ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО С СИММЕТРИЧНОЙ МОНТИРОВКОЙ Российский патент 2003 года по МПК G02B23/00 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для больших телескопов с симметричной, например, альтазимутальной монтировкой.

Известны различные типы монтировок оптических телескопов (Оптические телескопы. Теория и конструкция. Михельсон Н.Н., Главная редакция физико-математической литературы изд-ва "Наука", 1976, с.336-358).

Известны телескопы с симметричной монтировкой, содержащие средник с оптическим блоком, установленный с возможностью поворота вокруг оси наведения и узлы вращения средника вокруг этой оси (см. упомянутую книгу с.347-355, 407). В симметричной монтировке возможны два варианта соединения средника с осью наведения. В первом - средник несет подшипники оси наведения (например, оси склонений), в них входят концы осей, закрепленных в вилке или ярме полярной оси в зависимости от типа монтировки. Во втором варианте к среднику прикреплены полуоси, входящие в подшипники, закрепленные в перьях или ярме монтировки. Для того чтобы деформации полуосей не передавались среднику с оптическим блоком, подшипники закрепляются в карданах. Карданы могут быть, например, обычного типа в форме мембраны или в виде спиц велосипедного колеса. Однако карданы не обладают достаточной жесткостью и существенно снижают частоту собственных колебаний конструкции оптического устройства в целом, что не отвечает требованиям, предъявляемым к точности наведения и плавности слежения за быстродвижущимися объектами. Например, оптическое устройство для слежения за ИСЗ со скоростью наведения 15-20% при точности слежения 2-4 угловые секунды должно иметь частоту собственных колебаний 15-20 Гц.

Известно оптическое устройство с симметричной монтировкой, содержащее средник с оптическим блоком, установленный с возможностью поворота вокруг оси наведения, узды вращения средника вокруг упомянутой оси. Последние выполнены в виде прикрепленных к среднику через пригоночные прокладки трубчатых полуосей, входящих внутрь соответствующих подшипниковых опор монтировки (авт. св. SU 1545189, G 02 В 23/00, 1990г.). Известное устройство обеспечивает высокую жесткость узлов крепления средника к полуосям.

Однако известное устройство не исключает возможность передачи на средник с оптическим блоком изгибающих моментов со стороны трубчатых полуосей, что отрицательно сказывается на точности наведения оптического устройства.

Также известно оптическое устройство, приведенное в описании изобретения по авт. св. SU 1578681 (G 02 В 23/00, 1990г.). От вышерассмотренного оптического устройства это устройство отличается тем, что средник к трубчатым полуосям крепится не через пригоночные прокладки, а через продольные радиальные штифты, которые устанавливаются равномерно по периметру между фланцами средника и фланцами полуосей, входящих внутрь соответствующих подшипниковых опор монтировки. Известное устройство обеспечивает высокую жесткость крепления средника с оптическим блоком. Вместе с этим существенно снижается трудоемкость установки средника, например, при повторной сборке монтировки.

Недостатком известного оптического устройства является то, что в нем так же, как и в вышерассмотренном устройстве с симметричной монтировкой, не исключена возможность передачи на средник с оптическим блоком деформации трубчатых полуосей.

Известно оптическое устройство с симметричной монтировкой по п. RU 2137165 (G 02 В 23/00, 23/16, 1999г.). Известное устройство содержит основание, вилку, включающую в себя платформу с двумя стойками, установленную в основании с возможностью поворота вокруг вертикальной оси, средник с оптическим блоком, установленный в вилке с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси, узлы вращения и приводы вращения относительно упомянутых осей. Каждый привод вращения содержит моментные двигатели, установленные непосредственно на осях наведения. Узлы вращения средника с оптическим блоком выполнены в виде прикрепленных к среднику трубчатых полуосей, входящих внутрь соответствующих подшипниковых опор, закрепленных на стойках вилки. Средник с оптическим блоком установлен с возможностью регулировки его положения относительно горизонтальной оси наведения. В варианте выполнения средник разъемно смонтирован на трубчатых полуосях посредством выполненных на упомянутых полуосях фланцев, каждый из которых снабжен тремя радиально расположенными винтовыми дифференциальными механизмами, включающими каждый гайку и винт, головка которого взаимодействует с опорной поверхностью средника. При этом на фланце каждой из трубчатых полуосей два винтовых дифференциальных механизма расположены соосно и встречно-направленно, а ось третьего винтового дифференциального механизма расположена перпендикулярно общей оси двух упомянутых механизмов. Средник с оптическим блоком относительно трубчатых полуосей установлен таким образом, что при положении оптического устройства "в горизонт" оси винтов двух винтовых дифференциальных механизмов располагаются в горизонтальной плоскости, проходящей через горизонтальную ось вращения, а третий винтовой дифференциальный механизм - снизу средника. Такое конструктивное выполнение обеспечивает возможность перемещения средника с оптическим блоком в двух взаимно перпендикулярных направлениях для совмещения базовой оси вращения последнего с горизонтальной (угломестной) осью вращения, положение которой определяется подшипниковыми опорами. Узел вращения вилки относительно вертикальной оси выполнен в виде смонтированных на основании оптического устройства двух концентричных подшипниковых опор, центральная из которых установлена на упомянутом основании с возможностью ограниченного перемещения и поворота относительно упомянутой вертикальной оси. В варианте выполнения это обеспечено посредством кольцевой мембраны, закрепленной на основании. Особенности выполнения узла вращения вилки относительно вертикальной оси исключают возможность передачи на вилку изгибающих моментов, что обеспечивает постоянство геометрических параметров вилки, несущей средник с оптическим блоком, что в конечном счете обеспечивает повышение точности наведения оптического устройства. Известное оптическое устройство позволяет существенно повысить общую жесткость устройства и частотные характеристики симметричной альтазимутальной монтировки до 15-25 Гц, а следовательно, и повысить точность наведения.

Однако известное оптическое устройство имеет ограниченную область использования. При использовании подобного устройства для небольших по астрономическим меркам оптических устройств посадочные места под подшипниковые опоры стоек вилки могут быть обработаны одновременно (с одной установки), что обеспечивает высокую соосность трубчатых полуосей и практически исключает возможность передачи на средник с оптическим блоком изгибающих моментов со стороны трубчатых полуосей. Таким образом, исключается возможность изменения момента сопротивления вращению средника, что обеспечивает повышение точности наведения. Для достаточно большого по астрономическим меркам оптического устройства указанная технология выполнения посадочных мест под подшипниковые опоры трубчатых полуосей неприемлема из-за отсутствия необходимого оборудования, и оптическое устройство предполагает принятие дополнительных конструктивных мер.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков с заявляемым изобретением является оптическое устройство по патенту RU 2166783 (G 02 В 23/16, 2001г. ). Известное устройство имеет симметричную альтазимутальную монтировку и содержит основание и вилку, которая включает в себя платформу с двумя стойками. В вилке с возможностью поворота вокруг угломестной оси установлен средник с оптическим блоком. Вилка установлена в основании с возможностью поворота вокруг азимутальной оси. Средник с оптическим блоком и вилка соответственно снабжены безредукторными приводами вращения относительно угломестной и азимутальной осей. Наведение по упомянутым осям обеспечивается установленными непосредственно на осях наведения моментными двигателями, датчиками положения по углу и датчиками скорости. Узлы вращения средника с оптическим блоком выполнены в виде прикрепленных к среднику трубчатых полуосей, входящих внутрь соответствующих подшипниковых опор, закрепленных на стойках вилки.

Конструкция известного оптического устройства с симметричной альтазимутальной монтировкой предполагает принятие конструктивных мер, исключающих при наведении оптического устройства возможность передачи на средник с оптическим блоком изгибающих моментов со стороны трубчатых полуосей, входящих внутрь подшипниковых опор, закрепленных на стойках вилки. Однако в известном устройстве решение этой задачи не раскрыто.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения точности наведения большого по астрономическим меркам оптического устройства с симметричной монтировкой, обеспечивающего возможность слежения за быстродвижущимися объектами, например ИСЗ.

Эта задача решается благодаря тому, что оптическое устройство с симметричной монтировкой, содержащее средник с оптическим блоком, установленный с возможностью поворота вокруг оси наведения, узлы вращения средника вокруг упомянутой оси, причем последние выполнены в виде прикрепленных к среднику трубчатых полуосей, входящих внутрь соответствующих подшипниковых опор монтировки, согласно изобретению снабжено двумя переходниками, каждый из которых с помощью разъемного соединения соединен со средником и установлен на соответствующей трубчатой полуоси с возможностью ограниченного перемещения и поворота относительно упомянутой оси наведения. Каждая трубчатая полуось со стороны, обращенной к среднику, выполнена со сферической опорной поверхностью, взаимодействующей с регулируемыми центрирующими элементами, установленными на переходнике.

Каждый переходник может быть установлен на соответствующей трубчатой полуоси посредством кольцевой мембраны. При этом центр сферической опорной поверхности трубчатой полуоси расположен на продольной оси последней и геометрически совмещен с точкой пересечения этой оси с плоскостью, в которой расположена кольцевая мембрана.

Вместе с этим регулируемые центрирующие элементы каждого переходника могут быть выполнены в виде по меньшей мере трех шариков, которые с возможностью качения установлены равномерно по окружности относительно продольной оси переходника, каждый в соответствующем гнезде с возможностью перемещения вдоль нормали к сферической опорной поверхности трубчатой полуоси.

Такая конструкция симметричной монтировки позволяет существенно повысить общую жесткость устройства и частотные характеристики монтировки до 15-25 Гц, а следовательно, и повысить точность наведения. Особенности выполнения узлов вращения средника вокруг оси наведения исключают возможность передачи на средник с оптическим блоком изгибающих моментов со стороны подшипниковых опор трубчатых полуосей, что обеспечивает постоянство геометрических параметров средника, что в конечном счете обеспечивает повышение точности наведения оптического устройства. При этом посредством регулируемых центрирующих элементов, взаимодействующих со сферическими опорными поверхностями трубчатых полуосей, исключается возможность перемещения средника вдоль оси наведения. Благодаря этому обеспечивается повышение жесткости узлов соединения средника с трубчатыми полуосями и частотных характеристик монтировки, что также позволяет повысить точность наведения. Возможные угловые перемещения каждой из трубчатых полуосей компенсируются соответствующими кольцевой мембраной и сферическим шарниром, в котором имеет место трение качения. Таким образом, обеспечивается постоянство момента сопротивления вращению, что в конечном счете также обеспечивает повышение точности наведения. Кроме того, регулируемые центрирующие элементы обеспечивают возможность регулировки положения средника с оптическим блоком относительно оси наведения, что позволяет уменьшить коллимационные ошибки.

На фиг. 1 схематически показан общий вид предлагаемого устройства в варианте выполнения с альтазимутальной монтировкой; на фиг.2 - устройство узлов вращения средника с оптическим блоком относительно угломестной оси наведения оптического устройства, элемент А на фиг.1; на фиг.3 - регулируемые центрирующие элементы, установленные на переходнике, взаимодействующие со сферической опорной поверхностью трубчатой полуоси, разрез по Б-Б на фиг.2; на фиг. 4 - центрирующий элемент, установленный на переходнике, вариант выполнения, элемент В на фиг.2.

В варианте осуществления изобретения оптическое устройство имеет альтазимутальную монтировку и содержит средник 1 с оптическим блоком, установленный с возможностью поворота вокруг угломестной оси 2 наведения. Средник с оптическим блоком снабжен безредукторным приводом вращения относительно оси 2, включающим установленный непосредственно на оси наведения моментный двигатель с датчиком положения по углу и датчиком скорости (на чертеже не показано). Узлы вращения средника с оптическим блоком выполнены в виде прикрепленных к среднику трубчатых полуосей 3 и 4, входящих внутрь соответствующих подшипниковых опор 5 и 6, закрепленных соответственно на стойках 7 и 8 вилки 9 монтировки.

Устройство снабжено переходниками 10 и 11, каждый из которых с помощью разъемного соединения соединен со средником 1 и установлен на соответствующей трубчатой полуоси с возможностью ограниченного перемещения и поворота относительно угломестной оси 2. В варианте выполнения это обеспечено посредством кольцевой мембраны 12. Вместо кольцевых мембран могут быть применены радиально расположенные упругие пластины (на чертеже не показано).

Каждая из трубчатых полуосей 3 и 4 со стороны, обращенной к среднику, выполнена со сферической опорной поверхностью "а", взаимодействующей с регулируемыми центрирующими элементами, установленными на переходнике. Количество регулируемых центрирующих элементов выбирается, в частности, исходя из условия обеспечения возможности перемещения средника с оптическим блоком в двух взаимно перпендикулярных направлениях для совмещения базовой оси вращения средника с оптическим блоком с горизонтальной (угломестной) осью 2, положение которой определяется подшипниковыми опорами 5 и 6. Указанное условие может быть обеспечено, когда каждый из переходников 10 и 11 снабжен по меньшей мере тремя регулируемыми центрирующими элементами. В варианте выполнения изобретения регулируемые центрирующие элементы каждого переходника выполнены в виде пяти шариков 13, которые с возможностью качения установлены равномерно по окружности относительно продольной оси переходника, каждый в соответствующем гнезде 14 с возможностью перемещения вдоль нормали к сферической опорной поверхности "а" полуоси соответственно 3, 4. В варианте осуществления изобретения гнездо 14 выполнено таким образом, что угол между направлением перемещения шарика 13 и вертикалью составляет, например, 18^o. Каждое гнездо 14 снабжено прорезной втулкой 15, с помощью которой соответствующий шарик 13 через вкладыш 16, имеющий сферическую опорную поверхность, с заданным усилием поджимается к сферической опорной поверхности "а" полуоси. Стопорение прорезной втулки 15 в заданном положении осуществляется посредством болта 17. В другом варианте выполнения (на чертеже не показано) регулирующие центрирующие элементы могут быть выполнены, например, в виде роликов.

Центр сферической опорной поверхности "а" каждой трубчатой полуоси расположен на продольной оси последней и геометрически совмещен с точкой пересечения этой оси с плоскостью, в которой расположена соответствующая кольцевая мембрана 12.

В других вариантах (на чертеже не показаны) оптическое устройство может иметь другую монтировку (например, симметричную монтировку, при которой средник с оптическим блоком устанавливается посредством полуосей, закрепленных в ярме полярной оси).

Оптическое устройство работает следующим образом. При монтаже устройства перед установкой средника 1 с оптическим блоком на трубчатой полуоси, например, 3 устанавливают переходник 10 в сборе с кольцевой мембраной 12. Мембрану 12 посредством резьбовых соединений закрепляют на трубчатой полуоси 3 и штифтуют. Затем кольцевую мембрану 12 с помощью технологических болтов (на чертеже не показано) заневоливают в вертикальном положении. На свободном фланце переходника 10 через соответствующую прокладку с помощью болтов закрепляют средник 1 с оптическим блоком при положении последнего "в зенит". Аналогичным образом на трубчатой полуоси 4 устанавливают переходник 11 в сборе с другой кольцевой мембраной 12. После закрепления на торце трубчатой полуоси 4 кольцевую мембрану 12 заневоливают в вертикальном положении с помощью технологических болтов. Между свободным фланцем переходника 11 и соответствующим фланцем средника 1 вставляют соответствующую прокладку. Средник и переходник 11 скрепляют болтами. Фиксируют положение средника относительно фланцев переходников 10, 11 с помощью штифтов. Кольцевые мембраны 12 освобождают от технологических болтов, последние убирают. Каждый из шариков 13 посредством соответствующих прорезной втулки 15 и вкладыша 16 подводят до соприкосновения со сферической опорной поверхностью "а" трубчатой полуоси соответственно 3, 4. Затем шарики 13 с заданным усилием поджимают к соответствующей сферической опорной поверхности "а". После этого прорезные гайки 15 стопорят посредством болтов 17. Таким образом производится монтаж средника 1 с оптическим блоком на трубчатых полуосях 3 и 4, входящих внутрь подшипниковых опор 5 и 6, закрепленных соответственно на стойках 7 и 8 вилки 9 монтировки.

При наведении оптического устройства относительно угломестной оси 2 средник 1 с оптическим блоком поворачивается вокруг упомянутой оси посредством моментного двигателя, установленного непосредственно на оси наведения.

Особенности выполнения узлов вращения средника относительно угломестной оси исключают возможность передачи на средник с оптическим блоком изгибающих моментов со стороны подшипниковых опор 5, 6 трубчатых полуосей 3, 4, что обеспечивает постоянство геометрических параметров средника, что в конечном счете обеспечивает повышение точности наведения оптического устройства.

При этом посредством поджатых заданным усилием шариков 13, взаимодействующих со сферическими опорными поверхностями "а" трубчатых полуосей 3, 4, исключается возможность перемещения средника с оптическим блоком в осевом направлении. Благодаря этому обеспечивается повышение жесткости узлов соединения средника с трубчатыми полуосями и частотных характеристик монтировки, что также позволяет повысить точность наведения оптического устройства.

Вместе с этим устройство узла вращения средника с оптическим блоком исключает возможность изменения момента сопротивления вращению, т.к. возможные угловые перемещения трубчатой полуоси относительно средника компенсируются кольцевой мембраной и сферическим шарниром, в котором имеет место трение качения. Благодаря этому обеспечивается постоянство момента сопротивления вращению, что в конечном счете также обеспечивает повышение точности наведения.

Кроме того, точность наведение оптического устройства обеспечивается благодаря возможности регулировки положения средника с оптическим блоком относительно горизонтальной (угломестной) оси вращения (наведения), что позволяет уменьшить коллимационные ошибки.

Таким образом, благодаря особенности выполнения оптического устройства изобретение обеспечивает возможность создания достаточно большого по астрономическим меркам оптического устройства с симметричной монтировкой, обеспечивающего высокую точность наведения при слежении за быстродвижущимися объектами.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для больших телескопов с симметричной, например, альтазимутальной монтировкой. Изобретение направлено на повышение точности оптического устройства, обеспечивающего возможность слежения за быстродвижущимися объектами. Оптическое устройство содержит средник с оптическим блоком, установленный с возможностью поворота вокруг оси наведения. Узлы вращения средника с оптическим блоком выполнены в виде трубчатых полуосей, входящих внутрь соответствующих подшипниковых опор монтировки. Устройство снабжено двумя переходниками, каждый из которых с помощью разъемного соединения соединен со средником и установлен на соответствующей трубчатой полуоси с возможностью ограниченного перемещения и поворота относительно оси наведения. Каждая трубчатая полуось со стороны, обращенной к среднику, выполнена со сферической опорной поверхностью, взаимодействующей с регулируемыми центрирующими элементами, установленными на переходнике. Каждый переходник установлен на соответствующей трубчатой полуоси посредством кольцевой мембраны. При этом центр сферической опорной поверхности трубчатой полуоси расположен на продольной оси последней и геометрически совмещен с точкой пересечения этой оси с плоскостью, в которой расположена кольцевая мембрана. Регулируемые центрирующие элементы каждого переходника выполнены в виде по меньшей мере трех шариков, которые с возможностью качения установлены равномерно по окружности относительно продольной оси переходника, каждый в соответствующем гнезде с возможностью перемещения вдоль нормали к сферической опорной поверхности трубчатой полуоси. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Оптическое устройство с симметричной монтировкой, содержащее средник с оптическим блоком, установленный с возможностью поворота вокруг оси наведения, узлы вращения средника вокруг упомянутой оси, причем последние выполнены в виде прикрепленных к среднику трубчатых полуосей, входящих внутрь соответствующих подшипниковых опор монтировки, отличающееся тем, что оно снабжено двумя переходниками, каждый из которых с помощью разъемного соединения соединен со средником и установлен на соответствующей трубчатой полуоси с возможностью ограниченного перемещения и поворота относительно упомянутой оси наведения, при этом каждая трубчатая полуось со стороны, обращенной к среднику, выполнена со сферической опорной поверхностью, взаимодействующей с регулируемыми центрирующими элементами, установленными на переходнике. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждый переходник установлен на соответствующей трубчатой полуоси посредством кольцевой мембраны, при этом центр сферической опорной поверхности трубчатой полуоси расположен на продольной оси последней и геометрически совмещен с точкой пересечения этой оси с плоскостью, в которой расположена кольцевая мембрана. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что регулируемые центрирующие элементы каждого переходника выполнены в виде по меньшей мере трех шариков, которые с возможностью качения установлены равномерно по окружности относительно продольной оси переходника, каждый в соответствующем гнезде с возможностью перемещения вдоль нормали к сферической опорной поверхности трубчатой полуоси.