Узел крепления оптического зеркала к опоре Советский патент 1982 года по МПК G02B7/182 

is) УЗЕЛ РЕПЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ЗЕРКАЛА К ОПОРЕ

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к уст ройствам крепления оптических элементов. Известен узел крепления зеркала к опоре, содержащий зеркало, опору, множество упругих пластинок, распределенных на равных угловых интервалах по окружности опоры и жестко сое диненных одними своими концами с опо рой или зеркалом, а другими концамис зеркалом или опорой посредством шарниров таким образом, что большая поверхность каждой полосы расположена в плоскости, касательной к круГУ опоры, -параллельно оси зеркала 1 Однако такой узел крепления имеет низкую точность из-за наличия тре ния в шарнирах, которое приводит к возникновению в них моментов трения и, как следствие этого.к 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 опорой и связанное своими концами с неоптической 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 уз396ла крепления оптического зеркала к опоре. Поставленная цель достигается тем, 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 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 другое - вид креста в сечении перпен дикулярном 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 крестооб разного 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 параллeJlьнo первому крестообразному стерж ню и жестко скреплен в средней части с концом второго крестообразной стойки, расположенной параллельно пер вой крестообразной стойке, а другой конец второй крестообразной .стойки жестко соединен с серединой третьего крестообразного стержня, параллельного первым двум крестообразным стерж ням 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. Конструкция узла крепления оптического зеркалз к опоре выполнена так, что одно плечо коромысла является жестким, а другое - упруго податливым к вращениям вокруг продоль: ной оси коромысла и жестким ко всем другим перемещениям, крепление одного конца коромысла выполнено упруго податливым к смещениям относительно середины и другого конца коромысла 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 отйосительных 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 узлй. крепления и его точность путем исключения иагибных деформаций оптической поверхности зеркала, возникающих при относительных смещениях элементов узла крепления в результате действия сил трения. На чертеже представлен узел крепления с зеркалом,аксонометрии. , крепления оптического зеркала к опоре содержит зеркало 1, к которому крепится коромысло 2 с помощью первой крестообразной стойки 3 первого и второго 5 крестообразных стержней, второй крестообразной стойки 6 и третьего крестообразного стержня 7. Коромысло 2 представляет собой удлиненный обрус, разделенный пластиной 8, которая крепится к опоре (не показана ) за четыре резьбовых отверстия, на два плеча 9 и 1& (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. Прддольная осьплеча 10 является продольной осью крромысла 2. При жестком креплении коромысла 2 к опоре за пластину 8 плечо 9 имеет высокую жесткость ко всем видам нагрузок, приложенных к его концу 11, а плечо 10 упруго податливо к вращениям его конца 12 вокруг продольной оси коромысла и жестко ко всем другим перемещениям. Стойка 3 жестко скреплена с серединой крестообразного стержня , 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 посредствомболта 1. Второй крестообразный стержень 5 расположен параллельно.первому крестообразному стержню k и жестко скреплен посредством двух полусферических шайб 15 и болтов 16 с концом 12 плеча 10 коромысла. С серединой второго крестообразного стерж ня 5 жестко связана одним своим кон цом вторая крестообразная стойка 6, которая- другим концом жест ко , скреплена с третьим крестообразным стержнем 7 в его средней части. Вторая крестообразная стойка 6 расположена параллельно первой крестообразной стойке 3 а третий крестообразный стержень 7 параллельно первым двум крестообразным стержням и 5. Третий крест образный стержень 7 жестко скреплен своими концами с тыльной поверхностью зеркала 1 в его срединной плоскости. Зеркало вместе с прикрепленным к коромыслом кре пится к опоре (не показана ) с помощью резьбовых отверстий, выполненных в пластине 8. При этом между пластиной 8 и опорой могут устанавливаться различные известные переходные детали и юстировочные устройства. ,Для уменьшения температурных деформаций зеркала -значения температурных коэффициентов линейного расширения материалов, из которых выполнены зеркало 1 и крестообразные стержни Ц и 7,должны быть близкими. Для уменьшения деформации зеркала при сборке узла крепления под го ловки болтов И и V6 подложены полу сферические шайбы, а все соединенна элементов узла или их часть, а также соединения стержней ij и 7 с зеркалом могут быть дополнительно скле ены. Поперечные сечения крестообразны элементов 3-7 и 10 могут иметь пере ,менную площадь по длине элемента с целью увеличения их податливостей к 96 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 k и третьего 7 крестообразных стержней вместе с первой 3 и второй 6 крестообразными стойками и вторым крестообразным стержнем 5; оптическая поверхность на зеркале формируется после сборки всего узла зеркала . В первом случае после формирования оптической поверхности зеркало может деформироваться в процессе дальнейшей сборки узла крепления зеркала при жестком соединении концов коромысла 2 с крнцом крестообразной стойки 3 и с концами крестообразного стержня 5, а также при креплении пластины 8 к опоре. So втором случае также возможны деформации зеркала после формирования его оптиче:ской поверхности при креплении пластины 8 к опоре. Отношение упругой податливости к кручению свободного стержня прямоугольного поперечного сечения к упругой податливости того же стержня на изгиб равно произведению отношения - на постоянный множитель, который зависит от материала стержня, его длины и 1 условий закрепления. В отношении 2 а и В являются размерами соответственно длинной и короткой сторон прямоугольного сечения стержня. Предполагается, что изгиб стержня происходит в плоскости, проходящей через его продольную ось и параллельной длинной стороне сечения. Если считать материал, длину и условия закрепления стержня неизменными ( .ловия закрепления определяются конструкцией узла крепления оптического зеркала), то можно менять в широких 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 рдну сторону, можно считать равной 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, пример но равна податливости к изгибу стерж ня прямоугольного поперечного сечения в направлении, Иараллельном длин ной ;стороне этого сечения. Поэтому все сказанное выше об отношении упругих податливостей стержня прямоугольного поперечного сечения к кру чению и к изгибу, справедливо и для крестообразного стержня, но при этом можно считать, что изгиб происходит в любой плоскости, проходящей через продольную ось ст,ержня. Напряжения в стержне зависят от его длины размеров d и 6 поперечного сечения, а также от действующей на него .инерционной нагрузки. Йа основании изложенного размеры а и Ь, отношения -9И длины крестообразных стержней ч, 5 бруса 10 и стоек 3 и 6 выбраны таким образом, чтобы эти элементы имели жесткость ко всем другим де формациям и прочность, достаточные для, фиксации зеркала относительно опоры с заданной точностью и обеспе чения необходимой заданной вибропрочности узла крапления, а также были максимально упруго податливыми к кручению. Относительное смещение соединяемых при сборке элементов узла крепления в самом общем случае может быт представлено в виде суммы относитель ных смещений этих элементов по трем неподвижным взаимно перпендикулярным осям и относительных поворотов вокруг этих осей. Пусть первая ось является продольной осью .коромысла, вторая ось совпадает с продольной осью крестообразной стойки, прилегающей к соединяемому концу удлиненного бруса, а третья ось перпендикуляр на первым двум осям и проходит через точку их пересечения. Относительное смещение одного конца удлиненного бруса и конца первой крестообраз 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 крестообразных стержней вокрух их продольных осей, а относительное смещение соединяемых элементов вдоль третьей осиупругий поворот крестообразной стойки, прилегающей к концу бруса, противоположному соединяемому концу, вокруг .ее продольной оси. Аналогично относительный повороты соединяемых элементов вокруг первой, второй и третьей осей приводят соответственно к упругому повороту крестообразной стойки, прилегающей к соединяемому концу бруса, и к 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, в самом общем случае, в виде суммы относительных смещений 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 и пусть первая из двух взаимно перпендикулярных плоскостей проходит через первую и вторую ось, а вторая - через, первун) и третью оси. Тогда относительные смещения концов удлиненного бруса вдоль первой и второй осей приведут к упругому вращению трех, крестообразных стержней вокруг их продольных осей, а относительное смещение концов бруса вдоль третьей оси приведет к упругому вращению двух крестообразных cToetf вокруг их продольных осей. Относительные повороты концов удлиненного бруса,в первой и второй плоскостях, а также их отнорительное вращение вокруг третьей оси вызовут соответственно упругое вращение трех крестообразных стержней, двух крестообразных стоек и крестообразного плеча удлиненного бруса вокруг их родольНых осей. Изменение взаимного расположения онцов удлиненного бруса в собраном узле крепления зеркала может просходить и вследствие температурных еформаций конструктивных элементов зла,. Это приводит к упругому вращеию крестообразных элементов узла репления вокруг их продольных осей. еодинаковые температурные деформации крестообразных стоек приводят к упру тому вращению трех крестообразных . стержней вокруг продольных осей. Деформацию зеркала и его оптической поверхности могут вызвать лишь усилия и моменты, действующие на зеркало в местах крепления к нему ко цов коромысла. Эти усилия и моменты могут возникнуть лишь вследствие рас смотренных выше относительных смещавНИИ сйединяемых при сборке эЛементов узла крепления, вследствие изменения взаимного расположения концов удлиненного бруса при соединении узла крепления с опорой и при изменени ях температуры, а также вследствие неодинаковых температурных деформаций крестообразных стоек. Все эти деформации и смещения воспринимаются крестообразными конструктивными элементами узла крепления и вызывают упругое вращение этих .элементов вокруг их продольных осей. Выбор размеров крестообразных конструктивных элементов осуществлен таким обраэом, чтобы они йм.ели необходимую виб ропрочность и жесткость, а также был максимально упруго податливыми к кру чению, обеспечивает возможность..отно сительных смещений элементов конструкции,которые необходимы для, сбор ки 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 жест кую фиксацию зеркала .относительно опоры. Это следует из того, что коро мысло выполнено жестким к деформация растяжения-сжатия и изгиба, середина коромысла жестко скреплена с опорой а концы, - с зеркалом(Крепление одно го конца коромысла выполнено жестким к перемещениям относительно середины и другого конца коромысла в трёх взаимно пepпv ндикyляpныx направления а крепление другого конца коромысла выполнено жестким к перемещениям отНосительно середины и другого конца коромысла в любом направлении,, перпе дикулярном продольной оси коромысла. Исходя из заданной прочности крестообразных конструктивных элементов 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 00 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 температур различных элементов узла, выполненного - из того же материала, что и зеркало, составит , а если удлиненный брус выполнен из.материала , отличающегося по. температурному коэффициенту линейного расщире.ния от материала зеркала на величину 12х х10 , то допустимый диапазон синхронного изменения температур, зеркала и бруса составитТакже 100°С. При этом узел крепления обладает прочностью, позволяющей ему выдерживать тридцатикратные статистические инерционные перегрузки. 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 тличающийся 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 другое вид креста в сечении, перпендикуярном продольной оси бруса, один