CN109751938B - 空间相机用大口径齿形反射镜组件高精度装调方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空间相机用大口径齿形反射镜组件高精度装调方法及装置。其中，该方法包括以下步骤：步骤一：将平移倾斜台与转台固定连接，将支撑工装安装于平移倾斜台上；步骤二：将支撑托框置于步骤一中的支撑工装；步骤三：将反射镜置于六维调整台上，同时反射镜的齿部嵌入支撑托框的齿槽内；步骤四：向支撑托框的每个齿槽内注胶使得反射镜与支撑托框相连接。本发明解决了空间相机用大口径齿形反射镜组件的高精度微应力装配，装配后反射镜面形损失小、反射镜和支撑结构间形位公差小，使得装配后的反射镜组件能够满足在振动试验后保持面形和形位的高稳定性。
Description
技术领域
本发明属于航天光学遥感器技术领域，尤其涉及一种空间相机用大口径齿形反射镜组件高精度装调方法及装置。
背景技术
随着高分辨率对地观测需求的不断增加，长焦距反射式光学系统被越来越多地应用于空间光学遥感相机中。作为反射式空间遥感相机的主要部件，反射镜组件一般由反射镜、支撑结构和连接胶斑组成，支撑结构将反射镜组件固定在相机主结构上。
大口反射镜的面形是保证镜头成像质量的基础，在大口反射镜组件的光机装配中，最重要的一点是要减小装配引起的反射镜面形损失，同时还要保证反射镜的基准与支撑结构基准之间的形位公差，以保证反射镜组件与主结构连接时反射镜光轴的与主结构的基准的偏心和倾斜在公差范围内，这是镜头高精度初装的重要保证。反射镜与支撑结构通过胶斑连接，胶斑的均匀性是保证面形精度的重要因素。装调完成的反射镜组件还需能通过力学振动试验。
传统的反射镜组件由柱形反射镜、托框、支撑胶斑(径向胶斑)、轴向限位压块、轴向限位胶斑组成，见图1。但当这种传统的反射镜组件口径增大到500mm左右时，在光轴水平状态下，难以同时兼顾支撑刚度与热失配卸载能力。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种空间相机用大口径齿形反射镜组件的高精度装调方法及装置，解决了空间相机用大口径齿形反射镜组件的高精度微应力装配，装配后反射镜面形损失小、反射镜和支撑结构间形位公差小，使得装配后的反射镜组件能够满足在振动试验后保持面形和形位的高稳定性。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一个方面，本发明提出了一种空间相机用大口径齿形反射镜组件的高精度装调方法，所述方法包括以下步骤：步骤一：将平移倾斜台与转台固定连接，将支撑工装安装于平移倾斜台上；步骤二：将支撑托框置于步骤一中的支撑工装；步骤三：将反射镜置于六维调整台上，同时反射镜的齿部嵌入支撑托框的齿槽内；步骤四：向支撑托框的每个齿槽内注胶使得反射镜与支撑托框相连接。
进一步地，上述空间相机用大口径齿形反射镜组件的高精度装调方法中，步骤一还包括：将平移倾斜台与转台固定连接，将支撑工装安装于平移倾斜台上，通过平移倾斜台调整支撑工装的平移和倾斜使得支撑工装的中心轴线与转台的中心轴线重合，将六维调整台安装于平移倾斜台上，使得六维调整台的中心轴线与转台的中心轴线重合。
进一步地，上述空间相机用大口径齿形反射镜组件的高精度装调方法中，步骤二还包括：调整支撑托框的平移使得其中心轴线与转台的中心轴线重合，然后将其与支撑工装固定。
进一步地，上述空间相机用大口径齿形反射镜组件的高精度装调方法中，步骤三还包括：调整反射镜，使得反射镜的第一基准面的回转轴与转台的中心轴线重合，使得反射镜的第二基准面与转台的中心轴线垂直，使得反射镜的支撑部外表面与支撑托框的圆环部的内壁之间的间隙相等，使得齿部与相应的齿槽的轴线重合。
进一步地，上述空间相机用大口径齿形反射镜组件的高精度装调方法中，在步骤二中，通过微米级位移测量工具调整支撑托框的平移使得其中心轴线与转台的中心轴线重合。
进一步地，上述空间相机用大口径齿形反射镜组件的高精度装调方法中，在步骤二中，所述微米级位移测量工具为数字千分表。
进一步地，上述空间相机用大口径齿形反射镜组件的高精度装调方法中，在步骤三中，利用六维调整台和微米级位移测量工具调整反射镜。
进一步地，上述空间相机用大口径齿形反射镜组件的高精度装调方法中，所述微米级位移测量工具为数字千分表。
进一步地，上述空间相机用大口径齿形反射镜组件的高精度装调方法中，在步骤四中，在注胶过程根据利用注胶样块确定的注胶压力和注胶时间使得胶斑的直径一致及厚度一致。
本发明通过高精度装调方法能够定量控制大口径齿形切向力热卸载反射镜组件光学件基准和结构件基准之间的同轴度、垂直度和高度，从而使得反射镜和支撑托框之间的径向、周向和轴向间隙均匀，解决了齿啮合型式带来的径向间隙无法通过直接测量间隙获得的难题，对反射镜进行高精度旋转调整及周向间隙的测量，保证了反射镜齿部两侧与支撑托框齿槽之间的周向间隙均匀。
另一方面，本发明还提出了一种空间相机用大口径齿形反射镜组件的高精度装调装置，包括：转台、平移倾斜台和支撑工装；其中，所述平移倾斜台与转台固定连接，所述支撑工装安装于平移倾斜台上；反射镜组件的支撑托框置于支撑工装。
本发明通过转台、平移倾斜台和支撑工装能够定量控制大口径齿形切向力热卸载反射镜组件光学件基准和结构件基准之间的同轴度、垂直度和高度，从而使得反射镜和支撑托框之间的径向、周向和轴向间隙均匀，解决了齿啮合型式带来的径向间隙无法通过直接测量间隙获得的难题，对反射镜进行高精度旋转调整及周向间隙的测量，保证了反射镜齿部两侧与支撑托框齿槽之间的周向间隙均匀。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是现有技术中的反射镜组件的示意图；
图2是本发明实施例提供的空间相机用大口径齿形反射镜组件的示意图；
图3是本发明实施例提供的空间相机用大口径齿形反射镜组件高精度装调装置的示意图；
图4是本发明实施例提供的大口径齿形反射镜组件光机装调前后的面形测试结果的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
方法实施例：
图2是本发明实施例提供的空间相机用大口径齿形反射镜组件的示意图。如图2所示，空间相机用大口径齿形反射镜组件包括反射镜5和支撑托框4。其中，反射镜5包括支撑部51和若干个齿部52，若干个齿部52沿支撑部51的周向均匀分布；支撑托框4包括圆环部41，圆环部41开设有若干个齿槽42，若干个齿槽沿圆环部41的周向均匀分布；齿槽42的数量与齿部52的数量一致；反射镜5的齿部52嵌入支撑托框4的每一个相对应的齿槽42内。
图3是本发明实施例提供的空间相机用大口径齿形反射镜组件高精度装调装置的示意图。结合图3所示，空间相机用大口径齿形反射镜组件的高精度装调方法包括以下步骤：
步骤一：将平移倾斜台21与转台2固定连接，将支撑工装1安装于平移倾斜台21上，通过平移倾斜台21调整支撑工装1的平移和倾斜使得支撑工装1的中心轴线与转台2的中心轴线重合；将六维调整台3安装于平移倾斜台21上，使得六维调整台3的中心轴线与转台2的中心轴线重合；
步骤二：将支撑托框4置于步骤一中的支撑工装1上，通过微米级位移测量工具调整支撑托框4的平移使得其中心轴线与转台2的中心轴线重合，然后将其与支撑工装1固定；
步骤三：将反射镜5置于六维调整台3上，同时反射镜5的齿部52嵌入支撑托框4的齿槽42内，利用六维调整台和微米级位移测量工具调整反射镜5(微米级位移测量工具例如是数字千分表)，使得反射镜第一基准面53的回转轴与转台2的中心轴线重合，使得反射镜第二基准面54与转台2的中心轴线垂直，使得反射镜的支撑部51外表面与支撑托框4的圆环部41的内壁之间的间隙(径向间隙)相等；使得齿部52与相应的齿槽42的轴线重合，即齿部与齿槽周向间隙相等；以支撑部51的外表面为第一基准面53，支撑部51的剖面形状为圆台形状，以支撑部51的上表面为第二基准面54。支撑部51的下圆口的直径小于上圆口的直径。
步骤四：向支撑托框4的每个齿槽42内注胶使得反射镜5与支撑托框4相连接；在注胶过程利用注胶样块确定注胶压力和注胶时间，注胶过程中对这两项参数进行控制，保证胶斑大小及厚度的均匀性。
下面以具体实施例来说明一下空间相机用大口径齿形反射镜组件的高精度装调方法，包括以下步骤：
(1)在反射镜组件装配前对反射镜进行面形测试；
(2)如图3所示，将支撑工装、六维调整台置于高精度转台台面上，并连接固紧；
(3)转动转台，用微米级位移测量工具测量支撑工装外圆与转台转轴的同轴度及工装上端面与转台转轴的垂直度，调整转台的平移和倾斜，直至达到同轴度(0.01-0.03)mmA和垂直度(0.01-0.03)mm B。
(4)如图3所示，将支撑托框置于的支撑工装上(工装结构加工时保证其与支撑结构的连接面的平面度不大于0.005mmC)，安装连接螺钉但不拧紧；转动转台，用微米级位移测量工具测量支撑结构外圆与转台转轴的同轴度，将支撑结构平移直至达到同轴度(0.01-0.03)mm D；然后均匀拧紧连接螺钉；拧紧后复测同轴度，应保证不大于D。
(5)如图3所示，将反射镜置于六维调整台上，，同时图2中反射镜的齿部嵌入支撑托框的齿槽内，利用微米级位移测量工具测量图3所示的反射镜第一基准面与转台转轴的同轴度及反射镜第二基准面与转台转轴的垂直度(微米级位移测量工具例如是数字千分表)；利用六维调整台调整反射镜，使得反射镜第一基准面的回转轴与转台的中心轴线重合，使得反射镜第二基准面与转台的中心轴线垂直，使得反射镜的支撑部外表面与支撑托框的圆环部内壁之间的间隙(径向间隙)相等；将等厚的铜箔插入图2中反射镜齿部与支撑托框齿槽之间的间隙中，测量周向间隙；利用六维调整台调整反射镜绕其第一基准面的回转轴微量旋转，使得反射镜齿部与相应的支撑托框齿槽的轴线重合，即齿部与齿槽周向间隙相等；利用六维调整台升降反射镜使得反射镜与支撑托框的相对高度达到设计值，即保证轴向间隙满足设计要求。
(6)步骤(5)的测量、调整一般需要多次迭代，最终使得反射镜和支撑托框同轴度和垂直度均小于0.02mm，保证反射镜与支撑结构之间的径向、周向和轴向间隙均匀；
(7)利用注胶工具向支撑托框的每个齿槽内注胶，生成如图2所示的径向和周向胶斑，使得反射镜与支撑托框相连接。在注胶过程利用注胶样块确定注胶压力和注胶时间，注胶过程中对这两项参数进行控制，保证胶斑大小及厚度的均匀性；
(8)在胶斑固化完毕后，复测反射镜基准面和支撑结构件基准面的同轴度和垂直度，满足不大于0.02mm的要求后，从工装上取下反射镜组件；
(9)利用干涉仪及辅助测量镜对反射镜的面形进行测试，计算反射镜组件装配前后的面形变化量，图4给出了反射镜组件装配前后四个方位的面形测试数据，面形rms变化不大于0.002λ。
大口径齿形反射镜组件采用基于表观模量差异的切向力热卸载支撑形式，利用胶斑的表观拉压模量进行反射镜的支撑，进行膨胀失配的卸载，支撑结构重量轻，在不损失支撑刚度的前提下，有着良好的热卸载特性，能有效降低温度变化对大口径反射镜组件面形的影响，且重力作用工况下重力方向刚性位移较传统托框支撑形式减小，在轻型反射式空间相机的望远镜头中有较广泛的应用。
对于大口径齿形反射镜组件(见图3)而言，在设计上，组件采用了新型的齿啮合设计，除了传统柱形反射镜组件的径向和轴向胶斑外，还在反射镜齿部两侧与支撑托框齿槽之间增加了的周向胶斑，利用这些周向胶斑的表观剪切模量能有效实现热膨胀失配的卸载。在光机装配上的难点主要有两方面，一方面是胶斑均匀性的控制，由于反射镜与托框之间为的齿啮合形式，径向胶斑的厚度均匀性无法通过直接测量间隙来控制，径向胶斑大小也无法通过注胶观察孔的方法控制，由于增加了周向胶斑，需对反射镜齿部两侧与支撑托框齿槽之间的周向间隙进行严格控制，轴向胶斑厚度的控制与传统方法相同；另一方面，是装配精度要求高，结构设计和光学装调都要求反射镜组件装配后，结构基准与反射镜的光学基准之间的形位公差满足丝级的同轴度和垂直度要求，装配前后面形rms值变化不大于0.002λ(λ＝632.8nm)，。因此，大口径齿形切向力热卸载反射镜组件的光机装配需要采用新的方法。
本实施例通过反射镜的三维平移、三维倾斜的六维调整和测量手段相结合，能够定量控制大口径齿形切向力热卸载反射镜组件光学件基准和结构件基准之间的同轴度、垂直度和高度，从而使得反射镜和支撑托框之间的径向、周向和轴向间隙均匀，解决了齿啮合型式带来的径向间隙无法通过直接测量间隙获得的难题，对反射镜进行高精度旋转调整及周向间隙的测量，保证了反射镜齿部两侧与支撑托框齿槽之间的周向间隙均匀。这些都是保证结构基准与反射镜的光学基准之间的形位公差满足丝级同轴度和垂直度要求、保证胶斑厚度均匀的关键。
在胶斑直径大小的均匀性控制方面，利用与反射镜组件间隙、胶流动通道相同的注胶样块确定注胶压力和注胶时间，注胶过程中对这两项参数进行严格控制，保证径向、周向和轴向胶斑大小及厚度的均匀性，解决了径向胶斑大小也无法通过传统的注胶观察孔方法控制的难题。
做到光机组件的微应力装调，反射镜组件面形较装配前变化小，组件装调重复性高，有利于大口径反射镜组件的批量装调。本方法也可应用于多种大口径反射镜组件的光机装调中。
本实施例利用平移倾斜台、转台、六维调整台、工装、微米级位移测量工具，对反射镜和支撑结构之间的径向、轴向和周向间隙进行高精度控制，通过工艺手段保证胶斑的均匀性，实现了空间相机用大口径齿形反射镜组件的高精度微应力装配，组件装调前后反射镜面形rms值变化不大于0.002λ，反射镜光学基准相对于支撑托框结构基准的同轴度和垂直度均不大于0.02mm。反射镜组件经过力学振动试验后面形和相对位置仍能达到上述精度。
大口径反射镜组件的高精度装调是保证镜头成像质量及镜头高精度初装的重要保证。本实施例反射镜组件装调重复性高，有利于大口径反射镜组件的批量装调。
装置实施例：
图3是本发明实施例提供的空间相机用大口径齿形反射镜组件高精度装调装置的示意图。如图3所示，该空间相机用大口径齿形反射镜组件高精度装调装置包括：转台2、平移倾斜台21和支撑工装1；其中，所述平移倾斜台21与转台2固定连接，所述支撑工装1安装于平移倾斜台21上；反射镜组件的支撑托框4置于支撑工装1。
本实施例通过反射镜的三维平移、三维倾斜的六维调整和测量手段相结合，能够定量控制大口径齿形切向力热卸载反射镜组件光学件基准和结构件基准之间的同轴度、垂直度和高度，从而使得反射镜和支撑托框之间的径向、周向和轴向间隙均匀，解决了齿啮合型式带来的径向间隙无法通过直接测量间隙获得的难题，对反射镜进行高精度旋转调整及周向间隙的测量，保证了反射镜齿部两侧与支撑托框齿槽之间的周向间隙均匀。这些都是保证结构基准与反射镜的光学基准之间的形位公差满足丝级同轴度和垂直度要求、保证胶斑厚度均匀的关键。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种空间相机用大口径齿形反射镜组件的高精度装调方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一：将平移倾斜台(21)与转台(2)固定连接，将支撑工装(1)安装于平移倾斜台(21)上；
步骤二：将支撑托框(4)置于步骤一中的支撑工装(1)；
步骤三：将反射镜(5)置于六维调整台(3)上，同时反射镜(5)的齿部(52)嵌入支撑托框(4)的齿槽(42)内；
步骤四：向支撑托框(4)的每个齿槽(42)内注胶使得反射镜(5)与支撑托框(4)相连接；
步骤一还包括：通过平移倾斜台(21)调整支撑工装(1)的平移和倾斜使得支撑工装(1)的中心轴线与转台(2)的中心轴线重合，将六维调整台(3)安装于平移倾斜台(21)上，使得六维调整台(3)的中心轴线与转台(2)的中心轴线重合；
步骤二还包括：调整支撑托框(4)的平移使得其中心轴线与转台(2)的中心轴线重合，然后将其与支撑工装(1)固定；
步骤三还包括：调整反射镜(5)，使得反射镜(5)的第一基准面(53)的回转轴与转台(2)的中心轴线重合，使得反射镜(5)的第二基准面(54)与转台(2)的中心轴线垂直，使得反射镜的支撑部(51)外表面与支撑托框(4)的圆环部(41)的内壁之间的间隙相等，使得齿部(52)与相应的齿槽(42)的轴线重合。
2.根据权利要求1所述的空间相机用大口径齿形反射镜组件的高精度装调方法，其特征在于：在步骤二中，通过微米级位移测量工具调整支撑托框(4)的平移使得其中心轴线与转台(2)的中心轴线重合。
3.根据权利要求2所述的空间相机用大口径齿形反射镜组件的高精度装调方法，其特征在于：在步骤二中，所述微米级位移测量工具为数字千分表。
4.根据权利要求1所述的空间相机用大口径齿形反射镜组件的高精度装调方法，其特征在于：在步骤三中，利用六维调整台和微米级位移测量工具调整反射镜(5)。
5.根据权利要求4所述的空间相机用大口径齿形反射镜组件的高精度装调方法，其特征在于：所述微米级位移测量工具为数字千分表。
6.根据权利要求1所述的空间相机用大口径齿形反射镜组件的高精度装调方法，其特征在于：在步骤四中，在注胶过程根据利用注胶样块确定的注胶压力和注胶时间使得胶斑的直径一致及厚度一致。
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| 基于表观拉压模量与剪切模量差异的;罗世魁;《航天返回与遥感》;20160215;第41-47页 * |
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