一种支撑结构以及大口径反射式望远镜

1.本发明涉及光学仪器领域，尤其涉及一种支撑结构以及大口径反射式望远镜。


背景技术：

2.望远镜的光学系统广义上分为折射式，反射式，折反射式。焦距长，将透镜作为物镜的折射式光学系统由于加工和支撑装配工艺的限制，其望远镜整体结构细长，因此光学口径无法做得很大，除此之外，大口径的反射镜比透镜生产成本低，因此综合考虑，目前建成和在研究的大口径望远镜都是采用反射式光学系统。为保证反射式光学系统内各光学组件的相对位置关系以免系统产生光学像差，需要设计满足精度指标要求的主光学系统支撑结构，其中包括为主反射镜提供高刚度基础的主镜室和保证主次镜相对位置的镜筒，两者通过四通中间块相连组成反射式光学系统。
3.其中，主镜室有箱体焊接和铸造两种结构形式，但该种结构形式的主镜室往往较重，不利于整个系统的减重和配平，一般普遍用于中小型望远镜。镜筒具有薄壁筒式和桁架式两种，薄壁筒式镜筒由于防尘和挡杂光性能较好，一般用于中小型望远镜，而对于大型望远镜，薄壁筒结构往往太重，因此多采用桁架式镜筒，在结构轻量化的基础上，减小热容量和所受风载，并有利于通风，从而改善观测室的大气视宁度。除此之外，目前桁架式镜筒一般采用焊接或铰接方式实现各桁架杆之间的空间连接，桁架的焊接连接方式简单，但不利于空间桁架的拆卸和更大口径光学系统支撑的扩展，面对桁架结构的扩展和改造往往需要重新加工而增加周期和成本。铰接方式通过设计不同的机械转接件，可以灵活实现桁架结构中各桁架杆之间的连接，解决了焊接连接方式拆卸不便，桁架扩展成本高的问题。对于小口径光学系统支撑桁架，桁架杆数量少，相应所需的机械转接件少，各式各样的非标准转接件加工制造成本增加并不显著，空间桁架装配过程不至于过分复杂。但是随着反射式光学系统口径的不断增大和扩展，其桁架杆数量成几何增长，带来的非标准转接件加工制造成本显著增加，也给空间桁架装配过程中各非标准转接件的分类和标号带来巨大工作量，细微的分类偏差可能会导致空间桁架装配的重大失误，试错成本太高，不利于极大口径反射式光学系统支撑桁架的复杂装配和扩展。


技术实现要素：

4.本发明的第一个目的在于提供一种支撑结构，其旨在解决适用于大口径望远镜的空间桁架机械转接件数量众多，复用率低，装配分类复杂的技术问题。
5.为达到上述目的，本发明提供的方案是：
6.一种支撑结构，适用于大口径反射式望远镜，所述支撑结构包括主镜室、环梁组件和镜筒，主镜室包括若干个第一螺栓球和若干个第一桁架杆组件，每个所述第一螺栓球均设置有至少两个空间角度不同的第一螺纹孔，多个所述第一螺栓球和多个所述第一桁架杆组件拼接形成空间桁架，位于不同空间位置的所述第一桁架杆组件的长度不同，所述环梁组件包括环梁边框、安装座和多个连接筋，所述安装座通过多个所述连接筋与所述环梁边
框连接，所述镜筒包括若干个第二螺栓球和若干个第二桁架杆组件，若干个所述第二螺栓球环绕所述环梁边框的外周设置，并与所述环梁边框连接，每个所述第二螺栓球均设置有至少一个第二螺纹孔，若干个所述第二桁架杆组件环绕所述主镜室的外周设置，所述第二桁架杆组件的第一端与所述主镜室外周的第一螺栓球或所述主镜室外周的第一桁架杆组件连接，另一端与所述第二螺栓球螺纹连接。
7.优选地，所述空间桁架为单层结构，所述空间桁架呈倒梯台状设置。
8.优选地，所述空间桁架为双层结构，所述空间桁架呈倒锥状设置。
9.优选地，每个所述第一桁架杆组件均包括连杆和连接组件，所述连接组件设置有两个，两个所述连接组件分别设置在所述连杆两端，所述连杆内部中空设置，所述连接组件包括螺栓、封板、套筒和销钉，所述封板设置在所述连杆的端部，所述螺栓设置在所述封板朝内的一侧，并穿过所述封板伸出所述连杆与所述第一螺栓球连接，所述套筒套设在所述螺栓上，且所述套筒上设置有第三螺纹孔，所述第三螺纹孔的延伸方向与所述螺栓的延伸方向垂直，所述销钉安装在所述第三螺纹孔内，并与所述螺栓抵接，不同空间位置的所述连杆的长度不同，且不同空间位置的所述套筒的长度不同。
10.优选地，所述封板与所述连杆焊接。
11.优选地，与所述主镜室外周的所述第一螺栓球连接的所述第二桁架杆组件的结构与所述第一桁架杆组件的结构一致，与所述主镜室外周的所述第一桁架杆组件连接的所述第二桁架杆组件在连杆的一端设置有连接组件，连杆的另一端与第一桁架杆组件的连杆焊接。
12.优选地，所述镜筒还包括紧固件，所述环梁边框上设置有安装孔，所述紧固件穿过所述安装孔与所述第二螺栓球连接。
13.优选地，所述连接筋呈v字形设置，所述连接筋包括端部和两个支脚，所述端部连接至所述连接筋环梁边框的内侧壁，两个所述连接筋支脚分别连接至所述连接筋安装座。
14.优选地，所述连接筋环梁边框呈六边形设置，所述连接筋设置有六个，六个所述连接筋的端部分别位于所述连接筋环梁边框的六个公共端点处。
15.优选地，所述第二螺栓球设置有六个，六个所述第二螺栓球设置在所述连接筋环梁边框的底部，且分别位于所述连接筋环梁边框的六个公共端点处。
16.本发明的第二个目的在于提供一种大口径反射式望远镜，包括望远镜主体和跟踪架，所述望远镜主体包括主镜、次镜或终端组件、以及支撑结构，所述支撑结构采用如上所述的支撑结构，所述主镜安装在所述主镜室上，所述次镜或终端组件安装在所述安装座上，所述主镜室安装在所述跟踪架上，所述跟踪架用于驱动所述望远镜主体进行俯仰运动和方位旋转运动。
17.本发明提供的支撑结构具有以下优点：
18.第一，支撑结构的桁架结构式主镜室给主镜提供高刚度稳定基础，实现主镜和次镜相对位置的固定和保持，取消常用于连接镜筒和主镜室的四通结构，将镜筒和主镜室优化整合为一个整体桁架式结构，使支撑结构更加紧凑和轻量化，而且镜筒和主镜室相连，通过环梁组件的传递实现次镜或终端组件与主镜之间位置的固定和保持，环梁组件实现次镜或终端组件的微量调整。
19.第二，支撑结构可以将第一桁架杆组件和第二桁架杆组件设计成几种规格的标准
件，通过若干第一螺栓球实现第一桁架杆组件的拼接，以及通过若干第二螺栓球实现第二桁架杆组件的拼接，螺栓球连接形式取代桁架杆之间的焊接连接与一般机械转接件形式，利用统一规格但具有不同空间角度螺孔的螺栓球作为标准化的机械转接件形式，利于更大口径支撑结构的扩展，利于第一桁架杆组件以及第二桁架杆组件机械加工的标准化，使连接结构更加标准化，装配分类更简单，可扩展性更高，在进行更大口径望远镜扩展时，本发明的支撑结构无需进行大规模修改，重新加工只需在原有桁架式结构基础上直接进行扩展，减少扩展为更大口径望远镜升级改造的施工和建造成本，同时有利于更大口径望远镜结构的外场解体运输和总装集成。
20.本发明提供的大口径反射式望远镜整体结构更加紧凑，可扩展性更高。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
22.图1是本发明一实施例提供的支撑结构的结构示意图；
23.图2是本发明另一实施例提供的支撑结构的结构示意图；
24.图3是图2中的主镜室的结构示意图；
25.图4是图2中的主镜室的主视图；
26.图5是图4中沿a-a线的剖视图；
27.图6是本发明实施例提供的图5中b的放大图。
28.附图标号说明：
29.10、主镜室；11、第一螺栓球；111、第一螺纹孔；12、第一桁架杆组件；121、连杆；122、螺栓；123、封板；124、套筒；20、环梁组件；21、环梁边框；211、安装孔；22、安装座；23、连接筋；231、端部；232、支脚；30、镜筒；31、第二螺栓球；32、第二桁架杆组件；34、紧固件；40、俯仰轴系；50、主镜。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
32.还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。
33.另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指
示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
34.如图1至图6所示，其为本发明的一种实施例的支撑结构。
35.请参阅图1-图6，本发明实施例的一种支撑结构，包括主镜室10、环梁组件20和镜筒30，主镜室10包括若干个第一螺栓球11和若干个第一桁架杆组件12，每个第一螺栓球11均设置有至少两个空间角度不同的第一螺纹孔111，第一桁架杆组件12的一端与一第一螺栓球11螺纹连接，另一端与另一第一螺栓球11螺纹连接，多个第一螺栓球11和多个第一桁架杆组件12拼接形成空间桁架，位于不同空间位置的第一桁架杆组件12的长度不同，环梁组件20包括环梁边框21、安装座22和多个连接筋23，安装座22通过多个连接筋23与环梁边框21连接，镜筒30包括若干个第二螺栓球31和若干个第二桁架杆组件32，若干个第二螺栓球31环绕环梁边框21的外周设置，并与环梁边框21连接，每个第二螺栓球31均设置有至少一个第二螺纹孔(图未示)，若干个第二桁架杆组件32环绕主镜室10的外周设置，第二桁架杆组件32的第一端与主镜室10外周的第一螺栓球11或主镜室10外周的第一桁架杆组件12连接，另一端与第二螺栓球31螺纹连接。
36.在使用时，主镜50安装在主镜室10上，次镜或终端组件安装在安装座22上，俯仰轴系40安装在主镜室10的两侧。
37.本发明实施例的支撑结构具有以下优点：
38.第一，支撑结构的桁架结构式主镜室10给主镜50提供高刚度稳定基础，实现主镜50和次镜相对位置的固定和保持，取消常用于连接镜筒30和主镜室10的四通结构，将镜筒30和主镜室10优化整合为一个整体桁架式结构，使支撑结构更加紧凑和轻量化，而且镜筒30和主镜室10相连，通过环梁组件20的传递实现次镜或终端组件与主镜50之间位置的固定和保持，环梁组件20实现次镜或终端组件的微量调整。
39.第二，支撑结构可以将第一桁架杆组件12和第二桁架杆组件32设计成几种规格的标准件，通过若干第一螺栓球11实现第一桁架杆组件12的拼接，以及通过若干第二螺栓球31实现第二桁架杆组件32的拼接，螺栓球连接形式取代桁架杆之间的焊接连接与一般机械转接件形式，利用统一规格但具有不同空间角度螺孔的螺栓球作为标准化的机械转接件形式，利于更大口径支撑结构的扩展，利于第一桁架杆组件12以及第二桁架杆组件32机械加工的标准化，使连接结构更加标准化，装配分类更简单，可扩展性更高，在进行更大口径望远镜扩展时，本发明实施例的支撑结构无需进行大规模修改，重新加工只需在原有桁架式结构基础上直接进行扩展，减少扩展为更大口径望远镜升级改造的施工和建造成本，同时有利于更大口径望远镜结构的外场解体运输和总装集成。
40.可以理解地，空间桁架可以为单层结构，也可以为双层或多层结构，空间桁架的层数和形状，第一桁架杆组件12的数量以及第一螺栓球11的数量在此不作具体限制。
41.如图2所示，在一实施例中，空间桁架为单层结构，空间桁架大致呈倒梯台状设置。主镜室10的顶面为一六边形平面，六边形平面的内部分割成四个三角形平面和三个四边形平面，相邻的三角形平面和四边形平面的公共端点共用同一个第一螺栓球11，相邻的三角
形平面和四边形平面的公共边共用同一第一桁架杆组件12，主镜室10的底面为一三角形平面，主镜室10的顶面和底面通过多个第一桁架杆组件12连接。
42.如图1所示，在另一实施例中，空间桁架为双层结构，空间桁架大致呈倒锥状设置，第一层结构的顶面为一六边形平面，六边形平面的内部分割成若干个三角形，相邻的三角形平面的公共端点共用同一个第一螺栓球11，相邻的三角形平面的公共边共用同一第一桁架杆组件12，第一层结构的底面为一四边形平面，并以第一层结构的底面作为第二层结构的顶面，第二层结构的底部为一第一螺栓球11。
43.请参阅图2-图6所示，示例性地，每个第一桁架杆组件12均包括连杆121和连接组件，连接组件设置有两个，两个连接组件分别设置在连杆121两端，连杆121内部中空设置，连接组件包括螺栓122、封板123、套筒124和销钉(图未示)，封板123设置在连杆121的端部231，螺栓122设置在封板123朝内的一侧，并穿过封板123伸出连杆121与所述第一螺栓球11连接，套筒124套设在螺栓122上，且套筒124上设置有第三螺纹孔，第三螺纹孔的延伸方向与螺栓122的延伸方向垂直，销钉安装在第三螺纹孔内，并与螺栓122抵接，不同空间位置的第一桁架杆组件12的连杆121的长度不同，且不同空间位置的第一桁架杆组件12的套筒124的长度不同，本发明实施例的支撑结构通过高强度螺栓122实现空间桁架中各连杆121之间的高强度可靠连接，通过不同长度的套筒124调整连杆121的实际连接长度保证空间桁架中各第一螺栓球11节点的精确位置连接和紧固，增加一级调整环节降低空间桁架结构的整体装调难度，避免连接过约束，也可以说，通过不同长度的套筒124补偿由于连杆121长度偏差导致空间桁架各节点第一螺栓球11无法紧密相连实现空间力系闭环的问题，球形转接节点配合连杆121，实现各杆力系相交于球心，便于各杆对球形转接件施加力的相互抵消和合成，有利于力系的传递和球形转接件的受力情况。此外，销钉通过套筒124上的螺孔与高强度螺栓122相连接，以通过调节销钉实现连杆121内螺栓122与第一螺栓球11的拧紧和拆卸，进而搭建起完整的空间桁架。
44.可选地，封板123与连杆121焊接，完成连杆121两边开口的密封，在完成中空连杆121的焊接密封前将两个高强度螺栓122相对放置在中空连杆121内，以满足中空连杆121与螺栓球上螺孔的连接。
45.需要说明的是，当第二桁架杆组件32的第一端与主镜室10外周的第一螺栓球11连接时，第二桁架杆组件32的结构与第一桁架杆组件12的结构基本一致，不同之处在于连杆121的长度，连杆121的长度随着空间位置适应性调整。
46.当第二桁架杆组件32的第一端与主镜室10外周的第一桁架杆组件12连接时，第二桁架杆组件32只在第二端设置连接组件，第二桁架杆组件32的连杆121的远离环梁边框21的一端直接与第一桁架杆组件12的连杆121焊接。
47.请重点参阅图1，示例性地，镜筒30还包括紧固件34，环梁边框21上设置有安装孔211，紧固件34穿过安装孔211与第二螺栓球31的第二螺纹孔连接，通过将镜筒30与环梁组件20设计成可拆卸连接的方式，有利于后期维护和回收利用。
48.当然，第二螺栓球31与环梁边框21也可以采用其他连接方式连接，例如，焊接。
49.可选地，紧固件34为连接螺丝。进一步地，紧固件34与环梁边框21之间设置有垫片。
50.请重点参阅图1，示例性地，每个连接筋23均呈v字形设置，包括端部231和两个支
脚232，连接筋23的端部231连接至环梁边框21的内角位置，两个支脚232分别连接至安装座22，这样设计，既能够保证环梁组件20具有足够的刚度，又能够保证足够大的通光面积。
51.可选地，连接筋23的端部231与环梁边框21焊接。
52.可以理解地，连接筋23也可以直接设置成一字形结构。
53.进一步地，环梁边框21呈六边形设置，连接筋23设置有六个，六个所述连接筋23的端部231分别位于环梁边框21的六个公共端点处。
54.可以理解地，环梁边框21并不局限于呈六边形设置。例如可以设置成五边形结构。
55.当环梁边框21呈六边形设置时，第二桁架杆组件32通过第二螺栓球31连接在六边形的公共端点，且每个公共端点处的第二桁架杆组件32的数量可以不同，例如，一公共端点处连接有一个第二桁架杆组件32，另一公共端点处连接有两个第二桁架杆组件32，再一公共端点处连接有三个第二桁架杆组件32。
56.请参阅图1-图6所示，本发明实施例还提供了一种大口径反射式望远镜，包括望远镜主体和跟踪架，望远镜主体包括主镜50、次镜或终端组件、以及支撑结构，支撑结构采用如上所述的支撑结构，主镜50安装在主镜室10上，次镜或终端组件安装在安装座22上，主镜室10安装在跟踪架上，跟踪架用于驱动望远镜主体进行俯仰运动和方位旋转运动，跟踪架包括俯仰轴系40和方位轴系(图未示)。
57.本发明实施例的大口径反射式望远镜整体结构更加紧凑，可扩展性更高。
58.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。