0.5m超薄镜主动支撑面形校正及实验

为了研究主动支撑条件对超薄镜面形误差的校正能力,以一个直径0.5m的超薄镜为例进行了面形校正的仿真分析及实验验证。分析了致动器作用力与超薄镜面形的关系,引入了一些需校正的面形误差,如初级球差、慧差、像散及重力变形等,确定了致动器作用力的优化目标,用求解非线性约束问题的优化算法——序列二次规划法计算了校正面形误差所需的致动器作用力,得到了超薄镜面形残余误差。仿真分析表明,对于归一化系数为1的初始球差、慧差、像散以及它们的叠加,用本文提供的致动器排布方式可以将面形误差校正到RMSλ/24以内,且对初级像散的校正能力最强,慧差和球差次之;竖直放置时的重力变形加上3种低阶像差的叠加也可被校正到RMSλ/24。在得到主动支撑的0.5m实验镜的初始面形结果后,重新计算了优化力和面形误差,结果表明,计算结果和实际装调结果基本一致,RMS约为λ/7。计算分析了超薄镜面形未能达到预期目标的原因,提出了适当增加致动器和提高超薄镜初始面形精度的改进方案,并最终使超薄镜面形达到RMSλ/20的要求。

大口径薄型光学镜面支撑方案的优化设计

针对薄型光学镜面支撑过程中的主动施力过程,建立了一个1维分析模型。利用该模型,采用有限元法对一个口径为300 mm、直径与厚度比为40的薄型光学镜面,利用离散支撑方案,针对4种镜面变形进行了计算,得到了实现变形要求所需施加力的大小。使用零阶优化方法中的子问题逼近法对施力位置、施力大小进行了具体优化。分析结果显示:优化后的镜面变形与目标形状更接近,最大平均差值比优化前减小了58%。

620mm薄镜面的主动支撑结构及面形校正

为了提高大口径薄镜面望远镜主镜在不同俯仰角度的支撑面形精度,采用模态振型模式定标实时对主镜面形进行了主动校正。针对口径为620mm,厚度为18mm,底支撑采用36点主动支撑,侧支撑采用6点切向被动支撑的薄镜面主动支撑系统,分析了主镜自由振动时的模态振型;在进行主动校正前将其前10阶模态振型的RMS值归一化为1 000nm,定标出相应的校正力;分析了不同俯仰角下主镜面形的变化,并采用最小二乘法用模态振型为底基函数拟合了主镜面变形,求解出主动校正力;对比校正面形和原始面形的关系,在二次主动校正之后分析了拟合残差和校正残差的关系。最终校正结果显示,主镜竖直放置时,用最大2.23N的校正力可将其面形RMS从27.62nm校正到12.95nm;主镜水平放置时,用最大0.59N的校正力可将其面形RMS从7.68nm校正到2.84nm。得到的结果验证了采用模态振型校正主镜面形的可行性。

傅里叶望远镜外场实验聚光镜子镜支撑模块的设计

傅里叶望远镜作为一种新兴的光电探测技术,已经成为对深空目标高分辨率成像的首选技术之一。为了推进实际系统的工程化进展,提出了傅里叶望远镜外场实验系统聚光镜子镜支撑模块,串联分级设计了镜面支撑与角度调整机构。子镜底支撑采用圆周均布的3点柔性膜片,可以很好地抵消热变形对面型精度的影响;侧支撑采用中心柔性隔膜定位,6点杠杆重锤承受径向重力载荷;角度调整机构采用3点螺旋传动来实现对子镜室的3自由度调整。有限元分析表明,镜面的PV值为200nm,RMS值为40nm,曲率半径变化<1mm。该设计方法对薄镜面的支撑调整也具有一定的参考价值。

弯月薄镜的侧向支撑

弯月薄镜在侧向均匀承重和弯月薄镜在采用侧向均匀承重和等间距竖直推拉侧向支撑方式时,等间距竖直推拉侧向支撑方式时,会产生明显的弯曲变形问题。为消除附加弯矩带来的镜面变形,本文分析了弯月薄镜的结构特点,提出了适用于弯月薄镜的等角间距推一拉一剪切和不等角间距推一拉一剪切两种侧向支撑方式。通过在侧向支撑上增加轴向剪切平衡作用力分量,推导了在上述两种侧向支撑方式下各向作用力分量的表达式。针对1.23 m弯月薄镜,优化出切向分量最佳比率β为0.75。对16点等间距侧向支撑增加轴向剪切分量后,镜面变形RMS值由1259.1nm减小到3.4nm,无需轴向主动校正即可获得较好的支撑面形。不等角间距侧向支撑方式则解决了等间距侧向支撑方式中各个侧向支撑点的作用力大小差异较大的问题,结合弯月薄镜轴向支撑的主动校正能力,在最大校正力仅为-1.01 N的主动校正后,16点不等间距侧向支撑实现了镜面变形RMS为4.6 nm的支撑效果。

镜像铣加工过程中薄壁工件变形和振动的预测

镜像铣是大型薄壁工件加工的有效方法,在航空航天等重要领域有着广泛的应用.镜像铣加工过程中薄壁工件的变形和振动是影响加工精度的主要因素,如何准确预测镜像铣加工过程中薄壁工件的变形和振动是优化加工参数、提高加工精度的关键问题.本文基于金属切削原理并考虑了薄壁工件加工过程中的弯曲变形和铣削力相互作用,建立了铣削力预估模型.在此基础上,结合薄板小变形理论和有限元法,建立了考虑加工过程中材料去除和铣削力与支撑同步运动的薄壁工件镜像铣动态力学模型.通过仿真模拟,研究了支撑刚度、支撑阻尼、主轴转速和进给率对薄壁工件变形和振动的影响规律.结果表明,在镜像铣加工过程中薄壁工件的变形随着支承刚度的增加而减小,振动幅值随着支撑阻尼的增加而减小.最后,对6061铝合金薄板的镜像铣加工实验与本文建立模型的时域和频域信号进行了比较.振动数据采集点处的模型预测结果与实验相差小于5%,二者对比结果表明所建立的模型能够对薄壁工件加工过程中的变形和振动进行准确的预测.镜像铣加工相比于直接铣削加工,薄板加工点处的振动幅值从71.61μm减小到5.71μm,对比结果表明柔性支撑结构能够有效地减小加工过程中薄壁工件的振动.本文工作有助于提高薄壁工件的镜像铣加工精度.

弯月薄镜的切向侧支撑设计研究

针对主动光学系统中的φ620mm弯月薄镜设计了双向柔性侧支撑结构,从理论上分析了薄镜切向侧支撑方式的工作原理和支撑力的分布情况,并采用有限元法计算出望远镜指向水平时薄镜所受侧支撑力的大小和方向,验证了受力分析的正确性。通过有限元计算出不同俯仰角下,切向侧支撑方式和轴向主动支撑共同作用时薄镜校正前后的镜面面形的变化情况。当望远镜指向水平时,薄镜镜面变形最大,经过主动校正后的镜面面形误差RMS值为14.1nm,满足设计指标要求。

支撑面积对薄镜面形影响的研究

为了降低大口径光学元件的体积和质量,薄型镜面已被广泛应用于各类天文望远系统和高功率激光系统。对薄型镜面进行合理的支撑是一个必须解决的问题,支撑系统的设计对光学成像质量以及光传输过程都有明显的影响。针对多点支撑情况下,支撑单元大小对薄型光学元件面形的影响进行了分析,建立了圆口径薄型光学元件的有限元分析模型,计算了支撑单元大小不同情况下光学元件面形的P-V、RMS值以及PSD曲线,分别从空间域与频率域上得到了支撑单元大小与镜面面形畸变之间的响应特性,根据计算结果,给出了不同的光学系统选择支撑单元应遵循的基本原则。

Ф1.2m主镜光学加工中轴向支撑系统的补偿力分析计算

大镜面反射镜在加工过程中需要处理一些低阶的Zernike多项式面形中非旋转对称的面形残余量。这些面型残余量大大增加了加工的难度。提出利用主动支撑技术指导镜面面形的加工过程,降低加工难度。主要研究加工过程中应用主动支撑技术补偿某些低阶Zernike系数面形残差的技术方法。在轴向支撑系统中采用全浮动支撑方式对镜面面形进行控制,采用力作为控制变量的控制模式使镜面产生低阶Zernike多项式面形变化,进一步"修正"处理某些不满足合力为零和合力矩平衡的解,成功实现主动支撑补偿低阶Zernike系数项面形。最后通过Ansys-Workbench软件仿真验证该计算方法的可行性。

基于浮动支撑的620mm薄反射镜面形主动校正

对口径620mm、厚18mm的弯月形薄反射镜进行了面形误差的主动校正实验,通过浮动支撑方式保证了在校正过程中镜面空间位置不变。实验主镜的支撑结构由轴向36个主动支撑点和侧向6个被动支撑点组成,在轴向支撑点中对称选择中圈3个点作为虚拟硬点,通过调整其他促动器的支撑力保证虚拟硬点受力始终为零来实现浮动支撑。系统采用哈特曼波前传感器作为面形检测设备,采用最小二乘法计算校正力。实验中测出系统的像差校正能力,选择中低频的Zernike像差参与校正,并进行了不同俯仰角下面形的闭环与开环校正,实验结果表明通过浮动支撑方式有效地控制了校正过程中镜面的平移和倾斜。在不同俯仰角下通过闭环校正,均可将镜面面形误差均方根(RMS)的初始值(约0.6λ,λ=632.8nm)校正到约λ/15,开环面形校正精度的RMS达到λ/10～λ/14。通过实验研究了俯仰角变化时的面形校正过程和校正力计算方法,并验证了采用浮动支撑方式控制镜面空间位置的可行性。

主动光学薄镜支撑及驱动研究

随着光学遥感器分辨能力的不断提高和口径的不断增大,导致遥感器的重量越来越重,使得载体无法承受。针对此问题,提出了对薄反射镜进行主动支撑的方式,以解决口径大、重量重的问题。利用有限元分析和数学理论相结合的方法在对反射镜施加垂直镜面1g加速度(g=9.80665m/s2为重力加速度)和10℃的温升载荷情况下,对薄反射镜的位移驱动器数量及分布是否合理进行了分析计算,得出了反射镜变形最小时的各促动器的位移量,然后把位移量输入到有限元中相应的节点,计算出了校正后反射镜的面形指标能够达到光学成像要求。具体对Φ500mm、厚3mm的反射镜进行了分析,初步计算的3点和9点支撑的变形值分别为26μm和2.4μm,不能满足系统的成像要求。当运用数学方法计算支撑促动器的间距为72mm时,得出支撑点数为107个,由此再进行有限元分析,得出薄反射镜的面形值,PV值和RMS值分别为119nm和31nm,满足系统的成像要求。分析结果表明,利用数学理论与有限元仿真分析相结合的方法,在薄反射镜变形控制中是可行性的,并为主动光学实验提供了数值依据。

超薄反射镜支撑技术

运用有限元方法对一种超薄反射镜的多个支撑方案进行分析计算,其中包括支撑点数量及排布方式的合理选择、支撑组件的优化设计。分析结果表明:该超薄反射镜在自重下的面形精度通过多点调节能够满足要求,预示了将该支撑技术应用于超薄反射镜具有可行性,并为超薄反射镜结构在面形控制实验中实施主动调节提供了数值依据。

8m能动薄主镜侧支撑设计

薄主镜支撑系统分为轴向和侧向支撑两部分,侧向支撑承担主镜垂直于光轴方向的重力分量。介绍了pushpull-shear侧支撑及能动校正原理,并针对一块8 m口径薄主镜进行了侧支撑设计。设计了5种备选侧支撑方案,并考虑到主镜对面形的能动校正能力,借助有限元计算对它们进行了分析和比较,选出了一种最佳方案作为8 m薄主镜的侧支撑方案。该侧支撑方案共有64个侧支撑点,每个侧支撑点仅施加沿主镜切向的支撑力。当主镜竖直放置时,主镜能动校正后的镜面均方根值为19.2 nm,校正力范围为-318.9-301.4 N。相比传统push-pull-shear侧支撑方式,该侧支撑方案结构简单,易于实现,同时支撑效果良好。