CN114415326A - 一种镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法 - Google Patents

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张楠
张志飞
李可
许丽丽
张凤芹
庞寿成
于生全
黄颖
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Abstract

本发明公开了一种镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法，包括：采用3D打印SIC技术，一次性打印出反射镜主体；反射镜主体为镜体镜框一体式结构；对打印出的反射镜主体依次进行机械加工、光学加工和表面改性后，与柔性嵌套胶接；进行力学试验考核；待通过力学试验考核后进行镀膜，得到镜体镜框一体式的反射镜。通过本发明所述方法制备得到的一体式反射镜尤其适用于轻小型、批产化遥感相机。相比传统镜体镜框分离式的遥感相机反射镜，本发明采用了3D打印SIC技术，可塑性强、制备成本低，而且结构简单、易装调、稳定性高，有很强的实用性和推广性；解决了目前遥感领域日益增长的轻小型相机的研制需求，具有良好的转化前景。

Description

一种镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法
技术领域
本发明属于空间光学遥感器技术领域，尤其涉及一种镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法。
背景技术
近年来，空间对地观测遥感技术发展迅速，空间相机已经成为重要的空间探测光学仪器。反射镜组件是反射式空间相机镜头的核心组件之一，在遥感相机的研制流程中，反射镜组件研制的时间和经济成本一直都占据了较大比重。随着遥感相机轻小型化、批量化研制需求的增多，提高反射镜研制和装调效率，降低制备成本，会变得越来越重要。反射镜的面形精度，结构稳定度，直接决定了相机镜头的成像品质，反射镜组件从研制到在轨使用的过程中，要经受住装调、力学试验、热试验、长途运输、发射和在轨运行的复杂环境的考核。因此，在提高反射镜研制效率的同时，保证反射镜的研制质量也同样重要。
目前较为常见的反射镜组件形式为镜体镜框分离式。反射镜的支撑技术主要分为装框式支撑和点式支撑。装框式支撑较为成熟，主要适用于小口径反射镜的支撑。点式支撑又可分为中心支撑、侧面支撑和复合支撑。对于口径较大的反射镜，单一的支撑方式已不能满足使用的需求，因此以Bipod支撑和多点球铰支撑为代表的复合支撑方式得到越来越多的应用。增加支撑点数一方面会使得反射镜的重力分配更加均匀，有利于获得较高的面形精度；另一方面，复杂的支撑方式也会带来过定位和装配困难的问题，通常需要额外增加柔性或卸载单元，给工程实现造成了麻烦，也会降低支撑的可靠性。因此设计结构简单、易于装调的高稳定反射镜结构就成了遥感相机的关键技术之一。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法，解决了目前日益增长的轻小型、批产化遥感相机的研制需求。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法，包括：
采用3D打印SIC技术，一次性打印出反射镜主体；其中，反射镜主体为镜体镜框一体式结构；
对打印出的反射镜主体，进行机械加工，得到一次加工后的反射镜主体；
对一次加工后的反射镜主体进行光学加工和表面改性，得到二次加工后的反射镜主体；
配制柔性嵌套；
将柔性嵌套与二次加工后的反射镜主体进行胶接，得到半成品件；
对半成品件进行力学试验考核；
待通过力学试验考核后，对半成品件进行镀膜，得到成品件，即镜体镜框一体式的反射镜。
在上述镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法中，反射镜主体，包括：镜体和镜框；其中，镜体为反射镜的镜面部分和非反射面部分；镜框为反射镜与镜头主结构的连接部分。
在上述镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法中，对打印出的反射镜主体，进行机械加工，得到一次加工后的反射镜主体，包括：
对镜框进行机械加工，在镜框表面加工出装调用基准面；
对镜框进行机械加工，在镜框上加工出柔性嵌套粘接接口；
得到一次加工后的反射镜主体。
在上述镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法中，配制柔性嵌套，包括：根据加工出的柔性嵌套粘接接口的尺寸，配制与所述柔性嵌套粘接接口尺寸相匹配的柔性嵌套。
在上述镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法中，对一次加工后的反射镜主体进行光学加工和表面改性，得到二次加工后的反射镜主体，包括：
对一次加工后的反射镜主体进行光学尺寸加工；
通过增加表面改性层的方式对一次加工后的反射镜主体进行表面改性；
得到二次加工后的反射镜主体。
在上述镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法中，将柔性嵌套与二次加工后的反射镜主体进行胶接，得到半成品件，包括：
通过注胶装调工装，调整二次加工后的反射镜与柔性嵌套的位置关系；
将柔性嵌套放置在柔性嵌套粘接接口内；
开始注胶：控制注胶厚度、注胶压力和注胶时长；
注胶彻底固化后，柔性嵌套胶接在柔性嵌套粘接接口内，即完成柔性嵌套与二次加工后的反射镜的胶接，得到半成品件。
在上述镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法中，柔性嵌套上设置有双向卸载切割槽、注胶孔和注胶间隙控制孔；
双向卸载切割槽设置在柔性嵌套侧面，用于反射镜在不同方向上的应力卸载，以保证反射镜的面形稳定性；
注胶孔的数量为四个，四个注胶孔沿柔性嵌套侧面周向等间隔布置一圈，以确保注胶后形成的胶环在360度范围内均匀分布无气泡；
注胶间隙控制孔的数量为三个，三个注胶间隙控制孔等间隔布置在柔性嵌套的端面，三个注胶间隙控制孔与标准圆柱销配合使用，保证柔性嵌套与柔性嵌套粘接接口同轴装配，以确保胶环厚度一致。
在上述镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法中，注胶装调工装，包括：嵌套限位件、主镜保护件和主支撑件；
主支撑件上设置有若个干个圆柱凸台，圆柱凸台的数量与通过机械加工出的柔性嵌套粘接接口的数量一致；胶接时，将二次加工后的反射镜主体放置在主支撑件上；
嵌套限位件位于主支撑件的圆柱凸台的端面与柔性嵌套粘接接口的基准面之间，用于对柔性嵌套进行限位，控制柔性嵌套伸出柔性嵌套粘接接口基准面的高度；
主镜保护件设置在主支撑件的各圆柱凸台的外侧，用于保护二次加工后的反射镜主体，防止二次加工后的反射镜主体从主支撑件的圆柱凸台上滑落磕碰。
在上述镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法中，对半成品件进行力学试验考核，包括：
待注胶彻底固化后，按照相机的力学环境，制定力学考核输入条件；
根据制定的力学考核输入条件，对半成品件进行力学试验考核，以验证半成品件的面形和结构稳定性。
在上述镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法中，加工得到的反射镜可作为一离轴三反遥感相机的主镜组件、次镜组件或三镜组件。
本发明具有以下优点：
(1)本发明公开了一种镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法，加工得到的反射镜为镜体镜框一体化结构，相比传统镜体镜框分离的反射镜，该镜体镜框一体化的反射镜，具有结构简单、重量轻、强度大等优点。
(2)本发明公开了一种镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法，采用了3D打印SIC工艺，充分发挥了3D打印优势，反射镜构型不再受制于传统加工工艺的影响，利于拓扑优化模型的实现。
(3)本发明公开了一种镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法，制备成本低廉，且简化了反射镜的装调流程，尤其利于轻小型、批产化遥感相机的研制推广，提高企业效益。
附图说明
图1是本发明实施例中一种镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法的步骤流程图；
图2是本发明实施例中一种柔性嵌套的结构示意图；
图3是本发明实施例中一种注胶装调工装的结构示意图；
图4是本发明实施例中一种注胶装调工装的工作原理示意图；
图5是本发明实施例中一种镜体镜框一体式的反射镜的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
本发明的核心思想之一在于：提供一种镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法，采用3D打印SIC技术打印镜体镜框一体式的反射镜主体结构，采用柔性嵌套胶接形式实现反射镜的卸载和安装，摆脱了传统的镜体镜框分离式的支撑结构，简化了反射镜组件研制装调流程，降低了研制成本，同时保证了反射镜组件的面形和结构稳定性。
如图1，在本实施例中，该镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法，包括：
步骤101，采用3D打印SIC技术，一次性打印出反射镜主体；其中，反射镜主体为镜体镜框一体式结构。
在本实施例中，反射镜主体包括：镜体和镜框。其中，镜体为反射镜的镜面部分和非反射面部分，镜框为反射镜与镜头主结构的连接部分，故加工后得到的反射镜称为镜体镜框一体式反射镜。
步骤102，对打印出的反射镜主体，进行机械加工，得到一次加工后的反射镜主体。
在本实施例中，可对镜框进行机械加工，在镜框表面加工出装调用基准面；以及，对镜框进行机械加工，在镜框上加工出柔性嵌套粘接接口；进而得到一次加工后的反射镜主体。
步骤103，对一次加工后的反射镜主体进行光学加工和表面改性，得到二次加工后的反射镜主体。
在本实施例中，光学加工和表面改性，即加工反射镜光学尺寸和研抛光学表面的过程：对一次加工后的反射镜主体进行光学尺寸加工；通过增加表面改性层的方式对一次加工后的反射镜主体进行表面改性；进而得到二次加工后的反射镜主体。其中，由于3D打印SIC目前的工艺限制，其表面粗糙度相比反应烧结SIC和微晶有所差距，故采用增加表面改性层的方式进行表面改进。
步骤104，配制柔性嵌套。
在本实施例中，可根据加工出的柔性嵌套粘接接口的尺寸，配制与所述柔性嵌套粘接接口尺寸相匹配的柔性嵌套，以确保一定的胶接厚度，保证反射镜的结构稳定性。
步骤105，将柔性嵌套与二次加工后的反射镜主体进行胶接，得到半成品件。
在本实施例中，可通过特制的注胶装调工装来实现柔性嵌套与二次加工后的反射镜主体的胶接：通过注胶装调工装，调整二次加工后的反射镜与柔性嵌套的位置关系；将柔性嵌套放置在柔性嵌套粘接接口内；开始注胶：控制注胶厚度、注胶压力和注胶时长；待注胶彻底固化后，柔性嵌套胶接在柔性嵌套粘接接口内，即完成柔性嵌套与二次加工后的反射镜的胶接，得到半成品件。
优选的，如图2，柔性嵌套上设置有双向卸载切割槽201、注胶孔202和注胶间隙控制孔203。其中，双向卸载切割槽201设置在柔性嵌套侧面，用于反射镜在不同方向上的应力卸载，以保证反射镜的面形稳定性。注胶孔202的数量为四个，四个注胶孔202沿柔性嵌套侧面周向等间隔布置一圈，以确保注胶后形成的胶环在360度范围内均匀分布无气泡。注胶间隙控制孔203的数量为三个，三个注胶间隙控制孔203等间隔布置在柔性嵌套的端面，三个注胶间隙控制孔203与标准圆柱销配合使用，保证柔性嵌套与柔性嵌套粘接接口同轴装配，以确保胶环厚度一致。
优选的，如图3和图4，注胶装调工装具体可以包括：嵌套限位件3、主镜保护件4和主支撑件5。其中，主支撑件5上设置有若个干个圆柱凸台，圆柱凸台的数量与通过机械加工出的柔性嵌套粘接接口的数量一致；胶接时，将二次加工后的反射镜主体放置在主支撑件5上。嵌套限位件3位于主支撑件5的圆柱凸台的端面与柔性嵌套粘接接口的基准面之间，用于对柔性嵌套进行限位，控制柔性嵌套伸出柔性嵌套粘接接口基准面的高度。主镜保护件4设置在主支撑件5的各圆柱凸台的外侧，用于保护二次加工后的反射镜主体，防止二次加工后的反射镜主体从主支撑件5的圆柱凸台上滑落磕碰。
步骤106，对半成品件进行力学试验考核。
在本实施例中，待注胶彻底固化后，按照相机的力学环境，制定力学考核输入条件；根据制定的力学考核输入条件，对半成品件进行力学试验考核，以验证半成品件的面形和结构稳定性。
步骤107，待通过力学试验考核后，对半成品件进行镀膜，得到成品件，即镜体镜框一体式的反射镜。
在本实施例中，加工得到的反射镜可作为一离轴三反遥感相机的主镜组件、次镜组件或三镜组件。相关力学和环境考核证明，采用本发明制备得到的反射镜具有良好的面形和结构稳定性。
在上述实施例基础上，下面以作为一离轴三反遥感相机的主镜组件的反射镜为例进行说明。
如图5，该反射镜包括：反射镜主体1和柔性嵌套2。
反射镜主体1由3D打印碳化硅工艺制备而成，包括：正面的反射面部分、背面的非反射面部分和连接结构部分。其中，反射面部分在3D打印阶段预留光学加工余量，保证反射面的光学加工。非反射面部分采用三角孔及圆形孔复合的轻量化方式，也可采用比刚度更高的中空形式，更能发挥3D打印的优势。连接结构部分采用安装耳的结构形式，三个安装耳呈120度均匀圆周分布，安装耳位于反射镜质心位置，充分保证反射镜的结构稳定性，安装耳与反射面连接部分采用大圆角过渡，避免3D打印或机械加工应力集中，影响反射镜结构强度；安装耳的中心预留有与柔性嵌套胶接的通孔，通孔的直径尺寸、安装耳的上表面(A基准面)和下表面(B基准面)，在3D打印阶段预留机械加工余量。反射面为八次双曲面，反射镜径厚比为10:1，轻量化率为70％。
柔性嵌套2的结构如图2所示，柔性嵌套2采用与3D打印SIC材料膨胀系数接近的殷钢材料，柔性嵌套2上设置有双向卸载切割槽201，该双向卸载切割槽201，用于反射镜在不同方向上的应力卸载，以保证反射镜的面形稳定性。柔性嵌套需要与安装耳中心预留的通孔配做，在反射镜完成安装耳上下表面基准加工以及通孔的加工后，根据通孔的孔径配做柔性嵌套，保证后续嵌套的胶接厚度达到胶的最佳粘接使用强度。为保证胶环的注胶均匀性，柔性嵌套上还设置有四个注胶孔202和三个注胶间隙控制孔203，四个注胶孔202确保了胶环在360度范围内均匀分布无气泡，三个注胶间隙控制孔203与直径1.5mm的标准圆柱销配合使用，保证柔性嵌套与安装耳中心预留的通孔同轴装配，使胶环厚度一致。
胶环尺寸设计需要考虑所选用胶的许用剪切强度。在保证安全余量下，胶环尺寸尽量做小，以减少反射镜的外形尺寸，有利于相机的轻量化，同时给光学装调留有足够的操作空间。胶环的最小胶接面积要根据相机发射时的过载来计算，最小胶接面积Qmin为：
Qmin＝W*aG*fs/J
其中，W表示反射镜的质量，aG表示光学元件可能承受的最大加速度，fs表示安全系数，J是胶的剪切强度。
在发射过程中，反射镜光轴方向与火箭轴向相同，支撑的胶接部分承受相当大的轴向过载(取30g计算)。对于主镜，W＝1.1kg，aG＝30g，fs＝5，J＝13MPa(选用2216b胶)。根据最小胶接面积理论公式，可以求出所用胶环的最小理论胶接面积为127mm2。主镜共三个柔性嵌套，三处胶环，每个胶环最小胶接面积为42mm2。为了保证胶接质量，最终设计胶环直径为：22mm，高度为7mm，单个胶环面积484mm2，计算安全系数fs为58。
如前所述，柔性嵌套与反射镜主体的胶接过程需要借助专用的注胶装配工装，如图3和图4所示。注胶装配工装由嵌套限位件3、主镜保护件4和主支撑件5组成。主支撑件5为支撑固定反射镜主体的主要支撑件，主支撑件5上有三处圆柱凸台，共面度在2μm以内，以保证三处柔性嵌套胶接后的共面度。嵌套限位件3位于主支撑件5三处圆柱凸台的端面与安装耳的A基准面之间，用于限制柔性嵌套伸出安装耳的A基准面。主镜保护件4起到注胶装配过程中的保护作用，防止安装或拆卸过程中反射镜主体从工装凸台面上滑落磕碰。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法，其特征在于，包括：
采用3D打印SIC技术，一次性打印出反射镜主体；其中，反射镜主体为镜体镜框一体式结构；
对打印出的反射镜主体，进行机械加工，得到一次加工后的反射镜主体；
对一次加工后的反射镜主体进行光学加工和表面改性，得到二次加工后的反射镜主体；
配制柔性嵌套；
将柔性嵌套与二次加工后的反射镜主体进行胶接，得到半成品件；
对半成品件进行力学试验考核；
待通过力学试验考核后，对半成品件进行镀膜，得到成品件，即镜体镜框一体式的反射镜。
2.根据权利要求1所述的镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法，其特征在于，反射镜主体，包括：镜体和镜框；其中，镜体为反射镜的镜面部分和非反射面部分；镜框为反射镜与镜头主结构的连接部分。
3.根据权利要求2所述的镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法，其特征在于，对打印出的反射镜主体，进行机械加工，得到一次加工后的反射镜主体，包括：
对镜框进行机械加工，在镜框表面加工出装调用基准面；
对镜框进行机械加工，在镜框上加工出柔性嵌套粘接接口；
得到一次加工后的反射镜主体。
4.根据权利要求3所述的镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法，其特征在于，配制柔性嵌套，包括：根据加工出的柔性嵌套粘接接口的尺寸，配制与所述柔性嵌套粘接接口尺寸相匹配的柔性嵌套。
5.根据权利要求4所述的镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法，其特征在于，对一次加工后的反射镜主体进行光学加工和表面改性，得到二次加工后的反射镜主体，包括：
对一次加工后的反射镜主体进行光学尺寸加工；
通过增加表面改性层的方式对一次加工后的反射镜主体进行表面改性；
得到二次加工后的反射镜主体。
6.根据权利要求5所述的镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法，其特征在于，将柔性嵌套与二次加工后的反射镜主体进行胶接，得到半成品件，包括：
通过注胶装调工装，调整二次加工后的反射镜与柔性嵌套的位置关系；
将柔性嵌套放置在柔性嵌套粘接接口内；
开始注胶：控制注胶厚度、注胶压力和注胶时长；
注胶彻底固化后，柔性嵌套胶接在柔性嵌套粘接接口内，即完成柔性嵌套与二次加工后的反射镜的胶接，得到半成品件。
7.根据权利要求6所述的镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法，其特征在于，柔性嵌套上设置有双向卸载切割槽、注胶孔和注胶间隙控制孔；
双向卸载切割槽设置在柔性嵌套侧面，用于反射镜在不同方向上的应力卸载，以保证反射镜的面形稳定性；
注胶孔的数量为四个，四个注胶孔沿柔性嵌套侧面周向等间隔布置一圈，以确保注胶后形成的胶环在360度范围内均匀分布无气泡；
注胶间隙控制孔的数量为三个，三个注胶间隙控制孔等间隔布置在柔性嵌套的端面，三个注胶间隙控制孔与标准圆柱销配合使用，保证柔性嵌套与柔性嵌套粘接接口同轴装配，以确保胶环厚度一致。
8.根据权利要求6所述的镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法，其特征在于，注胶装调工装，包括：嵌套限位件、主镜保护件和主支撑件；
主支撑件上设置有若个干个圆柱凸台，圆柱凸台的数量与通过机械加工出的柔性嵌套粘接接口的数量一致；胶接时，将二次加工后的反射镜主体放置在主支撑件上；
嵌套限位件位于主支撑件的圆柱凸台的端面与柔性嵌套粘接接口的基准面之间，用于对柔性嵌套进行限位，控制柔性嵌套伸出柔性嵌套粘接接口基准面的高度；
主镜保护件设置在主支撑件的各圆柱凸台的外侧，用于保护二次加工后的反射镜主体，防止二次加工后的反射镜主体从主支撑件的圆柱凸台上滑落磕碰。
9.根据权利要求6所述的镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法，其特征在于，对半成品件进行力学试验考核，包括：
待注胶彻底固化后，按照相机的力学环境，制定力学考核输入条件；
根据制定的力学考核输入条件，对半成品件进行力学试验考核，以验证半成品件的面形和结构稳定性。
10.根据权利要求1所述的镜体镜框一体式的反射镜设计装调方法，其特征在于，加工得到的反射镜可作为一离轴三反遥感相机的主镜组件、次镜组件或三镜组件。
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