способ крепления крупногабаритного зеркала оптико-механического устройства в оправе(варианты) и устройство крепления (варианты)

Формула изобретения

1. Способ крепления крупногабаритного зеркала оптико-механического устройства в оправе, включающий определение расчетным путем мест крепления и требуемого количества опор, в состав которых входят опорные пяты, приклеиваемые к тыльной поверхности зеркала, определение необходимости применения разгрузок зеркала, установку оправы с центральной опорой в рабочее положение, соединение зеркала и опорных пят с оправой, отличающийся тем, что в качестве опорных пят используют постоянные магниты, которые примагничивают либо непосредственно на выбранные места оправы, либо при необходимости применения разгрузок зеркала на элементы разгрузки, которые предварительно соединяют с оправой при помощи шарниров, после чего поверхность магнитов, обращенную к тыльной стороне зеркала, покрывают клеем, а затем осуществляют соединение зеркала с центральной опорой и магнитами путем наложения зеркала до соприкосновения с магнитами при центрировании зеркала по центральной опоре.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что примыкающие друг к другу поверхности магнитов и оправы или элементов разгрузки перед примагничиванием шлифуют либо полируют.

3. Способ по п.1, 2, отличающийся тем, что на поверхность магнита, примыкающую к оправе или к элементу разгрузки, перед их соединением наносят пластичную смазку либо антифрикционное покрытие.

4. Способ крепления крупногабаритного зеркала оптико-механического устройства в оправе, включающий определение расчетным путем мест крепления и требуемого количества опор, в состав которых входят опорные пяты, приклеиваемые к тыльной поверхности зеркала, определение необходимости применения разгрузок зеркала, установку оправы в рабочее положение, соединение опор и зеркала с оправой, отличающийся тем, что опоры, в состав которых входят опорные пяты, дополнительно размещают на боковой поверхности зеркала, для чего определяют расчетным путем места их крепления и требуемое количество, при этом в качестве всех опорных пят используют постоянные магниты, которые примагничивают на выбранные места оправы со стороны боковой поверхности зеркала, а со стороны тыльной поверхности их примагничивают либо непосредственно на выбранные места оправы, либо при необходимости применения разгрузок зеркала на элементы разгрузки, которые предварительно соединяют с оправой при помощи шарниров, после чего поверхность магнитов, обращенную к зеркалу, покрывают клеем, а затем осуществляют соединение зеркала с магнитами путем наложения и поджатия зеркала до соприкосновения со всеми магнитами.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что примыкающие друг к другу поверхности магнита и оправы, а также элементов разгрузки при необходимости их применения перед примагничиванием шлифуют либо полируют.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что на примыкающую к оправе или к элементу разгрузки при необходимости его применения поверхность магнита перед их соединением наносят пластичную смазку либо антифрикционное покрытие.

7. Устройство крепления крупногабаритного зеркала оптико-механического устройства в оправе, содержащее центральную опору и не менее 3-х периферийных опор, каждая из которых включает в себя приклеенную к тыльной поверхности зеркала опорную пяту, соединенную с оправой с возможностью перемещения относительно нее, отличающееся тем, что в качестве опорных пят использованы постоянные магниты, выполненные из редкоземельных материалов и установленные либо с примыканием к оправе, которая в этом случае полностью или частично в зоне размещения магнитов выполнена из ферромагнитного материала, либо к элементам разгрузки, шарнирно соединенным с оправой и выполненным из ферромагнитного материала, при этом к каждому демпфирующему элементу примыкает не менее 2-х магнитов, общее количество которых кратно 3-м, причем в качестве элементов разгрузки использованы равноплечие рычаги-коромысла либо треугольники.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что суммарная площадь поверхности склеивания магнитов выбрана из соотношения 1/50 1/250 от площади тыльной поверхности зеркала.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что магниты выполнены в форме диска, толщина которого выбрана из соотношения 1/5 1/10 его диаметра.

10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что поверхность магнитов, противоположная поверхности склеивания, выполнена сферической.

11. Устройство по п.7, отличающееся тем, что на поверхность магнита, примыкающую к оправе или элементу разгрузки, нанесено антифрикционное покрытие или пластичная смазка.

12. Устройство по п.7 отличающееся тем, что на оправе либо элементах разгрузки выполнены резьбовые отверстия под винты-домкраты.

13. Устройство крепления крупногабаритного зеркала оптико-механического устройства в оправе, содержащее не менее 3-х опор, каждая из которых включает в себя приклеенную к тыльной поверхности зеркала опорную пяту, соединенную с оправой с возможностью перемещения относительно ее, отличающееся тем, что снабжено не менее 2-мя дополнительными опорами, выполненными также в виде опорных пят, но приклеенными к боковой поверхности зеркала, при этом в качестве опорных пят использованы постоянные магниты, которые выполнены из редкоземельных материалов и установлены либо все с примыканием к оправе, которая в этом случае полностью или частично в зоне размещения магнитов выполнена из ферромагнитного материала, либо при необходимости применения разгрузок зеркала магниты, расположенные со стороны тыльной поверхности зеркала, установлены с примыканием к элементам разгрузки, шарнирно соединенным с оправой и выполненным из ферромагнитного материала, при этом к каждому элементу разгрузки примыкает не менее 2-х магнитов, общее количество которых кратно 3-м, причем в качестве элементов разгрузки использованы равноплечие рычаги-коромысла либо треугольники.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что суммарная площадь поверхности магнитов, расположенных со стороны тыльной поверхности зеркала, выбрана из соотношения 1/50 1/250 от площади рабочей поверхности зеркала.

15. Устройство по п.13, отличающееся тем, что магниты выполнены в форме диска, толщина которого выбрана из соотношения 1/5 1/10 его диаметра.

16. Устройство по п.13, отличающееся тем, что поверхность магнитов, противоположная поверхности склеивания, выполнена сферической.

17. Устройство по п.13, отличающееся тем, что на поверхность магнита, примыкающую к оправе или элементу разгрузки, нанесено антифрикционное покрытие или пластичная смазка.

18. Устройство по п.13, отличающееся тем, что на оправе либо элементах разгрузки выполнены резьбовые отверстия под винты-домкраты.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к крупногабаритным оптико-механическим устройствам, и может быть использовано преимущественно для закрепления в оправе подвижных (движущихся, перемещаемых) крупногабаритных оптических элементов, входящих в состав мобильных оптико-механических установок (мобильных комплексов), например, для закрепления крупногабаритных зеркал в оправах опорно-поворотных устройств (ОПУ).

При высоких требованиях к качеству оптического тракта максимальная деформация отражающей поверхности зеркала не должна превышать 0,05 0,1 мкм, поэтому при использовании крупногабаритных зеркал требуется применение элементов разгрузки зеркала.

Положение оптической оси зеркала ОПУ должно с максимальной точностью определяться датчиками углового положения. Деформации элементов крепления зеркала приводят к погрешности показаний ОПУ и должны быть минимальными, независимо от угла положения зеркала.

Применение моментных двигателей в приводах ОПУ требует хорошей статической балансировки поворотных зеркал вместе с их элементами крепления. Зеркало с оправой и элементами крепления должно быть максимально компактным, жестким и легким. Выполнение требований по минимизации искажений, пространственной и временной нестабильности положения зеркала существенно усложняется в случае применения ОПУ в мобильных оптико-механических комплексах, где на способ крепления и конструкцию узлов крепления оптических элементов дополнительно накладываются транспортные и температурные ограничения, условия хранения и эксплуатации.

В настоящее время создание простых и надежных способов и устройств крепления подвижных крупногабаритных зеркал, предназначенных для работы в составе мобильного оптико-механического комплекса, обладающего достаточной точностью, жесткостью и долговременной стабильностью, является актуальной и сложной инженерной задачей.

Известны конструкции зеркал с оправами, узлами крепления и элементами разгрузки [«Оптические телескопы. Теория и конструкция». Н.Н Михельсон. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука». Москва. 1976 г, стр.389, 393-395], где, например, представлена конструкция зеркала, содержащая отражающую поверхность, оправу, выполненную в виде цилиндра, средства крепления отражающей поверхности с оправой с торцевыми и боковыми разгрузками зеркала, выполненными в виде конструктивных элементов осевых и радиальных опор с противовесами.

Недостатком такой конструкции является то, что в динамическом режиме работы узлы крепления с противовесами являются неработоспособными, т.к. предназначены для эксплуатации в стационарных условиях работы и для работы в мобильных устройствах не могут быть использованы. Противовесы не обеспечивают требуемого постоянства усилий разгрузки при быстро меняющихся нагрузках, кроме того, конструкции с противовесами сложны в изготовление и настройке, а также вызывают множество проблем, связанных с необходимостью их закрепления при транспортировке.

Из того же источника известна другая конструкция зеркала с системой разгрузки оптических элементов (т.н. система разгрузки Гребба) [стр.3 85-387]. В днище оправы имеется три жестких выступа (опоры). Выступы расположены в вершинах равностороннего треугольника, центр которого совпадает с центром оправы. Если применяется разгрузка на шесть точек, то каждый выступ несет ось, поддерживающую равноплечий рычаг, называемый коромыслом. Концы коромысел несут шарнирно соединенные с ними опорные тарелки, поддерживающие зеркало. Крупногабаритные зеркала приходится разгружать на большее число точек. Для этого верхушки трех жестких опор делаются в форме шаров (сферический шарнир), на каждый из которых можно опереть по треугольнику. В каждой вершине каждого из треугольников шарнирно крепятся опорные площадки, на которые ложится зеркало. Такая конструкция обеспечивает разгрузку зеркала на девять точек, расположенных по 2 радиусам.

Увеличить число опор для больших зеркал можно, применив многоярусную схему разгрузки Гребба.

Одноярусная разгрузка Гребба на девять точек, являясь простой по конструкции и в эксплуатации, т.к. не требует никакой регулировки, широко применяется в небольших телескопах.

Недостатком данной конструкции является то, что подобное крепление и разгрузка зеркала тоже не могут быть использованы в мобильных опорно-поворотных устройствах ввиду того, что зеркало не имеет, по сути, жесткой механической связи с оправой, т.к. опирается только на 3, 6, 9 и более «плавающие» опорные площадки, расположенные на оправе, что недопустимо для мобильных систем с точными датчиками углового положения, связанными с оправой и требуемыми больших углов обзора зеркала.

Известны способы крепления оптических элементов с помощью различных механических устройств, например с помощью винтов, резьбовых колец, планок, накладок, уголков или пружин, а также завальцовки оптического элемента в гнезде оправы («Справочник конструктора оптико-механических приборов». Под редакцией В.А Панова. Ленинград. «Машиностроение» Ленинградское отделение. 1980 г., стр.277 283).

Также известен из того же источника способ крепления линейных шкал точных измерительных приборов (стр.304), включающий закрепление шкалы с точным соблюдением принципа статической определенности (шесть опорных точек) и с силовым замыканием под действием усилий пружин. В этом случае основным требованием к креплению является недопустимость деформаций шкал и возможность их юстировки посредством смещения и поворотов. Подвижные опоры для юстировки выполняют в виде котировочных винтов, концы опорных винтов и неподвижные опоры шлифуют для обеспечения малой шероховатости, после юстировки винты стопорят (обычно клеем или краской).

Недостатком известных способов является то, что любое механическое крепление создает дополнительное механическое воздействие на оптический элемент, что приводит к его деформации. С ростом габаритов оптического элемента усилия закрепления и, соответственно, эти деформации могут достигнуть значительной величины. Если же оптический элемент установлен в оправе с зазором, т.е. без поджатия, при наклонах или транспортировке неизбежно возникают неконтролируемые перемещения. Крепление оптического элемента пружинами позволяет избежать перемещений оптического элемента, но при небольшом усилии поджатия обеспечивают фиксацию зеркала только в определенном заданном положении. При необходимости поворота, переворота или транспортировки крупногабаритного зеркала требуются существенно большие усилия поджатия. Крепление пружинами в этом случае приводит к заметным деформациям оптического элемента и ухудшению качества оптического тракта или ограничению его рабочей апертуры. Кроме того, установка крупногабаритных зеркал из условий минимальной деформации, как правило, осуществляется на 3-х опорных площадках, расположенных в заданном месте внутри контура оптической детали, а крепление - поджим осуществляется по краям, чтобы не перекрывать апертуру. Смещение опорной площадки от места приложения поджимающей силы приводит к появлению изгибных напряжений и значительной деформации зеркала даже при небольших усилиях поджатия. При еще больших размерах оптической детали, когда ее устанавливают на 6, 9 и более «плавающие» опорные площадки, надежное допускающее транспортировку механическое крепление зеркала такого размера становится вообще невозможным из-за высокого уровня деформаций.

Известен еще один способ установки оптического элемента в оправу (патент RU 2046384, публикация от 20.10.1995 г.), согласно которому оптический элемент фиксируют фланцами оправы в направлении его оптической оси и опорами - термокомпенсаторами, введенными в пазы оправы с зазором, в радиальном направлении, после чего опоры жестко соединяют с оптическим элементом, с целью уменьшения температурной деформации оптического элемента и упрощения процесса его изготовления, опоры устанавливают по ширине параллельных оси оптического элемента пазов с зазором, не превышающим величину меньшего из допусков на децентрировку поверхностей оптического элемента, а соединение оптического элемента с опорами осуществляют с помощью клеящего вещества.

Недостатком данного способа является сложность подгонки опор в размер пазов и невозможность применения разгрузки, необходимой при крупных габаритах оптических элементов, кроме того, данный способ пригоден для установки линз и для зеркал небольшого диаметра, где снижены требования к деформации оптического элемента.

Известны из описания к авторскому свидетельству СССР № 943626 (описание опубликовано 15.07.1982 г.) устройство крепления крупногабаритного зеркала в оправе и способ крепления зеркала с помощью данного устройства, выбранные в качестве прототипа заявляемому изобретению.

Известное устройство содержит одну центральную опору и не менее 3-х опор, каждая из которых выполнена в виде приклеенной к тыльной поверхности зеркала опорной пяты, соединенной с оправой с возможностью перемещения вдоль ее поверхности при помощи тяги, пружины, установочного винта и шаровой опоры, выполненной в виде фланца, жестко соединенного с оправой, кольца со сферической поверхностью, концентричной поверхности опорной платы, двух сепараторов с отверстиями, в которых размещены шарики, расположенные между плоскими поверхностями фланца и кольца и между сферическими поверхностями кольца и опорной платы, при этом тяга выполнена в виде гибкого стержня со сферическими головками, одна из которых концентрична сферической поверхности опорной пяты, а вторая соединена с пружиной, один конец которой жестко связан с оправой, а на другом закреплен установочный винт.

Способ крепления зеркала с помощью вышеописанного устройства включает в себя следующие операции: выбирают количество и места расположения опор, в состав которых входят опорные пяты, и определяют необходимость применения разгрузок зеркала, далее приклеивают к тыльной стороне зеркала опорные пяты, которые располагают равномерно по окружности, соединяют зеркало с центральной опорой, а потом монтируют на оправе шаровую опору и с помощью тяги, сферические головки которой контактируют с коническими поверхностями опорной пяты и вкладыша, соединяют зеркало через шаровую опору и пластинчатую пружину с оправой, для чего один конец пластинчатой пружины жестко соединяют с оправой, а на другом с помощью резьбовой втулки и гайки закрепляют установочный винт, с помощью которого регулируют усилие пружины.

Недостатками известных конструкции и способа являются: сложность, большие габариты и вес, наличие дорогостоящей монтажной регулировки усилий поджатия зеркала, а также то, что опоры, расположенные со стороны тыльной поверхности зеркала, выполненные в виде сложного сборного двухслойного подшипникового узла, не могут обеспечить однозначного углового положения зеркала относительно оправы. Кроме того, пластинчатая пружина, регулирующая усилия поджатия, не может гарантировать отсутствие перемещений зеркала при транспортных перегрузках, что накладывает серьезные ограничения на использование подобного крепления зеркал для мобильных опорно-поворотных устройств.

Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение механических деформаций крупногабаритного зеркала как при его монтаже, так и в процессе работы, повышение стабильности положения зеркала относительно оправы, тем самым, повышение качественных характеристик оптического тракта всего комплекса, в котором зеркало применяется, и возможность его транспортировки без дополнительных подготовительных работ по закреплению, кроме того, заявляемые устройства позволяют упростить конструкцию узла крепления и снизить себестоимость.

Указанный технический результат достигается за счет того, что:

- способ крепления крупногабаритного зеркала оптико-механического устройства в оправе по первому варианту включает определение расчетным путем мест крепления и требуемого количества опор, в состав которых входят опорные пяты, приклеиваемые к тыльной поверхности зеркала, определение необходимости применения разгрузок зеркала, установку оправы с центральной опорой в рабочее положение, соединение зеркала и опорных пят с оправой,

- в качестве опорных пят используют постоянные магниты, которые примагничивают либо непосредственно на выбранные места оправы, либо при необходимости применения разгрузок зеркала на элемент разгрузки, который предварительно соединяют с оправой при помощи шарнира, после чего поверхность магнитов, обращенную к тыльной стороне зеркала, покрывают клеем, а затем осуществляют соединение зеркала с центральной опорой и магнитами путем наложения зеркала до соприкосновения с магнитами при центрировании зеркала по центральной опоре;

- способ крепления крупногабаритного зеркала оптико-механического устройства в оправе по второму варианту включает определение расчетным путем мест крепления и требуемого количества опор, в состав которых входят опорные пяты, приклеиваемые к тыльной поверхности зеркала, определение необходимости применения разгрузок зеркала, установку оправы в рабочее положение, соединение опор и зеркала с оправой,

- опоры, в состав которых входят опорные пяты, дополнительно размещают на боковой поверхности зеркала, для чего определяют расчетным путем места их крепления и требуемое количество, при этом в качестве всех опорных пят используют постоянные магниты, которые примагничивают на выбранные места оправы со стороны боковой поверхности зеркала, а со стороны тыльной поверхности их примагничивают либо непосредственно на выбранные места оправы, либо при необходимости применения разгрузок зеркала на элемент разгрузки, который предварительно соединяют с оправой при помощи шарнира, после чего поверхность магнитов, обращенную к зеркалу, покрывают клеем, а затем осуществляют соединение зеркала с магнитами путем наложения и поджатия зеркала до соприкосновения со всеми магнитам;

- устройство крепления крупногабаритного зеркала оптико-механического устройства в оправе по первому варианту содержит центральную опору и не менее 3-х периферийных опор, каждая из которых включает в себя приклеенную к тыльной поверхности зеркала опорную пяту, соединенную с оправой с возможностью перемещения относительно нее,

- в качестве опорных пят использованы постоянные магниты, выполненные из редкоземельных материалов и установленные либо с примыканием к оправе, которая в этом случае полностью или частично в зоне размещения магнитов выполнена из ферромагнитного материала, либо при необходимости применения разгрузок зеркала к элементу разгрузки, в качестве которого использован либо равноплечий рычаг-коромысло, либо треугольник, шарнирно соединенный с оправой, при этом элементы разгрузки выполнены из ферромагнитного материала, при этом к каждому примыкает не менее 2-х магнитов, причем общее количество магнитов кратно 3-м;

- устройство крепления крупногабаритного зеркала оптико-механического устройства в оправе по второму варианту содержит не менее 3-х опор, каждая из которых включает в себя приклеенную к тыльной поверхности зеркала опорную пяту, соединенную с оправой с возможностью перемещения относительно оправы,

- устройство дополнительно снабжено двумя и более опорами, выполненными также в виде опорных пят, но приклеенных к боковой поверхности зеркала, при этом в качестве опорных пят использованы постоянные магниты, которые выполнены из редкоземельных материалов и установлены либо все с примыканием к оправе, которая в этом случае полностью или частично в зоне размещения магнитов выполнена из ферромагнитного материала, либо при необходимости применения разгрузок зеркала магниты, установленные с тыльной стороны зеркала, примыкают к элементу разгрузки, в качестве которого использован либо равноплечий рычаг-коромысло, либо треугольник, шарнирно соединенный с оправой, при этом элемент разгрузки выполнен из ферромагнитного материала, и к каждому элементу разгрузки примыкает не менее 2-х магнитов, причем общее количество магнитов, расположенных со стороны тыльной поверхности зеркала, кратно 3-м.

При этом для обоих вариантов:

- примыкающие друг к другу поверхности магнита, оправы и упругого элемента могут быть отшлифованы;

- на примыкающую к оправе или элементу разгрузки поверхность магнита перед их соединением может быть нанесено антифрикционное покрытие или пластичная смазка.

Для всех вариантов устройств:

- суммарная площадь поверхности магнитов, расположенных со стороны тыльной поверхности зеркала, может быть выбрана из соотношения 1/50 1/250 от площади рабочей поверхности зеркала;

- магниты могут быть выполнены в форме диска, толщина которого выбрана из соотношения 1/5 1/10 его диаметра;

- поверхность магнита, расположенная напротив поверхности склеивания, может быть выполнена сферической;

- на примыкающую к оправе или элементу разгрузки поверхность магнита может быть нанесено антифрикционное покрытие или пластичная смазка.

Постоянные магниты обеспечивают безлюфтовое и беззазорное поджатие, точнее притягивание, зеркала к заданной опорной поверхности или поверхностям независимо от температуры, положения в пространстве, времени и любых других условий. Главным требованием по обеспечению требуемого прижатия зеркала при наклонах или опрокидывании является соблюдение условия, при котором суммарное усилие магнитов в заданном направлении превышало вес зеркала на определенную величину. Усилие, развиваемое магнитом в рабочем диапазоне температур, практически постоянно в течение многих лет. Спеченные магниты обладают малым коэффициентом температурного расширения, хорошей стабильностью формы, геометрических размеров и высокой жесткостью. При любых наклонах или поворотах зеркала при данном способе закрепления обеспечивается высокостабильное положение зеркала относительно оправы, при этом суммарная площадь поверхности магнитов, расположенных со стороны тыльной поверхности зеркала, выбрана экспериментально из соотношения 1/50 1/250 от площади тыльной поверхности зеркала.

Выполнение магнита в форме диска толщиной 1/5 1/10 от его диаметра оптимально с конструктивной точки зрения и технологичности изготовления.

При больших перепадах температур сдвиговые напряжения, возникающие от различия коэффициентов линейного расширения материала зеркала и оправы, на которую оно установлено, автоматически компенсируются при проскальзывании магнита относительно оправы, тем самым, снижая деформацию оптической поверхности. Для уменьшения сил трения скольжения магнита относительно ферромагнитной оправы и лучшей компенсации температурных деформаций сопрягаемые поверхности магнита и подложки должны иметь минимальную шероховатость. Их лучше отполировать. При необходимости возможно использование пластичной смазки, а также применение антифрикционного материала в виде пленки, фольги или тонкостенного стакана, в который вставляется или вклеивается магнит.

Проскальзывание магнита, наклеенного на зеркало, относительно оправы или монтажной платформы обеспечивает температурную компенсацию и сводит к минимуму деформацию зеркала, связанную с перепадом температур, и в то же время обеспечивает однозначное безлюфтовое положение зеркала в процессе эксплуатации опорно-поворотного устройства. Магнит или группу магнитов наклеивают на тыльную поверхность зеркала в точках, оптимальных с точки зрения минимума деформаций, возникающих от воздействия собственного веса или нагрузок зеркала, возникающих при эксплуатации. При этом не требуется крепления-поджима по краям оптической детали и, соответственно, нет изгибных напряжений и значительной деформации зеркала даже при небольших усилиях поджатия, возникающих от смещения опорной площадки относительно места приложения поджимающей силы.

Размещение магнитов на боковой поверхности зеркала в точках, оптимальных с точки зрения минимума деформаций и минимального смещения зеркала относительно оправы, во многих случаях позволяет отказаться от центральной опоры, упростить конструкцию и повысить технологичность сборки.

Склеивание магнитов с зеркалом путем наложения и поджатия зеркала до соприкосновения со всеми магнитами упрощает сборку и обеспечивает надежность крепления, а также позволяет отказаться от дорогостоящей монтажной регулировки усилий поджатия зеркала.

Использование разгрузки зеркала, состоящей из равноплечих рычагов-коромысел либо треугольников, изготовленных целиком либо частично в зоне прилегания магнитов из ферромагнитного материала, шарнирно соединенных с оправой, которые устанавливают на выбранные места оправы, необходимо для уменьшения деформации рабочей поверхности зеркала от собственного веса, если они превышают допустимые значения при использовании только 3-х магнитов с тыльной поверхности зеркала. Применение такой конструкции разгрузки обеспечивает ее простоту, надежность, позволяет сделать транспортабельным ОПУ при высоких требованиях к качеству оптического тракта и достаточно больших размерах зеркала.

На фиг.1 схематично изображено заявляемое устройство по первому варианту без применения разгрузок зеркала, на фиг.2 - по второму варианту без применения разгрузок зеркала, на фиг.3 - элемент разгрузки зеркала, где: 1 - зеркало, 2 - оправа, 3 - магниты, приклеенные к тыльной поверхности зеркала, 4 - магниты, приклеенные к боковой поверхности зеркала, 5 - центральная опора, 6 - элемент разгрузки - рычаг-коромысло, 7 - упругий шарнир.

Примерами конкретного выполнения заявляемых устройств, которые также поясняют заявляемые способы, являются следующие устройства.

По первому варианту - устройство крепления зеркала к ферромагнитной оправе опорно-поворотного устройства (ОПУ), которое выполнено в виде монолитного блока с центральным отверстием для размещения центральной опоры, выполненной, например, по авторскому свидетельству СССР № 943626 (описание опубликовано 15.07.1982 г.) «Устройство крепления крупногабаритного зеркала в оправе». Крепление зеркала на оправе по данному варианту осуществляют с помощью комплекта из 3-х постоянных магнитов, наклеенных на нерабочую тыльную поверхность зеркала, и центральной опоры.

Крепление зеркала на оправе по второму варианту осуществляют с помощью комплекта из 3-х постоянных магнитов, наклеенных на нерабочую тыльную поверхность, и 3-х магнитов, наклеенных на боковую поверхность зеркала, которое в этом случае выполнено в виде монолитного блока без центрального отверстия. Выбор места расположения магнитов и их количества по обоим вариантам определяется, в первую очередь, из условий расчетной минимизации деформаций оптической детали, а также минимального смещения самой оптической детали относительно оправы, под действием собственного веса и возникающих в процессе эксплуатации нагрузок. Оправа обладает высокой жесткостью и обеспечивает минимальный прогиб и надежную фиксацию зеркала под действием собственного веса и веса зеркала под воздействием прилагаемых в процессе эксплуатации нагрузок. Приклеивание магнитов на зеркало осуществляют непосредственно на оправе, совместно с которой они будут далее эксплуатироваться. При этом за счет толщины клеевого шва компенсируются погрешности прилегания сопрягаемых деталей, но только в одном фиксированном положении. Лучшими по сочетанию свойств качество - цена на сегодняшний день для решения поставленной задачи являются спеченные магниты группы Nd-Fe-В (неодим-железо-бор), выполненные в виде дисков, для приведенного случая диаметром 30 и высотой 5 мм. Постоянные магниты обеспечивают поджатие и притягивание зеркала к заданной опорной поверхности независимо от условий эксплуатации устройства. При наклонах или опрокидывании зеркала суммарное усилие магнитов в заданном направлении превышает вес зеркала. При больших перепадах температур сдвиговые напряжения, возникающие от различия коэффициентов линейного расширения материала зеркала и оправы, автоматически компенсируются при проскальзывании магнита, тем самым, снижая деформацию оптической поверхности. Для уменьшения сил трения скольжения магнита относительно ферромагнитной оправы и лучшей компенсации температурных деформаций сопрягаемые поверхности магнита и подложки отполированы и смазаны антифрикционным материалом.

Проскальзывание магнита относительно оправы обеспечивает также безлюфтовое положение зеркала в процессе эксплуатации ОПУ, поскольку магниты наклеивают на поверхность зеркала в точках, оптимальных с точки зрения минимума деформаций, возникающих от воздействия собственного веса или нагрузок зеркала, возникающих при эксплуатации. При этом не требуется крепления - поджима по краям оптической детали и, соответственно, нет изгибных напряжений и значительной деформации зеркала даже при небольших усилиях поджатия, возникающих от смещения опорной площадки относительно места приложения поджимающей силы. В нашем случае место приложения удерживающей силы соответствует месту расположения магнитов, при этом изгибные напряжения отсутствуют. Отрыв магнита от зеркала исключен при правильном подборе клеящего состава. В данном случае использован эпоксидный клей ЭЛ-20. Клей требуется достаточно эластичный, а размеры магнита должны быть существенно меньше размеров оптической детали. Причем оптимальной является форма магнита в виде диска. Тогда влияние самого магнита и клеевого шва при изменении условий эксплуатации, например изменении влажности или температуры, практически не будет сказываться на оптическом качестве самого зеркала из-за малых размеров магнита относительно размеров зеркала. Слой клея должен быть тонким 0,05-0,1 мм. Толстый слой эластичного клея уменьшает жесткость соединения зеркало-оправа, соответственно уменьшается точность ОПУ. К тому же даже очень тонкого слоя клея (в несколько микрон) достаточно, чтобы компенсировать локальные микронеровности на поверхности прилегающих поверхностей зеркала и магнита. Поверхности магнита, прилегающей к ферромагнитной подложке, лучше придать слегка сферическую форму, тогда при микродеформациях опоры, на которой установлено зеркало, неизбежных при изменении температуры, наклонах или перевороте, угловое положение зеркала относительно подложки меняется в меньшей степени.

Суммарное усилие магнитного удержания зеркала может составлять несколько десятков и даже сотен килограммов, поэтому для облегчения демонтажа зеркал при их замене на оправе необходимо предусмотреть резьбовые отверстия под винты-домкраты.

Если есть необходимость применения разгрузок зеркала, то на выбранные места оправы шарнирно крепят элементы разгрузки - равноплечие рычаги-коромысла либо треугольники, выполненные из ферромагнитного материала. Элемент разгрузки может быть выполнен в виде балки, которая через шарнир, лучше упругий шарнир, опирается на оправу, при этом магниты, приклеенные к тыльной стороне зеркала, примыкают к конечным участкам балки так, что на каждую балку приходится по два магнита. Общее количество магнитов в этом случае, размещенных со стороны тыльной поверхности зеркала, равно шести. В качестве элемента разгрузки может быть использована треугольная пластина, средней частью шарнирно соединенная с оправой. Каждой пластине соответствует три магнита, при этом общее количество магнитов - девять. Предлагаемая конструкция позволяет сделать «плавающее» крепление крупногабаритного зеркала ОПУ с разгрузкой на шесть, девять и более, при многоярусной разгрузке, точек.

Способ крепления зеркала по первому варианту включает определение методом конечных элементов деформации зеркала 1, из минимума деформации определяют места крепления и требуемое количество опор, в состав которых входят опорные пяты - магниты 3, приклеиваемые к тыльной поверхности зеркала. Определяют необходимость применения разгрузок зеркала по величине максимальной деформации зеркала 1, полученной расчетным путем, которая не должна превышать 1/10 длины волны принимаемого/передаваемого зеркалом излучения. Оправу 2 с установленной центральной опорой 5 устанавливают в рабочее положение - горизонтально на монтажный стол. На оправу в расчетные места с требуемым допуском положения примагничивают магниты 3. На поверхность магнитов 3, обращенную к тыльной поверхности зеркала, наносят слой клея, а затем осуществляют соединение зеркала с центральной опорой 5 и магнитами 3 путем наложения зеркала до соприкосновения с магнитами 3 при центрировании зеркала по центральной опоре 5.

Способ крепления крупногабаритного зеркала в оправе по второму варианту включает определение расчетным путем мест крепления и требуемого количества опор, в состав которых входят опорные пяты 3, 4, приклеиваемые к тыльной и боковой поверхностям зеркала 1. Для этого методом конечных элементов оценивают деформацию зеркала 1 в различных угловых положениях, требуемых техническим заданием, определяют жесткость и деформацию оправы 2 под действием веса зеркала 1 и рабочих нагрузок при различных положениях зеркала. Определяют необходимость применения разгрузок зеркала по величине максимальной деформации зеркала 1, полученной расчетным путем, которая не должна превышать 1/10 длины волны принимаемого/передаваемого зеркалом излучения. Оправу 2 устанавливают в рабочее положение - горизонтально на монтажный стол. На оправу в расчетные места с требуемым допуском положения примагничивают магниты 3 и 4. На поверхность всех магнитов, обращенную к зеркалу, наносят слой клея, а затем осуществляют склеивание с зеркалом путем наложения и поджатия зеркала до соприкосновения со всеми магнитами.

Клей при этом не должен попасть на поверхности контакта магнитов и сопряженную с ним поверхность оправы или элементов разгрузки.

При необходимости применения разгрузок зеркала для обоих способов крепления магниты 3 примагничивают на равноплечие рычаги-коромысла 6 либо треугольники, соединенные с оправой 2 с помощью шарнира 7 (упругого шарнира).

Заявляемые способ и устройство крепления обладают высокой надежностью и долговременной стабильностью положения рабочего зеркала и позволяют:

- уменьшить искажения профиля рабочей поверхности оптического элемента как в горизонтальном положении, так и во всем диапазоне рабочих углов опорно-поворотного устройства, добиться качественного повышения характеристик оптического тракта - снижения астигматизма и комы ОПУ и всего комплекса;

- увеличить точность и жесткость установки рабочего элемента-зеркала опорно-поворотного устройства независимо от времени, повысить точность слежения и разрешающую способность опорно-поворотного устройства;

- уменьшить габариты и вес комплекса;

- упростить конструкцию, отказаться от дорогостоящей монтажной регулировки усилий поджатия зеркала, снизить себестоимость узла;

- расширить температурный диапазон использования ОПУ, комплекса;

- при сохранении простоты и технологичности конструкции подобное крепление зеркала позволяет сделать оптико-механический комплекс, включающий опорно-поворотные устройства, транспортабельным без существенного ухудшения характеристик оптического тракта.

Предлагаемые способ и устройство крепления оптических элементов позволяют сделать зеркало ОПУ адаптивным. Мелкомасштабная коррекция волнового фронта невозможна, но при условии, что в местах контакта фиксирующих магнитов с подложкой установлены электромагниты с регулируемым усилием поджатия и (или) отталкивания, становиться возможным существенное исправление формы деформированной поверхности зеркала или получение требуемой формы оптической поверхности.

Благодаря своим преимуществам способ и устройство крепления найдут применение, например, в подвижных системах крупногабаритных оптико-механических приборов, в частности, для закрепления крупногабаритных оптических элементов, установленных в следящих (подвижных) оправах.

На опорно-поворотное устройство, выполненное по заявляемым способу и устройству крепления зеркала, разработаны 3D-модели, на основе которых проведены расчеты деформации основных элементов конструкции и зеркал, в настоящее время разрабатывается полный комплект конструкторской документации.