CN105388585B - 大口径反射镜支撑垫的粘接方法及其应用 - Google Patents

大口径反射镜支撑垫的粘接方法及其应用 Download PDF

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Abstract

大口径反射镜支撑垫的粘接方法及其应用属于望远镜安装技术领域，目的在于解决现有技术存在的适用范围小、定位精度低、粘接剂厚度不均匀和强度低的问题。本发明包括以下步骤：清理反射镜粘接面并使反射镜镜体有倾斜角；固定反射镜镜体，使用反射镜镜体的定位基准建立在激光跟踪仪测量模式下的坐标系A，给出安装点坐标值Ci；在支撑垫上部放置激光跟踪仪测量球，实现定位；在支撑垫的粘接面上涂抹慢干高强度胶粘剂，在反射镜的粘接面上放上等厚环并涂抹慢干高强度胶粘剂；将支撑垫粘接在反射镜的粘接面；使用涂抹棒将支撑垫和反射镜接触处溢出的慢干高强度胶粘剂修饰成平滑过渡形状；取下激光跟踪仪测量球，静止放置直到慢干高强度胶粘剂固化。

Description

大口径反射镜支撑垫的粘接方法及其应用
技术领域
本发明属于望远镜安装技术领域，具体涉及一种大口径反射镜支撑垫的粘接方法及其应用。
背景技术
光学望远镜在遥感技术领域中发挥着巨大的作用，广泛应用于天文观测、对地侦查、遥控交会对接、资源勘察和气候监测等科学技术领域。随着技术水平和应用需求的提高，现代光学望远镜的口径越来越大，其中许多都已经突破2m量级。这些大口径反射镜在光机结构实现时，通常采用whiffletree结构实现反射镜的多点支撑，从而达到良好的面形指标。相比红外、射电望远镜等长波望远镜，可见光、紫外光等短波望远镜对光学加工、结构装调和系统检测的精度要求更苛刻，因而要求whiffletree结构实现精密加工和准确可靠的安装。
大多数whiffletree结构的安装都需要在反射镜背部安装支撑垫，这些支撑垫需要实现精密可靠的安装定位。一方面，如果支撑定位不准，可能会导致反射镜安装后面形精度与预测的不一样，可能无法达到指定精度；另一方面，如果粘胶工艺不可靠，可能会导致胶层撕裂，镜体无法固定，严重的甚至会导致镜体摔裂——因此，支撑垫的定位精度和可靠性对于确保整体光机结构的性能至关重要。
现有技术中，实现支撑垫在反射镜背部的定位和安装时通常的做法为：在镜体背部和支撑结构上预先研磨出锥面，然后通过粘接的方法使两个锥面配合在一起。该方法的缺点体现在：(1)在镜体上加工出配合锥面的难度较大；(2)较大的粘接面积的粘接面容易造成镜面变形；(3)有些厚度较薄的反射镜不允许加工配合锥孔，这种方法并不适用。
另外，在其余类型的精密仪器中，以及在精密封装技术领域，也有大量的定位安装需求，这些场合也都需要实现对某些结构件的精密定位和可靠安装。尤其对于超薄元件来说，支撑部位不便于或不可能加工出定位特征，如基准孔、定位槽等，这种情况下，借助激光跟踪仪实现精准的定位安装成为一种趋势，而现有定位技术存在依赖手动调整、粘接件容易滑移等问题，难以满足安装要求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种大口径反射镜支撑垫的粘接方法及其应用，解决现有技术存在的适用范围小、定位精度低、粘接剂厚度不均匀和强度低的问题。
为实现上述目的，本发明的大口径反射镜支撑垫的粘接方法包括以下步骤：
步骤一：清理反射镜粘接面，使反射镜粘接面满足粘接要求；
步骤二：使用翻转工装将反射镜翻转至粘接面向上，使反射镜镜体相对于水平面有倾斜角；
步骤三：固定反射镜镜体，使用反射镜镜体的定位基准建立在激光跟踪仪测量模式下的坐标系A，给出支撑垫在反射镜上的所有安装点在坐标系A中的坐标值Ci；
步骤四：在待安装的支撑垫上部的锥孔内放置激光跟踪仪测量球，将定位支座放置在步骤三中得到的坐标值Ci附近，所述定位支座靠近反射镜最低点；放入待粘的支撑垫，使其与定位支座的支撑爪紧密接触；
步骤五：使用定位支座推动支撑垫由反射镜最低点向反射镜最高点方向移动，直到激光跟踪仪屏幕上显示的定位支座的坐标值与步骤三中给出的坐标值Ci满足安装精度±0.1mm时，定位支座停止移动；
步骤六：使用快干低强度胶粘剂将所述定位支座粘接在所述反射镜粘接面上，并取下支撑垫；
步骤七：在支撑垫的粘接面上涂抹慢干高强度胶粘剂，在反射镜的粘接面上对应的支撑垫安装点位置放上等厚环并涂抹慢干高强度胶粘剂；
步骤八：将支撑垫粘接在反射镜的粘接面，移动支撑垫至相应安装点位置，并与定位支座靠紧，使用快干高强度胶粘剂将支撑垫和定位支座粘接在一起；
步骤九：使用涂抹棒将支撑垫和反射镜接触处溢出的慢干高强度胶粘剂修饰成平滑过渡形状；
步骤十：取下激光跟踪仪测量球，静止放置直到慢干高强度胶粘剂固化；
步骤十一：缓慢解开快干低强度胶粘剂，拆下定位支座；
步骤十二：重复步骤四到步骤十一直到所有支撑垫粘接完成。
步骤一中所述的清理反射镜粘接面具体步骤为：
1)通过打磨或腐蚀的方法，去除反射镜待粘面的表面氧化层和表面破坏层；
2)判断反射镜待粘面的表面粗糙度，若表面粗糙度小于1μm，则执行步骤3)，否则执行步骤4)；
3)采用腐蚀或打磨方法对反射镜待粘面进行处理，使反射镜待粘面满足粗糙度要求；
4)使用有机溶剂清除反射镜待粘面的有机物、污垢和灰尘；
5)使用去离子水测试待粘面的洁净度，若洁净度满足粘接要求，则清理结束，若洁净度不满足粘接要求，则重复步骤2)到步骤4)，直到反射镜表面洁净度满足粘接要求。
所述坐标系A为以反射镜粘接面中心为原点，以粘接面所在平面为XY平面的三维直角坐标系。
步骤七中在支撑垫的粘接面上涂抹慢干高强度胶粘剂时使支撑垫的粘接面留有空白环带，在支撑垫的粘接面上涂抹的慢干高强度胶粘剂的体积大于实际用胶的体积。
步骤十中所述的慢干高强度胶粘剂固化为自然固化或加热固化。
所述定位支座包括支座块和支撑爪，所述定位支座在所述反射镜的待粘面上定位时，支座块靠近反射镜最低点，支撑爪靠近反射镜最高点。
所述支撑爪的质心投影位于定位支座的粘接面内。
步骤七中所述的等厚环可以替换为鱼线或等粒径颗粒。
本发明的大口径反射镜支撑垫的粘接方法还可应用在精密仪器粘接或电子元器件精确定位安装上，
本发明的有益效果为：本发明的大口径反射镜支撑垫的粘接方法充分考虑了以下问题；
1)支撑垫定位精度。要将支撑垫安装到镜体设计位置，尽量减小实际支撑面形与预测面形的差异。镜体刚度越小时，其面形精度对支撑定位精度越敏感，即对支撑垫的安装定位精度要求越高。
2)胶层厚度均匀性。胶层厚度不均匀，容易造成温度升降、反射镜翻转等工况下粘接面变形不协调，进而影响反射镜面形精度，尤其是超薄镜，如面形PV/RMS/SlopeRMS值。
3)胶层强度。胶层要有足够的强度，不撕裂、不滑移，具有较高的可靠性，避免局部失效引起整体失效，确保反射镜在加工、装调和使用过程中的稳定性和安全性。
本发明实现较高的定位精度。可以解决胶层固化过程中的滑移问题，支撑垫的安装精度优于±0.05mm；whiffletree中其余结构件的定位精度可通过数控加工实现，单件加工精度可到±0.02mm，根据误差合成原理，2层whiffletree可达到±0.028mm，3层whiffletree可达到±0.035mm，4层whiffletree可达到±0.04mm。整体精度合成后，4层以内的whiffletree结构中单点支撑定位精度均优于0.07mm，而4层以上的whiffletree结构一般比较少使用。另外，本发明通过使用等厚环，大量涂抹胶粘剂，使其充满整个粘接面，压紧支撑垫，使胶粘剂溢出呈圆弧状，可保证胶层厚度均匀，其整体厚度基本接近于等厚环的高度。粘接强度高，使用慢干高强度胶粘剂，在固化前使用涂抹棒修饰溢出圆弧状胶粘剂，使其呈内凹，实现粘接界面的平滑过渡，由此可以最大限度降低由应力集中导致的强度损失或胶层撕裂。工艺可操作性强，流程易于操作，可以考虑标准化后用于批量化生产和流水线操作。该粘接方法同时实现了在精密仪器粘接或电子元器件精确定位安装技术领域的应用。
附图说明
图1为本发明的大口径反射镜支撑垫的粘接方法流程图；
图2为本发明的大口径反射镜支撑垫的粘接方法粘接过程结构剖视图；
图3为图2的局部放大图；
其中：1、反射镜，2、定位支座，3、涂抹棒，4、支撑垫，5、激光跟踪仪测量球，6、等厚环，7、慢干高强度胶粘剂。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
参见附图1、附图2和附图3，本发明的大口径反射镜支撑垫的粘接方法包括以下步骤：
步骤一：清理反射镜1粘接面，使反射镜1粘接面满足粘接要求；
步骤二：使用翻转工装将反射镜1翻转至粘接面向上，使反射镜1镜体相对于水平面有倾斜角；
步骤三：固定反射镜1镜体，使用反射镜1镜体的定位基准建立在激光跟踪仪测量模式下的坐标系A，给出支撑垫4在反射镜1上的所有安装点在坐标系A中的坐标值Ci；此处需要尽量选取相对尺寸大、精度高的特征建立坐标系；整个粘接过程中，以及位置最终确认前，要确保激光跟踪仪不动，确保整体坐标系的准确性；
步骤四：在待安装的支撑垫4上部的锥孔内放置激光跟踪仪测量球5，将定位支座2放置在步骤三中得到的坐标值Ci附近，所述定位支座2靠近反射镜1最低点；放入待粘的支撑垫4，使其与定位支座2的支撑爪紧密接触；
步骤五：使用定位支座2推动支撑垫4由反射镜1最低点向反射镜1最高点方向移动，直到激光跟踪仪屏幕上显示的定位支座2的坐标值与步骤三中给出的坐标值Ci满足安装精度ΔC时，定位支座2停止移动；所说的安装精度ΔC可以实现±0.1mm精度，也可以实现±0.05mm精度，该值依据定位精度要求而确定；
定位支座2的设计需要考虑：上部支撑爪悬空，其长度适中，保证使用涂抹棒3进行胶层修饰所需的空间，并能紧密接触上支撑垫4；以及支撑爪质心投影位于定位支座2粘接面内，从而防止定位支座2在自重弯矩作用下发生微小俯仰运动；
步骤六：使用快干低强度胶粘剂将所述定位支座2粘接在所述反射镜1粘接面上，并取下支撑垫4；
步骤七：在支撑垫4的粘接面上涂抹慢干高强度胶粘剂7，在反射镜1的粘接面上对应的支撑垫4安装点位置放上等厚环6并涂抹慢干高强度胶粘剂7；
本步操作需要注意的是：(a)注意慢干高强度胶粘剂7的有效工作时间；(b)采取措施防止胶粘剂内部出现气泡，尤其是如果用到AB胶，混合过程中要尽量避免气泡产生，否则容易影响粘接强度；(c)推荐使用小剂量注胶工具，从中心向外按照螺旋线轨迹均匀涂抹；(d)应提前预估需要使用的胶粘剂体积，实际注射的体积要略大于预估值，并且在支撑垫4的粘接面上预留一定尺寸的空白环带，因为在粘接压紧的过程中，内圈区域的胶粘剂将溢出覆盖该空白区域，可减少后续清理的工作量；
步骤八：将支撑垫4粘接在反射镜1的粘接面，移动支撑垫4至相应安装点位置，并与定位支座2靠紧，使用快干高强度胶粘剂将支撑垫4和定位支座2粘接在一起，防止支撑垫4在慢干高强度胶粘剂7固化的过程中滑移；
步骤九：使用涂抹棒3将支撑垫4和反射镜1接触处溢出的慢干高强度胶粘剂7修饰成平滑过渡形状，消除胶层尖锐角以消除应力集中的影响；
步骤十：取下激光跟踪仪测量球5，静止放置直到慢干高强度胶粘剂7固化；在固化过程中，通常要在胶粘剂具备一定强度且易于拆卸时，适时对安装定位精度进行复核，发现不满足要求的要拆下重新粘接；
步骤十一：缓慢解开快干低强度胶粘剂，拆下定位支座2；
步骤十二：重复步骤四到步骤十一直到所有支撑垫4粘接完成。
步骤一中所述的清理反射镜1粘接面具体步骤为：
1)通过打磨去除反射镜1待粘面的表面氧化层和表面破坏层；
2)判断反射镜1待粘面的表面粗糙度，若表面粗糙度小于1μm，则执行步骤3)，否则执行步骤4)，此处需要保证反射镜1待粘面不能有大的缺陷；
3)采用腐蚀或打磨方法对反射镜1待粘面进行处理，使反射镜1待粘面满足粗糙度要求，推荐粗糙度为1-10μm；
4)使用有机溶剂清除反射镜1待粘面的有机物、污垢和灰尘；
5)使用去离子水测试待粘面的洁净度，若洁净度满足粘接要求，则清理结束，若洁净度不满足粘接要求，则重复步骤2)到步骤4)，直到反射镜1表面洁净度满足粘接要求。
所述坐标系A为以反射镜1粘接面中心为原点，以粘接面所在平面为XY平面的三维直角坐标系。
步骤七中在支撑垫4的粘接面上涂抹慢干高强度胶粘剂7时使支撑垫4的粘接面留有空白环带，在支撑垫4的粘接面上涂抹的慢干高强度胶粘剂7的体积大于实际用胶的体积。
步骤十中所述的慢干高强度胶粘剂7固化为自然固化或加热固化。
所述定位支座2包括支座块和支撑爪，所述定位支座2在所述反射镜1的待粘面上定位时，支座块靠近反射镜1最低点，支撑爪靠近反射镜1最高点。
所述支撑爪的质心投影位于定位支座2的粘接面内。
步骤七中所述的等厚环6可以替换为鱼线或等粒径颗粒。
本发明的大口径反射镜支撑垫的粘接方法还可应用在精密仪器粘接或电子元器件精确定位安装上，
本发明的大口径反射镜支撑垫的粘接方法不限于反射镜1的支撑垫4的安装，可用于所有需要定位精度和可靠性的场合，如精密仪器粘接、电子元器件精确定位安装等技术领域。
定位支座2的双爪结构可以替换为弹簧预紧螺钉等其他具有运动调整的功能的部件，实现慢干高强度胶粘剂7固化过程中对支撑垫4位置的微小调整。如果采取这种设计方案，操作工序中，可以提前固定支座，其定位精度优于其位置调整量程即可。
实施过程中涉及到定位支座2的安装，可以替换为：随意粘接定位支座2，在固定支座和支撑垫4之间产生互相吸引的物理场，如磁场或电场，防止滑移。

Claims (8)

1.大口径反射镜支撑垫的粘接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：清理反射镜(1)粘接面，使反射镜(1)粘接面满足粘接要求；
步骤二：使用翻转工装将反射镜(1)翻转至粘接面向上，使反射镜(1)镜体相对于水平面有倾斜角；
步骤三：固定反射镜(1)镜体，使用反射镜(1)镜体的定位基准建立在激光跟踪仪测量模式下的坐标系A，给出支撑垫(4)在反射镜(1)上的所有安装点在坐标系A中的坐标值Ci；
步骤四：在待安装的支撑垫(4)上部的锥孔内放置激光跟踪仪测量球(5)，将定位支座(2)放置在步骤三中得到的坐标值Ci附近，所述定位支座(2)靠近反射镜(1)最低点，放入待粘的支撑垫4，使其与定位支座2的支撑爪紧密接触；
步骤五：使用定位支座(2)推动支撑垫(4)由反射镜(1)最低点向反射镜(1)最高点方向移动，直到激光跟踪仪屏幕上显示的定位支座(2)的坐标值与步骤三中给出的坐标值Ci满足安装精度ΔC时，定位支座(2)停止移动；
步骤六：使用快干低强度胶粘剂将所述定位支座(2)粘接在所述反射镜(1)粘接面上，并取下支撑垫(4)；
步骤七：在支撑垫(4)的粘接面上涂抹慢干高强度胶粘剂(7)，在反射镜(1)的粘接面上对应的支撑垫(4)安装点位置放上等厚环(6)并涂抹慢干高强度胶粘剂(7)；
步骤八：将支撑垫(4)粘接在反射镜(1)的粘接面，移动支撑垫(4)至相应安装点位置，并与定位支座(2)靠紧，使用快干高强度胶粘剂将支撑垫(4)和定位支座(2)粘接在一起；
步骤九：使用涂抹棒(3)将支撑垫(4)和反射镜(1)接触处溢出的慢干高强度胶粘剂(7)修饰成平滑过渡形状；
步骤十：取下激光跟踪仪测量球(5)，静止放置直到慢干高强度胶粘剂(7)固化；
步骤十一：缓慢解开快干低强度胶粘剂，拆下定位支座(2)；
步骤十二：重复步骤四到步骤十一直到所有支撑垫(4)粘接完成；
步骤一中所述的清理反射镜(1)粘接面具体步骤为：
1)通过打磨或腐蚀的方法，去除反射镜(1)待粘面的表面氧化层和表面破坏层；
2)判断反射镜(1)待粘面的表面粗糙度，若表面粗糙度小于1μm，则执行步骤3)，否则执行步骤4)；
3)采用腐蚀或打磨方法对反射镜(1)待粘面进行处理，使反射镜(1)待粘面满足粗糙度要求；
4)使用有机溶剂清除反射镜(1)待粘面的有机物、污垢和灰尘；
5)使用去离子水测试待粘面的洁净度，若洁净度满足粘接要求，则清理结束，若洁净度不满足粘接要求，则重复步骤2)到步骤4)，直到反射镜(1)表面洁净度满足粘接要求。
2.根据权利要求1所述的大口径反射镜支撑垫的粘接方法，其特征在于，所述坐标系A为以反射镜(1)粘接面中心为原点，以粘接面所在平面为XY平面的三维直角坐标系。
3.根据权利要求1所述的大口径反射镜支撑垫的粘接方法，其特征在于，步骤七中在支撑垫(4)的粘接面上涂抹慢干高强度胶粘剂(7)时使支撑垫(4)的粘接面留有空白环带，在支撑垫(4)的粘接面上涂抹的慢干高强度胶粘剂(7)的体积大于实际用胶的体积。
4.根据权利要求1所述的大口径反射镜支撑垫的粘接方法，其特征在于，步骤十中所述的慢干高强度胶粘剂(7)固化为自然固化或加热固化。
5.根据权利要求1所述的大口径反射镜支撑垫的粘接方法，其特征在于，所述定位支座(2)包括支座块和支撑爪，所述定位支座(2)在所述反射镜(1)的待粘面上定位时，支座块靠近反射镜(1)最低点，支撑爪靠近反射镜(1)最高点。
6.根据权利要求5所述的大口径反射镜支撑垫的粘接方法，其特征在于，所述支撑爪的质心投影位于定位支座(2)的粘接面内。
7.根据权利要求1所述的大口径反射镜支撑垫的粘接方法，其特征在于，步骤七中所述的等厚环(6)可以替换为鱼线或等粒径颗粒。
8.根据权利要求1所述的大口径反射镜支撑垫的粘接方法，其特征在于，本发明的大口径反射镜支撑垫的粘接方法还可应用在精密仪器粘接或电子元器件精确定位安装上。
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