快速无遮挡滤光片切换装置

本发明属于机械设计制造，具体涉及一种主焦点式天文望远镜滤光片切换装置。滤光片作为主焦点式天文望远镜的关键部件之一，滤光片的切换直接影响望远镜的观测效率和集光能力，因此滤光片切换装置需要具有滤光片的快速切换和光路避让功能。

背景技术：

1、平行于望远镜主镜轴线的光线经主镜反射后的相交点在主镜轴线上，称为主焦点式光学系统，主焦点式光学系统具有只经过一个反射面，光能损失较小的优点，因此主焦点式天文望远镜是天文观测常见的设备。

2、天文观测领域中通常需要使用几种特定波段的光束，因此滤光片切换装置是天文望远镜的通用设备。传统的滤光片切换装置通常为旋转装置和直线切换装置，对入射光路的遮挡大，光能损失大，从而亟需设计一种滤光片切换装置，保证不同波段的光束能够自动平稳切换，且不能遮挡入射光路。

技术实现思路

1、本发明的目的提供一种快速无遮挡滤光片切换装置，实现滤光片快速切换，且对入射光路无遮挡，可以解决传统滤光片切换装置对入射光路遮挡大的问题。

2、本切换装置（图12）安装在望远镜系统的副镜笼上，设置在改正镜组与探测器之间，其特征在于，本切换装置由定位模块和切换模块组成。其中定位模块包括：副镜笼、3组工作失电型电磁铁和1个工作霍尔开关；切换模块包括：4组滤光片保护罩壳、4组旋转机构和4组滤光片镜室机构。

3、所述的4组旋转机构安装在副镜笼的外框架上，呈90度分布。定位模块的3组工作失电型电磁铁和1个工作霍尔开关安装在副镜笼的内框架上。所述本发明滤光片切换装置处于工作状态时，旋转机构的旋转叶片与副镜笼的叶片重合，使滤光片切换装置对光路无遮挡。所述滤光片切换装置处于避让状态时，旋转机构和滤光片镜室机构处于望远镜的入射光路外侧，从而实现光路的避让功能。

4、所述定位模块由3组工作失电型电磁铁、3组电磁铁支座、工作霍尔开关、工作霍尔开关支座等组成；所述3组电磁铁支座安装在副镜笼的内框架上，工作失电型电磁铁与电磁铁支座固联；所述3组工作失电型电磁铁与直线运动组件的支撑轴同轴安装，形成镜室的3个支点，保证了滤光片镜室的稳定性；滤光片镜室处于工作状态时，3组工作失电型电磁铁断电锁定滤光片镜室，可实现定位模块的无热化；所述工作霍尔开关支座安装在副镜笼的内框架上，工作霍尔开关与工作霍尔开关支座固联。所述工作霍尔开关可以调整高低位置，从而调整滤光片的位置，使4个滤光片位置保持一致。

5、所述旋转机构由消隙旋转轴系、步进电机、减速器、金属弹性元件挠性联轴器、旋转叶片等组成；消隙旋转轴系由一对背对背安装的角接触球轴承组成，载荷作用中心处于轴承中心线之外，力作用点跨距较大，旋转轴系刚度高，可以承受倾覆力矩；所述消隙旋转轴系安装在固定支座内部；所述减速器支座与固定支座固联；所述减速器支座依次安装减速器、步进电机、抱闸；所述减速器通过金属弹性元件挠性联轴器与旋转轴联接，有效补偿减速器输出轴与消隙轴系旋转轴的位置和姿态误差；所述平衡重支座安装在旋转轴过渡套上，平衡重支座上依次安装螺母、螺杆、平衡重等，通过调整平衡重在螺杆上的位置，实现滤光片镜室机构与平衡重的平衡，减小旋转力矩；所述旋转叶片与旋转轴过渡套固联，利用叶片光孔与螺钉的间隙调整镜室机构的角度，从而调整失电型电磁铁到直线运动组件铁盘的距离。

6、所述滤光片保护罩壳安装在副镜笼外框架上，避让霍尔开关和避让失电型电磁铁通过相应的支座安装在滤光片保护罩壳内；其中避让失电型电磁铁与第一直线运动组件的支撑轴同轴安装；且避让失电型电磁铁支座的安装端面具有垫片，通过调整垫片的厚度，保证所述避让失电型电磁铁与第一直线运动组件的铁盘轴向间距为0.5mm±0.1 mm。所述旋转机构的旋转叶片与滤光片镜室支座固联。

7、所述滤光片镜室机构包含3组直线运动组件、滤光片、滤光片镜室、磁铁支座、磁铁等；所述3组直线运动组件按照一定角度分布在滤光片镜室的边缘。所述直线运动组件的固定支座安装在滤光片镜室上；所述lm直线轴承过盈配合安装在固定支座上，lm直线轴承的上下两端均安装a型轴用弹性挡圈；所述支撑轴安装在lm直线轴承上，在lm直线轴承的上方，依次安装平垫片、弹簧和锁紧螺母，利用锁紧螺母对弹簧施加预紧力，使铁盘与lm直线轴承紧密贴合，施加的预紧力大于铁盘重力的3倍。

8、所述滤光片镜室圆周具有注胶孔和螺纹孔，注胶孔中心与滤光片的重心位置重合；柱塞螺钉安装在螺纹孔内，将滤光片调整至滤光片镜室的中心位置；所述滤光片通过单组份室温硫化硅橡胶与滤光片镜室联接，胶斑中心点通过滤光片的重心平面；所述滤光片压板与滤光片镜室固联；所述滤光片压板通过单组份室温硫化硅橡胶与滤光片联接。该结构通过单组份室温硫化硅橡胶产生的较大变形来吸收应变能以适应温度的变化，使温度变化产生的热应力不传递到滤光片镜面上，从而保证滤光片的面形。

9、本发明装置滤光片切换的操作流程如下：当滤光片处于工作位置时，定位模块的3组工作失电型电磁铁上电，电磁铁磁性消失，在弹簧的作用下，滤光片镜室上的3组直线运动组件的支撑轴复位，工作失电型电磁铁松开滤光片镜室，控制系统控制电机逆时针旋转，将滤光片镜室机构朝避让位置旋转；当镜室机构位于避让和工作的中间位置时，避让失电型电磁铁上电，定位模块的3组工作失电型电磁铁断电，旋转机构继续旋转，直到触发避让霍尔开关的信号，控制系统接收到避让霍尔开关的高电平信号，控制系统控制电机停止旋转，避让失电型电磁铁断电，避让失电型电磁铁抱紧第一直线运动组件的支撑轴，旋转机构的步进电机和抱闸断电，滤光片锁定；此时，回到避让位置。滤光片由避让状态进入工作状态的控制流程与上述控制流程相反。该装置实现了滤光片的快速切换且对入射光路无遮挡的功能。

10、本发明的有益效果：本发明应用于南京大学一米光学望远镜项目。本发明解决滤光片的快速切换和光路遮挡问题，主要具有以下优点：望远镜入射光路无遮挡、滤光片的快速切换、镜面无附加应力安装、结构紧凑、机构的大跨越空间构型。

技术特征：

1.快速无遮挡滤光片切换装置，其特征在于，本装置设置在改正镜组与探测器之间，包括：定位模块和切换模块；定位模块包括：副镜笼(1)、3组工作失电型电磁铁 (4)和1个工作霍尔开关(6)；切换模块包括：4组滤光片保护罩壳(8)、4组旋转机构和4组滤光片镜室机构；其中，3组工作失电型电磁铁(4)以及1个工作霍尔开关 (6)设置在副镜笼(1)的内框架上；4组滤光片保护罩壳 (8)和4组旋转机构设置在副镜笼 (1)的外框架上，滤光片镜室机构与旋转机构中的旋转叶片 (9)固联；旋转机构带动滤光片镜室机构旋转，实现滤光片的快速切换且对入射光路无遮挡。

2. 根据权利要求1所述的快速无遮挡滤光片切换装置，其特征在于：所述副镜笼 (1)由内框架、外框架以及叶片(2)构成，内框架和外框架均为圆形，具有一定的厚度，内框架和外框架同轴安装，且通过4根叶片 (2)固定连接，每两根相邻叶片 (2)之间的角度均为90度；在叶片 (2)与外框架连接处的外框架正面上设置有4个旋转机构的安装端面，安装端面设有螺纹孔(3)；3组工作失电型电磁铁(4)以及1个工作霍尔开关 (6)均设置在副镜笼(1)的内框架上，每组工作失电型电磁铁 (4)通过电磁铁支座 (5)与内框架固联；1个工作霍尔开关(6)通过霍尔开关支座 (7)与内框架固联。

3. 根据权利要求1所述的快速无遮挡滤光片切换装置，其特征在于：所述切换模块中，每组旋转机构都有与之对应的滤光片保护罩壳(8)，滤光片保护罩壳(8)的安装位置为滤光片的避让位置；滤光片保护罩壳(8)为圆柱体状，有上下两个底面，通过其下底面固定在副镜笼 (1)的外框架上；滤光片保护罩壳(8)的中间侧壁有缺口，供滤光片在工作位置和避让位置之间切换，起到保护滤光片的作用。

4. 根据权利要求1所述的快速无遮挡滤光片切换装置，其特征在于：所述旋转机构包括：消隙旋转轴系、旋转叶片(9)、固定支座(10)、减速器支座(11)、减速器(12)、挠性联轴器(13)、步进电机(14)、抱闸(15)、平衡重支座(16)以及平衡重(19)；所述消隙旋转轴系安装在固定支座(10)内部，所述减速器支座(11)安装在固定支座 (10)上部；所述减速器支座(11)上依次安装减速器(12)、步进电机(14)和抱闸(15)；所述减速器(12)通过挠性联轴器(13)与消隙旋转轴系中的旋转轴 (22)联接，有效补偿减速器(12)输入轴与旋转轴 (22)的位置和姿态误差；步进电机 (14)安装在减速器 (12)上部，减速器 (12)通过挠性联轴器(13)带动旋转轴 (22)及旋转轴过渡套 (21)的旋转；同时减速器 (12)会通过齿轮传动将步进电机 (14)的高速低扭矩转变为低速高扭矩。通过这种方式，实现更大的输出扭矩和更低的转速。

5. 根据权利要求4所述的快速无遮挡滤光片切换装置，其特征在于：所述消隙旋转轴系包括：角接触球轴承(20)、旋转轴过渡套(21)、旋转轴(22)、垫片(23)以及并紧螺母(24)，所述固定支座 (10)内部有圆柱型通孔，通孔上下两侧开设环形凹槽，两组角接触轴承(20)采用背对背方式安装在环形凹槽内，旋转轴(22)安装在固定支座 (10)内部的圆柱型通孔中，旋转轴(22)与两组角接触轴承(20)转动连接，旋转轴 (22)底部通过垫片 (23)及并紧螺母 (24)固定，利用并紧螺母 (24)施加预紧力；旋转轴 (22)外围安装旋转轴过渡套 (21)，旋转轴 (22)带动旋转轴过渡套 (21)一起转动。

6. 根据权利要求4所述的快速无遮挡滤光片切换装置，其特征在于：所述平衡重支座(16)安装在旋转轴过渡套 (21)上，平衡重支座 (16)上安装螺母 (17)和螺杆(18)；平衡重(19)安装在螺杆(18)上，平衡重(19)两端的螺杆(18)上各安装有螺母(17)，通过螺母(17)调整平衡重(19)在螺杆(18)上的位置，实现滤光片镜室机构与平衡重 (19)的平衡，减小转动力矩。

7. 根据权利要求4所述的快速无遮挡滤光片切换装置，其特征在于：所述旋转叶片(9)的一端与旋转轴过渡套(21)固联，所述旋转叶片 (9)的另一端与滤光片镜室支座(28)固联；所述固定支座 (10)设置工作机械限位 (25)和避让机械限位(26)，实现旋转叶片(9)位置的限制。

8. 根据权利要求4所述的快速无遮挡滤光片切换装置，其特征在于：所述旋转机构为4组，通过固定支座 (10)与外框架上的螺纹孔 (3)螺栓连接。

9. 根据权利要求1所述的快速无遮挡滤光片切换装置，其特征在于：所述滤光片镜室机构包含滤光片镜室(27)、镜室支座(28)、滤光片(29)、滤光片压板(30)、3组直线运动组件(31)以及2组磁铁支座(32)；滤光片镜室(27)为圆形结构，所述3组直线运动组件(31)分布在滤光片镜室 (27)的边缘；滤光片镜室 (27)的边缘上还设置有2组磁铁支座 (32)和镜室支座 (28)，镜室支座 (28)用于和旋转机构中的旋转叶片 (9)固联；滤光片 (29)安装于滤光片镜室 (27)中，所述滤光片镜室 (27)圆周具有注胶孔和螺纹孔，注胶孔中心与滤光片(29)的重心位置重合；柱塞螺钉安装在螺纹孔内，柱塞螺钉将滤光片 (29)调整至滤光片镜室(27)的中心位置；所述滤光片 (29)通过单组份室温硫化硅橡胶与滤光片镜室 (27)联接，胶斑中心点通过滤光片的重心平面；所述滤光片压板(30)与滤光片镜室(27)固联；所述滤光片压板 (30)通过单组份室温硫化硅橡胶与滤光片 (29)联接；2组磁铁支座 (32)安装在滤光片镜室 (27)上；每组磁铁支座 (32)上固定安装一块磁铁(33)。

10. 根据权利要求9所述的快速无遮挡滤光片切换装置，其特征在于：所述直线运动组件 (31)包括：组件支座 (34)、lm直线轴承(35)、a型轴用弹性挡圈(36)、支撑轴 (37)、弹簧(38)、锁紧螺母(39)、平垫片(40)、铁盘(41)；所述组件支座 (34)固定安装在滤光片镜室(27)上；所述lm直线轴承(35)穿过组件支座(34)上的通孔，过盈配合安装在组件支座(34)上，lm直线轴承(35)的上下两端分别安装a型轴用弹性挡圈 (36)；支撑轴 (37)的底部安装铁盘 (41)，铁盘(41)用于当滤光片镜室随旋转机构旋转至副镜笼 (1)内框架时与安装在内框架上的工作失电型电磁铁 (4)相吸；所述支撑轴 (37)安装在lm直线轴承 (35)内，所述支撑轴 (37)上依次安装平垫片 (40)、弹簧 (38)和锁紧螺母 (39)，利用锁紧螺母(39)对弹簧 (38)施加预紧力，使铁盘 (41)与lm直线轴承 (35)紧密贴合，施加的预紧力大于铁盘 (41)重力的3倍。

11. 根据权利要求1所述的快速无遮挡滤光片切换装置，其特征在于：所述工作霍尔开关 (6)穿过霍尔开关支座(7)；所述工作霍尔开关(6)的外壁为细牙螺纹结构，安装在霍尔开关支座 (7)的通孔内，通过两个细牙螺母 (42)调整限位开关的高低位置，并联合调整磁铁(33)的位置，从而据此调整滤光片镜室的位置，使4个滤光片镜室位置保持高度一致。

12.根据权利要求1所述的快速无遮挡滤光片切换装置，其特征在于：所述3组工作失电型电磁铁(4)与滤光片镜室机构中3组直线运动组件(31)的支撑轴(37)同轴安装，形成滤光片镜室的3个支点，保证了滤光片镜室的稳定性。

13. 根据权利要求1所述的快速无遮挡滤光片切换装置，其特征在于：所述滤光片保护罩壳 (8)内还安装有避让霍尔开关 (43)和避让失电型电磁铁(44)；所述避让霍尔开关(43)外壁为细牙螺纹结构，安装在霍尔开关支座的通孔内，通过两个细牙螺母调整限位开关的上下位置，从而据此调整滤光片的位置，使滤光片处于对无遮挡状态；所述避让失电型电磁铁 (44)与第一直线运动组件(31-1)的支撑轴同轴安装；避让失电型电磁铁支座的安装端面具有垫片，通过调整垫片的厚度，保证避让失电型电磁铁与铁盘轴向间距0.5mm±0.1 mm。

技术总结
快速无遮挡滤光片切换装置，安装在望远镜系统的副镜笼上，设置在改正镜组与探测器之间，本切换装置由4组滤光片切换模块和定位模块组成。定位模块由3组失电型电磁铁、3组电磁铁支座、工作霍尔开关等组成。每组滤光片切换模块由滤光片镜室机构、旋转机构和滤光片保护罩壳组成。旋转机构由消隙旋转轴系、固定支座、平衡重、步进电机、减速器、旋转叶片等组成；滤光片镜室机构由3组直线运动组件、滤光片镜室、滤光片、磁铁支座、磁铁等组成。本装置解决了滤光片切换和入射光路遮挡问题，主要具有以下优点：望远镜入射光路无遮挡、滤光片的快速切换、滤光片无附加应力安装、滤光片无热化工作、结构紧凑、机构的大跨越空间构型等。

技术研发人员：张志永,黄雨辰,王国民,顾伯忠,叶宇,姜翔,乐中宇
受保护的技术使用者：中国科学院南京天文光学技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11