устройство для фиксации оптического элемента

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФИКСАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА с центральным отверстием, содержащее стакан, зажимной элемент и упругий элемент, контактирующий с посадочной поверхностью оптического элемента, отличающееся тем, что, с целью повышения удобства в эксплуатации, упругий элемент выполнен в виде сетчатой упругодеформируемой с помощью зажимного элемента оболочки, выполненной в форме тела вращения, а посадочная поверхность оптического элемента выполнена в виде обратного конуса.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упругодеформируемая сетчатая оболочка выполнена из полимерных волокнистых композиционных материалов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптическому приборостроению/ в частности к узлам крепления крупногабаритных оптических зеркал.

Известен узел крепления оптического элемента/ содержащий зеркало/ оправу с закрепленными на ней осевыми и радиальными фиксаторами/ которые через шарниры соединены с упругой цилиндрической оболочкой. Данный узел крепления создает такое распределение давления на оптический элемент/ которое уравновешивает вес зеркала или действие инерционных сил.

Однако при увеличении размеров и массы зеркала из-за точечного контакта увеличивается значение равнодействующей силы/ что создает большие напряжения в материале зеркала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является оправа для оптического элемента с центральным отверстием. Оправа оптического элемента с центральным отверстием содержит наружное кольцо и размещенную в нем на резьбе зажимную втулку. Наружное кольцо выполнено по крайней мере с тремя лепестками/ равномерно расположенными по окружности/ за счет которых осуществляется фиксация оптического элемента.

Основным недостатком данного устройства является неравномерность деформаций оптического элемента.

Цель изобретения - фиксация в осевом и радиальном направлениях оптического элемента/ уменьшение деформаций зеркала от воздействия инерционных сил и сил тяжести/ повышение удобства эксплуатации/ а также снижение передаваемых от корпуса температурных и других деформаций.

Для этого узел крепления оптического элемента выполнен в виде упругой сетчатой оболочки из волокнистого КМ на полимерном связующем/ контактирующей с оптическим элементом. Упругая сетчатая оболочка деформируется с помощью зажимного элемента в форме тела вращения.

Ожидаемый положительный эффект предлагаемого узла крепления оптического зеркала заключается в том/ что изобретение обеспечивает надежную фиксацию зеркала на всех этапах его эксплуатации при равномерном распределении нагрузок на оптический элемент.

На фиг.1 показана конструкция устройства фиксации оптического элемента в исходном состоянии; на фиг.2 - устройство в рабочем состоянии.

Устройство фиксации оптического элемента содержит упругую сетчатую оболочку 2/ контактирующую с оптическим элементом 1/ упорное кольцо 3/ вкладыш 4/ запрессованный в стакан 7/ шпильки 5 и фланец 6.

Устройство работает следующим образом.

Оптический элемент 1 по посадочному диаметру имеет обратную конусность А/ направление конусности должно быть таким/ как показано на фиг.1 и 2. Крепление оптического элемента производится путем деформирования сетчатой оболочки из КМ 2. Деформация сетчатой оболочки происходит за счет осевого перемещения фланца 6/ происходящего в результате заворачивания гаек по шпилькам 5. Между упорным кольцом 3 и оптическим элементом 1 организуется зазор/ который выбирается в процессе закрепления перемещением опорного кольца 3/ при этом оптический элемент находится в приспособлении. Радиальные нагрузки воспринимаются сетчатой оболочкой из КМ 2/ осевые - упорным кольцом 3/ а в противоположном направлении также сетчатой оболочкой. Осевое усилие сжатия/ передаваемое через шпильки 5/ создает необходимую деформацию упругой сетчатой оболочки 2/ что обеспечивает фиксацию и компенсацию деформаций в радиальном и осевом направлениях оптического элемента 1.

Для определения характеристик сетчатой оболочки производят ее расчет.

Рассмотрим безмоментную сетчатую оболочку. Пусть нить уложена под осесимметричным углом .

Приняты следующие допущения:

верны соотношения нелинейной механики деформирования волокнистых систем;

нить жесткая и способна работать на сжатие при сетевой модели КМ/ связующее эластичное и не препятствует деформациям.

Необходимо определить усилие сжатия N_y и толщину h сетчатой оболочки в исходном состоянии при заданной реакции со стороны объекта N_x.

В качестве исходных данных для назначения величины реакции со стороны объекта N_x необходимо рассмотреть случай/ когда зеркало массой m с учетом коэффициента перегрузок фиксируется за счет силы трения и реакции со стороны объекта. Релаксационные процессы в материале сетчатой оболочки учитываются с помощью коэффициента запаса/ увеличивающего значение N_x.

Используют соотношения нелинейной механики деформирования волокнистых систем

1)физические соотношения (для цилиндра)

N_y= h₁cos^2*

N_x= h₁sin^2* (1) где ₁- напряжение в нитях;

N_y- усилие сжатия;

N_x- реакция со стороны объекта/

2) геометрические соотношения r^*= r(1+_x) ds^*= ds(1+_y); sin^*= sin(1+_x)/(1+₁); (2) cos^*= cos(1+_y)/(1+₁); 1 = (1+_x)²sin²+(1+_y)²cos²/ где r^*,r - радиус оболочки в деформированном и исходном состояниях;

ds^*, ds - приращения длины оболочки в деформированном и исходном состояниях;

^*, - угол между осью и нитью в деформированном и исходном состояниях;

_y,_x-деформации оболочек вдоль оси и в кольцевом направлениях;

₁- деформация нити.

Будем считать/ что деформация нити мала по сравнению с деформацией поверхности оболочки/ т.е. ₁= 0.

Прикладывая по торцам сетчатой оболочки осевое усилие сжатия/ получают силопередающий механизм/ позволяющий передавать осевое усилие сжатия на радиальное усилие растяжения.

В начальном состоянии сетчатая оболочка имеет радиус r/ а объект - радиус r^*= r+/ тогда

1+_x= r^*/r = 1+/r

Для уже деформированного состояния/ используя (1)/ можно записать

, т.к. нить жесткая/ то возможна потеря энергии на деформацию ее в поперечном направлении при сжатии/ необходимо чтобы деформирование нити в поперечном направлении _y было положительным. (1+_y)²= (1+_x)²cos²+(1+_y)²sin² > 1 (1+²_х) cos²+(1-(1+_х)²sin²) >1 (1+_x)²(cos⁴-sin⁴) > cos²-1 (1+_x)²(cos²-sin²) > -sin² (4) (1+_x)²(ctg²-1) > 1; ctg²>1- < arcctg < arcctg Зная из (4) и используя выражение (3)/ можно определить N_y в зависимости от N_x.Используя (Черевацкий С. Б./ Сегал В.Л. К теории конечных деформаций ортотропных нитевых оболочек. Исследование по теории пластин и оболочек. КГУ сб. 5 1967 г. с. 542-553)/ можно записать N_x= Pr(1+_x), где Р - радиальное погонное усилие.

Из (1) получают N_x= Pr(1+_x) = ₁hsin^2* = ₁h sin²(1+_x)², отсюда h = (5) Осевую силу можно получить аналогично Т = N_y2r(1+_x). (6)

По полученным формулам проводят расчет сетчатой оболочки для зеркала из Ве со следующими параметрами: наружный диаметр D 1500/ внутренний диаметр d 450 мм/ высота Н 0/15 м/ угол конусности посадочной поверхности зеркала = 1. Значение N_x=13709кг/м/ ==54. В результате N_y= 6861/4 кг/м; h = 3/44 мм; Т = 9700 кг.

Использование упругой сетчатой оболочки в качестве устройства фиксации оптического элемента не выявлено в других технических решениях. Это позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Узел крепления с использованием сетчатой оболочки из полимерных волокнистых КМ был опробован с положительным эффектом для переноса деталей/ имеющих центральное отверстие.