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望远镜镜筒结构设计论文1望远镜镜筒的结构设计1.1镜筒的总体结构设计镜筒是一架望远镜的关键零件其功能是装载光学零件并保证赤纬轴转动时光轴的稳定程度。望远镜镜筒的机械结构设计的主要目的是支撑和固定主镜、非球面改正板、焦面机构等装置要求其在不同姿态时能够保证主、非球面改正板的面形改变最小遮挡最少镜筒的结构尽量的轻量化具有较强的刚度并在各个姿态的刚度保证一致。在南极极低温条件下为了防止主镜内部结霜需要对镜筒进行密封处理。由于该望远镜在国内装调温度在（-10~40）℃之间而使用的南极冰穹A处最低温度为-80℃最高和最低温度有110℃的温差为防止装调和使用时镜筒尺寸变化过大导致光学部件的位置相差过大采用了极低热膨胀系数的殷钢的桁架杆连接主镜和副镜并且有一套低温补偿机构防止主副镜的位置由于温度的变化而发生变化当温度发生变化而导致材料收缩时通过弹性元件的变形可以弥补材料的收缩量。1.2主镜系统的结构设计南极巡天望远镜主镜的支撑通过胶接在主镜背面的因钢垫和主镜相连要承担主镜沿光轴方向上的重力分量主镜支撑结构。主镜支撑应具备以下功能：（1）位置精确提供准确、恒定的支撑力；（2）自重轻、结构牢靠、便于维护；（3）能允许结构本身的温度膨胀和小的装配误差；（4）轴向刚度好兼具轴向定位的作用同时不能承担侧向力；（5）具有一定的抗震性能。大口径的镜面支撑一直是望远镜机械设计的主要任务之一。通常情况下望远镜的镜面支撑主要包括轴向支撑和侧向支撑两种情况镜面支撑又可以分为固定支撑和浮动支撑前者主要起定位作用而后者起卸荷作用。多年来已发展比较成熟的支撑方法有杠杆平衡重、跷跷板、气垫或液垫、水银带等。为了运输的安全可靠望远镜主镜设计的径厚比较大。在南极低温的条件下水银带已经成为了固态的物体因此无法用水银带的方法进行侧支撑。由于该主镜的径厚比较大单独靠中孔的球头定位支撑系统在镜筒水平的极限情况下仍然可以使面形变化较少。南极巡天望远镜采用了跷跷板（Whiffletree）的机械浮动支撑结构该结构由一系列浮动板或杠杆构成。它们中的每一个可将一个支撑点转化为3个支撑点。由于制造的地点和南极的温度相差过大为了防止主镜的支撑位置有所变化机械浮动支撑的9个点以及定位主镜中孔的轴都使用了温度膨胀系数极低的材料制造保证在低温状态下主镜结构不发生大的变化。为了消除温度对支撑的影响消除温度变化下主镜与支撑之间的相对运动减小因支撑引起的主镜面形的变化应对传统的主镜支撑结构进行设计优化和改造设计一种能够提供在主镜径向方向上有自由度同时在温度变化时对主镜产生尽量小的附加力的主镜底部支撑结构。在材料的选择上与镜面接触的零件如中孔位置和子镜背面的垫块为了防止由于温度变化而产生热应力影响子镜的面型采用了热膨胀系数小的殷钢材料。1.3主镜室静力学分析结构静力学分析用于确定加载结构的位移、应力、应变及反力在分析时忽略惯性和阻尼作用的影响假设结构加载及响应时间随时间变化缓慢。望远镜在垂直状态下所受到的轴向压力最大因此主镜支撑系统受到的压力和变形量也最大对望远镜主镜部分垂直状态下的静力学进行分析可以校验望远镜主镜支撑系统设计的合理性。主镜系统应力云图看出在垂直状态下主镜受到的机械浮动支撑（whilffletree）结构带来的最大应力为0.425MPa位置位于在内圆附近的殷钢垫支撑点上该数值远远小于镜面的许用应力因此该支撑机构对主镜是安全。主镜面形变化图。镜面面形的PV值为43.7nmRMS值为7.2nm。该数值符合主镜设计的机械要求。2.5焦面改正镜组机构的设计副镜机构采用偏心的四翼薄叶片固定在副镜圈上以减小挡光并有一定抗扭刚度和较高抗弯刚度。由于在南极DOMEA地区有接近110℃的温差为了保证望远镜能在不同的温度下都能正常工作需要引入焦面移动机构对副镜的位置进行调整使得CCD能根据气温的变化进行位置的动态调节保证CCD的像质不随温度的变化而变化。调整机构由直线导轨和直线驱动机构两部分组成导轨采用滚珠导轨以防止微动时的爬行出现直线驱动结构的灵敏度在0.5μ左右可保证调焦精度优于0.01mm。2镜筒模态分析模态分析是研究结构动力特性一种近代方法是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。在减振设计中对结构进行模态分析可以找出结构的固有频率以及最容易发生共振的位置并对该位置进行特殊有效的防护以保证结构的安全。对于镜筒的结构主要采用的是板壳单元（shell）进行模拟分析将镜筒与轴系的连接处设置为只允许绕镜筒法向方向旋转的约束方式以模拟实际望远镜运行时的状态其余部分采用固定连接的约束方式