红外与激光工程
2023, 52(3): 20220417
1 长春工业大学 机电工程学院，吉林 长春 130012
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
针对某700 mm×249 mm长条形空间反射镜组件结构设计要求，对反射镜及其支撑结构进行了详细的光机结构设计。首先，从反射镜材料选择、径厚比、支撑方案及轻量化形式等角度出发，对反射镜进行结构设计。通过理论计算得到长条形反射镜的支撑点数。对支撑点位进行了优化，并探索了支撑孔位对反射镜自重变形的影响规律。其次，为满足反射镜组件的力、热环境适应性要求，设计了一种新型柔性支撑结构，并给出了柔性铰链薄弱环节对反射镜面形精度的影响；对支撑结构安装位置深度进行优化，给出反射镜面形精度关于支撑结构安装位置的变化曲线。然后，对反射镜组件进行了有限元分析，自重和5 ℃温升载荷工况下，反射镜面形精度峰谷（Peak Valley，PV）值和均方根（Root Mean Square，RMS）值最大分别达到58.2 nm和12.3 nm；反射镜组件一阶固有频率为259 Hz，低频正弦扫描振动条件下柔性支撑最大应力响应为138 MPa。最后，进行了动力学试验测试。测试结果表明，反射镜组件一阶固有频率为255 Hz，有限元分析误差为1.7%。分析和试验结果表明，反射镜组件结构设计合理，满足设计指标要求。
长条形反射镜 轻量化 有限元分析 动力学试验 rectangular mirror lightweight finite element analysis dynamic test 红外与激光工程
2021, 50(6): 20200404
1 长春工业大学机电工程学院, 吉林 长春 130012
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
3 吉林大学机械与航空航天工程学院, 吉林 长春 130025
在超大口径原位加工与检测中, 目前多采用被动式 Whiffletree液压支撑系统(原位支撑), 而该类支撑单元的轴向刚度存在较大差异性, 会显著影响轻薄型反射镜的面形精度。为解决这一问题, 研究了主动型原位支撑的支点布局、单元刚度和主动校正力的联合优化方法。首先, 针对支撑单元刚度差异, 提出了支撑刚度、支点位置的分级布局优化方法, 获得了支撑系统的初始优化解; 其次, 结合模式定标法和最小二乘法, 进行了支撑点主动力校正, 以获得支撑面形的最终优化解; 最后, 结合具体案例的数字仿真试验, 验证了方法的有效性。结果表明: 对于 4 m弯月型轻薄反射镜, 仅被动支撑下, 分级布局优化后, 60点方案面形精度 RMS值由 150.6 nm减少到 32.9 nm, 78点方案面形精度 RMS值由 45.2 nm减少到 22.6 nm, 优化效果显著; 进一步经主动校正后, 60点方案和 78点方案面形精度 RMS值分别为 14.6 nm和 6.9 nm, 均满足面形精度 RMS值小于 λ/40(λ=632.8 nm)的指标要求; 最终选取 60点轴向支撑方案。通过对支点布局、支撑刚度和校正力进行联合优化, 可以大幅增加原位支撑系统的适用性、灵活性, 降低实施难度。
布局优化 主动光学 液压 Whiffletree 刚度差异 原位支撑 layout optimization active optics hydraulic Whiffletree stiffness difference in-situ support
Author Affiliations
Abstract
1 Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun, 130033, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049, China
3 Key Laboratory of Optical System Advanced Manufacturing Technology, Chinese Academy of Sciences, Changchun, 130033, China
A rigid conformal (RC) lap can smooth mid-spatial-frequency (MSF) errors, which are naturally smaller than the tool size, while still removing large-scale errors in a short time. However, the RC-lap smoothing efficiency performance is poorer than expected, and existing smoothing models cannot explicitly specify the methods to improve this efficiency. We presented an explicit time-dependent smoothing evaluation model that contained specific smoothing parameters directly derived from the parametric smoothing model and the Preston equation. Based on the time-dependent model, we proposed a strategy to improve the RC-lap smoothing efficiency, which incorporated the theoretical model, tool optimization, and efficiency limit determination. Two sets of smoothing experiments were performed to demonstrate the smoothing efficiency achieved using the time-dependent smoothing model. A high, theory-like tool influence function and a limiting tool speed of 300 RPM were obtained.
Optics design and fabrication Optics design and fabrication optics fabrication optics fabrication polishing polishing Photonic Sensors
2017, 7(2): 171–181
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室, 吉林 长春 130033
3 中国科学院大学, 北京 100049
在超大口径光学制造中,镜体背部空间狭小,转台承载能力有限,要求光学制造的支撑结构尽量简单；镜体承受加工载荷且弥漫加工磨料,要求支撑系统对加工载荷和环境不敏感；此外,为便于在线检测,缩短检测周期,还要求支撑系统具有较高的调整精度和稳定性.设计了一种均力型静压支撑系统,先测试了单个支撑的均力性及刚度,预测了压印效应的大小；随后阐述了支撑系统的控制方法；最后实现了系统集成及其图形用户界面(GUI)界面操作.将该系统用于2m SiC 反射镜的光学加工,可将压印效应均方根(RMS)值控制到13.1 nm≈λ/48,满足加工需要；用于立式检测,系统对镜体倾斜和俯仰角可监测到的角度范围为0.34″~0.48°,以及沿Z 方向±5 mm 的运动；对应曲率中心在XY 平面的调节范围dR 最大值50 mm,最小值为10 μm,与电荷耦合器件(CCD)像元尺寸接近,满足立式检测需要.对目前具有重大需求的2~4 m 量级反射镜而言,该系统具有较好的适用性.
光学制造 均力静压支撑 调整精度 超大口径反射镜 在线加工检测
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室, 吉林 长春 130033
3 中国科学院大学, 北京 100049
为降低支撑控制难度和节约制造成本，同时又保证在线光学加工检测所需的支撑精度，提出超大口径反射镜的支撑布局优化方法。研究支撑状态下的反射镜面形精度，解决面形拟合和优化目标提取的问题；以斜率均方根(SlopeRMS)为目标建立非圆形口径的超薄反射镜加工支点布局优化模型，使其具备自适应有限元分析的功能；针对工程中大量使用的轻量化反射镜，设计出适应其几何变化的支撑转换结构，并展开以面形均方根(RMS)误差为目标的支点位置的优化设计；通过30 m口径望远镜(TMT)第三镜和某2 m口径反射镜的支撑布局优化，验证了所采用方法的效果。算例结果表明，所提方法具有较好的几何适应性，布局优化后支撑系统的精度满足超大口径反射镜的光学制造要求。
光学制造 均力支撑 支撑布局优化 超大口径反射镜 面形精度 光机集成
