一种小口径轻型反射镜的柔性记忆合金支撑装置的制作方法

本发明属于空间光学反射镜成像领域，具体涉及一种小口径轻型反射镜的柔性记忆合金支撑装置。

背景技术：

随着科学的不断发展及创新，反射镜探测的精度要求不断提高，光学反射镜的使用也越来越广泛，小型反射镜的精密度要求就变得更加需要提高。作为光电探测设备中最重要光学部件的主反射镜的直径和重量问题，自重、热变形等对反射镜面形精度的影响也越来越严重，从而造成空间遥感器的成像质量降低。

小口径空间光学反射镜通常是通过支撑结构形成反射镜组件再安装到空间遥感器的主体结构上。所以影响主镜面形精度的因素除了主镜镜面的加工误差、自重、热变形外，主镜支撑结构的优劣起着决定性的作用。因此，支撑结构必须具备良好的静态、动态结构刚度，以满足反射镜对支撑稳定性的需求。同时，支撑结构须具备一定的柔性，可变性，以增强反射镜的热稳定性和减小装配应力的能力，从而减小重力、外载荷、温度变化以及振动等各种复杂环境因素对反射镜面形精度影响。

技术实现要素：

为了解决现有技术难以同时保证反射镜在自重、温度变化等工况下的面型精度和装配工艺要求高的问题，本发明提供一种小口径轻型反射镜的柔性记忆合金支撑装置。

本发明采用的技术方案：

本发明包括柔性支撑单元、压力传感器、记忆合金微调单元、支撑底座、固定单元和计算机。所述支撑底座的端面上开设有呈同心圆状均布的n个减重槽组，n≥5；所述的减重槽组包括沿周向均布的k个减重槽，k≥6；最内侧减重槽组的减重槽呈扇形，其余减重槽组的减重槽呈扇环形；呈扇形的减重槽两条半径的连接处以及各半径与圆弧的连接处均设有过渡圆角一；各减重槽组的减重槽中心在周向位置上一一对齐；所有减重槽所对的圆心角均相等；开设n个减重槽组后的支撑底座上形成呈同心圆状均布的n+1个圆板和n个辐板组；每相邻两个圆板通过一个辐板组连接；辐板组包括沿周向均布的k个辐板；支撑底座的一个端面上设有一体成型的一个第一凸台组、n-1个第二凸台组和一个第三凸台组；除最内侧的第一个以及第n个圆板外，其余圆板上各设置一个第二凸台组；第一凸台组和第三凸台组均设置在第n个圆板上；最内侧的第一个和第二个第二凸台组均包括在圆板上且位于圆板与各个辐板交汇位置处的k个第二凸台；第i个第二凸台组包括在圆板上且位于圆板与各个辐板交汇位置处的k个第二凸台，还包括在圆板上的(i-2)×k个第四凸台，且每相邻两个第二凸台之间设置(i-2)个第四凸台，第i个第二凸台组的所有凸台沿周向均布，i依次取3，…，n-1中的值；所述的第一凸台组包括沿圆周均布的三个第一凸台，第三凸台组包括k-3个第三凸台，三个第一凸台以及k-3个第三凸台均在圆板上且分别位于圆板与各个辐板交汇位置处；各第一凸台与两侧第三凸台之间在圆板上均设置n-4个第五凸台；各第五凸台与两侧的第一凸台和第三凸台之间所夹圆弧弧长相等；每相邻两个第三凸台之间在圆板上均设置(n-3)×k个第六凸台；第n-1个圆板上的相邻两个第六凸台之间以及第六凸台与第三凸台之间所夹圆弧弧长均相等。每个第一凸台上设置一个柔性支撑单元，每个第二、第三、第四、第五和第六凸台上均设置一个记忆合金微调单元。

所述的柔性支撑单元包括同轴设置的底部支撑板一、柔性支撑块一和顶板支撑板一；所述柔性支撑块一的一端与底部支撑板一固定，另一端与顶板支撑板一固定；柔性支撑块一与顶板支撑板一的连接处设有过渡圆角二，柔性支撑块一与底部支撑板一的连接处设有过渡圆角三；所述顶板支撑板一的侧部开设有沿圆周均布的六个减重槽一；所述底部支撑板一的端面开设有沿圆周均布的六个螺纹孔和沿圆周均布的三个减重槽二，且减重槽二位于螺纹孔内侧。底部支撑板一的每个螺纹孔与第一凸台上对应的连接通孔通过固定单元固定连接。

所述的记忆合金微调单元包括记忆合金丝以及同轴设置的底部支撑板二、柔性支撑块二和顶板支撑板二；所述柔性支撑块二的一端与底部支撑板二固定，另一端与顶板支撑板二固定；顶板支撑板二侧部开设有沿圆周均布的六个减重槽一；三根记忆合金丝沿周向均布，记忆合金丝的两端分别与底部支撑板二和顶板支撑板二通过螺钉一连接；所述记忆合金丝的两端均固定有电线接头；与三根记忆合金丝周向位置对应的三个减重槽一内各设置一个压力传感器；底部支撑板二黏接在第二、第三、第四、第五或第六凸台上。

所有记忆合金微调单元的压力传感器均将检测的压力信号输给计算机，所有记忆合金微调单元的电线接头所通过的电流大小均由计算机控制。

所述的固定单元包括螺钉二、球面垫圈、锥面垫圈、轴套和弹簧垫圈；所述的轴套固定套置在第一凸台的连接通孔内，弹簧垫圈设置在第一凸台和底部支撑板一之间；球面垫圈和锥面垫圈均设置在支撑底座的背面，且锥面垫圈设置在球面垫圈和支撑底座之间；锥面垫圈的锥面与球面垫圈的球面接触；所述的螺钉二依次穿过球面垫圈、锥面垫圈、轴套和弹簧垫圈，并与底部支撑板一的螺纹孔连接。

所述的底部支撑板一、底部支撑板二和顶部支撑板二的胶结面均开设导流槽，有利于粘结胶均匀扩散，形成均匀胶斑，提高面形精度，最大限度避免粘接剂及粘接残余应力对镜面面形的影响。

所述的底部支撑板一和底部支撑板二均开设有消应力槽，消除反射镜与柔性支撑单元间的热应力。

所述压力传感器的型号为hx711。

所述的压力传感器与计算机采用数据线连接。

所述支撑底座、柔性支撑块一和柔性支撑块二的材料均为殷钢，顶部支撑板一、顶部支撑板二、底部支撑板一和底部支撑板二的材料均为cfrp，记忆合金丝材料为tini，螺钉一和螺钉二均采用tb3。

所述的轴套开设有消应力槽，减小螺钉二与轴套之间的装配应力，避免对反射镜的不良影响。

所述底部支撑板一的底面、第一凸台的顶面、顶板支撑板一的圆周面以及弹簧垫圈两端面分别研磨处理，相互接触零件的接触面进行配研加工。

装配过程为：

1、对反射镜的支撑孔孔壁、底部支撑板一底面、第一凸台的顶面、顶板支撑板一的圆周面以及弹簧垫圈两端面分别进行研磨。

2、将三个柔性支撑单元的顶板支撑板一分别胶粘到反射镜对应的支撑孔内。

3、将底部支撑板一底面与第一凸台的顶面进行配研。

4、首先将记忆合金丝固定于底部支撑板二和顶板支撑板二之间，电线接头固定在记忆合金丝上，形成记忆合金微调单元；然后将各个记忆合金微调单元的底部支撑板二通过胶黏接在反射镜背面，各个记忆合金微调单元的顶板支撑板二通过胶黏接在支撑底座的各个第二、第三、第四、第五和第六凸台上。

5、将各压力传感器通过数据线与计算机连接。

6、将底部支撑板一的每个螺纹孔与第一凸台上对应的连接通孔通过固定单元固定连接。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明中记忆合金微调单元沿任意方向具有相同的柔度，各压力传感器实时传输各支撑点的压力值给计算机，计算机整体对比内置数据库，分别控制各个电线接头所通过的电流大小对不同支撑点的记忆合金丝进行加热变形，控制记忆合金丝微形变量，实现自动化智能检测调整，控制每一个支撑点的压力值，来均衡支撑装置的压力，有效协调自重、温度、外部载荷、装配应力等对镜面面形精度影响。计算机和压力传感器的实时监测调整，实现了一种智能化的效应。

2、柔性支撑单元的柔性支撑块一材料为殷钢，殷钢的线膨胀系数与反射镜材料相匹配，尽量减小了柔性支撑部位对反射镜面形精度的影响。

3、柔性支撑单元的顶部支撑板一与反射镜胶结，采用粘结解决质量大、装配难度大及容易造成反射镜面形精度变差等问题，简化了反射镜支撑装置的整体结构。

4、过渡圆角一、过渡圆角二和过渡圆角三有效地避免了应力集中。底部支撑板一和底部支撑板二均开设有消应力槽，减小了热变形和装配应力对反射镜面型的影响。底部支撑板一、顶板支撑板一和顶板支撑板二均开设有减重槽，一方面减轻了整个装置的重量，另一方面释放了反射镜与顶部支撑板间由于温度变化产生的应力对反射镜精度的影响。

5、柔性支撑块一和柔性支撑块二均采用圆柱状的直圆双轴柔性铰链结构，避免了采用单轴柔性铰链只能沿一个方向弹性弯曲及刚性结构多切槽容易造成不同方向上的柔性回转中心位置不同和加工困难等问题，该圆柱状的直圆双轴柔性铰链沿任意方向具有相同的柔道，在各个方向具有最高的灵敏度且容易加工，保证反射镜在工作方向变化、工作环境温度变化和有装配误差时反射镜的面形精度在允许范围内保持稳定。

6、支撑底座通过固定单元与柔性支撑单元连接，固定单元包括球面垫圈和锥面垫圈，能够实现接触面的自动找平，减小由于接触面的不平导致装配应力对反射镜精度的影响。固定单元还包括轴套，轴套上设有开口槽，消除装配应力。固定单元还包括弹簧垫圈，由于支撑底座和底板支撑板一和底板支撑板二材料的热膨胀系数不同产生的应力，通过弹簧垫圈的变形即可消除热应力和装配应力，避免对反射镜成像质量的影响。

7、轴套开设有消应力槽，减小螺钉二与轴套之间的装配应力，避免对反射镜的不良影响。

8、通过支撑底座上的凸台结构与柔性支撑单元以及记忆合金微调单元进行装配，一方面减小加工难度，另一方面减小装配应力。

9、反射镜采用反应烧结sic材料制作，由于反应烧结sic材料随温度变化的变形极小，减小了环境温度对镜面面形精度的影响。

附图说明

图1为反射镜装配在本发明上的结构示意图；

图2为本发明的整体结构立体图；

图3为本发明中支撑底座的结构立体图；

图4为本发明中柔性支撑单元的结构立体图；

图5为本发明中记忆合金微调单元的结构立体图；

图6为本发明中电线接头在记忆合金丝上的装配示意图；

图7为本发明中固定单元的结构剖面图；

图中：1、反射镜，2、柔性支撑单元，3、支撑孔，4、支撑底座，5、固定单元，6、弹簧垫圈，7-1、底部支撑板一，7-2、底部支撑板二，8、压力传感器，9、第一凸台，10-1、柔性支撑块一，10-2、柔性支撑块二，11-1、顶部支撑板一，11-2、顶部支撑板二，12、螺纹孔，13、减重槽二，14、过渡圆角二，15、过渡圆角三，16、螺钉二，17、球面垫圈，18、锥面垫圈，19、轴套，20、过渡圆角一，21、螺钉一，22、记忆合金微调单元，23、减重槽一，24、记忆合金丝，25、连接通孔，26、电线接头。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施方式进一步说明。

如图1、2和3所示，一种小口径轻型反射镜的柔性记忆合金支撑装置，包括柔性支撑单元2、压力传感器8、记忆合金微调单元22、支撑底座4、固定单元5和计算机。支撑底座4的端面上开设有呈同心圆状均布的n个减重槽组，n≥5；减重槽组包括沿周向均布的k个减重槽，k≥6；最内侧减重槽组的减重槽呈扇形，其余减重槽组的减重槽呈扇环形；呈扇形的减重槽两条半径的连接处以及各半径与圆弧的连接处均设有过渡圆角一20；各减重槽组的减重槽中心在周向位置上一一对齐；所有减重槽所对的圆心角均相等；开设n个减重槽组后的支撑底座4上形成呈同心圆状均布的n+1个圆板和n个辐板组；每相邻两个圆板通过一个辐板组连接；辐板组包括沿周向均布的k个辐板；支撑底座4的一个端面上设有一体成型的一个第一凸台组、n-1个第二凸台组和一个第三凸台组；除最内侧的第一个以及第n个圆板外，其余圆板上各设置一个第二凸台组；第一凸台组和第三凸台组均设置在第n个圆板上；最内侧的第一个和第二个第二凸台组均包括在圆板上且位于圆板与各个辐板交汇位置处的k个第二凸台；第i个第二凸台组包括在圆板上且位于圆板与各个辐板交汇位置处的k个第二凸台，还包括在圆板上的(i-2)×k个第四凸台，且每相邻两个第二凸台之间设置(i-2)个第四凸台，第i个第二凸台组的所有凸台沿周向均布，i依次取3，…，n-1中的值；第一凸台组包括沿圆周均布的三个第一凸台9，第三凸台组包括k-3个第三凸台，三个第一凸台以及k-3个第三凸台均在圆板上且分别位于圆板与各个辐板交汇位置处；各第一凸台与两侧第三凸台之间在圆板上均设置n-4个第五凸台；各第五凸台与两侧的第一凸台和第三凸台之间所夹圆弧弧长相等；每相邻两个第三凸台之间在圆板上均设置(n-3)×k个第六凸台；第n-1个圆板上的相邻两个第六凸台之间以及第六凸台与第三凸台之间所夹圆弧弧长均相等。每个第一凸台上设置一个柔性支撑单元2，每个第二、第三、第四、第五和第六凸台上均设置一个记忆合金微调单元22。

如图4所示，柔性支撑单元2包括同轴设置的底部支撑板一7-1、柔性支撑块一10-1和顶板支撑板一11-1；柔性支撑块一10-1一端与底部支撑板一7-1固定，另一端与顶板支撑板一11-1固定；柔性支撑块一10-1与顶板支撑板一11-1的连接处设有过渡圆角二14，柔性支撑块一10-1与底部支撑板一7-1的连接处设有过渡圆角三15；顶板支撑板一11-1侧部开设有沿圆周均布的六个减重槽一23；底部支撑板一7-1端面开设有沿圆周均布的六个螺纹孔12和沿圆周均布的三个减重槽二13，且减重槽二13位于螺纹孔12内侧。底部支撑板一7-1的每个螺纹孔与第一凸台上对应的连接通孔25通过固定单元5固定连接。

如图5和6所示，记忆合金微调单元22包括记忆合金丝24以及同轴设置的底部支撑板二7-2、柔性支撑块二10-2和顶板支撑板二11-2；柔性支撑块二10-2一端与底部支撑板二7-2固定，另一端与顶板支撑板二11-2固定；顶板支撑板二11-2侧部开设有沿圆周均布的六个减重槽一23；三根记忆合金丝24沿周向均布，记忆合金丝24的两端分别与底部支撑板二7-2和顶板支撑板二11-2通过螺钉一21连接；记忆合金丝24两端均固定有电线接头26；与三根记忆合金丝24周向位置对应的三个减重槽一内各设置一个压力传感器8；底部支撑板二7-2黏接在第二、第三、第四、第五或第六凸台上。

所有记忆合金微调单元22的压力传感器8均将检测的压力信号输给计算机，所有记忆合金微调单元22的电线接头26所通过的电流大小均由计算机控制。

如图7所示，固定单元5包括螺钉二16、球面垫圈17、锥面垫圈18、轴套19和弹簧垫圈6；轴套19固定套置在第一凸台的连接通孔25内，弹簧垫圈6设置在第一凸台和底部支撑板一7-1之间；球面垫圈17和锥面垫圈18均设置在支撑底座4的背面，且锥面垫圈18设置在球面垫圈17和支撑底座4之间；锥面垫圈18的锥面与球面垫圈17的球面接触；球面垫圈和锥面垫圈实现接触面的自动找平，也避免结合面不平造成的锁紧后产生的内应力；螺钉二16依次穿过球面垫圈17、锥面垫圈18、轴套19和弹簧垫圈6，并与底部支撑板一7-1的螺纹孔连接。第一凸台和底部支撑板一7-1之间由于材料不同产生的应力可以通过弹簧垫圈的位移消除，减小对镜面面形精度的影响。

反射镜1材料为反应烧结sic；反射镜1在背部开设有沿周向均布的三个支撑孔3，三个支撑孔3与支撑底座4的三个第一凸台分别同轴设置；三个柔性支撑单元2的顶板支撑板一11-1与三个支撑孔3分别黏接。顶板支撑板一圆周面与支撑孔的间隙为0.1～0.3mm，避免由于顶板支撑板一与支撑孔间的热胀冷缩不同导致对反射镜面形精度的影响。

本发明需对反射镜1的支撑孔孔壁、底部支撑板一7-1底面(与第一凸台的接触面)、第一凸台的顶面、顶板支撑板一11-1的圆周面以及弹簧垫圈6两端面分别进行研磨，并对相互接触零件的接触面进行配研。

本发明中记忆合金微调单元22沿任意方向具有相同的柔度，各压力传感器实时传输各支撑点的压力值给计算机，计算机整体对比内置数据库，分别控制各个电线接头26所通过的电流大小对不同支撑点的记忆合金丝进行加热变形，控制记忆合金丝微形变量，实现自动化智能检测调整，控制每一个支撑点的压力值，来均衡支撑装置的压力，减小支撑底座因为温度变化和装配应力对反射镜镜面精度的影响。

本发明的装配过程为：

1、对反射镜1的支撑孔孔壁、底部支撑板一7-1底面、第一凸台的顶面、顶板支撑板一11-1的圆周面以及弹簧垫圈6两端面分别进行研磨。

2、将三个柔性支撑单元2的顶板支撑板一11-1分别胶粘到反射镜1对应的支撑孔3内。

3、将底部支撑板一7-1底面与第一凸台的顶面进行配研，直到底部支撑板一7-1底面与第一凸台的顶面平面度达到所需要求。

4、首先将记忆合金丝固定于底部支撑板二7-2和顶板支撑板二11-2之间，电线接头固定在记忆合金丝上，形成记忆合金微调单元；然后将各个记忆合金微调单元的底部支撑板二7-2通过胶黏接在反射镜背面，各个记忆合金微调单元的顶板支撑板二11-2通过胶黏接在支撑底座的各个第二、第三、第四、第五和第六凸台上。

5、将各压力传感器通过数据线与计算机连接。

6、将底部支撑板一7-1的每个螺纹孔与第一凸台上对应的连接通孔25通过固定单元5固定连接。