Узел крепления оптического зеркала к опоре

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

«»964559

Союз Советсиик

Социалмстмческик

Республик (61) Дополнительное к авт. саид-ву— (22) Заявлено 26. 12. 80 (21) 3223104/18-10 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет(5! )М. Кл.

G 02 В 7/18

3Ъаударстааваый камитет

СССР ао делам взабретевий и открытий

Опубликовано 07. 1О. 82. Бюллетень № 37 (53) УЙК535.871 (088,8) Дата опубликования описания {lj 1.0.82 (72) Авторы изобретения

С. В. Любарский, В. В Тихомиров и П. (71) Заявитель (54):УЗЕЛ КРЕПЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ЗЕРКАЛА К ОПОРЕ

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к устройствам крепления оптических элементов.

Известен узел крепления зеркала к опоре, содержащий зеркало, опору, множество упругих пластинок, распре" деленных на равных угловых интервалах по окружности опоры и жестко соединенных одними своими концами с опо- „ рой или зеркалом, а другими концамис зеркалом или опорой посредством шарниров таким образом, что большая поверхность каждой полосы располо" жена в плоскости, касательной к кругу опоры, параллельно оси зеркала(1).

Однако такой узел крепления имеет низкую точность из-за наличия трения в шарнирах, которое приводит.к возникновению в них моментов трения 2о и, как следствие этого1к деформациям гистерезисного типа оптического зеркала, возникающим при изменениях температуры.

Известен также узел крепления оптического зеркала к опоре, содержащий зеркало, опору, коромысло, расположенное между зеркалом и ono= рой и связанное своими концами снеоптической поверхностью зеркала, а серединой - с опорой (2 ).

Недостатком такой конструкции является отсутствие жесткой фиксации зеркала относительно опоры, при которой отсутствовали бы неупругие с трением относительные смещения между элементами устройства. Вследствие того, что зеркало свободно лежит на коромысле, прижимаясь к шарнирам под . действием собственного веса, устройство обладает низкой вибропрочностью и имеет гистерезисные погрешности, связанные с возникновением сил трения в сочленениях пои изменениях температуры.

Целью изобретения является повы- . шение вибропрочности и точности уз964559

3 ла крепления оптического зеркала к опоре.

Поставленная цель достигается

Teí, что в узле крепления оптического зеркала к опоре, содержащем зеркало, опору, коромысло, расположенное между зеркалом и опорой и связанное своими концами с неоптической поверхностью зеркала, а серединой - с опорой, коромысло выполне- 1о но в виде удлиненного бруса,перпендикулярного оптической оси и разделенного пластиной для крепления

его к объекту на два плеча, одно из которых имеет вид прямоугольника, à 1s другое - вид креста в сечении,перпендикулярном продольной оси бруса, один конец бруса жестко соединен с концом первой крестообразной стойки, которая расположена параллельно оптической оси и жестко соединена другим концом с серединой первого крестообразного стержня, перпендикулярного брусу и первой крестообразной стойке и жестко скрепленного своими концами с тыльной поверхностью зеркала, другой конец бруса жестко соединен с концами второго крестообразного стержня, который расположен паралле.>ьно первому крестообразному стерж- зо ню и жестко скреплен в средней части с концом второго крестообразной стойки, расположенной параллельно первой крестообразной стойке, а другой конец второй крестообразной стойки жестко соединен с серединой третьего крестообразного стержня, параллельного первым двум крестообразным стержням и жестко скрепленного своими концами с тыльной поверхностью зеркала .

Кроме того, концы удлиненного бруса жестко соединены с концом первой крестообразной стойки и с концами второго крестообразного стержня соответственно с помощью полусферических шайб, (онструкция узла крепления оптического зеркала к опоре выполнена так, что одно плечо коромысла являе гся жестким, а другое - упруго податливым к вращениям вокруг продоль> ной оси коромысла и жестким ко всем другим перемещениям, крепление одного конца. коромысла выполнено упруro податливым к смещениям относительИ но середины и другого конца коромыс" ла в направлении его продольной оси, а крепление каждого из двух концов коромысла выполнено упруго податливым к вращениям относительно середины коромысла вокруг проходящих через этот конец двух пересекающихся осей, перпендикулярных продольной оси коромысла, и жестким ко всем другим перемещениям.

Упругая податливость крестообразного плеча, крестообразных стержней и стоек коромысла к кручению вокруг продольных осей этих элементов и их жесткость ко всем другим деформациям, жесткое соединение этих элементов между собой, а концов коромысла с зеркалом, обеспечиваемые такой конструкцией, допускают возможность относительных смещений элементов конструкции, которые необходимы для сборки узла крепления и его работы при изменениях температуры в рабочем диапазоне с сохранением заданной точности оптической поверхности зеркала, и одновременно допускают возможность жесткой фиксации зеркала на опоре, а также позволяют повысить вибропрочность узла. крепления и его точность путем исключения изгибных деформаций оптической поверхности зеркала, возникающих при относительных смещениях элементов узла крепления в результате действия сил трения.

На чертеже представлен узел крепления с зеркалом, аксонометрии.

Узел крепления оптического зеркала к опоре содержит зеркало 1, к которому крепится коромысло 2.с помощью первой крестообразной стайки 3, первого 4 и второго 5 крестообразных стержней, второй крестообразной стойки 6 и третьего крестообразного стержня 7. !(оромысло 2 представляет собой удлиненный .брус, разделенный пластиной 8, которая крепится к опоре (не показана ) за четыре резьбовых отверстия, на два плеча 9 и 10 (плечо 10 показано с разрезом). Плечо

9,также как и пластина 8, выполнено жестким и недеформируемым, а другое плечо 10 коромысла 2 имеет в поперечном сечении вид креста. Продольная ось плеча 10 является продольной осью крромысла 2. При жестком креплении коромысла 2 к опоре за пластину 8 плечо 9 имеет высокую жесткость ко всем видам нагрузак, приложенных к его концу 11, а плечо 10 упруго податливо к вращениям его конца 12 вокруг продольной оси

4559

5 коромысла и жестко ко всем другим перемещениям.

Стойка 3 жестко скреплена с серединой крестообразного стержня 4, который, в свою очередь, жестко скреплен своими концами с тыльной поверхностью зеркала в его срединной плоскости. Другим своим концом стойка 3 жестко скреплена через полусферическую шайбу 13 с концом 11 плеча 9 коромысла посредством болта

14. Второй крестообразный стержень

5 расположен параллельно. первому крестообразному стержню 4 и жестко скреплен посредством двух полусферических шайб 15 и болтов 16 с концом 12 плеча 10 коромысла. С серединой второго крестообразного стержня 5 жестко связана одним своим кон.-. цом вторая крестообразная стойка 6, которая- другим концом жестко скреплена с третьим крес-. тообразным стержнем 7 в его сред/ ней части. Вторая крестообразная стойка 6 расположена параллельно первой крестообразной стойке 3, а третий крестообразный стержень 7параллельно первым двум крестообразным стержням 4 и 5. Третий крестообразный стержень 7 жестко скреплен своими концами с тыльной поверхностью зеркала 1 в его срединной плоскости. Зеркало вместе с прикрепленным к нему коромыслом крепится к опоре (не показана ) с помощью резьбовых отверстий, выполненных в пластине 8. При этом между пластиной 8 и опорой могут устанавливаться различные известные пе-. реходные детали и юстировочные устройства.

Для уменьшения температурных деформаций зеркала значения температурных коэффициентов линейного рас" ширения материалов, из которых выполнены зеркало 1 и крестообразные стержни 4 и 7,должны быть близки ли.

Для уменьшения деформации зеркала при сборке узла крепления под головки болтов 14 и 16 подложены полусферические шайбы, а все соединения элементов узла или их часть, а также соединения стержней 4 и 7 с зеркалом могут быть дополнительно склеены.

Поперечные сечения крестообразных элементов 3-7 и 10 могут иметь пере . менную площадь по длине элемента с целью увеличения их податливостей к кручению без уменьшения прочности, как, например, у крестообразной стойки 3.

При креплении оптического зеркала к опоре возможны два варианта сборки узла крепления зеркала и формирования оптической поверхности: оптическая поверхность на зеркале формируется после крепления к нему первого 4 и третьего 7 крестообразных стержней юлесте с первои 3 и второй

6 крестообразными стойками и вторым крестообразным стержнем 5; оптическая поверхность на зеркале формируется после сборки всего узла зеркала. В нервом случае после формирования оптической поверхности зеркало может деформироваться в процессе дальнейшей сборки узла крепления зер20 кала при жестком соединении концов коромысла 2 с крнцом крестообразной стойки 3 и с концами крестооб.разного стержня 5, а также при креплении пластины 8 к опоре. Во вто25 ром случае также возможны деформации зеркала после формирования его оптической поверхности при креплении пластины 8 к опоре. Отношение упругой податливости к кручению свозо- бодного стержня прямоугольного поперечного сечения к упругой подат." ливости того же стержня на изгиб равно произведению отношения — на по«Ь2

35 стоянный множитель, который зависит от материала стержня, его длины и условий закрепления. В отношении— 2 а и 6 являются размерами соответственно длинной и короткой сторон прямоугольного сечения стержня. Предполагается, что изгиб стержня происходит в плоскости, проходящей через его продольную ось и параллель45 ной длинной стороне сечения. Если считать материал, длину и условия закрепления стержня неизменными (ус .: ловия закрепления определяются конст. рукцией узла крепления оптического зеркала), то можно менять в широких

50 пределах величину отношения упругих податливостей стержня к кручению и к изгибу, изменяя размеры поперечного сечения стержня, Податливость стержня крестообразного поперечного сечения к кручению, когда прямоугольники, образующие крест, одинаковы и вытянуты в @дну сторону, можно считать равной осей, а относительное смещение соединяемых элементов вдоль третьей осиупругий поворот крестообразной стойки, прилегающей к концу бруса, противопо5 ложному соединяемому концу, вокруг .ее продольной оси. Аналогично относительны повороты соединяемых элементов вокруг первой, второй и третьей осей приводят соответственно к упругому noie вороту крестообразной стойки, прилегающей к соединяемому концу бруса, и

4с упругим поворотам трех крестообразных стержней вокруг продольных осей этих крестообразных элементов.

Изменение взаимного расположения концов удлиненного бруса в собранном узле крепления зеркала при жестком .соединении этого узла с опорой может быть представлено, а самом общем слу20 ь чае в виде суммы относительных вмещений этих концов по трем неподвижным взаимно перпендикулярным осям, относительных поворотов в двух неподвижных взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через эти концы и относительного поворота этих концов вокруг проходящей через них оси. Пусть такими осями являются упомянутые первая, вторая и третья оси

30 и пусть первая из двух взаимно перпендикулярных плоскостей проходит через первую и вторую ось, а вторая — через . первую и третью оси. Тогда относительные смещения концов удлиненного бруса вдоль первой и второй осей привеедут к упругому вращению трех. крестообразных стержней вокруг их продольь ных осей, а относительное смещение концов бруса вдоль третьей оси приведет к упругому вращению двух крестообразных стое вокруг их продольных осей. Относительные повороты концов удлиненного бруса.в первой и второй плоскостях, а также их относительное вращение вокруг третьей оси вызо45 вут соответственно упругое вращение трех крестообразных стержней, двух крестообразных стоек и крестообразного плеча удлиненного бруса вокруг их продоль ных осей.

Изменение взаимного расположения концов удлиненного бруса в собранном узле крепления зеркала может происходить и вследствие температурных де еформаций конструктивных элементов

55 зла. Это приводит к упругому вращеУ нию крестообразных элементов узла крепления вокруг их продольных осей.

Неодинаковые температурные деформации

7 964,559 8 половине податливости стержня, поперечным сечением которого является один такой прямоугольник, В то же время, податливость к изгибу такого стержня в любой плоскости, проходящей через его продольную ось, примерно равна податливости к изгибу стержня прямоугольного поперечного сечения в направлении, параллельном длинной .стороне этого сечения. Поэтому все сказанное выше об отношении упругих податливостей стержня прямоугольного поперечного сечения к кручению и к изгибу, справедливо и для крестообразного стержня, но при.этом можно считать, что изгиб происходит в любой плоскости, проходящей через продольную ось стержня. Напряжения в стержне зависят or его длины„ размеров о. и 6 поперечного сечения, а также от действующей на него.инерционной нагрузки. На основании изложенного размеры а и Ь, отношения — „ ) 4, и длины крестообразных стержней 4, 5 и 7, бруса 10 и стоек 3 и 6 выбраны таким образом, чтобы эти элементы имели жесткость ко всем другим деформациям и прочность, достаточные для фиксации зеркала относительно опоры с заданной точностью и обеспечения необходимой заданной вибропрочности узла крепления, а также были максимально упруго податливыми к кручению.

Относительное смещение соединяемых при сборке элементов узла крепления s самом общем случае может быт представлено в виде суммы QTHocI4rpllt» ных смещений этих элементов по трем неподвижным взаимно перпендикулярным осям и относительных поворотов вок" руг этих осей, Пусть первая ось является продольной осью .коромысла, вторая ось совпадает с продольной осью крестообразной стойки, прилегающей к соединяемому концу удлиненного бруса, а трвтья ось перпендикуляр на первым двум осям и проходит через точку их пересечения. Относительное смещение одного конца удлиненного бруса и конца первой крестообраэ ной стойки или другого конца бруса и концов второго крестообразного стержня (при поочередном жестком закреплении концов бруса ) в направлениях первой и второй осей вызывает упругие повороты трех крестообраз.ных стержней вокрух их продольных

Формула изобретения

1. Узел крепления оптического зеркала к опоре, содержащий зеркало, опору, коромысло, расположенное между зеркалом и опорой и связанное своими концами с неоптической поверхностью зеркала, а серединой - с опорой, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения вибропрочности и точности узла крепления зеркала к опоре за счет исключения неупругих, с трением, относительных смещений ее элементов при изменениях температуры и действии инерционных нагрузок,коромысло выполнено в виде удлиненного бруса, перпендикулярного оптической оси и разделенного пластиной для крепления его к объекту на два плеча, одно из которых имеет вид прямоугольника, а другоевид креста в сечении, перпендикулярном продольной оси бруса, один крестообразных стоек приводят к упругому вращению трех крестообразных . стержней вокруг продольных осей.

Деформацию зеркала и его оптичес-. кой поверхности могут вызвать лишь усилия и моменты, действующие на зеркало в местах крепления к нему концов коромысла. Эти усилия и моменты могут возникнуть лишь вследствие рассмотренных выше относительных смеще- 1О ний соединяемых при сборке элементов узла крепления, вследствие изменения взаимного расположения концов удлиненного бруса при соединении узла крепления с опорой и гри 83МеНеНН» 15 ях температуры, а также вследствие неодинаковых температурных деформаций крестообразных стоек. Все эти деформации и смещения воспринимаются крестообразными конструктивными эле- 20 ментами узла крепления и вызывают упругое вращение этих .элементов вокруг их продольных осей, Выбор размеров крестообразных конструктивных элементов осуществлен таким обра- 25 зом, чтобы они имели необходимую вибропрочность и жесткость, а также были максимально упруго податливыми к кручению, обеспечивает возможность. относительных смещений элементов кон- Зф струкции,которые необходимы для, сборки узла крепления и изменения его температуры в рабочем диапазоне, с сохранением заданной точности оптической поверхности зеркала.

В то же время, конструкция предлагаемого узла крепления оптического зеркала к опоре обеспечивает жесткую фиксацию зеркала .относительно опоры. Это следует из того, что коро-4О мысло выполнено жестким к деформациям растяжения-сжатия и изгиба, середина коромысла жестко скреплена с опорой а концы, - с зеркалом, крепление одного конца коромысла выполнено жестким 45 к перемещениям относительно середи- . ны и другого конца коромысла в трех взаимно перпендикулярных направлениях, а крепление другого конца коромысла выполнено жестким к перемещениям отI носительно середины и другого конца коромысла в любом направлении, перпендикулярном продольной оси коромысла.

Исходя из заданной прочности кре- . стообразных конструктивных элементов

55 узла, а также зная размеры зеркала и допустимые деформации его оптической поверхности, можно определить оптимальные геометрические размеры этих элементов, при которых возможны максимально допустимые относительные смещения соединяемых при сборке элементов узла и концов удлиненного бруса при креплении узла к опоре и при изменениях температуры. Расчеты узла крепления плоского облегченного зеркала длиной 400 мм, шириной 270 мм, толщиной 40 мм и с расстоянием между местами крепления к зеркалу концов коромысла-, равным

250 мм, показывают, что при допустимой деформации оптической поверхности зеркала, равной 0,1 интерференционной полосы (27 10 мм), допустимые смещения соединяемых при сборке элементов предлагаемого узла крепления составят не менее 0,3 мм, допустимый диапазон разброса темпе- ратур различных элементов узла, выполненного -из того же материала, что и зеркало, составит 100 C, а если удлиненный брус выполнен из,материала, отличающегося по температурному коэффициенту линейного расширения от. материала зеркала на величину 12х х10, то допустимый диапазон синхронного изменения температур. зеркала и бруса составит также 100оС. При этом узел крепления обладает прочностью, позволяющей ему выдерживать тридцатикратные статистические инерционные перегрузки.

11 96 конец бруса жестко соединен с концом первой крестообразной стойки, которая расположена параллельно оптической оси и жестко соединена другим концом с серединой первого крестообразного стержня, перпендикулярного брусу и первой крестообразной стойке и жестко скрепленного своими концами с тыльной поверхностью эерка" ла, другой конец бруса жестко соединен с концами второго крестообразного стержня, который расположен параллельно первому крестообразному . стержню и жестко скреплен в средней части с концом второй крестообразной стойки, расположенной параллельно первой крестообразной стойке, а другой конец второй крестообразной стойки жестко соединен с серединой

4559

12 третьего крестообразного стержня, параллельно первым двум крестообразным стержням и жестко скрепленного своими концами с тыльной поверхностью зеркала.

2. Узел крепления по и.1, о тл и ч а ю щ и и с- я тем, что концы удлиненного бруса жестко соединены с концом первой крестообразной стой10 ки и с концами второго крестообразного стержня соответственно с помощью полусферических шайб.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

ts 1. Патент СИА Р 3832040, кл. 350-310, опублик. 1974.

2. Михельсон Н. Н, Оптические телескопы. Теория и конструкция. М., "Наука", 1979, с. 385-387, ВНИИПИ Заказ 7623/25

Тираж 518 Подписное !

Филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул,Проектная, 4