一种光学望远镜的反射镜切换机构
阅读说明：本技术 一种光学望远镜的反射镜切换机构 (Reflector switching mechanism of optical telescope ) 是由 顾伯忠 何鑫 姜翔 乐中宇 张志永 于 2021-09-08 设计创作，主要内容包括：本发明一种光学望远镜的反射镜切换机构涉及机械设计制造技术领域。天文学是一门以观测为主的学科,天文光学望远镜是主要手段之一。望远镜上目前常用的光学系统主要是两镜系统,以卡塞格林式或R-C式为主,其中往往在两镜中间增加一面平面反射镜,以增加反射焦点。在使用各个焦点时,需要对这块平面镜进行位置的移动。其中在卡焦工作状态时,需要将反射镜装配体移出成像光路之外,避开卡焦光路通道；在耐焦或是折转卡焦工作状态时,便需要将反射镜运动到与光轴成45度的位置,将副镜反射的光线折转到成像焦面上。本专利设计出一种全新的用于望远镜的反射镜切换机构,可以简单的实现反射镜的位置运动。运动可靠性高,定位精度准确。(The invention discloses a reflector switching mechanism of an optical telescope, and relates to the technical field of mechanical design and manufacture. Astronomy is a subject mainly for observation, and an astronomical optical telescope is one of the main means. The optical system commonly used in the telescope at present is mainly a two-mirror system, mainly of the Cassegrain type or the R-C type, wherein a plane reflector is often added between the two mirrors to increase the reflection focus. When using each focal point, the mirror needs to be moved in position. When the lens is in a focusing working state, the reflector assembly body needs to be moved out of an imaging light path to avoid a focusing light path channel; when the optical imaging device is in a focus-resistant or focus-folding working state, the reflector needs to be moved to a position which forms an angle of 45 degrees with the optical axis, and light reflected by the secondary mirror is folded to an imaging focal plane. This patent designs a brand-new speculum switching mechanism for telescope, the position motion of realization speculum that can be simple. The motion reliability is high, and the positioning accuracy is accurate.)
技术领域
本发明属于机械设计制造技术领域，具体来说涉及天文光学望远镜中的平面反射镜的位置切换与调整。
背景技术
天文学的发展与突破高度依赖望远镜的观测，其中光学望远镜是重要的观测手段之一。在天文光学望远镜中，因折射式望远镜的局限性已不再适合于更大口径的设计，因此目前大口径光学望远镜均为反射式，通常为两镜系统，光学系统以卡塞格林式和R-C式等为主，其中往往在两镜中间增加一面平面反射镜以增加焦点，更多的成像焦点便可以布置更多的成像仪器，对于稀缺的天文观测来说，利用好望远镜宝贵的观测时间，对于科学的产出有着至关重要的意义。起转折焦点作用的反射镜需要进行位置的移动，以实现不同焦点之间的切换。卡焦工作状态时，反射镜装配体需要移出到成像光路之外，避让开卡焦光路通道；而在耐焦或折轴焦点工作时，需要将反射镜运动到与光轴成45度的位置，将来自次镜的光路反射至耐焦或折轴耐焦成像焦面上。因此，为了实现光路目的，反射镜切换机构需要进行45度和90度之间的角度切换以及平移运动，以实现避让开卡焦通道的目的。
发明内容
本发明提供一种用于天文光学望远镜中的平面反射镜切换机构，实现三镜系统的角度切换和焦点切换，使安装于不同平台的终端仪器能够充分利用起来，提高观测效率。本发明切换机构简单，运动机构少，位置精度高，无额外镜面附加力，能够很好的实现工程中的需要。
本发明通过以下的技术方案来实现上述目的：一种光学望远镜的反射镜切换装置，安装于大中型光学望远镜的主镜室上，与镜筒同轴安装，位于主镜和次镜之间，是实现焦点切换的重要组件三镜。其特点是，此装置由三维运动构成，包括三镜光轴平行与45度之间切换的翻转机构；使反射镜与光轴同轴的平移机构；用于安装时角度调整或焦点切换的旋转机构。
在望远镜口径越来越大的趋势下，为了提高望远镜的观测效率，需要对望远镜的焦点进行充分的利用，因此作为转折焦点的关键元件三镜便愈显重要了。因为成本、技术、成像效果等原因，折射式不再用于大口径望远镜中，现在的望远镜便主要以反射式望远镜为主。宇宙中星系的光，穿过亿万光年的时空，来到望远镜的主镜上，再通过主镜的反射，到了次镜，二次反射穿过主镜的中孔，通过光学终端仪器的处理，便可以得到星象的成像以及各种光谱信息。在主次镜之间增加一面折转反射镜，可以将次镜的光路三次反射至另一焦点。三镜的切换，可以使得望远镜本体安装多个终端仪器，充分利用宝贵的观测时间，实现观测效率最大化。
一种光学望远镜的反射镜切换机构包括：反射镜支撑结构、翻转切换机构、平移切换机构、旋转切换装配体。
所述反射镜支撑结构包括平面反射镜、三个连接件和支撑杆支撑、一个中心侧支撑球头轴、支撑镜室以及支撑轴等零部件组成。
平面反射镜的材料通常选用低膨胀的微晶玻璃，对于温度的变化影响很小；底支撑以及侧支撑与镜面直接接触的材料选用殷钢，随温度变化的膨胀系数小，对温度没有其他合金那么敏感，可以很大程度减小温度造成金属材料热胀冷缩而引起的差值，从而造成支撑对于反射镜面形的影响。三组随动底支撑及侧支撑均连接在镜室上，四根连接轴连接于镜室上。
所述翻转切换机构主要由安装板、翻转支架、两组蜗轮蜗杆组件、两组滚珠丝杠组件、双出轴的驱动电机、联轴器、蜗杆固定支架、两组相同的第一滑块导轨组件以及两组相同的第二滑块导轨组件、高精度位置光栅尺和反射镜支撑装配体等零部件组成。
所述翻转切换机构的安装板主要起安装以及支撑功能，用于中间过渡作用，上可安装翻转支架，下直接通过螺钉与旋转装配体连接在一起。丝杠轴通过固定座装配在两侧，起翻转动作的实现。丝杠轴伸出的长度直接连接涡轮，可以通过涨紧套来实现。丝杠相配的螺母连接在转架上，中间可装配轴承。双出轴的电机分别通过联轴器连接两侧的蜗杆，蜗杆固定装配在蜗杆固定支架上。两组相同的第一导轨滑块分别安装于平面镜装配体两侧，与丝杠平行，其中导轨安装于翻转支架上，转架又安装于滑块上；其两组相同的第二导轨滑块同样安装于翻转支架上，平行安装，与第一组导轨有计算好的角度；短转架安装于第二组滑块上。光栅尺安装在平面镜装配体的一侧，固定不动，其读数头随反射镜装配体的运动而随动，作为位置的检测，反馈给电机，控制运动的实现。
所述的滚珠丝杠副为高精度研磨级别，并施加预紧，滚珠花键副的容许旋转静力矩大于螺纹副及端面摩擦副产生的摩擦力矩；滚珠直线导轨亦采用高精度级别，施加预紧，运行精度更高，其刚度也更好。
所述平移切换机构主要由导轨滑块、涡轮蜗杆组件、驱动电机、滚珠丝杠、安装固定支架等零部件组成。
翻转切换装置安装于平行放置的两根导轨滑块上，驱动电机通过联轴器与蜗杆直接连接，蜗轮连接在丝杠轴上，与蜗杆90度交错位置，丝杆两端通过安装座固定；丝杆相配的螺母连接在运动块上，运动块同时连接在两个导轨滑块上，其中一组导轨滑块安装于翻转机构装配体上，与整个装配体同时运动；另一组导轨滑块安装于底安装板，导轨位置固定不动，不随动，并且有一定的角度，通过斜面带来的切向分力带动整个装配体实现移动运动。
旋转切换装置由旋转轴、支撑轴承、直驱电机、支撑箱体以及位置码盘等零部件组成。
高精度码盘安装于旋转轴上，同轴安装，一起旋转运动，其读数头安装于支撑箱体上，用来测量旋转的角度位置，同时反馈和控制电机的运动；电机转子的硅钢片与磁钢组件粘在旋转轴上；其绕组部分组件固定安装于支撑箱体上。
附图说明
下面结合附图对本发明的作进一步说明。
图1反射镜支撑结构原理图；
图2 角度切换机构观测位置原理图；
图3角度切换机构让出通道原理图；
图4平移切换机构原理图；
图5翻转、平移切换机构示意图；
图6 翻转、平移切换机构立体图A；
图7 翻转、平移切换机构立体图B；
图8 翻转、平移切换机构立体图C；
图9旋转切换装配体整体示意图；
图10旋转切换装配体分解示意图。
1.反射镜、2.侧支撑球头、3.支撑杆、4.连接件、5.殷钢垫、6.支撑镜室、7连接轴；
8.安装板、9.支撑支架、10.光栅尺、11.读数头、12.丝杠固定座A、13.丝杆螺母、14.丝杆、15.反射镜装配体、16.丝杆固定座B、17.蜗轮、18.蜗杆、19.蜗杆固定座A、20.联轴器、21.驱动电机、22.蜗杆固定座B、23.导轨A、24.滑块A、25.导轨B、26.滑块B、27.转架B、28.转架A；
29.安装固定板、30.平移导轨C、31.平移滑块C、32.平移蜗杆固定座B、33.平移蜗杆、34.平移蜗轮、35.联轴器、36.驱动电机、37.平移导轨架、38.平移导轨D、39.平移滑块D、40.倾斜连接块、41.平移丝杠、42.平移导轨E、43.丝杠固定座；
44.撑箱体、45.码盘读数头、46.码盘、47.码盘安装支架、48.直驱电机转子安装支架、49.定子安装支架、50.直驱电机定子组件、51.直驱电机转子组件、52.大圆螺母、53.旋转轴、54.角接触球轴承A、55.角接触球轴承B。
具体实施方式
本发明装置包括：反射镜支撑结构（即反射镜装配体）、翻转切换机构（即翻转装配体）、平移切换机构（即平移装配体）、旋转切换装配体。
反射镜支撑结构原理图见图1，由反射镜1、侧支撑球头2、支撑杆3、连接件4、殷钢垫5、支撑镜室6以及连接轴7等主要零件组成。
支撑镜室6主体呈八边形结构，有一定厚度且有一底面，底面内部的中心位置有一圆孔，三条连接件4构成三角形围在圆孔外侧，三角形的中心处设有圆形凹槽，用于安装侧支撑球头2；在三角形的三个顶角上分别设置有三个支撑杆3；支撑杆3与连接件4相连的中间部分安装有深沟球轴承；每个支撑杆3的两端均设置有殷钢垫5。反射镜1安装在支撑镜室6内，与侧支撑球头2和殷钢垫5相接触。连接轴7设置在支撑镜室6的背面，位于背面的中部和下部，对称地设置有两组共4个连接轴7。
上述反射镜支撑结构可以实现反射镜1在装配完成后，随着重力的方向自动的调节微量姿态，对于镜面无附加应力，唯有的变形仅仅是自身重力的影响。
采用殷钢垫5的作用主要是因为微晶玻璃与金属的膨胀比差距较大，需采用低膨胀的殷钢连接支撑杆3与反射镜1。侧支撑球头2也采用殷钢材料，其膨胀系数小，温差变化时其形变相对也较小，最大程度减小支撑结构对反射镜面形造成的影响。
连接轴7是两组上下安装的轴，是为了实现反射镜装配体装配与切换的关键连接部件。这种支撑方法是反射镜常用的支撑方法，广泛适用于天文光学望远镜的镜面支撑中。
翻转切换机构可见图2及图3（为方便直观表达特配立体图见图6-图8），主要由安装板8、支撑支架9、光栅尺10、读数头11、丝杠固定座A12、丝杆螺母13、丝杆14、反射镜装配体15、丝杆固定座B16、蜗轮17、蜗杆18、蜗杆固定座A19、联轴器20、驱动电机21、蜗杆固定座B22、导轨A23、滑块A24、导轨B25、滑块B26、转架B27、转架A28等主要关键零部件组成。
安装板8中间位置有圆形通孔，支撑支架9三面围装于安装板8上，两侧平行支撑支架上的安装主体部件均相同，仅在一侧平行支撑支架上增设光栅尺10和读数头11。一侧背板支撑支架上安装驱动电机21。具体如下：
两侧平行的支撑支架9上对称地安装有导轨A23，丝杆14置于导轨A23上，其两端分别通过丝杠固定座A12和丝杆固定座B16固定丝杆14，其采用一端固定一端浮动的方式。丝杆螺母13与转架A28直接连接，丝杆14的浮动端安装有蜗轮17。
一侧背板支撑支架上安装有驱动电机21，其是特殊的电机，采用双输出头的方式，即两端均有连接轴，分别通过两个联轴器20将驱动电机21与两个蜗杆18连接在一起。与蜗轮17相配合的蜗杆18同时固定安装于蜗杆固定座A19及蜗杆固定座B22上（详见图7）。
安装板8圆形通孔两侧平行安装有三角形支架，用于支撑导轨B25，导轨B25上安装有滑块B26；滑块B26与转架B27连接，滑块B24与转架A28连接，转架A28及转架B27分别安装于反射镜装配体支撑镜室6的背面中部和下部的连接轴7上，故而通过此种连接将反射镜装配体与翻转装配体连接为一起。蜗轮17直接装配于丝杆14上，驱动电机21带动蜗杆18转动，与之啮合的蜗轮17，带动丝杠14转动，使丝杠螺母13发生水平运动，故而带动转架A28运动。导轨B25与导轨A23具有特定计算好的角度，丝杆螺母13移动的过程同时带动转架A28、转架B27以及所连接的滑块A24、滑块B26在滑块导轨上的平移运动，从而实现角度的翻转。
光栅尺10安装于滑块导轨的固定座上，读数头11安装在滑块A24上。
图2即是其反射镜处于45度放置的位置；图3即为反射镜处于90度位置，其反射镜装配体避让开卡焦通道。
平移切换机构装配图可见图4和图5（为方便直观表达配立体图见图6-图8）。主要由安装固定板29、平移导轨C30、平移滑块C31、平移蜗杆固定座B32、平移蜗杆33、平移蜗轮34、联轴器35、驱动电机36、平移导轨架37、平移导轨D38、平移滑块D39、倾斜连接块40、平移丝杠41、平移导轨E42及丝杠固定座43等主要零部件组成。
翻转装配体安装于滑块31上，一对平移导轨C30平行安装于安装固定板29上。翻转切换机构可在安装固定板29的平移导轨C30上运动。
一侧背板支撑支架上固定有平移蜗杆固定座B32；驱动电机36安装于平移蜗杆固定座B32上；同时平移丝杠41一端也固定安装于平移蜗杆固定座B32上，另一端采用丝杠固定座43固定；平移蜗轮34固定安装于平移丝杠41的一端；通过联轴器35将驱动电机36与平移蜗杆33连接在一起；平移导轨架37固定于安装固定板29上，不与翻转装配体一起运动；其平移导轨架37上安装有平移导轨D38，平移导轨E42安装于一侧背板支撑支架上；两个平移滑块D39将倾斜连接块40夹在中间，并固定连接为一体，倾斜连接块40与平移丝杠41的螺母连接，倾斜连接块40沿平移丝杆41移动的同时，带动两个平移滑块D39同时沿着平移导轨D38和平移导轨E42上滑动。其平移导轨架37与倾斜连接块40均相对翻转装配体拥有一定的角度。
驱动电机36工作，驱动平移蜗杆33啮合平移蜗轮34旋转，从而带动平移丝杠41旋转，其螺母与倾斜连接块40连接在一起，因而随动，旋转运动改变成为直线运动。因为倾斜旋转块40与平移导轨架37均拥有一定的角度，从而将水平运动通过切向分力的作用，实现垂直于丝杠轴的平移运动。
旋转切换装配体主要由支撑箱体44、码盘读数头45、码盘46、码盘安装支架47、直驱电机转子安装支架48、定子安装支架49、直驱电机定子组件50、直驱电机转子组件51、大圆螺母52、旋转轴53、角接触球轴承A54以及角接触球轴承B55等主要零部件组成。
其角接触球轴承A54及角接触球轴承B55面对面安装，用于支撑旋转轴53；直驱电机的转子组件51及直驱电机定子组件50分别通过相对应的安装支架即直驱电机转子安装支架48及定子安装支架49装配于旋转轴53及支撑箱体44上；码盘46通过螺钉及码盘安装支架47装配在旋转轴53上，其读数头45安装于支撑箱体44上。
直驱电机工作，带动整个旋转轴53进行旋转运动，其读数头45可以检测码盘46旋转角度，从而进行位置的检测与反馈。平移装配体与翻转装配体安装于旋转轴53上，可以实现整体的旋转。旋转轴53为空心轴，即可以通过来自于次镜的反射光路。
本发明的不局限于上述实施例所述的具体技术方案，凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。
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