CN106568393B - 一种用于反射镜光学加工原位检测的装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于反射镜光学加工原位检测的装置以及使用方法，属于精密支撑技术领域；该装置的密封膜片和基板所包围的密封腔体可以充气，气压可调；密封腔体外部有膜片压模和反射镜工件共同控制膜片的包裹形状，可保证膜片对反射镜边缘的作用力沿着接触面法向；加工支撑系统由多个支撑单元构成。光学加工时，升起加工支撑系统抵消加工载荷，从而抑制加工载荷导致的镜面变形；每一轮修形完成后，降下加工支撑，调节密封腔体内的压强使得各力传感器的示数小于镜体总重力的某一较小的比例(如1％)，此时支撑垫和预埋磁铁相互吸引，约束镜体的刚体位移；打开检测光路后，可获得反射镜无重力或微重力状态下的面形精度。

Description

一种用于反射镜光学加工原位检测的装置及使用方法

技术领域

本发明属于镜面的光学加工及检测技术领域，具体涉及一种用于反射镜光学加工原位检测的装置以及使用方法。

背景技术

采用口径更大、精度更高的反射镜，已经成为光学遥感领域的发展趋势。诸多望远镜所用到的反射镜都达到了2m以上的超大口径，又都提出了苛刻的精度要求，为其光学制造带来了巨大的难题，加工效率与精度之间的矛盾空前尖锐。

目前的光学加工较多采用离线检测方式，需要频繁拆卸、移动和调整工件进行光学检测，存在整体制造效率低、单次加工精度差的问题，满足不了高精度反射镜的快速制造要求。拆卸移动工件的检测方式是阻碍数字化光学制造整体效率提高的主要原因之一。

具体地说，在现有检测过程中，人们为了获得反射镜在不同姿态下的面形，一般预先获得若干工况下的面形，通过插值或平均算法预测反射镜的任意状态下的面形(如带一定俯仰角、重力卸载面形)。为实现这一目的，通常需要对反射镜进行翻转或悬挂。而当反射镜口径达到2m以上时，这种离线检测的方式既降低了制造效率，又增加了操作风险。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于反射镜光学加工原位检测的装置以及使用方法，采用原位检测支撑装置，可使光学制造与检测过程在同一设备上完成，工件经过1次安装便可进行交替开展加工和测量工作，既可减少生产辅助时间、提高生产效率，又能避免重复定位误差，提高加工精度，还能降低精密元件反复拆卸和搬运的风险。

一种用于反射镜光学加工原位检测的装置，包括基板(1)、密封膜片(2)、加工支撑单元(10)以及检测支撑单元(11)；

所述加工支撑单元(10)的数量为至少3个，安装在基板(1)上；所述检测支撑单元(11)的数量为至少3个，安装在基板(1)上；所述密封膜片(2)的边缘固定在所述基板(1)上，密封膜片(2)和基板(1)所包围的腔体形成密封腔体；待加工和检测的反射镜(4)置于密封膜片(2)上。

较佳的，所述密封膜片(2)为一个。

进一步的，还包括环状的膜片压模(3)，安装在所述密封膜片(2)的侧边缘外侧；膜片压模(3)的内侧边缘加工有凸起；所述凸起的高度和长度满足：在所述密封腔体充气后，膜片压模(3)的凸起接近所述反射镜(4)的边缘，原位检测状态时，所述凸起与密封膜片(2)的接触面与所述反射镜(4)的背面相切。

较佳的，所述密封膜片(2)为两个以上；反射镜(4)覆盖于所有密封膜片(2)上；加工支撑单元(10)以及检测支撑单元(11)安装在密封膜片(2)之间的空隙。

进一步的，还包括环状的膜片压模(3)，安装在所有密封膜片(2)的包络的外侧边缘；膜片压模(3)的内侧边缘加工有凸起；所述凸起的高度和长度满足：在所述密封腔体充气后，膜片压模(3)的凸起接近所述反射镜(4)的边缘，原位检测状态时，所述凸起与密封膜片(2)的接触面与所述反射镜(4)的背面相切。

进一步的，所述检测支撑单元(11)包括力传感器(5)、支撑垫(7)、连接杆(8)以及固定杆(9)；所述固定杆(9)安装在基板(1)上；所述力传感器(5)安装在固定杆(9)上；所述连接杆(8)安装在力传感器(5)上；所述支撑垫(7)安装在连杆(8)上。

进一步的，所述支撑垫(7)采用磁性材料；所述检测支撑单元(11)还包括预埋磁铁，安装在反射镜(4)之上并与支撑垫(7)对应的位置上。

较佳的，所述加工支撑单元(10)均分成3或6个组，每组至少包括1个加工支撑单元(10)，所述基板(1)表面均分成3或6个区域，每一个区域放置一组加工支撑单元(10)；每个区域形心处安装一个检测支撑单元(11)。

较佳的，所述在反射镜(4)与密封膜片(2)之间铺撒一层微粉。

较佳的，所述力传感器的精度优于0.1％。

较佳的，预埋磁铁(6)和支撑垫(7)与密封膜片(2)接触的表面粗糙度均大于3.2。

较佳的，加工支撑单元(10)采用液压支撑或者Hindle/whiffletree型多点支撑方式。

进一步的，还包括侧限位拉杆，安装在反射镜(4)的侧面。

较佳的，检测支撑单元(11)的高度在加工支撑单元(10)的行程中间。

一种用于反射镜光学加工原位检测装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤1、依次将各加工支撑单元(10)安装到基板(1)上，并使加工支撑单元(10)的高度升至行程中间；

步骤2、依次安装各检测支撑单元(11)；

步骤3、将密封膜片(2)安装到基板(1)上，并采取密封措施，在上表面铺撒一层微粉；

步骤4、将反射镜(4)吊运至密封膜片上(2)，对反射镜(4)在密封膜片上(2)上的位置进行粗定位，拆开起吊工装；

步骤5、安装膜片压模(3)到基板(1)；

步骤6、对所述密封空腔充气，升起密封膜片(2)，然后对反射镜(4)镜体横向姿态进行精调，并在反射镜(4)的侧边使用限位装置，防止其横向移动；

步骤7、需要对反射镜进行加工时，对所述密封空腔放气，并放空，判断检测支撑单元(11)中设置的力传感器的读数总和是否超过设定的阈值，如果超过，升高加工支撑单元(10)的高度，使得力传感器的读数总和小于设定的阈值；如果不超过，不需要调整加工支撑单元(10)的高度；

步骤8、需要对反射镜(4)进行原位检测时，将加工支撑单元(10)降至最低，对密封空腔充气，调节密封空腔中的压力，使所有力传感器读数之和小于设定的阈值，待密封空腔压力稳定后即开始检测。

其中，设定的阈值为反射镜(4)镜重的5％。

本发明具有如下有益效果：

密封膜片和基板所包围的密封腔体可充气，气压可调，外部有膜片压模，控制膜片的包裹形状，可保证膜片对镜体边缘的作用力沿着接触面法向。光学加工时，升起加工支撑抵消加工载荷，抑制加工载荷导致的镜面变形(即压印效应)；每一轮修形完成后，降下加工支撑，调节密封腔体内的压强使得各力传感器的示数小于镜体总重力的某一较小的比例(推荐5％以内)，打开原位检测光路，获得反射镜无/微重力状态下的面形精度。该型复合支撑系统可用于任意形式、形状和口径的反射镜原位加工检测，既能抑制加工中的镜面变形，又能快速获得反射镜的重力卸载面形，可快速地提供较好的一致性检测边界条件，从而大幅提高光学制造的效率和精度。

附图说明

图1为本发明一种用于光学加工原位检测的支撑装置的剖面图。

图2为本发明一种用于光学加工原位检测的支撑装置的检测支撑单元局部放大图。

图3为本发明一种用于光学加工原位检测的支撑装置的加工支撑系统和检测支撑系统整体结构示意图。

图中，1、基板，2、密封膜片，3、膜片压模，4、反射镜，5、力传感器，6、预埋磁铁，7、支撑垫，8、连接杆，9、固定杆，10、加工支撑单元，11、检测支撑单元。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1、2和3所示，本发明的装置包括基板1、密封膜片2、加工支撑单元10以及检测支撑单元11；所述加工支撑单元10的数量为至少3个，安装在基板1上；所述检测支撑单元11的数量推荐为3个，安装在基板1上；所述密封膜片2的边缘固定在所述基板1上，密封膜片2和基板1所包围的腔体形成可充气且气压可调的密封腔体；待加工和检测的反射镜工件4置于密封膜片2上。

其中，密封腔体可使用一个整体密封膜片2，也可由若干密封膜片2在基板1上分区密封，形成多个密封腔体。一个密封膜片2时，加工支撑单元10以及检测支撑单元11均隐藏在密封腔体内部。当为两个以上密封膜片2时，反射镜工件4覆盖于所有密封膜片2上，所有的密封腔体充气后共同支撑反射镜工件4；加工支撑单元10以及检测支撑单元11从密封膜片2之间的间隙穿过，直接作用于反射镜4背部。

具体的，如图2所示，检测支撑单元11包括力传感器5、支撑垫7、连接杆8以及固定杆9；所述固定杆9安装在基板1上；所述力传感器5安装在固定杆9上；所述连接杆8安装在力传感器5上；所述支撑垫7安装在连杆8上。所述支撑垫7采用磁性材料；所述检测支撑单元11还包括预埋磁铁，安装在反射镜工件4之上并与支撑垫7对应的位置上。预埋磁铁与支撑垫7吸合，可充当原位检测中限制镜体刚体横向位移的硬点。

为保证密封膜片2对反射镜4的镜体边缘的作用力沿着接触面法向，本发明还包括环状的膜片压模3，控制密封膜片2的边缘包裹形状，当密封膜片2为一个时，膜片压模3安装在所述密封膜片2的工件边缘；当密封膜片2为多个时，膜片压模3安装在所有密封膜片2的包络的工件边缘；膜片压模3的内侧边缘加工有凸起；所述凸起的高度和长度满足：在所述密封腔体充气后，原位检测时，膜片压模3的凸起接近所述反射镜工件4的边缘，压模3的包络轮廓使膜片2的走向沿工件背面的切向，由此可保证密封膜片2对反射镜4的镜体边缘的作用力沿着接触面法向。

较佳的，加工支撑单元10均分成3或6个组，每组至少包括N个加工支撑单元10，所述基板1表面均分成3或6个区域，每一个区域放置一组加工支撑单元10；在每个区域的形心处放置一个检测支撑单元11。力传感器的精度优于0.1％。其中，N为1以上的自然数。

在反射镜4与密封膜片2之间铺撒一层微粉，避免负压时二者粘连。

预埋磁铁6和支撑垫7与密封膜片2接触的表面粗糙度均大于3.2，以便提供较大的侧向摩擦力，但要保证不划伤密封膜片2。

加工支撑单元10采用液压支撑，实现轴向运动调节；也可采用Hindle/whiffletree型多点支撑，并引入轴向调节装置。

反射镜4的边缘安装侧限位拉杆，防止横向位移，其中，侧限位拉杆设置有力传感器，检测侧限位拉杆对反射镜4的作用力，监控反射镜4中心偏移和倾斜，为必要的姿态调整提供反馈信息。

为了给加工支撑单元留有一定的上、下调整的余量，检测支撑单元11的初始安装位置尽可能处于加工支撑单元10的行程中间。

本发明还提供一种用于反射镜光学加工原位检测装置的使用方法，具体为：

步骤1、依次将各加工支撑单元10安装到基板1上，引出控制接口至反射镜4区域之外，并使加工支撑单元10的高度升至行程中间；

步骤2、依次安装各检测支撑单元11；a将固定杆9安装到基板1；b将力传感器5安装到固定杆9；c将连接杆8安装到力传感器5上；d将支撑垫7安装到连杆8上；e将力传感器5的导线引出至反射镜区域之外；

步骤3、将密封膜片2安装到基板1上，并采取密封措施，在上表面铺撒一层微粉；

步骤4、将反射镜4吊运至密封膜片上2，对反射镜4在密封膜片上2上的位置进行粗定位，拆开起吊工装；

步骤5、安装膜片压模3到基板1；

步骤6、对所述密封空腔充气，升起密封膜片2，然后对反射镜4镜体横向姿态进行精调，并在反射镜4的侧边使用限位装置，防止其横向移动；

步骤7、需要对反射镜进行加工时，对所述密封空腔放气，并放空，判断检测支撑单元11中力传感器的读数总和是否超过设定的阈值，如果超过，升高加工支撑单元10的高度，使得力传感器的读数总和小于设定的阈值；如果不超过，不需要调整加工支撑单元10的高度。其中，设定的阈值为反射镜4镜重的5％。此时，加工支撑单元10对反射镜4起支撑起作用，反射镜4处于加工状态。

步骤8、需要对反射镜4进行原位检测时，将加工支撑单元10降至最低，对密封空腔充气，调节密封空腔中的压力，使所有力传感器读数之和小于设定的阈值约定的镜重比例，待系统稳定后即可开始检测。此时，由密封膜片2对反射镜4起支撑作用，反射镜4处于重力卸载状态，模拟了反射镜在太空中的失重状态。

本实施方式优选双毛面夹布橡胶膜片作为密封膜片；

本实施方式优选液压式加工支撑系统；

本实施方式优选磁铁吸引力小于镜重的5％；

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种用于反射镜光学加工原位检测的装置，其特征在于，包括基板(1)、密封膜片(2)、加工支撑单元(10)以及检测支撑单元(11)；

所述加工支撑单元(10)的数量为至少3个，安装在基板(1)上；所述检测支撑单元(11)的数量为至少3个，安装在基板(1)上；所述密封膜片(2)的边缘固定在所述基板(1)上，密封膜片(2)和基板(1)所包围的腔体形成密封腔体；待加工和检测的反射镜(4)置于密封膜片(2)上；

当只有一个密封膜片(2)时，加工支撑单元(10)以及检测支撑单元(11)均隐藏在密封腔体内部，加工支撑单元(10)可以上下调整。

2.如权利要求1所述的一种用于反射镜光学加工原位检测的装置，其特征在于，所述密封膜片(2)为一个。

3.如权利要求2所述的一种用于反射镜光学加工原位检测的装置，其特征在于，还包括环状的膜片压模(3)，安装在所述密封膜片(2)的侧边缘外侧；膜片压模(3)的内侧边缘加工有凸起；所述凸起的高度和长度满足：在所述密封腔体充气后，膜片压模(3)的凸起接近所述反射镜(4)的边缘，原位检测状态时，所述凸起与密封膜片(2)的接触面与所述反射镜(4)的背面相切。

4.如权利要求1所述的一种用于反射镜光学加工原位检测的装置，其特征在于，所述密封膜片(2)为两个以上；反射镜(4)覆盖于所有密封膜片(2)上；加工支撑单元(10)以及检测支撑单元(11)安装在密封膜片(2)之间的空隙。

5.如权利要求4所述的一种用于反射镜光学加工原位检测的装置，其特征在于，还包括环状的膜片压模(3)，安装在所有密封膜片(2)的包络的外侧边缘；膜片压模(3)的内侧边缘加工有凸起；所述凸起的高度和长度满足：在所述密封腔体充气后，膜片压模(3)的凸起接近所述反射镜(4)的边缘，原位检测状态时，所述凸起与密封膜片(2)的接触面与所述反射镜(4)的背面相切。

6.如权利要求1至5中任意一个所述的一种用于反射镜光学加工原位检测的装置，其特征在于，所述检测支撑单元(11)包括力传感器(5)、支撑垫(7)、连接杆(8)以及固定杆(9)；所述固定杆(9)安装在基板(1)上；所述力传感器(5)安装在固定杆(9)上；所述连接杆(8)安装在力传感器(5)上；所述支撑垫(7)安装在连杆(8)上。

7.如权利要求6所述的一种用于反射镜光学加工原位检测的装置，其特征在于，所述支撑垫(7)采用磁性材料；所述检测支撑单元(11)还包括预埋磁铁，安装在反射镜(4)之上并与支撑垫(7)对应的位置上。

8.如权利要求1所述的一种用于反射镜光学加工原位检测的装置，其特征在于，所述加工支撑单元(10)均分成3或6个组，每组至少包括1个加工支撑单元(10)，所述基板(1)表面均分成3或6个区域，每一个区域放置一组加工支撑单元(10)；每个区域形心处安装一个检测支撑单元(11)。

9.如权利要求1所述的一种用于反射镜光学加工原位检测的装置，其特征在于，在反射镜(4)与密封膜片(2)之间铺撒一层微粉。

10.如权利要求6所述的一种用于反射镜光学加工原位检测的装置，其特征在于，所述力传感器的精度优于0.1％。

11.如权利要求6所述的一种用于反射镜光学加工原位检测的装置，其特征在于，预埋磁铁(6)和支撑垫(7)分别与密封膜片(2)接触的表面粗糙度均大于3.2。

12.如权利要求1所述的一种用于反射镜光学加工原位检测的装置，其特征在于，加工支撑单元(10)采用液压支撑或者Hindle/whiffletree型多点支撑方式。

13.如权利要求1所述的一种用于反射镜光学加工原位检测的装置，其特征在于，还包括侧限位拉杆，安装在反射镜(4)的侧面。

14.如权利要求1所述的一种用于反射镜光学加工原位检测的装置，其特征在于，检测支撑单元(11)的高度在加工支撑单元(10)的行程中间。

15.一种权利要求3或5所述的装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、依次将各加工支撑单元(10)安装到基板(1)上，并使加工支撑单元(10)的高度升至行程中间；

步骤2、依次安装各检测支撑单元(11)；

步骤3、将密封膜片(2)安装到基板(1)上，并采取密封措施，在上表面铺撒一层微粉；

步骤4、将反射镜(4)吊运至密封膜片上(2)，对反射镜(4)在密封膜片上(2)上的位置进行粗定位，拆开起吊工装；

步骤5、安装膜片压模(3)到基板(1)；

步骤6、对所述密封腔体充气，升起密封膜片(2)，然后对反射镜(4)镜体横向姿态进行精调，并在反射镜(4)的侧边使用限位装置，防止其横向移动；

步骤7、需要对反射镜进行加工时，对所述密封空腔放气，并放空，判断检测支撑单元(11)中设置的力传感器的读数总和是否超过设定的阈值，如果超过，升高加工支撑单元(10)的高度，使得力传感器的读数总和小于设定的阈值；如果不超过，不需要调整加工支撑单元(10)的高度；

步骤8、需要对反射镜(4)进行原位检测时，将加工支撑单元(10)降至最低，对密封腔体充气，调节密封腔体中的压力，使所有力传感器读数之和小于设定的阈值，待密封腔体压力稳定后即开始检测。

16.如权利要求15所述的使用方法，其特征在于，其中，设定的阈值为反射镜(4)镜重的5％。