CN113703126A - 一种反射镜支撑组件安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种反射镜支撑组件安装方法，包括S1、对设计的反射镜支撑组件的安装模型进行仿真，分解出反射镜支撑组件的安装模型在受到不同外界扰动下的面形指标，用于判断完成安装的反射镜支撑组件的面形精度是否合格；S2、对加工的反射镜镜体进行建模，并进行重心测试，根据重心测试的结果对模型进行修正，形成反射镜镜体逆向模型；S3、对反射镜镜体逆向模型、柔节和锥套一起进行仿真分析，获得反射镜镜体与柔节的轴向位置关系，确定柔节的安装位置。本发明采用的蒙特卡洛分析方法，在较早阶段判断安装是否合格，有效节约成本；装配阶段考虑在实际加工过程中遇到的制造误差，有利于得到满足实际工程应用的高性能相机。

Description

一种反射镜支撑组件安装方法

技术领域

本发明属于空间大口径反射镜支撑设计技术领域，具体涉及一种基于背部三点支撑的反射镜支撑组件安装方法。

背景技术

随着天文观测和军民对地观测需求的日益增加，空间相机正在朝着大口径、大视场和高像质的方向发展，为了保证在工作状态下相机的成像质量满足指标要求，需要考虑反射镜在受到各种环境扰动时，光学系统的成像性能。反射镜的轻量化设计、柔性支撑设计以及组件装配技术是关系到最终成像质量的关键。反射镜及其支撑设计是保证组件性能满足设计需求的前提，后期装配过程中保证反射镜和柔性支撑的理论位置关系是保证组件成像质量的关键环节。众所周知，在反射镜与柔性支撑设计时，当柔性支撑的零力矩点与反射镜中性面轴向位置重合时，镜组件重力面形最优。

然而，在实际工程组件装配过程中，由于镜体的中性面不可测量性和镜体的制造误差干扰下，使装配过程中柔节与反射镜的很难找到对应的最佳理论安装位置。目前，关于背部三点支撑反射镜组件柔性支撑安装方法，通常是以镜体的重心位置作为参考来完成柔性支撑的安装。这一柔性支撑安装方法在一定概率(仿真分析表明约60％)内可以获得满足设计指标面形精度的反射镜组件。但当反射镜口径比较大，制造误差对反射镜的影响也相应增大时，使得重力面形严重超出指标要求，这可能会导致已经加工完成的支撑不可用，对时间和经济成本都会带来很大的损失。所以，若能在实际加工完成的零件上精确地找到柔节零力矩点与镜体中性面的对应关系，可最大程度获得接近镜组件初始设计时的面形精度。

发明内容

本发明为了现有技术中的问题，提出了一种反射镜支撑组件安装方法，该方法最大程度剔除大口径反射镜体制造误差带来的影响，较准确的找到柔节最佳轴向安装位置，降低面形退化量。为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

一种反射镜支撑组件安装方法，包括以下步骤：

S1、对设计的反射镜支撑组件的安装模型进行仿真，分解出反射镜支撑组件的安装模型在受到不同外界扰动下的面形指标，用于判断完成安装的反射镜支撑组件的面形精度是否合格；

外界扰动包括重力、温度变化、强制位移和装配误差；

反射镜支撑组件包括柔节、锥套和反射镜镜体；

S2、对加工的反射镜镜体进行建模，得到反射镜镜体重建模型；对加工的反射镜镜体进行重心测试，根据重心测试的结果对反射镜镜体重建模型进行修正，形成反射镜镜体逆向模型；

S3、对反射镜镜体逆向模型、柔节和锥套一起进行仿真分析，获得反射镜镜体与柔节的轴向位置关系，确定柔节的安装位置，完成反射镜支撑组件的安装。

优选地，在步骤S1和步骤S2之间还包括以下步骤：

S12、仿真分析反射镜镜体的结构在制造精度范围内变化时，加工精度对反射镜的镜面的重力面形的影响，用于判断设计的反射镜支撑组件的安装模型的面形精度是否合格。

反射镜镜体包括镜面、轻量化加强筋、辐射筋、反射镜背板、支撑孔。

优选地，步骤S2包括以下步骤：

S201、对加工的反射镜镜体的结构进行测量，根据测量结果对加工的反射镜镜体进行建模，得到反射镜镜体重建模型；

S202、利用至少两台仪器，采用至少两种测试方法对加工的反射镜镜体进行重心测试，修正反射镜镜体重建模型，得到反射镜镜体逆向模型。

优选地，步骤S201包括以下步骤：

S2011、依据加工的反射镜镜体的背部的轻量化加强筋和反射镜背板的分布，在镜面上标记出轻量化加强筋和反射镜背板的分布位置，反射镜背板和/或轻量化加强筋围成的各个区域形成三角形轻量化孔；

S2012、测量加工的反射镜镜体的中心厚度值和镜面的实际曲率；

S2013、分别在各个三角形轻量化孔的三个角和中心位置标记位置标记点，利用超声测厚仪分别测量每个位置标记点对应的镜面的厚度，求出平均值，作为当前测量的三角形轻量化孔内对应的镜面厚度；

S2014、分别多次测量各个三角形轻量化孔对应的轻量化筋的厚度，取平均值作为各个三角形轻量化孔对应的轻量化筋的厚度值；

S2015、多次测量反射镜背板的宽度，取平均值作为反射镜背板的宽度值；

S2016、根据上述步骤获取的加工的反射镜镜体的中心厚度值、镜面的实际曲率、各个三角形轻量化孔内对应的镜面厚度、各个三角形轻量化孔对应的轻量化筋的厚度值、以及反射镜背板的宽度值重建加工的反射镜镜体的模型。

优选地，步骤S202包括以下步骤：

S2021、利用第一测量仪对加工的反射镜镜体进行重心测试，分别获取镜面在倾斜90°时的第一重心位置和第一质量值；利用第二测量仪对加工的反射镜镜体进行重心测试，分别获取镜面在倾斜30°时的第二重心位置和第二质量值，得到基于重心测试的重心位置和得到基于重心测试的质量值；

S2022、判断反射镜镜体逆向模型的重心位置与基于重心测试的加工的反射镜镜体的重心位置是否超出重心测试的精度，通过对反射镜镜体逆向模型的修正，使反射镜镜体逆向模型的重心位置与基于重心测试的重心位置满足预设的误差范围。

优选地，误差值范围为±0.3mm。

优选地，步骤S3包括：

S301、对反射镜镜体逆向模型、柔节和锥套一起进行仿真分析，利用仿真分析的结果，通过窜动柔节和锥套的轴向位置关系，获得反射镜支撑组件的重力面形；

S302、根据反射镜支撑组件的重力面形，获得反射镜镜体与柔节的轴向位置关系，确定柔节的安装位置，完成反射镜支撑组件的安装。

优选地，还包括以下步骤：

S4、对完成安装的反射镜支撑组件进行测试，判断完成安装的反射镜支撑组件在受到不同外界扰动下的面形精度是否合格。

本发明能够取得以下技术效果：

1、本发明中采用的蒙特卡洛分析方法，在反射镜镜体设计完成阶段就考虑其制造误差对重力面形的影响，可在较早阶段预测按照初始设计位置安装的反射镜支撑组件的面形精度是否合格，有效节约成本。

2、本发明中的反射镜组件安装方法，对实际加工过程中遇到制造误差在装配阶段加以考虑，有利于得到满足实际工程应用的高性能相机。

3、本发明利用重心测试对反射镜镜体重建模型进行修正，能够最大程度剔除镜体制造误差带来的影响，较准确的找到柔节最佳轴向安装位置，降低面形退化量

附图说明

图1是本发明一个实施例的一种反射镜支撑组件安装方法的流程图；

图2是本发明一个实施例的基于三点支撑的反射镜支撑组件的示意图；

图3是本发明一个实施例的反射镜支撑组件重力面形对柔节轴向安装位置敏感曲线图；

图4是本发明一个实施例的蒙特卡洛仿真分析链路示意图；

图5是本发明一个实施例的反射镜支撑组件在外界扰动下的综合面形指标示意图。

附图标记：

镜面1、轻量化加强筋2、辐射筋3、反射镜背板4、支撑孔5、柔节6、锥套7、三角形轻量化孔8。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明的目的是提供一种反射镜组件安装方法。下面将对本发明提供的一种反射镜组件安装方法，通过具体实施例来进行详细说明。

图2示出了本发明提供的一种反射镜组件安装方法所适用的基于背部三点支撑的反射镜支撑组件的示意图，参见图2：

基于背部三点支撑方形反射镜组件的尺寸为1.2x1.3m，包括反射镜镜体、三个锥套7和三个柔节6，其中锥套7与反射镜镜体通过锥套7的锥面采用环氧树脂胶连接，柔节6与锥套7采用内六角螺钉固定。

反射镜镜体包括镜面1和反射镜背板4，反射镜背板4上还加工有轻量化加强筋2、辐射筋3和支撑孔5，柔节6与锥套7固定在支撑孔5内。本发明的一种反射镜组件安装方法以反射镜背板4为参考，通过获得反射镜镜体与柔节6的最佳轴向位置关系，确定柔节6的安装位置，完成对基于背部三点支撑的反射镜组件的安装。

图1示出了本发明的一种反射镜组件安装方法的流程图：

S1、对设计的反射镜支撑组件的安装模型进行仿真，分解出反射镜支撑组件的安装模型在受到不同外界扰动下的面形指标，用于判断完成安装的反射镜支撑组件的面形精度是否合格；

S2、对加工的反射镜镜体进行建模，得到反射镜镜体重建模型；对加工的反射镜镜体进行重心测试，根据重心测试的结果对反射镜镜体重建模型进行修正，形成反射镜镜体逆向模型；

S3、对反射镜镜体逆向模型、柔节和锥套一起进行仿真分析，获得反射镜镜体与柔节的轴向位置关系，确定柔节的安装位置，完成反射镜支撑组件的安装。

该方法通过在装配阶段对实际加工过程中遇到制造误差予以优先考虑，有利于得到满足实际工程应用的高性能的空间相机；利用重心测试对反射镜镜体重建模型进行修正，能够最大程度剔除镜体制造误差带来的影响，较准确的找到柔节最佳轴向安装位置，降低面形退化量。

下面对具体步骤进行详细说明：

S1、对设计的反射镜支撑组件的安装模型进行仿真，分解出反射镜支撑组件的安装模型在受到不同外界扰动下的面形指标，用于判断完成安装的反射镜支撑组件的面形精度是否合格；

在本发明的一个优选实施例中，对设计的反射镜支撑组件的安装模型进行仿真，得到如图5所示的反射镜支撑组件分别在1g重力、4℃温度变化、0.08mm强制位移，以及装配误差等外界扰动下的面形指标。

在实际工作中，重力、温度变化、强制位移和装配误差是反射镜组件经常受到的外界环境扰动因素，通过分析这几种工况下反射镜的面形精度，就可以判断安装完成后的反射镜的面形精度是否合格。

在本发明的另一个优选实施例中，在完成步骤S1后，还可以加入步骤S12，对实际加工过程中可能遇到制造误差在在装配阶段利用仿真分析软件加以分析，用于判断设计的反射镜支撑组件的安装模型的面形精度是否合格。

具体的，通过Hypermesh软件对反射镜镜体进行网格划分，并将反射镜镜体的结构，包括镜面结构、每条辐射筋、每条轻量化加强筋、每个支撑孔的厚度、每个三角形轻量化孔对应的反射镜背板的厚度、宽度进行分组，每个变量各为一组；利用如图4所示的蒙特卡洛分析方法，确定每组中各个结构在误差范围内变化时对反射镜镜面面形的影响，得到了如表一所示的合格率及重力面形的变化范围。

从表中可以看出，未使用本发明提出的反射镜支撑组件安装方法下直接安装反射镜支撑组件的面形精度的合格率不足60％，意味着按照设计的反射镜支撑组件直接装配，有超过40％的概率会超出指标要求，致使镜面的面形不合格，无法正常使用。因此进一步确定对基于三点支撑的反射镜支撑组件依据本发明提出方法进行安装是必要的。

表一、蒙特卡洛仿真分析结果

S2、对加工的反射镜镜体进行建模，得到反射镜镜体重建模型；对加工的反射镜镜体进行重心测试，根据重心测试的结果对反射镜镜体重建模型进行修正，形成反射镜镜体逆向模型。

具体包括两个步骤：

S201、对加工的反射镜镜体的结构进行测量，根据测量结果对加工的反射镜镜体进行建模，得到反射镜镜体重建模型；

在本发明的一个优选实施例中，对步骤S1中设计的反射镜镜体按照设计参数

进行实际加工，在对加工的反射镜镜体的结构进行测量前，需要先调研重心测量仪器的精度、反射镜参数测量工具的精度，以确定重心测试的测量精度。

对反射镜镜体的结构的测量参数包括：反射镜镜体的中心厚度、镜面的实际曲率、每个三角形轻量化孔内对应的镜面的厚度、轻量化筋的厚度、反射镜背板的宽度，其中轻量化加强筋围成的各个区域或轻量化加强筋与反射镜背板围成的区域为三角形轻量化孔。

具体的，步骤S2011先将完成铣磨加工的镜面朝上放置在大理石平台上；然后依据反射镜镜体的背部的轻量化加强筋的分布，在镜面上标记出轻量化加强筋和反射镜背板的分布位置；根据标记出的轻量化加强筋和反射镜背板的分布，分别在各个三角形轻量化孔的三个角和中心位置对位置标记点进行标记；最后开始对上述参数进行测量，参数测量顺序不分先后。

更具体的，步骤S2012利用激光跟踪仪测出反射镜镜体的中心厚度和镜面的实际曲率；

步骤S2013利用超声测厚仪分别测量每个位置标记点对应的镜面的厚度，取其平均值作为当前测量的三角形轻量化孔内对应的镜面厚度；

步骤S2014利用卡规多次测量每个三角形轻量化孔对应的轻量化筋的厚度，在每条轻量化筋上均匀取四个点测量，取四个点的平均值作为该条轻量化筋的厚度值；

步骤S2015利用卡规多次测量反射镜背板的宽度，取多次测量的平均值作为反射镜背板的宽度值；

步骤S2016根据上述获得的加工的反射镜镜体的中心厚度值、镜面的实际曲率、各个三角形轻量化孔内对应的镜面厚度、各个三角形轻量化孔对应的轻量化筋的厚度、以及反射镜背板的宽度等参数，利用三维立体设计软件UG重建加工的反射镜镜体模型。

S202、利用至少两台仪器，采用至少两种测试方法对加工的反射镜镜体进行重心测试，修正反射镜镜体重建模型，得到反射镜镜体逆向模型。

在本发明的一个优选实施例中，具体包括：

S2021、利用第一重心测量仪对加工的反射镜镜体进行重心测试，测量镜面在倾斜90°时反射镜镜体的第一重心位置和第一质量值；利用第二重心测量仪测量镜面在倾斜30°时反射镜镜体的第二重心位置和第二质量值；分别对第一重心位置和第二重心位置取平均值，得到加工的反射镜镜体基于重心测试的重心位置；分别对第一质量值和第二质量值取平均值，得到基于重心测试的质量值；

本发明通过利用不同测试仪器在镜面倾斜不同角度时测试，能够较准确地获得反射镜镜体的重心位置；

S2022、判断反射镜镜体逆向模型的重心位置与基于重心测试的加工的反射镜镜体的重心位置是否超出重心测试的精度，通过对反射镜镜体逆向模型的修正，使反射镜镜体逆向模型的重心位置与基于重心测试的重心位置满足重心测试的精度。

在本发明的一个优选实施例中，如果超出预设的重心测试的精度，则按照步骤S201中的方法增加测量的参数并重新测量，直至满足精度要求，完成对反射镜镜体的模型的修正，得到反射镜镜体逆向模型以及如图3所示的柔节轴向安装位置敏感曲线。

由图3可知，在最优面型附近±0.3mm的范围，柔节的位置对面形影响最小。

S3、对反射镜镜体逆向模型、柔节和锥套一起进行仿真分析，获得反射镜镜体与柔节的轴向位置关系，确定柔节的安装位置，完成反射镜支撑组件的安装。

在本发明的一个优选实施例中，对反射镜镜体逆向模型和反射镜支撑组件整体进行仿真分析，根据分析结果窜动柔节和锥套的轴向位置关系，进一步获得反射镜支撑组件的重力面形；

根据反射镜支撑组件的重力面形，得到反射镜镜体与柔节的最佳轴向位置关系，确定最终柔节的安装位置。

通过对反射镜镜体逆向模型的仿真分析结果，剔除镜体制造误差对面形精度的影响，有利于使安装后的反射镜的面形精度与初始设计的面形精度更接近，更有利于获得较好面形精度的反射镜组件。

在本法明的另一个优选实施例中，还包括以下步骤：

S4、对完成安装的反射镜支撑组件进行测试，判断完成安装的反射镜支撑组件在受到不同外界扰动下的面形精度是否合格。

表二示出了本发明的柔性支撑安装方法与传统安装方法的效果的对比，由表二可知，利用本发明的安装方法，反射镜的重力面形精度由2.8nm提高到1.7nm。

表二、1.2x1.3m反射镜安装效果对比

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种反射镜支撑组件安装方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对设计的反射镜支撑组件的安装模型进行仿真，分解出所述反射镜支撑组件的安装模型在受到不同外界扰动下的面形指标，用于判断完成安装的所述反射镜支撑组件的面形精度是否合格；

所述外界扰动包括重力、温度变化、强制位移和装配误差；

所述反射镜支撑组件包括所述柔节、锥套和所述反射镜镜体；

S2、对加工的反射镜镜体进行建模，得到反射镜镜体重建模型；对所述加工的反射镜镜体进行重心测试，根据所述重心测试的结果对所述反射镜镜体重建模型进行修正，形成反射镜镜体逆向模型；

S3、对所述反射镜镜体逆向模型、所述柔节和所述锥套一起进行仿真分析，获得所述反射镜镜体与所述柔节的轴向位置关系，确定所述柔节的安装位置，完成所述反射镜支撑组件的安装。

2.根据权利要求1所述的反射镜支撑组件安装方法，其特征在于，在步骤S1和步骤S2之间还包括以下步骤：

S12、仿真分析所述反射镜镜体的结构在制造精度范围内变化时，加工精度对反射镜的镜面的重力面形的影响，用于判断所述设计的反射镜支撑组件的安装模型的面形精度是否合格。

所述反射镜镜体包括所述镜面、轻量化加强筋、辐射筋、反射镜背板、支撑孔。

3.根据权利要求1所述的反射镜支撑组件安装方法，其特征在于，步骤S2包括以下步骤：

S201、对所述加工的反射镜镜体的结构进行测量，根据测量结果对所述加工的反射镜镜体进行建模，得到所述反射镜镜体重建模型；

S202、利用至少两台仪器，采用至少两种测试方法对所述加工的反射镜镜体进行重心测试，修正所述反射镜镜体重建模型，得到所述反射镜镜体逆向模型。

4.根据权利要求3所述的反射镜支撑组件安装方法，其特征在于，步骤S201包括以下步骤：

S2011、依据所述加工的反射镜镜体的背部的所述轻量化加强筋和所述反射镜背板的分布，在所述镜面上标记出所述轻量化加强筋和所述反射镜背板的分布位置，所述反射镜背板和/或所述轻量化加强筋围成的各个区域形成三角形轻量化孔；

S2012、测量所述加工的反射镜镜体的中心厚度值和所述镜面的实际曲率；

S2013、分别在各个所述三角形轻量化孔的三个角和中心位置标记位置标记点，利用超声测厚仪分别测量每个所述位置标记点对应的所述镜面的厚度，求出平均值，作为当前测量的三角形轻量化孔内对应的所述镜面厚度；

S2014、分别多次测量各个所述三角形轻量化孔对应的轻量化筋的厚度，取平均值作为各个所述三角形轻量化孔对应的轻量化筋的厚度值；

S2015、多次测量所述反射镜背板的宽度，取平均值作为所述反射镜背板的宽度值；

S2016、根据上述步骤获取的所述加工的反射镜镜体的中心厚度值、所述镜面的实际曲率、各个所述三角形轻量化孔内对应的所述镜面厚度、各个所述三角形轻量化孔对应的轻量化筋的厚度值、以及所述反射镜背板的宽度值重建所述加工的反射镜镜体的模型。

5.根据权利要求3所述的反射镜支撑组件安装方法，其特征在于，步骤S202包括以下步骤：

S2021、利用第一测量仪对所述加工的反射镜镜体进行重心测试，分别获取所述镜面在倾斜90°时的第一重心位置和第一质量值；利用第二测量仪对所述加工的反射镜镜体进行重心测试，分别获取所述镜面在倾斜30°时的第二重心位置和第二质量值，得到基于重心测试的重心位置和得到基于重心测试的质量值；

S2022、判断所述反射镜镜体逆向模型的重心位置与所述基于重心测试的所述加工的反射镜镜体的重心位置是否超出重心测试的精度，通过对所述反射镜镜体逆向模型的修正，使所述反射镜镜体逆向模型的重心位置与所述基于重心测试的重心位置满足预设的误差范围。

6.根据权利要求5所述的反射镜支撑组件安装方法，其特征在于，所述误差值范围为±0.3mm。

7.根据权利要求1所述的反射镜支撑组件安装方法，其特征在于，步骤S3包括：

S301、对所述反射镜镜体逆向模型、所述柔节和所述锥套一起进行仿真分析，利用仿真分析的结果，通过窜动所述柔节和所述锥套的轴向位置关系，获得所述反射镜支撑组件的重力面形；

S302、根据所述反射镜支撑组件的重力面形，获得所述反射镜镜体与所述柔节的轴向位置关系，确定所述柔节的安装位置，完成所述反射镜支撑组件的安装。

8.根据权利要求1所述的反射镜支撑组件安装方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S4、对完成安装的所述反射镜支撑组件进行测试，判断所述完成安装的所述反射镜支撑组件在受到不同外界扰动下的面形精度是否合格。

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