置，由定位裝置實(shí)現(xiàn)主鏡分塊鏡和主 鏡中間鏡之間的精確定位，由鎖緊裝置5實(shí)現(xiàn)主鏡分塊鏡支撐結(jié)構(gòu)和主鏡中間 鏡支撐結(jié)構(gòu)的鎖緊。具體工作過程如下定位裝置由在主約束位置限制三個(gè)自由度的A組定位塊3、在次約束位置 限制兩個(gè)自由度的B組定位塊2和在第三約束位置限制一組自由度的C組定 位塊1組成；A組定位塊由固定在主鏡中間鏡支撐結(jié)構(gòu)上的母定位塊A母31 和固定在主鏡分塊鏡支撐結(jié)構(gòu)上的子定位塊A子32組成，提供了球杯形接觸 面；B組定位塊由固定在主鏡中間鏡支撐結(jié)構(gòu)上的母定位塊B母41和固定在主 鏡分塊鏡支撐結(jié)構(gòu)上的子定位塊B子42組成，提供了凹槽中的球面來固定第一個(gè)定位裝置的旋轉(zhuǎn)和建立接觸平面的第二點(diǎn)；C組定位塊由固定在主鏡中間 鏡支撐結(jié)構(gòu)上的母定位塊C # 11和固定在主鏡分塊鏡支撐結(jié)構(gòu)上的子定位塊C 子12組成，提供了定位裝置接觸平面的最后一點(diǎn)；外加的一組限制一個(gè)自由度 的D組定位塊2 (過定位定位裝置)增加鎖定機(jī)構(gòu)的鎖定剛度。鎖緊裝置5有兩個(gè)， 一個(gè)布置在C組定位塊1和A組定位塊3中間，另 外一個(gè)布置在D組定位塊2和B組定位塊4之間，鎖緊裝置5由固定彈簧螺 母51、前基座52、彈簧53、鎖緊螺母54、后基座55、推力軸承56、鎖緊 螺栓57、減速器58和步進(jìn)電機(jī)59組成；固定彈簧螺母51、前基座52、彈 簧53和鎖緊螺母54固定在主鏡分塊鏡支撐結(jié)構(gòu)6上，鎖緊螺母54位于前基 座52內(nèi)，鎖緊螺母54前端通過固定彈簧螺母54壓有彈簧53;后基座55、 推力軸承56、鎖緊螺栓57、減速器58和步進(jìn)電機(jī)59固定在主鏡中間鏡支撐 結(jié)構(gòu)7上，減速器58后端連接步進(jìn)電機(jī)59，減速器58前端與后基座55和 鎖緊螺栓57連接，推力軸承56的外徑與后基座55連接，內(nèi)徑與鎖緊螺栓 57連接。通過步進(jìn)電機(jī)59旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)安裝在減速器58上的鎖緊螺栓57旋轉(zhuǎn)， 鎖緊螺栓57與鎖緊螺母54嚙合，使鎖緊螺母54在前基座52中滑動(dòng)產(chǎn)生預(yù) 緊力，為主鏡中間鏡支撐結(jié)構(gòu)7和主鏡分塊鏡支撐結(jié)構(gòu)6提供預(yù)載荷，實(shí)現(xiàn)主 鏡分塊鏡和主鏡中間鏡的鎖緊，達(dá)到保持穩(wěn)定的目的?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī) 59的脈沖來調(diào)節(jié)嚙合的圏數(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)鎖緊力的大小。根據(jù)主鏡中間鏡支撐結(jié)構(gòu)7和主鏡分塊鏡支撐結(jié)構(gòu)6的鎖定寬度和鎖緊力 大小的要求可以調(diào)節(jié)子定位塊的球面球徑以及增加鎖緊裝置5和D組定位塊2 的數(shù)量，裝配時(shí)可以通過修磨定位裝置的調(diào)節(jié)墊片，使定位裝置達(dá)到無(wú)間隙接 觸，較容易保證定位裝置的精確性。為防止鎖緊裝置5的鎖緊螺母54橫向破 壞螺紋，鎖緊螺母54和鎖緊螺栓57可以自動(dòng)對(duì)齊，鎖緊螺母54在前基座 52縱向具有一定的間隙并且橫向可以在滑槽中滑動(dòng)。鎖緊螺母54后面裝有彈 簧53，使鎖緊螺母54和鎖緊螺栓57緊密的貼合在一起，在嚙合過程初期鎖 緊螺母54和鎖緊螺栓57間具有小幅度的相對(duì)角旋轉(zhuǎn)，這樣可以防止螺紋被損壞。鎖緊螺栓57的頂端倒角將對(duì)鎖緊螺母57起導(dǎo)向作用。鎖緊螺栓57用 MoS2潤(rùn)滑，減小鎖緊螺母54的阻力扭矩，在鎖緊螺栓57和后基座55之間 使用推力軸承56,把鎖緊螺栓57在旋轉(zhuǎn)過程中與后基座55的摩擦減到幾乎 為零。
權(quán)利要求
1、空間觀測(cè)光學(xué)遙感器特大口徑可展開主鏡精密鎖定裝置，其特征在于包括定位裝置和鎖緊裝置(5)；定位裝置由限制三個(gè)自由度的A組定位塊(3)、限制兩個(gè)自由度的B組定位塊(4)和限制一個(gè)自由度的C組定位塊(1)組成；A組定位塊(3)由固定在主鏡中間鏡支撐結(jié)構(gòu)(7)上的母定位塊A母(32)和固定在主鏡分塊鏡支撐結(jié)構(gòu)(6)上的子定位塊A子(31)組成；B組定位塊由固定在主鏡中間鏡支撐結(jié)構(gòu)(7)上的母定位塊B母(42)和固定在主鏡分塊鏡支撐結(jié)構(gòu)(6)上的子定位塊B子(41)組成；C組定位塊(1)由固定在主鏡中間鏡支撐結(jié)構(gòu)(7)上的母定位塊C母(12)和固定在主鏡分塊鏡支撐結(jié)構(gòu)(6)上的子定位塊C子(11)組成；鎖緊裝置(5)由固定彈簧螺母(51)、前基座(52)、彈簧(53)、鎖緊螺母(54)、后基座(55)、推力軸承(56)、鎖緊螺栓(57)、減速器(58)和步進(jìn)電機(jī)(59)組成；步進(jìn)電機(jī)(59)、減速器(58)、推力軸承(56)、后基座(55)、鎖緊螺栓(57)固定在主鏡中間鏡支撐結(jié)構(gòu)(7)上，減速器(58)后端連接步進(jìn)電機(jī)(59)，前端與后基座(55)和鎖緊螺栓(57)連接；推力軸承(56)的外徑與后基座(55)連接，內(nèi)徑與鎖緊螺栓(57)連接；鎖緊螺母(54)、前基座(52)、彈簧(53)和固定彈簧螺母(51)固定在主鏡分塊鏡支撐結(jié)構(gòu)(6)上，鎖緊螺母(54)位于前基座(52)內(nèi)，鎖緊螺母(54)前端通過固定彈簧螺母(51)壓緊彈簧(53)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的空間觀測(cè)光學(xué)遙感器特大口徑可展開主鏡精密鎖定 裝置，其特征在于A子(31)為一中心開有連接孔的球臺(tái)，A母(32)為一與A子(31 )的球 臺(tái)相配合的凹槽，凹槽內(nèi)表面為三個(gè)均布的斜面，凹槽底面中心開有連接孔； B子(41)為一中心開有連接孔的球臺(tái)，B母(42)為一與B子(41)的球臺(tái)相配合的凹槽，凹槽內(nèi)表面為兩個(gè)均布的斜面，凹槽底面中心開有連接孔； C子(11 )為一后端帶有螺紋的球頭，C母(12 )為一后端帶有螺紋的早面。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2的空間觀測(cè)光學(xué)遙感器特大口徑可展開主鏡精密鎖定 裝置，其特征在于所述的A母(32)和B母(42)凹槽內(nèi)表面的斜面與底面 成45。。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2的空間觀測(cè)光學(xué)遙感器特大口徑可展開主鏡精密 鎖定裝置，其特征在于所述定位裝置還包括一組限制一個(gè)自由度的D組定 位塊(2 ); D組定位塊由固定在主鏡中間鏡支撐結(jié)構(gòu)(7)上的母定位塊D母(22)和固定在主鏡分塊鏡支撐結(jié)構(gòu)(6)上的子定位塊D^ (21 )組成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4的空間觀測(cè)光學(xué)遙感器特大口徑可展開主鏡精密鎖定 裝置，其特征在于所述母定位塊D母(22)的結(jié)構(gòu)為一后端帶有螺紋的球頭， 子定位塊D子(21)的結(jié)構(gòu)為一后端帶有螺紋的平面。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1的空間觀測(cè)光學(xué)遙感器特大口徑可展開主鏡精密鎖定 裝置，其特征在于所述鎖緊裝置(5)的數(shù)量大于2。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1的空間觀測(cè)光學(xué)遙感器特大口徑可展開主鏡精密鎖定 裝置，其特征在于所述前基座(52)內(nèi)側(cè)開有滑槽，鎖緊螺母(54)在滑 槽內(nèi)的縱向具有間隙，并且橫向可以在滑槽中移動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空間觀測(cè)光學(xué)遙感器特大口徑可展開主鏡精密鎖定裝置，包括定位裝置和鎖緊裝置。定位裝置由限制三個(gè)自由度的一組定位塊、限制兩個(gè)自由度的一組定位塊和限制一個(gè)自由度的一組定位塊組成；每組定位塊由固定在主鏡中間鏡支撐結(jié)構(gòu)上的母定位塊和固定在主鏡分塊鏡支撐結(jié)構(gòu)上的子定位塊組成。鎖緊裝置由固定彈簧螺母、前基座、彈簧、鎖緊螺母、后基座、推力軸承、鎖緊螺栓、減速器和步進(jìn)電機(jī)組成。本發(fā)明的鎖定裝置，定位和鎖緊是分開來實(shí)現(xiàn)的，降低了加工和控制難度，提高了定位精度和鎖緊的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的穩(wěn)定性。本發(fā)明也適用于其它空間大型展開機(jī)構(gòu)。
文檔編號(hào)G01S7/481GK101236288SQ20071017850
公開日2008年8月6日 申請(qǐng)日期2007年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日
發(fā)明者傅丹鷹, 劉義良, 徐彭梅, 李玉高, 王永輝, 陳曉麗 申請(qǐng)人:北京空間機(jī)電研究所