空间观测光学遥感器特大口径可展开主镜精密锁定装置

摘要

本发明公开了一种空间观测光学遥感器特大口径可展开主镜精密锁定装置，包括定位装置和锁紧装置。定位装置由限制三个自由度的一组定位块、限制两个自由度的一组定位块和限制一个自由度的一组定位块组成；每组定位块由固定在主镜中间镜支撑结构上的母定位块和固定在主镜分块镜支撑结构上的子定位块组成。锁紧装置由固定弹簧螺母、前基座、弹簧、锁紧螺母、后基座、推力轴承、锁紧螺栓、减速器和步进电机组成。本发明的锁定装置，定位和锁紧是分开来实现的，降低了加工和控制难度，提高了定位精度和锁紧的稳定性，实现纳米级的稳定性。本发明也适用于其它空间大型展开机构。

说明书

技术领域

本发明属于空间光学精密展开机构领域，特别是一种实现精密锁定的空间观测光学遥感器特大口径可展开主镜锁定装置。

背景技术

随着空间相机技术的快速发展和需求的不断提高，对空间相机分辨率的要求越来越高，而提高分辨率的基本途径是增大光学系统的口径。空间观测光学遥感器特大口径(≥4m)主镜如采用传统的整体式大口径光学系统，考虑能量和传递函数等的要求，光学系统口径很大，焦距很长(≥35m)，主镜很重(18,000kg)。若采用传统的减重方法轻量化，主镜仍将超过5,000kg，整个相机重量预计将达到15,000kg。特大口径的光学系统采用传统的方法无论从反射镜材料、结构、支撑、制造工艺和检测方法都难以实现，相机的体积和质量也将导致发射极为困难，而且在空间失重和地面自重状态下光学元件面形的差异也将更加严重，其对成像质量的影响制约了相机性能的进一步提高。

空间观测光学遥感器特大口径主镜采用可展开主镜，可展开主镜由一些较小尺寸的分块镜组成，系统折叠后发射，入轨后经过解锁、展开、锁定，按设计方式展开“拼接”成一个共相位主镜。为了满足光学成像要求，展开机构必须具有高展开精度(微米量级)、足够的刚度和稳定性(纳米量级)，空间精密展开机构是空间可展开光学系统的重要组成部分，也是其关键和基础，主镜展开机构的精度和稳定性直接影响和决定着镜子主动控制系统的复杂性和成本，锁定机构对于展开定位精度和展开后稳定性的影响最大。因此锁定机构是实现上述系统的关键技术。

国外对这方面的研究刚开始，国内还未有这方面的研究。国外研究的锁定装置其定位和锁紧是一体的，一般是通过定位销的形式或通过精密螺栓的方式实现定位和锁紧。但这些方式对定位销或精密螺栓的加工要求极高，制造难度大，很难实现较高的定位精度，锁紧力较难改变和较难测量；同时对动载荷扰动的敏感度较大，设计良好的锁定机构重复精度和稳定性精度也只是在微米量级，较高精度要求一体化的锁定机构在空间环境下易发生冷焊现象，因此很难满足光学遥感器特大口径可展开主镜精密锁定机构的要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种分别实现定位和锁紧的锁定装置，实现光学遥感器特大口径可展开主镜的锁定，满足结构简单、高精度定位和高稳定锁紧的要求。

本发明的技术解决方案是：空间观测光学遥感器特大口径可展开主镜精密锁定装置，包括定位装置和锁紧装置；定位装置由限制三个自由度的A组定位块、限制两个自由度的B组定位块和限制一个自由度的C组定位块组成；A组定位块由固定在主镜中间镜支撑结构上的母定位块A母和固定在主镜分块镜支撑结构上的子定位块A_子组成；B组定位块由固定在主镜中间镜支撑结构上的母定位块B_母和固定在主镜分块镜支撑结构上的子定位块B_子组成；C组定位块由固定在主镜中间镜支撑结构上的母定位块C_母和固定在主镜分块镜支撑结构上的子定位块C_子组成。锁紧装置由固定弹簧螺母、前基座、弹簧、锁紧螺母、后基座、推力轴承、锁紧螺栓、减速器和步进电机组成；步进电机、减速器、推力轴承、后基座、锁紧螺栓固定在主镜中间镜支撑结构上，减速器后端连接步进电机，前端与后基座和锁紧螺栓连接，推力轴承的外径与后基座连接，内径与锁紧螺栓连接；锁紧螺母、前基座、弹簧和固定弹簧螺母固定在主镜分块镜支撑结构上，锁紧螺母位于前基座内，锁紧螺母前端通过固定弹簧螺母压紧弹簧。

A_子为一球台，中心开有连接孔。A_母为一与A_子的球台相配合的凹槽，凹槽内表面为三个均布的斜面，凹槽底面中心开有连接孔。斜面与底面成45°；B_子为一球台，中心开有连接孔。B_母为一与B_子的球台相配合的凹槽，凹槽内表面为两个均布的斜面，凹槽底面中心开有连接孔。斜面与底面成45°；C_子为一后端带有螺纹的球头。C_母为一后端带有螺纹的平面。

定位装置还可以包括限制一个自由度的D组定位块，D组定位块由固定在主镜中间镜支撑结构上的母定位块D母和固定在主镜分块镜支撑结构上的子定位块D_子组成。

锁定装置的数量大于2。

本发明的工作原理是：定位装置和锁紧装置分开的两部分分别在主镜分块镜支撑结构和主镜中间镜支撑结构的端面安装，定位装置保证主镜分块镜和主镜中间镜的相对精确位置。锁紧装置为主镜分块镜支撑结构和主镜中间镜支撑结构提供预载荷，使定位装置的两部分无间隙的接触在一起，保证主镜分块镜和主镜中间镜定位精度的稳定性。

基于精确约束理论以实现两个结构间精确定位，采用点接触精确约束刚体的自由度，在较低的加工精度和成本条件下可以获得微米级的定位精度和纳米级的稳定性。在主约束位置由限制3个自由度的A组定位块提供了球杯形接触面，同时提供了三点中的一点来定义接触平面，子定位块接触面是球形，母定位块接触面是与安装底面成45°的120°均布的3个斜面，子定位块与主镜分块镜支撑结构联接，母定位块与主镜中间镜支撑结构连接。在次约束位置由限制2个自度的B组定位块提供了凹槽中的球面来固定第一个定位装置的旋转和建立接触平面的第二点，子定位块接触面是球形，母定位块接触面是与安装底面成45°的180°均布的2个斜面，子定位块与主镜分块镜支撑结构联接，母定位块与主镜中间镜支撑结构连接。在第三约束位置是限制1个自由度C组定位块，提供了定位装置接触平面的最后一点，子定位块接触面是球形，母定位块接触面是平面，通过子定位块自身的螺纹与主镜分块镜支撑结构联接，母定位块自身螺纹与主镜中间镜支撑结构联结。外加的一组限制一个自由度的D组定位块起过定位作用，增加锁定装置的锁定刚度。

锁紧装置分为两部分，分别安装在主镜分块镜支撑结构和主镜中间镜支撑结构上。通过电机带动安装在减速器上的锁紧螺栓旋转与锁紧螺母啮合，产生预紧力，为主镜分块镜支撑结构和主镜中间镜支撑结构提供预载荷，实现主镜分块镜和主镜中间镜的锁紧，达到保持稳定的目的。按照设计预载力的大小利用扭距扳手确定锁紧螺栓锁紧需要旋转的角度，通过控制脉冲控制步进电机的旋转角度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明的锁定装置，定位和锁紧是分开来实现的，降低了加工难度，提高了定位精度和锁紧的稳定性，实现纳米级的稳定性，锁紧力可调节，对动载荷扰动的敏感度较小。

2、由于定位和锁紧分开实现，使本发明结构简单，因此对锁定结构安装在主镜中间镜支撑结构和主镜分块镜支撑结构部分的初始相对位置精度要求不高，提高了锁定精度，降低了控制难度，提高了控制精度。

附图说明

图1为本发明的空间观测光学遥感器特大口径可展开主镜精密锁定装置布置示意图；

图2为本发明的空间观测光学遥感器特大口径可展开主镜精密锁定装置A-A的剖面图；

图3为本发明的空间观测光学遥感器特大口径可展开主镜精密锁定装置B-B剖面图；

图4为A_子的示意图；

图5为A_母的示意图；

图6为B_子的示意图；

图7为B_母的示意图；

图8为C_子的示意图；

图9为C_母的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1中，1为C组定位块，2为D组定位块，3为A组定位块，4为B组定位块，5为锁紧装置，6为主镜分块镜支撑结构。

图2中，7为主镜中间镜分块镜支撑结构，11为子定位块C_子，12为母定位块C_母，31为子定位块A_子，32为母定位块A_母，51为固定弹簧螺母，52为前基座，53为弹簧，54为锁紧螺母，55为后基座，56为推力轴承，57为锁紧螺栓，58为减速器，59为步进电机。

图3中，21为子定位块D_子，22为母定位块D_母，41为子定位块B_子，42为母定位块B_母。

如图4、5、6、7、8、9所示，A_子31为一中心开有连接孔的球台，A_母32为一与A子(31)的球台相配合的凹槽，凹槽内表面为三个均布的斜面，凹槽底面中心开有连接孔；B_子41为一中心开有连接孔的球台，B_母42为一与B_子41的球台相配合的凹槽，凹槽内表面为两个均布的斜面，凹槽底面中心开有连接孔；C_子11为一后端带有螺纹的球头，C_母12为一后端带有螺纹的平面。

D组定位块的D_子21为一后端带有螺纹的球头，与D_母22为一后端带有螺纹的平面。

空间观测光学遥感器特大口径可展开主镜精密锁定装置，包括定位装置和锁紧装置5，当主镜分块镜展开到设计位置，由定位装置实现主镜分块镜和主镜中间镜之间的精确定位，由锁紧装置5实现主镜分块镜支撑结构和主镜中间镜支撑结构的锁紧。具体工作过程如下：

定位装置由在主约束位置限制三个自由度的A组定位块3、在次约束位置限制两个自由度的B组定位块2和在第三约束位置限制一组自由度的C组定位块1组成；A组定位块由固定在主镜中间镜支撑结构上的母定位块A_母31和固定在主镜分块镜支撑结构上的子定位块A_子32组成，提供了球杯形接触面；B组定位块由固定在主镜中间镜支撑结构上的母定位块B_母41和固定在主镜分块镜支撑结构上的子定位块B_子42组成，提供了凹槽中的球面来固定第一个定位装置的旋转和建立接触平面的第二点；C组定位块由固定在主镜中间镜支撑结构上的母定位块C_母11和固定在主镜分块镜支撑结构上的子定位块C_子12组成，提供了定位装置接触平面的最后一点；外加的一组限制一个自由度的D组定位块2(过定位定位装置)增加锁定机构的锁定刚度。

锁紧装置5有两个，一个布置在C组定位块1和A组定位块3中间，另外一个布置在D组定位块2和B组定位块4之间，锁紧装置5由固定弹簧螺母51、前基座52、弹簧53、锁紧螺母54、后基座55、推力轴承56、锁紧螺栓57、减速器58和步进电机59组成；固定弹簧螺母51、前基座52、弹簧53和锁紧螺母54固定在主镜分块镜支撑结构6上，锁紧螺母54位于前基座52内，锁紧螺母54前端通过固定弹簧螺母54压有弹簧53；后基座55、推力轴承56、锁紧螺栓57、减速器58和步进电机59固定在主镜中间镜支撑结构7上，减速器58后端连接步进电机59，减速器58前端与后基座55和锁紧螺栓57连接，推力轴承56的外径与后基座55连接，内径与锁紧螺栓57连接。通过步进电机59旋转带动安装在减速器58上的锁紧螺栓57旋转，锁紧螺栓57与锁紧螺母54啮合，使锁紧螺母54在前基座52中滑动产生预紧力，为主镜中间镜支撑结构7和主镜分块镜支撑结构6提供预载荷，实现主镜分块镜和主镜中间镜的锁紧，达到保持稳定的目的。可以通过调节步进电机59的脉冲来调节啮合的圈数实现调节锁紧力的大小。

根据主镜中间镜支撑结构7和主镜分块镜支撑结构6的锁定宽度和锁紧力大小的要求可以调节子定位块的球面球径以及增加锁紧装置5和D组定位块2的数量，装配时可以通过修磨定位装置的调节垫片，使定位装置达到无间隙接触，较容易保证定位装置的精确性。为防止锁紧装置5的锁紧螺母54横向破坏螺纹，锁紧螺母54和锁紧螺栓57可以自动对齐，锁紧螺母54在前基座52纵向具有一定的间隙并且横向可以在滑槽中滑动。锁紧螺母54后面装有弹簧53，使锁紧螺母54和锁紧螺栓57紧密的贴合在一起，在啮合过程初期锁紧螺母54和锁紧螺栓57间具有小幅度的相对角旋转，这样可以防止螺纹被损坏。锁紧螺栓57的顶端倒角将对锁紧螺母57起导向作用。锁紧螺栓57用MoS2润滑，减小锁紧螺母54的阻力扭矩，在锁紧螺栓57和后基座55之间使用推力轴承56，把锁紧螺栓57在旋转过程中与后基座55的摩擦减到几乎为零。