CN111897088B - 一种大口径反射镜装调装置及装调方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大口径反射镜装调装置及装调方法，解决现有新型材料大口径反射镜采用传统方法进行装调时存在安装损伤风险以及生产周期长、生产成本高的问题。此装调方法将反射镜的微应力装调、粘接与光机基准传递综合考虑，统筹兼顾，一次性完成主镜的微应力装调、粘接与光机基准的传递，即同时实现大口径反射镜部件装配与光学定心调整，保证了反射镜粘接后无应力且完成了反射镜光轴与机械结构装配基准的高精度传递，大大缩短了反射镜部件装配周期。

Description

一种大口径反射镜装调装置及装调方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种大口径反射镜装调装置及装调方法。

背景技术

随着对光学系统分辨率要求的提高，光学系统逐步向长焦距、大口径的方向发展。大口径反射镜装调过程中，首先必须保证反射镜的微应力装配与粘接，即保证反射镜装配前后，面形基本无变化；其次，为了控制反射镜部件在系统中的正确位置与姿态，必须将反射镜光轴基准转至反射镜部件的机械装配基准上。

传统采用的方法是将反射镜部件的微应力装配、粘接与光轴基准的转换分开考虑，先完成反射镜部件的微应力装配与粘接，再采用光学定心加工的方法，即以反射镜光轴为基准加工反射镜部件的装配面(配合端面与外圆柱面)，以实现光学基准至机械基准的转换，上述工艺方法已广泛应用于中等口径反射镜部件的装调。

以直径φ500mm圆周三点柔性支撑反射镜为例，采用传统的装调方法步骤如下：

步骤1、将反射镜支撑板、修切垫、BiPod装配在一起；

步骤2、将反射镜与BiPod进行微应力粘接；

步骤3、粘接完成后对反射镜部件进行面形检测，保证面形符合设计要求；

步骤4、在大口径反射镜装调平台上，以反射镜光轴为基准加工反射镜部件的装配基准面，以保证装配基准面与光轴垂直度要求，实现光学基准到机械基准的转换。

以上装调步骤中的具体数据指标由产品装配技术指标要求确定。

由于空间相机轻量化的要求及新材料技术的发展，空间相机逐渐开始尝试使用新型材料，例如：碳化硅、铝基碳化硅等材料。此类材料具有比刚度高、膨胀系数小、热导率高等优点，符合航天仪器的要求，但此类材料硬而脆，加工性能较差，采用上述传统装调中的定心加工方法，存在以下几个问题：第一，定心加工过程中必须制定特殊加工工艺，并采用专用金刚石刀具；第二，加工面粗糙度指标难以精确控制且加工过程中容易造成被加工零件的崩边、裂纹等致命性损伤；这些问题一方面影响系统的安装精度与整机性能，增加项目研制的风险，另一方面延长了生产周期并增加了生产成本。

发明内容

本发明的目的在于解决现有新型材料大口径反射镜采用传统方法进行装调时存在安装损伤风险以及生产周期长、生产成本高的问题，而提供一种新的大口径反射镜装调装置及装调方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

一种大口径反射镜装调装置，其特殊之处在于，包括支撑座、五维回转台(该回转台可绕Z轴即竖直向上360°旋转，且具有X、Y向平移及绕X、Y轴的倾斜调整功能，具体结构实现形式不限)、滑台、四维调整架(该调整台具有X、Y向平移及绕X、Y轴的倾斜调整功能，具体结构实现形式不限)、检测架、光学定心仪以及测量仪；

所述支撑座包括相互垂直的横板和竖板，该竖板上沿竖直方向设置有滑槽；

所述五维回转台位于所述横板上；

所述滑台安装在所述竖板上，并可沿滑槽上下移动；所述滑台的下表面水平设置；

所述光学定心仪通过四维调整架安装在所述滑台的下表面；

所述测量仪位于滑台下方，并通过检测架安装在所述竖板上；

所述检测架可沿水平方向进行直线伸缩；

所述光学定心仪与测量仪均投影在所述五维回转台上；其中光学定心仪用于观察反射镜球心像晃动，测量仪则用于测量端面跳动；

进一步地，为了使结构更加紧凑合理，所述竖板上设置有两条相互平行的滑槽；所述检测架位于两条滑槽之间；所述测量仪为千分表、百分表或非接触式微位移传感器，具体使用哪种测量仪，则需根据测量指标特点进行选用。

同时，本发明还提供了一种利用上述大口径反射镜装调装置的大口径反射镜装调方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)将待装配的反射镜支撑板置于大口径反射镜装调装置的五维回转台上，用测量仪测量该反射镜支撑板安装平面的端面跳动，满足端面跳动≤0.005mm；

2)在所述反射镜支撑板上安装至少三个修切垫以及位于其上方的柔性支撑件，并对每个修切垫进行修研，保证所有柔性支撑件的粘接面在光轴方向等高、且位于理论正确高度，满足误差＜0.02㎜；

3)在所述反射镜支撑板上放置至少三个反射镜姿态微调件，以保证反射镜微应力支撑；

4)将待装配的反射镜置于各个反射镜姿态微调件上，并保证该反射镜中心孔与所述反射镜支撑板中心孔的同轴度≤0.03mm；

5)通过反射镜姿态微调件调整所述反射镜的姿态，用测量仪测量，保证反射镜端面跳动＜0.005㎜，且反射镜端面与反射镜支撑板安装平面的平行度＜0.01㎜；

6)根据胶层厚度的要求(不同的结构胶有不同要求)，调整各个柔性支撑件粘接面与所述反射镜圆柱面之间的间隙，保证间隙均匀且固定可靠，即反射镜与柔性支撑件两者间的位置固定不变；

7)通过调整四维调整架使用光学定心仪观察所述反射镜球心像晃动，通过调整五维回转台平移(即在垂直于光轴方向的X向和Y向上平移)调整反射镜支撑板(与此同时也调整了位于反射镜支撑板上的各个组件)，保证晃动量＜0.005mm；

8)向柔性支撑件的注胶孔内注入结构粘接胶，并复检反射镜球心像晃动，保证晃动量无变化；

9)在所述结构粘接胶固化过程中继续监测反射镜球心像晃动，保证晃动量无变化；

10)待所述结构粘接胶固化后，卸载反射镜姿态微调件上的支撑力，拆除反射镜姿态微调件；该反射镜姿态微调件可以采用螺旋调整机构，也可以采用塞块与调整垫片结合的结构形式；

11)拆下装配好的反射镜部件，装调完成。

装调完成之后，对装配好的反射镜部件进行检测，检测该部件反射镜面形，保证反射镜微应力。

进一步地，反射镜姿态微调件的支撑位置通过待装配反射镜面形分析的结果确定，面形分析可使用专用软件进行有限元分析。

进一步地，步骤4)中，使用中心孔定位轴检测，保证该反射镜中心孔与所述反射镜支撑板中心孔的同轴度≤0.03mm。

进一步地，步骤6)中，通过在各个柔性支撑件粘接面四个角不影响注胶的位置使用塞规调整所述间隙，待注胶完成后再抽出塞规。

进一步地，步骤8)中，根据柔性支撑件的注胶孔尺寸、注胶间隙以及期望粘接胶斑的大小计算注胶量，进行注胶。

进一步地，所述柔性支撑件以及反射镜姿态微调件均为3个，在反射镜支撑板上均匀布置。

进一步地，所述柔性支撑件为BiPod，当然不止于此，还可采用其他类型的柔性支撑件。

进一步地，所述BiPod包括粘接板、V型支撑腿以及两个支撑板；

所述粘接板通过V型支撑腿与两个支撑板连接，且粘接板开设有多个注胶孔。其中，粘接板用于与待装配反射镜的圆柱面粘接，支撑板用于与待装配反射镜支撑板的安装平面连接。

本发明的优点是：

1.本发明中装调装置结构简单、功能齐全，采用该装置进行大口径反射镜的装调，可将反射镜的微应力装调、粘接以及光机基准转换综合考虑，统筹兼顾，一次性完成主镜的微应力装配、粘接与光机基准传递(即同时实现大口径反射镜部件装配与光学定心调整)，保证了反射镜粘接后无应力且完成了反射镜光轴与机械结构装配基准的高精度传递，大大缩短了反射镜部件装配周期。该装调装置及装调方法适用于各种形式柔性支撑、背部与侧面粘接的光学元件的立式装配。

2.采用本发明中装调方法避免了铝基碳化硅等硬脆材料的二次加工，规避了二次加工对光学部件带来的安装风险。

附图说明

图1为装配好的大口径反射镜部件；

图2为图1中柔性支撑件的结构示意图；

图3为本发明大口径反射镜装调装置的结构示意图；

图4为本发明大口径反射镜装调方法中大口径反射镜装调过程示意图一；

图5为本发明大口径反射镜装调方法中大口径反射镜装调过程示意图二；

附图标号如下：

1-支撑座；2-五维回转台；3-滑台；4-四维调整架；5-光学定心仪；6-检测架；7-测量仪；8-滑槽；9-反射镜支撑板；10-柔性支撑件；11-修切垫；12-反射镜姿态微调件；13-反射镜；14-装配基准面；15-中心孔定位轴；16-粘接板；17-V型支撑腿；18-支撑板；19-注胶孔；20-粘接面。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：

现有大口径反射镜逐步使用碳化硅、铝基碳化硅等新材料，为了避免二次加工带来的安装风险，综合考虑将反射镜13的微应力装调、粘接以及光机基准转换同时进行，设计如图3所示的大口径反射镜装调装置，该装调装置包括支撑座1、五维回转台2、滑台3、四维调整架4、检测架6、光学定心仪5以及测量仪7(本实施例中使用千分表)。其中，支撑座1为L型，包括横板和竖板，其竖板上沿竖直方向平行设置有两条滑槽8。五维回转台2位于横板上；滑台3安装在竖板上，并可沿滑槽8上下移动，滑台3的下表面水平设置；光学定心仪5通过四维调整架4安装在滑台3的下表面；千分表位于滑台3下方，并通过位于两条滑槽8之间的检测架6安装在竖板上，该检测架6可沿水平方向即所述五维回转台2的径向进行直线伸缩，即可调整千分表的位置，可对反射镜13的不同位置进行测量。光学定心仪5与千分表均投影在五维回转台2上，其中光学定心仪5用于观察反射镜13球心像晃动，千分表则用于测量端面跳动以及平行度。

利用上述大口径反射镜装调装置的大口径反射镜装调方法，包括以下步骤：

1)将待装配的反射镜支撑板9置于大口径反射镜装调装置的五维回转台2上，用千分表测量该反射镜支撑板9安装平面的端面跳动，满足端面跳动≤0.005mm；

2)在反射镜支撑板9上安装三个修切垫以及位于其上方的BiPod，并对每个修切垫11进行修研，保证所有BiPod的粘接面20在光轴方向等高、且位于理论正确高度，满足误差＜0.02㎜；参见图2，BiPod包括粘接板16、V型支撑腿17以及两个支撑板18；粘接板16通过V型支撑腿17与两个支撑板18连接，其中，粘接板16用于与待装配反射镜13的圆柱面粘接，支撑板18用于与待装配反射镜支撑板9的安装平面连接；粘接板16上开设有多个注胶孔19；

3)在反射镜支撑板9上均匀放置三个反射镜姿态微调件12，参见图4，反射镜姿态微调件12的支撑位置通过待装配反射镜13面形分析的结果确定，以保证反射镜13微应力支撑；

4)将待装配的反射镜13置于各个反射镜姿态微调件12上，并使用中心孔定位轴15测量，保证该反射镜13中心孔与所述反射镜支撑板9中心孔的同轴度≤0.03mm，参见图5；

5)通过反射镜姿态微调件12调整所述反射镜13的姿态，用千分表测量，保证反射镜13端面跳动＜0.005㎜，且反射镜13端面与反射镜支撑板9安装平面的平行度＜0.01㎜；

6)根据胶层厚度的要求(不同的结构胶有不同要求)，调整各个BiPod粘接面20与所述反射镜13圆柱面之间的间隙，保证间隙均匀且固定可靠，具体可通过在各个BiPod粘接面20四个角不影响注胶的位置使用塞规调整间隙，待注胶完成后再抽出塞规；

7)通过调整四维调整架4使用光学定心仪5观察所述反射镜13球心像晃动，通过调整五维回转台平移(即在垂直于光轴方向的X向和Y向上平移)调整反射镜支撑板9，保证晃动量＜0.005mm；

8)根据BiPod的注胶孔19尺寸、注胶间隙以及期望粘接胶斑的大小计算注胶量，向BiPod的注胶孔19内注入结构粘接胶，并复检反射镜13球心像晃动，保证晃动量无变化；

9)在结构粘接胶固化过程中继续监测反射镜13球心像晃动，保证晃动量无变化；

10)待结构粘接胶固化后，卸载反射镜姿态微调件12上的支撑力，拆除反射镜姿态微调件12；

11)拆下装配好的反射镜部件，装调完成；

12)检测装配好反射镜部件的反射镜13面形，保证反射镜13微应力。

采用本发明的装调装置以及装调方法不仅可以降低装调风险，还可缩减装调周期，保证装配基准面14与光轴垂直度要求，顺利实现光学基准到机械基准的转换。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种大口径反射镜装调方法，其特征在于：

采用的大口径反射镜装调装置包括支撑座(1)、五维回转台(2)、滑台(3)、四维调整架(4)、检测架(6)、光学定心仪(5)以及测量仪(7)；

所述支撑座(1)包括相互垂直的横板和竖板，该竖板上沿竖直方向设置有滑槽(8)；

所述五维回转台(2)位于所述横板上；

所述滑台(3)安装在所述竖板上，并可沿滑槽(8)上下移动；所述滑台(3)的下表面水平设置；

所述光学定心仪(5)通过四维调整架(4)安装在所述滑台(3)的下表面；

所述测量仪(7)位于滑台(3)下方，并通过所述检测架(6)安装在所述竖板上；

所述检测架(6)可沿水平方向进行直线伸缩；

所述光学定心仪(5)与测量仪(7)均投影于所述五维回转台(2)上；

具体的大口径反射镜装调方法包括以下步骤：

1)将待装配的反射镜支撑板(9)置于大口径反射镜装调装置的五维回转台(2)上，用测量仪(7)测量该反射镜支撑板(9)安装平面的端面跳动，满足端面跳动≤0.005mm；

2)在所述反射镜支撑板(9)上安装至少三个修切垫(11)以及位于其上方的柔性支撑件(10)，并对每个修切垫(11)进行修研，保证所有柔性支撑件(10)的粘接面(20)在光轴方向等高、且位于理论正确高度，满足误差＜0.02㎜；

3)在所述反射镜支撑板(9)上放置至少三个反射镜姿态微调件(12)，以保证反射镜(13)微应力支撑；

4)将待装配的反射镜(13)置于各个反射镜姿态微调件(12)上，并保证该反射镜(13)中心孔与所述反射镜支撑板(9)中心孔的同轴度≤0.03mm；

5)通过反射镜姿态微调件(12)调整所述反射镜(13)的姿态，用测量仪(7)测量，保证反射镜(13)端面跳动＜0.005㎜，且反射镜(13)端面与反射镜支撑板(9)安装平面的平行度＜0.01㎜；

6)根据胶层厚度的要求，调整各个柔性支撑件粘接面(20)与所述反射镜(13)圆柱面之间的间隙，保证间隙均匀且固定可靠；

7)通过调整四维调整架(4)使用光学定心仪(5)观察所述反射镜(13)球心像晃动，通过调整五维回转台(2)平移调整反射镜支撑板(9)，保证晃动量＜0.005mm；

8)向柔性支撑件(10)的注胶孔(19)内注入结构粘接胶，并复检反射镜(13)球心像晃动，保证晃动量无变化；

9)在所述结构粘接胶固化过程中继续监测反射镜(13)球心像晃动，保证晃动量无变化；

10)待所述结构粘接胶固化后，卸载反射镜姿态微调件(12)上的支撑力，拆除反射镜姿态微调件(12)；

11)拆下装配好的反射镜部件，装调完成。

2.根据权利要求1所述的大口径反射镜装调方法，其特征在于：

步骤3)中，反射镜姿态微调件(12)的支撑位置通过待装配反射镜(13)面形分析的结果确定。

3.根据权利要求2所述的大口径反射镜装调方法，其特征在于：

步骤4)中，使用中心孔定位轴(15)检测，保证该反射镜(13)中心孔与所述反射镜支撑板(9)中心孔的同轴度≤0.03mm。

4.根据权利要求3所述的大口径反射镜装调方法，其特征在于：

步骤6)中，通过在各个柔性支撑件(10)粘接面四个角不影响注胶的位置使用塞规调整所述间隙，待注胶完成后再抽出塞规。

5.根据权利要求4所述的大口径反射镜装调方法，其特征在于：

步骤8)中，根据柔性支撑件(10)的注胶孔(19)尺寸、注胶间隙以及期望粘接胶斑的大小计算注胶量，进行注胶。

6.根据权利要求5所述的大口径反射镜装调方法，其特征在于：

所述柔性支撑件(10)以及反射镜姿态微调件(12)均为3个，在反射镜支撑板(9)上均匀布置。

7.根据权利要求6所述的大口径反射镜装调方法，其特征在于：

所述柔性支撑件(10)为BiPod。

8.根据权利要求7所述的大口径反射镜装调方法，其特征在于：

所述BiPod包括粘接板(16)、V型支撑腿(17)以及两个支撑板(18)；

所述粘接板(16)通过V型支撑腿(17)与两个支撑板(18)连接，且粘接板(16)上开设有多个注胶孔(19)。

9.根据权利要求8所述的大口径反射镜装调方法，其特征在于：

所述竖板上设置有两条相互平行的滑槽(8)；

所述检测架(6)位于两条滑槽(8)之间；

所述测量仪(7)为千分表、百分表或非接触式微位移传感器。

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