本發(fā)明屬于機(jī)械設(shè)計(jì)制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大口徑天文望遠(yuǎn)鏡三鏡系統(tǒng)的鏡面調(diào)整和焦點(diǎn)切換機(jī)構(gòu)。三鏡作為大口徑天文望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵部件之一，其切換精度直接影響望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量，因此，三鏡系統(tǒng)需要采用高精度切換裝置，該裝置亦可應(yīng)用于變方位反射鏡的鏡座設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

隨著天文觀測要求的提高，望遠(yuǎn)鏡的口徑越來越大，大口徑天文望遠(yuǎn)鏡通常具有cassegrain焦點(diǎn)和nasmyth焦點(diǎn)，為了提高望遠(yuǎn)鏡的使用效率，需對望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的焦點(diǎn)進(jìn)行充分的利用。當(dāng)望遠(yuǎn)鏡跟蹤天文目標(biāo)時(shí)，三鏡系統(tǒng)需要相應(yīng)的轉(zhuǎn)動和傾斜以保證經(jīng)三鏡反射的光束能夠穩(wěn)定入射到相應(yīng)的焦點(diǎn)科學(xué)儀器中，就可使其中一種終端設(shè)備處于工作狀態(tài)。目前，三鏡系統(tǒng)的定位機(jī)構(gòu)主要有兩種形式：1）地平式望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包含水平軸線旋轉(zhuǎn)的俯仰軸系和繞垂直軸線旋轉(zhuǎn)的方位軸系，具有極高的運(yùn)動精度和良好的穩(wěn)定性。該結(jié)構(gòu)可以把望遠(yuǎn)鏡光路切換到四個(gè)nasmyth焦點(diǎn)，但是三鏡無法避讓cassegrain光路；2）stewart六桿機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)軸系組合結(jié)構(gòu)，六桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，結(jié)構(gòu)剛度高，定位精度高，靈活性高，但是存在各桿之間相互干涉的問題，容易出現(xiàn)系統(tǒng)的卡死，對控制系統(tǒng)要求非常嚴(yán)格。由于六桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征，使得六桿機(jī)構(gòu)的側(cè)向荷載很小，僅有其軸向荷載的三分之一。另外，六桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動角度限制，也無法避讓cassegrain光路。現(xiàn)有三鏡系統(tǒng)使用cassegrain焦點(diǎn)時(shí)，則需要拆除三鏡系統(tǒng)，不但浪費(fèi)了寶貴的觀測時(shí)間，也無法保證其重復(fù)安裝精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的提供一種高精度的反射鏡切換裝置，實(shí)現(xiàn)了三鏡系統(tǒng)的鏡面調(diào)整和焦點(diǎn)切換，能夠使安裝在不同焦點(diǎn)位置處的成像設(shè)備分別進(jìn)行工作，可以解決現(xiàn)有三鏡系統(tǒng)無法使用cassegrain焦點(diǎn)、六桿機(jī)構(gòu)側(cè)向荷載小等問題。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案達(dá)到上述目的：高精度的反射鏡切換裝置，與望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的主鏡同軸安裝，設(shè)置在主鏡與副鏡之間，其特征在于，本切換裝置由隨動型支撐機(jī)構(gòu)、空間冗余并聯(lián)驅(qū)動機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成；其中的空間冗余并聯(lián)驅(qū)動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)反射鏡90度或45度的翻轉(zhuǎn)。

在望遠(yuǎn)鏡工作時(shí)，光線從無窮遠(yuǎn)處進(jìn)入主鏡，然后匯聚至副鏡前，副鏡把光線反射匯集到cassegrain焦點(diǎn)，或者再經(jīng)過反射鏡匯聚在nasmyth焦點(diǎn)上，焦點(diǎn)處安裝成像設(shè)備。由于加工和裝配會產(chǎn)生誤差，很難保證反射鏡在安裝后的位姿就是理論上正確的位姿，利用隨動型支撐機(jī)構(gòu)可精確調(diào)整反射鏡的姿態(tài)，調(diào)整完成后鎖定，保證望遠(yuǎn)鏡在各個(gè)焦點(diǎn)具有良好的像質(zhì)。利用空間冗余并聯(lián)驅(qū)動機(jī)構(gòu)將反射鏡翻轉(zhuǎn)到90度時(shí)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)主鏡反射到副鏡的光線經(jīng)副鏡反射匯集到cassegrain焦點(diǎn)，且不遮擋光線;當(dāng)反射鏡翻轉(zhuǎn)到45度時(shí)，反射鏡將副鏡光線反射到nasmyth焦點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)耐氏焦點(diǎn)之間的切換。

所述隨動型支撐機(jī)構(gòu)包含3組底支撐、側(cè)支撐、鏡室及反射鏡；其中的底支撐為橫杠結(jié)構(gòu)，該橫杠中心位置設(shè)置一個(gè)消隙旋轉(zhuǎn)軸系，該橫杠兩端采用柔性鉸鏈與反射鏡聯(lián)接；第一滾珠花鍵副的花鍵軸分別與該橫杠和精密推拉螺釘組聯(lián)接。該結(jié)構(gòu)通過柔性環(huán)節(jié)產(chǎn)生的較大變形來吸收應(yīng)變能以適應(yīng)溫度的變化，使溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力不傳遞到鏡面。

側(cè)支撐結(jié)構(gòu)：所述側(cè)支撐結(jié)構(gòu)位于反射鏡的中心位置；殷鋼環(huán)通過環(huán)氧膠與反射鏡相聯(lián)接，并通過反射鏡的重心平面；圓柱孔調(diào)心球軸承內(nèi)外圈分別安裝第二滾珠花鍵副的花鍵軸和所述殷鋼環(huán)，所述圓柱孔調(diào)心球軸承采用剖分軸承，該軸承利用剖分軸承端蓋施加預(yù)緊力，消除軸承間隙；所述第二滾珠花鍵副的花鍵軸端部安裝軸承內(nèi)圈鎖緊螺母，第二滾珠花鍵副的花鍵套與鏡室固聯(lián)。

第一滾珠花鍵副和第二滾珠花鍵副分別采用預(yù)壓型滾珠花鍵副，滾珠花鍵副的容許旋轉(zhuǎn)靜力矩大于螺紋副及端面摩擦副產(chǎn)生的摩擦力矩；因?yàn)殡S動型支撐機(jī)構(gòu)基于三點(diǎn)支撐原理，當(dāng)精密推拉螺釘組同時(shí)調(diào)整3組底支撐的相同高度時(shí)，第二滾珠花鍵副的花鍵軸會產(chǎn)生隨動軸向位移，實(shí)現(xiàn)反射鏡一維平動的調(diào)整；當(dāng)精密推拉螺釘組調(diào)整其中一組底支撐的高度時(shí)，第二滾珠花鍵副的花鍵軸和圓柱孔調(diào)心球軸承會產(chǎn)生隨動軸向位移及轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)反射鏡二維轉(zhuǎn)角的調(diào)整，調(diào)整完成后由精密推拉螺釘組鎖緊，因此反射鏡調(diào)整過程具有支撐點(diǎn)位置穩(wěn)定、鏡面無附加應(yīng)力和調(diào)整精度高的優(yōu)點(diǎn)。

所述兩組彈簧柱塞對稱分布在反射鏡的兩側(cè)，其接觸形式為球頭和平面接觸，彈簧柱塞對反射鏡施加一定的預(yù)緊力，此預(yù)緊力平衡由加工及安裝誤差產(chǎn)生的反射鏡旋轉(zhuǎn)力，又不影響反射鏡的姿態(tài)調(diào)整。

所述空間冗余并聯(lián)驅(qū)動機(jī)構(gòu)由兩個(gè)對稱設(shè)置的直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)支架、壓縮彈簧、第三滾珠花鍵副、支撐軸系等組成，該機(jī)構(gòu)以直線運(yùn)動方式實(shí)現(xiàn)了反射鏡的空間圓周翻轉(zhuǎn)運(yùn)動。

所述直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)由滾珠絲桿、光柵尺、導(dǎo)軌、伺服電機(jī)等組成。導(dǎo)軌傾斜安裝在翻轉(zhuǎn)支架上；所述滾珠絲桿、光柵尺與導(dǎo)軌平行布置；所述鏡室上端通過鏡室支撐組件聯(lián)接兩根導(dǎo)軌；所述鏡室下端通過壓縮彈簧、第三滾珠花鍵副、旋轉(zhuǎn)軸、支撐軸系與翻轉(zhuǎn)支架聯(lián)接；所述伺服電機(jī)驅(qū)動鏡室上端直線運(yùn)動，鏡室會產(chǎn)生繞旋轉(zhuǎn)軸的隨動旋轉(zhuǎn)和壓縮彈簧的隨動伸縮，并利用光柵尺作為運(yùn)動機(jī)構(gòu)的位置反饋，形成閉環(huán)運(yùn)動機(jī)構(gòu)。反射鏡翻轉(zhuǎn)過程中，需要兩組完全各向同性的直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)共同驅(qū)動，該機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：有效地改善機(jī)構(gòu)的整體剛度及動力學(xué)性能、實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的跨越空間構(gòu)型和提高結(jié)構(gòu)的定位精度。

所述滾珠絲桿的支撐軸系采用一端固定一端游動的方式：電機(jī)端采用一對背對背安裝的角接觸球軸承，并消除軸承間隙；另一端采用深溝球軸承，僅起徑向支撐作用；該軸系支撐剛度大，溫度適應(yīng)性好。

所述鏡室支撐組件由一對面對面安裝的角接觸球軸承組成，該兩個(gè)角接觸球軸承載荷作用線交于一點(diǎn)，形成鏡室的兩個(gè)支點(diǎn)；所述第三滾珠花鍵副形成另外一個(gè)支點(diǎn)，構(gòu)成鏡室的三點(diǎn)支撐，保證了鏡室的穩(wěn)定性。

所述壓縮彈簧和第三滾珠花鍵副作為空間冗余并聯(lián)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的機(jī)械彈簧補(bǔ)償裝置可以自動補(bǔ)償鏡室上端直線運(yùn)動和繞旋轉(zhuǎn)軸圓弧運(yùn)動的行程差；所述壓縮彈簧需要施加一定的預(yù)壓，其預(yù)壓荷載大于隨動型支撐機(jī)構(gòu)的重力，該裝置即增加了結(jié)構(gòu)剛度又確保了反射鏡運(yùn)動過程中的穩(wěn)定。所述第三滾珠花鍵副的花鍵軸作為壓縮彈簧的芯軸導(dǎo)桿，確保壓縮彈簧工作中不會出現(xiàn)受力偏心與彎曲變形。

所述滾珠絲桿為預(yù)壓型滾珠絲桿；導(dǎo)軌為預(yù)壓型導(dǎo)軌；所述第三滾珠花鍵副為預(yù)壓型滾珠花鍵副。

所述空間冗余并聯(lián)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的各運(yùn)動副均消除了間隙，保證了反射鏡的翻轉(zhuǎn)定位精度和運(yùn)動副內(nèi)部力的穩(wěn)定性。

所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包含旋轉(zhuǎn)軸系、雙齒輪傳動機(jī)構(gòu)、圓光柵等：利用高精度四點(diǎn)接觸球軸承形成一套旋轉(zhuǎn)軸系，并利用雙電機(jī)驅(qū)動技術(shù)和圓光柵實(shí)現(xiàn)反射鏡旋轉(zhuǎn)的閉環(huán)控制，該結(jié)構(gòu)即具有定位精度高、穩(wěn)定性高的動態(tài)特性，又能適應(yīng)耐焦頻繁切換、制動。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明將應(yīng)用于云南天文臺2.4米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡三鏡系統(tǒng)的改造。本發(fā)明解決反射鏡的鏡面調(diào)整和焦點(diǎn)切換問題，主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)構(gòu)的跨越空間構(gòu)型、承載能力強(qiáng)、焦點(diǎn)的快速切換、實(shí)時(shí)動態(tài)補(bǔ)償由于風(fēng)矩、振動、溫度等外載引起反射鏡誤差、鏡面無附加應(yīng)力調(diào)整、光線無遮擋。

附圖說明

圖1反射鏡切換裝置原理圖；

圖2隨動型支撐機(jī)構(gòu)原理圖；

圖3底支撐原理圖；

圖4側(cè)支撐原理圖；

圖5空間冗余并聯(lián)驅(qū)動機(jī)構(gòu)原理圖（含圖5-1、圖5-2）；

圖6旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)原理圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1，高精度的反射鏡切換裝置如圖1所示。其特征在于：該機(jī)構(gòu)由隨動型支撐機(jī)構(gòu)1、空間冗余并聯(lián)驅(qū)動機(jī)構(gòu)2和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3組成。

參照圖2～4：所述隨動型支撐機(jī)構(gòu)1由3組底支撐4、側(cè)支撐5、鏡室6、反射鏡7等組成。底支撐4為橫杠結(jié)構(gòu)，橫杠11中心位置設(shè)置一個(gè)消隙旋轉(zhuǎn)軸系，橫杠11兩端采用柔性鉸鏈10與反射鏡7聯(lián)接，第一滾珠花鍵副13的花鍵軸分別與橫杠11和精密推拉螺釘組12聯(lián)接，精密推拉螺釘組12的固定座安裝在鏡室6上，該結(jié)構(gòu)通過柔性環(huán)節(jié)產(chǎn)生的較大變形來吸收應(yīng)變能以適應(yīng)溫度的變化，使溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力不傳遞到鏡面。

所述殷鋼環(huán)14通過環(huán)氧膠與反射鏡7相聯(lián)接，并通過反射鏡7的重心平面；所述圓柱孔調(diào)心球軸承15內(nèi)外圈分別安裝第二滾珠花鍵副16的花鍵軸和殷鋼環(huán)14，圓柱孔調(diào)心球軸承15采用剖分軸承，該軸承利用剖分軸承端蓋17施加預(yù)緊力，消除軸承間隙；所述第二滾珠花鍵副16的花鍵軸端部安裝軸承內(nèi)圈鎖緊螺母，第二滾珠花鍵副16的花鍵套與鏡室6固聯(lián)，這就組成側(cè)支撐5，該結(jié)構(gòu)位于反射鏡7的中心位置。

所述第一滾珠花鍵副13和第二滾珠花鍵副16采用預(yù)壓型滾珠花鍵副，滾珠花鍵副的容許旋轉(zhuǎn)靜力矩大于螺紋副及端面摩擦副產(chǎn)生的摩擦力矩；因?yàn)殡S動型支撐機(jī)構(gòu)1基于三點(diǎn)支撐原理，當(dāng)精密推拉螺釘組12同時(shí)調(diào)整3組底支撐4的相同高度時(shí)，第二滾珠花鍵副16的花鍵軸會產(chǎn)生隨動軸向位移，實(shí)現(xiàn)反射鏡7一維平動的調(diào)整；當(dāng)精密推拉螺釘組12調(diào)整其中一組底支撐4的高度時(shí)，第二滾珠花鍵副16的花鍵軸和圓柱孔調(diào)心球軸承15會產(chǎn)生隨動軸向位移及轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)反射鏡7二維轉(zhuǎn)角的調(diào)整，調(diào)整完成后由精密推拉螺釘組12鎖緊，因此反射鏡調(diào)整過程具有支撐點(diǎn)位置穩(wěn)定、鏡面無附加應(yīng)力和調(diào)整精度高的優(yōu)點(diǎn)。

所述彈簧柱塞8通過支座9安裝在鏡室6上，所述兩組彈簧柱塞8對稱分布在反射鏡7的兩側(cè)，其接觸形式為球頭和平面接觸，彈簧柱塞8對反射鏡7施加一定的預(yù)緊力，此預(yù)緊力平衡由加工及安裝誤差產(chǎn)生的反射鏡7旋轉(zhuǎn)力，又不影響反射鏡7的調(diào)整。

參照圖5：所述空間冗余并聯(lián)驅(qū)動機(jī)構(gòu)2包含兩個(gè)對稱設(shè)置的直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)支架18、壓縮彈簧31、第三滾珠花鍵副32等組成，該機(jī)構(gòu)以直線運(yùn)動方式實(shí)現(xiàn)反射鏡7空間圓周翻轉(zhuǎn)運(yùn)動。

所述直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)由滾珠絲桿20、光柵尺23、導(dǎo)軌24、伺服電機(jī)28等組成。導(dǎo)軌24傾斜安裝在翻轉(zhuǎn)支架18上；所述滾珠絲桿20螺母、讀數(shù)頭22和導(dǎo)軌24滑塊通過過渡板21聯(lián)接在一起；所述過渡板21通過鏡室支撐組件34與鏡室6聯(lián)接；所述滾珠絲桿20通過末端支撐軸承座組件19和前端支撐軸承座組件26固聯(lián)在翻轉(zhuǎn)支架18上，并與所述導(dǎo)軌24平行布置；行星齒輪減速器29安裝在減速器支座30上，并通過聯(lián)軸器27與滾珠絲桿20聯(lián)接；所述減速器支座30固聯(lián)在翻轉(zhuǎn)支架18上；所述伺服電機(jī)28安裝在行星齒輪減速器29上，這就構(gòu)成直線運(yùn)動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。光柵尺23安裝在光柵尺支座25上，所述光柵尺支座25與導(dǎo)軌24平行固聯(lián)在翻轉(zhuǎn)支架18上，這就構(gòu)成直線運(yùn)動的反饋裝置。

第三滾珠花鍵副32的花鍵套安裝在鏡室6上，花鍵軸與旋轉(zhuǎn)軸33垂直安裝，用銷釘固聯(lián)；所述壓縮彈簧31安裝在花鍵軸上，花鍵軸作為壓縮彈簧31的芯軸導(dǎo)桿，確保壓縮彈簧31工作中不會出現(xiàn)受力偏心與彎曲變形；所述旋轉(zhuǎn)軸33通過支撐軸系35固聯(lián)在翻轉(zhuǎn)支架18上。

所述伺服電機(jī)28驅(qū)動鏡室6上端直線運(yùn)動，鏡室6會產(chǎn)生繞旋轉(zhuǎn)軸33的隨動旋轉(zhuǎn)和壓縮彈簧31的隨動伸縮，并利用光柵尺23作為運(yùn)動機(jī)構(gòu)的位置反饋，形成閉環(huán)運(yùn)動結(jié)構(gòu)。反射鏡翻轉(zhuǎn)過程中，需要兩組完全各向同性的直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)共同驅(qū)動，該機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：有效地改善機(jī)構(gòu)的整體剛度及動力學(xué)性能、實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的跨越空間構(gòu)型和提高結(jié)構(gòu)的定位精度。

所述滾珠絲桿20支撐軸系采用一端固定一端游動的方式：所述末端支撐軸承座組件19的軸承為深溝球軸承，僅起徑向支撐作用；前端支撐軸承座組件26由一對背對背安裝的角接觸球軸承組成，并消除軸系間隙；該軸系支撐剛度大，溫度適應(yīng)性好。

鏡室支撐組件34為一對面對面安裝的組合軸承形式，該兩個(gè)角接觸球軸承載荷作用中心線交于一點(diǎn)，形成鏡室6的兩個(gè)支點(diǎn)；與第三滾珠花鍵副32形成的另外一個(gè)支點(diǎn)，構(gòu)成了鏡室6的三點(diǎn)支撐，保證了鏡室穩(wěn)定性。

壓縮彈簧31和第三滾珠花鍵副32作為空間冗余并聯(lián)驅(qū)動機(jī)構(gòu)2的機(jī)械彈簧補(bǔ)償裝置可以自動補(bǔ)償鏡室6上端直線運(yùn)動和繞旋轉(zhuǎn)軸33圓弧運(yùn)動的行程差；所述壓縮彈簧31需要施加一定的預(yù)壓，其預(yù)壓荷載大于隨動型支撐機(jī)構(gòu)1的重力，這種彈簧補(bǔ)償裝置確保反射鏡7運(yùn)動過程中的穩(wěn)定。

所述滾珠絲桿20采用預(yù)壓型滾珠絲桿；所述導(dǎo)軌24采用預(yù)壓型導(dǎo)軌；所述第三滾珠花鍵副32采用預(yù)壓型滾珠花鍵副。

所述空間冗余并聯(lián)驅(qū)動機(jī)構(gòu)2的各運(yùn)動副均消除了間隙，保證了反射鏡7的翻轉(zhuǎn)定位精度和運(yùn)動副內(nèi)部力的穩(wěn)定性。

參照圖6所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3由旋轉(zhuǎn)軸系、雙齒輪傳動機(jī)構(gòu)、圓光柵等組成。所述軸承座36、旋轉(zhuǎn)軸37和高精度四點(diǎn)接觸球軸承38組成旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3的旋轉(zhuǎn)軸系；所述旋轉(zhuǎn)軸37與翻轉(zhuǎn)支架18固聯(lián)。所述雙齒輪傳動機(jī)構(gòu)的特征為：第一小齒輪40安裝在第一伺服電機(jī)41上，所述第一伺服電機(jī)41通過第一電機(jī)座39安裝在軸承座36上，與大齒輪42形成齒輪傳動副；第二小齒輪47安裝在第二伺服電機(jī)48上，第二伺服電機(jī)48通過第二電機(jī)座49安裝在軸承座36上，與大齒輪42形成齒輪傳動副；讀數(shù)頭45通過讀數(shù)頭支座44安裝在軸承座36上；圓光柵46通過圓光柵支座43安裝在大齒輪42上；所述大齒輪42與旋轉(zhuǎn)軸37固聯(lián)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸37需要逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，第一小齒輪40產(chǎn)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動力矩，第二小齒輪47產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的力矩，且力矩小于第一小齒輪40的力矩，消除齒輪間隙，反之，與上述相反，并利用圓光柵46為控制系統(tǒng)提供反射鏡7的精確位置信號，實(shí)現(xiàn)反射鏡7旋轉(zhuǎn)的閉環(huán)控制。

當(dāng)反射鏡7處于45度時(shí)，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)耐焦儀器之間光路切換；所述空間冗余并聯(lián)驅(qū)動機(jī)構(gòu)2把反射鏡7翻轉(zhuǎn)到90度時(shí)，實(shí)現(xiàn)了耐焦儀器和卡焦儀器的光路切換。