专利名称：空间镜片的径向多点胶接轴向三点夹持支撑方法
技术领域：
本发明属于航天光学遥感器技术领域，涉及一种应用于航天光学相机的中小口径
镜片的支撑方法。
背景技术：
中小口径(通光口径小于小500mm且大于小150mm)镜片(包括反射镜及透镜) 是近阶段航天光学遥感相机中的主要部件。对于该规格的镜片，一般都是先以结构件对其 支撑形成镜片组件后，再与相机主体结构进行连接。 机械工业出版社出版的由周海宪、程云芳翻译的《光机系统设计》(美PaulR. Yoder， Jr.著) 一书中对目前国际上成功应用的镜片安装技术进行了系统总结与详细介 绍。书中共介绍了镜片的弹簧固定、滚边镜座安装、卡环安装、压圈安装、弹性法兰安装、弹 性压块安装、密封环安装、挠性安装、反射镜底面多点粘接安装、侧面多点衬垫安装、侧面三 点粘接+侧面定位衬垫安装、压圈(或弹性法兰或弹性压块)+侧面定位衬安装等安装方 法。这些方法基本属于民用领域、覆盖小口径范围及大中口径范围。
根据书中描述，对于小口径镜片(口径一般小于cp150mm)，常采用的方式如图i
所示，镜片1、镜筒2、压圈3、橡胶圈4，橡胶圈4为环形结构，压圈3通过橡胶圈4将镜片1 压在镜筒2内。这种结构存在不能稳定支撑或者装夹应力大的问题，无法同时实现高面形 指标、高面形稳定性、高位置稳定性并经历发射振动的环境。而对于大中口径反射镜(口径
一般大于cp500mm)或大口径反射镜，常采用背部离散支撑来形成组件，如图2所示。该 种离散支撑方式结构复杂，支撑结构重量大，结构加工精度要求高，装调难度大，不适用于 透镜，也不宜用于口径较小的反射镜。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供了一种镜片面形精度高、镜 片面形及位置稳定、装调简单、易于加工的空间镜片的径向多点胶接轴向三点夹持支撑方 法。 本发明的技术解决方案是空间镜片的径向多点胶接轴向三点夹持支撑方法，步 骤如下 (1)选取圆形的托框与镜片，在托框底面上沿圆周互成120度的位置加工三组下 轴向注胶孔，在托框的侧面沿圆周对称加工径向注胶孔，在所述下轴向注胶孔处放置三个 隔垫； (2)在托框底面上沿圆周互成120度的位置放置三个轴向胶斑厚度控制垫片，轴 向胶斑厚度控制垫片所在的位置与所述下轴向注胶孔所在的位置不相同；
(3)将镜片放置在轴向胶斑厚度控制垫片上，在镜片的上方与下轴向注胶孔处对 应的位置放置三个隔垫； (4)在托框的顶面上与下轴向注胶孔处对应的位置放置三个夹持力控制垫片；
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(5)选取三个压块，在所述压块上加工上轴向注胶孔，将三个压块分别压紧在三个 夹持力控制垫片上，上轴向注胶孔与下轴向注胶孔对应； (6)从上轴向注胶孔与下轴向注胶孔注胶，直至胶将隔垫压紧在镜片上并形成轴 向胶斑，轴向胶斑的面积不大于隔垫的面积； (7)待胶完全固化后，释放压块，撤除轴向胶斑厚度控制垫片和夹持力控制垫片， 将压块和托框重新压紧； (8)从径向注胶孔注胶，直至胶与镜片粘接并固化形成径向胶斑。
所述的托框和压块的材料为钛合金Tc4。所述的胶为xm23。
本发明与现有技术相比的优点在于 (1)本发明方法通过径向胶斑的直接粘接和轴向胶斑的非直接粘接对镜片进行支 撑，提高了镜片面形的指标(可研制面形Rms值优于A /60， 1 A = 0. 6328um)，同时提高了 镜片的垂轴位置稳定性；通过轴向胶斑对镜片的夹持，提高了镜片的沿轴位置稳定性(可 优于0. 002mm)，同时镜片的面形稳定性也得到了提高(可优于2 A /1000);
(2)本发明方法通过轴向胶斑非直接粘接对镜片进行夹持，提高了镜片组件的 轴向振型频率(可高于100Hz)，径向胶斑的直接粘接保证了较高的镜片组件径向振型频 率(可高于100Hz)，由于胶的阻尼作用，使得频点处镜片加速度响应放大较小(可高于10 倍)，有利于镜片的稳定，能够经历较苛刻的振动环境，特别适合于保证航天遥感设备在发 射阶段的安全性； (3)本发明方法简单，涉及的组件较少，支撑结构更简单、支撑结构重量更小、支撑 结构加工精度要求更低、组件装调难度更小。
图1为现有的小口径透镜组件支撑结构构型式； 图2为现有的大中口径背部离散支撑反射镜组件结构型式； 图3为本发明径向多点胶接、轴向三点夹持的镜片支撑形式机构图； 图4为本发明径向多点胶接、轴向三点夹持的镜片支撑形式结构示意图； 图5为本发明轴向胶斑生成过程示意图； 图6为本发明轴向夹持力生成过程示意图； 图7为本发明径向胶斑生成过程示意图； 图8为本发明实施例中裸镜光轴水平面形检测工况示意图； 图9为本发明实施例中轴向夹持工况示意图； 图10为本发明实施例中组件光轴水平面重力的工况示意图； 图11为本发明实施例中组件一阶弯曲工况示意图； 图12为本发明实施例中组件单点轴向力工况示意图； 图13为本发明实施例中组件温度变化工况示意图； 图14为本发明实施例中组件光轴竖直工况示意图。
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
如图3、图4所示，本发明方法的主要步骤如下 (1)选取圆形的托框8与镜片1，并在托框8底面上沿圆周互成120度的位置加工 三组下轴向注胶孔14，在托框8的侧面沿圆周对称加工径向注胶孔15，在下轴向注胶孔14 处放置三个隔垫11 ;放置隔垫11的目的在于避免轴向胶斑6与镜片1发生粘接，同时也降 低了轴向胶斑6与镜片1之间的摩擦系数，最终使轴向胶斑6对镜片1产生尽量小的径向 作用力。 (2)在托框8底面上沿圆周互成120度的位置放置三个轴向胶斑厚度控制垫片 13，轴向胶斑厚度控制垫片13所在的位置与下轴向注胶孔14所在的位置不相同；轴向胶斑 厚度控制垫片13用于控制镜片1两侧轴向胶斑6厚度的一致性。 (3)将镜片1放置在轴向胶斑厚度控制垫片13上，在镜片1的上方与下轴向注胶 孔14处对应的位置放置三个隔垫11 ; (4)在托框8的顶面上与下轴向注胶孔14处对应的位置放置三个夹持力控制垫片
12，夹持力控制垫片12用于控制及实施轴向胶斑6对镜片1的夹持力。 (5)选取三个压块9，在压块9上加工上轴向注胶孔17，将三个压块9分别压紧在
三个夹持力控制垫片12上，上轴向注胶孔17与下轴向注胶孔14对应，如图5所示； (6)从上轴向注胶孔17与下轴向注胶孔14注胶，直至胶将隔垫11压紧在镜片1
上并形成轴向胶斑6，轴向胶斑6的面积尽量接近且不大于隔垫11的面积，以防止胶溢出而
与镜片1发生粘接，同时保证一定的胶斑面积，如图5所示； (7)待胶完全固化后，释放压块9，撤除轴向胶斑厚度控制垫片13和夹持力控制垫 片12，将压块9和托框8重新压紧，如图6所示，目的在于将轴向胶斑6压縮一定厚度(夹 持力控制垫片12的厚度)，轴向胶斑6被压縮产生弹性变形后，会产生一定夹持力从而对镜 片1形成夹持作用； (8)从径向注胶孔15注胶，直至胶与镜片l粘接并固化形成径向胶斑7，如图7所示。 为使镜片组件不同材料间的线膨胀系数差异尽量小，及结构具有更高的尺寸稳定 性和更高的比刚度，托框8和压块9的材料为钛合金Tc4。为使胶斑具有适当的弹性模量， 及具有好的真空稳定性，胶选用xm23。 由于轴向胶斑6只有三对且只夹持不粘接，根据三点确定一个平面的原理，在轴 向载荷工况下，轴向胶斑6不影响镜片l面形。另外，轴向胶斑6与镜片l之间有光滑隔垫 11隔开，其与镜片1间的相对摩擦系数很小，在径向载荷工况下，轴向胶斑6也不影响镜片 1面形。 实施例 镜片1的面形指标由自身刚度及外部载荷决定，镜片1外部载荷由胶斑及胶斑连 接处的托框8(相对于该胶斑连接处的镜片部位)的变形量决定，胶斑连接处托框8的变形 量由托框8自身特性及工况载荷决定。此处对镜片1的刚度及连接处托框8的变形量加以 限定，并保证这种限定在工程上是容易实现的，以此为前提对本发明的方法进行介绍。
先对镜片i的性能加以限定，镜片i的通光口径为cp350mm，质量为7. 5Kg。规
定镜片1自由模态一阶弯曲振型的频率不小于1500Hz，用以保证镜片1具有一定的刚度。 另外规定镜片1光学加工所达到的面形值(Rms)优于入/70，用以保证镜片1的初始面形；
5规定光轴水平状态下，镜片1绕光轴90度等分四状态下，面形变化小于2 A /1000，用以控制 控制光学加工过程中的面形检测支撑对镜片面形的影响。 再对托框8的性能加以限定，托框8外直径为小410mm，质量3. 5Kg。镜片组件结构 简图亦如图4，规定托框8外联法兰(用于镜片组件与其它结构的安装)参与装配时，法兰 接触面一阶弯曲变形优于2um且局部单点变形优于5咖(对于直径600mm以内的自身结构 稳定性好的法兰，这两个指标通过法兰的配研不难实现)，用以控制组件的外联边界条件。 另外规定，光轴水平时，镜片组件在重力的作用下，托框8的径向胶斑7连接面一阶弯曲小 于2um(这一点需要将托框8外联法兰表面与径向胶斑7连接面尽量重合)，用以控制重力 工况下，托框8的变形。还须规定组件前三阶固有频率只发生在镜片1与托框8之间，用以 控制托框8的刚度。 这两方面的规定都是在工程中不难实现的，以此为基础，进行胶斑参数的确定，使 各工况下，镜片1的面形优于入/60、镜片1的面形稳定性优于2A/1000、镜片1的位置稳 定性优于0. 002mm、镜片组件基频高于100Hz、频点处镜片1的加速度响应放大小于10倍。
工况用于确定性能仿真中的边界条件，是根据镜片1从检测到装调、到总装、到发 射、到工作运行过程中经历的典型过程确定的，本实施例中共选取了 7个工况。
第一工况为镜片1裸镜面形检测工况，光学加工方一般采用具有一定角度的"V" 型块16对镜片进行支撑，使光轴处于水平状态，如图8所示。对于通光口径小于500mm的 镜片l，重力作用下，相对于理想状态(无约束、无外载状态)镜片1的面形变化一般小于 1入/1000。对于面形1 A /70的指标，加工方的满足方法是镜片1的水平绕光轴90度等分 四状态下最差面形优于1入/70。这一工况与胶斑参数无关，只用于保证镜片1的面形初始 状态满足规定要求。 第二工况为镜片1的装框过程工况，这一工况中主要考虑轴向胶斑6夹持力对镜 片1面形的影响，如图9所示。以面形恶化要小于1 A /1000为标准计算最大允许夹持力。
第三工况为镜片组件光轴水平状态下面形检测工况。光轴水平状态是裸镜面形检 测状态，也是镜头装调、相机性能测试时镜片l所处的状态。该工况下镜片1的性能相对于 理想状态的变化，一定程度上反映相机发射升空失重后，镜片l性能的变化。从这一工况可 以看到，评价空间镜片支撑方式优劣的一个重要方面就是看重力作用前后镜片1面形的变 化量。这一工况可以分解成两个子工况来考虑， 一是假定托框8为刚性，即在径向胶斑7对 托框8连接端施加固定约束、整体处于重力场下的镜片1的面形变化，如图10所示；二是假 定没有重力场，托框8的径向胶斑7连接面产生2um—阶弯曲时的镜片1面形的变化，如图 ll所示。两子工况组合后面形变化要小于1A/1000。径向胶斑7点数增加，有利于变形变 化值的减小，因为胶斑点数增加相当于单点分力减小、镜片1周边受力趋于均布化(最佳支 撑状态)。此工况下，还须要考虑镜片l在重力作用下相对于理想装调的方位变化，镜片1 两垂轴方向位移变化需小于2um，两垂轴方向转角变化需小于2"。胶斑越薄，或胶斑面积越 大，镜片l位移变化越小，因为在相同的载荷下，胶斑变形越小，胶斑中心连接面与镜片l重 心重合越好，转角变化越小。 第四工况为镜片组件外联法兰参与对外装配工况。此工况可分解成两个子工况来 考虑，一是托框的径向胶斑7连接面产生2um—阶弯曲时的镜片l面形变化，如图ll所示； 二是单点轴向胶斑6的托框8连接面产生5um轴向变形时的镜片1面形的变化，如图12所示。两子工况组合后面形变化要小于1 A /1000。胶斑越厚，或胶斑面积越小，镜片1的面形 变化越小。 第五工况为镜片1组件温度变化工况，如图13所示。由于镜片1的材料、胶斑材 料及托框8材料的线膨胀系数不一致，温度变化时，三者变形不一致。边界条件是温度变化 2度，限制条件是面形变化小于1 A /1000。胶斑越厚或胶斑面积越小，镜片面形变化越小。
第六工况为发射段振动工况。要求镜片组件基频高于100Hz、镜片1相对于托框8 的加速度响应放大小于10倍。对于镜片1的垂轴平移振型而言，若重力作用下的位移变化 小于lum，镜片1垂轴平移振型频率一般高于100Hz。而沿轴振型频率一般需要轴向胶斑6 来提高。IO倍的加速度响应放大倍数不需要作特殊处理，由xm23胶自身的阻尼特性可自然 实现。轴向胶斑6的面积增大或厚度减小有利于频率的提高。由于轴向胶斑6是对镜片1 的夹持而非粘接，那么当镜片1相对于托框8沿轴向一个方向运动时，可能会导致另一侧轴 向胶斑6与镜片1的分离，因此需要对轴向胶斑6进行压縮，使在镜片l相对于托框8有最 大轴向位移时，两侧轴向胶斑6都保持与镜片1的贴合。轴向胶斑6的最小压縮量从这里 得到。 第七工况为光轴竖直工况，如图14所示。在这一工况下，对面形情况不作要求，但 一般对沿轴位移有要求，主要是防止镜片1相对于托框8位移过大后不易恢复。重力作用 下，要求镜片1沿轴位移变化小于2um。该指标一般需要轴向胶斑6辅助实现。
胶斑参数确定过程为，先根据工程情况，选取尽量多的胶斑数量、适当的胶斑直径 及厚度，建立有限元模型，针对上述工况进行仿真，得到各种指标，若各工况各指标均满足 要求，则一次通过；若某工况某指标不满足要求，则根据上述趋势进行参数调整，再提交仿 真，直到所有工况下所有指标均得到满足且胶斑参数具有工程实现性为止。
本实施例中，最终确定胶斑参数为径向胶斑7有30点，胶斑尺寸为 小lOmmXO. 4mm。轴向胶斑6厚度为0. 2mm，单点胶斑面积为80咖2，单点夹持力为150N。
镜片组件的装配过程分三步轴向胶斑6生成、夹持力生成、径向胶斑7生成。
第一步，轴向胶斑6生成，如图5所示。在托框8与镜片l下面垫轴向胶斑厚度控 制垫片13，找正镜片1与托框8同轴，使托框8与镜片1下表面之间存在一定间隙，该间隙 决定下层轴向胶斑6的厚度；在压块9与托框8之间垫夹持力控制垫片12，该垫片将在第 二步决定轴向胶斑6的压縮量；在需注胶处的镜片1与结构间隙内放置塑隔垫11 ;由托框 8下轴向注胶孔14向镜片1与托框8间注入XM23胶，控制注胶量以形成规定直径的胶斑； 上轴向注胶孔17向压块9与镜片1与压块9间注XM23胶，控制注胶量以形成规定直径的 胶斑；组件静置，直到胶斑完全固化；环境温度设定在相机空间服役时的环境温度(20°C )。
第二步，如图6所示，撤除轴向胶斑厚度控制垫片13，撤除垫夹持力控制垫片12， 重新将压块9与托框8索紧固定，这样轴向胶斑6就被压縮了一定厚度，同时产生了对镜片 1的夹持作用。 第三步，如图7所示，由托框8侧面径向注胶孔15向托框8与镜片1侧面间隙注入 XM23胶；静置，直到胶斑完全固化；环境温度设定在相机空间服役时的环境温度(20°C )。进 行装配后面形检测及组件性能测试，完成装配。 从装配过程可以看到，除轴向胶斑6对镜片1施加了夹持力外，其余过程均未对 镜片1施加应力，因此工程上，镜片组件装配过程所造成的镜片1面形恶化量一般不超过1入/1000。 值得说明的是，工况二、三、四、五的误差代数和为4A/1000，但实际上面形误差累
计方式并非如此，一方面误差发生位置不同、另一方面误差发生方向不同，工程上得到的误 差一般小于1/2*4 A /1000 = 2 A /1000。即在初始条件前提下，所有工况中镜片1的面形优 于入/70+2A/1000 <入/60。 镜片组件参与整相机装配后知道空间服役，影响镜片1面形稳定性指标的外部因 素包括重力与温度，即工况三与工况五。两工况的误差代数和2 A /1000，同理工程上得到的 误差一定小于2 A /1000。即镜片面形稳定性优于2 A /1000。 镜片1的位置稳定性由工况三及七得到，可以实现镜片1的位置稳定性优于 0.002mm。 镜片组件频率特性及振动特性由工况六得到，组件基频可高于lOOHz，频点处镜片 1的加速度响应放大小于10倍。 最终经实验测试得到镜片组件面形优于入/60，镜片1的面形稳定性优于 2入/1000，镜片1的位置稳定性达到0. 002mm，镜片组件基频140Hz，基频处加速度响应放大 7.5倍。镜片组件重量仅llKg。镜片组件装调周期仅30天，装调占用人工工时仅8小时。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
权利要求
空间镜片的径向多点胶接轴向三点夹持支撑方法，其特征在于步骤如下(1)选取圆形的托框(8)与镜片(1)，在托框(8)底面上沿圆周互成120度的位置加工三组下轴向注胶孔(14)，在托框(8)的侧面沿圆周对称加工径向注胶孔(15)，在所述下轴向注胶孔(14)处放置三个隔垫(11)；(2)在托框(8)底面上沿圆周互成120度的位置放置三个轴向胶斑厚度控制垫片(13)，轴向胶斑厚度控制垫片(13)所在的位置与所述下轴向注胶孔(14)所在的位置不相同；(3)将镜片(1)放置在轴向胶斑厚度控制垫片(13)上，在镜片(1)的上方与下轴向注胶孔(14)处对应的位置放置三个隔垫(11)；(4)在托框(8)的顶面上与下轴向注胶孔(14)处对应的位置放置三个夹持力控制垫片(12)；(5)选取三个压块(9)，在所述压块(9)上加工上轴向注胶孔(17)，将三个压块(9)分别压紧在三个夹持力控制垫片(12)上，上轴向注胶孔(17)与下轴向注胶孔(14)对应；(6)从上轴向注胶孔(17)与下轴向注胶孔(14)注胶，直至胶将隔垫(11)压紧在镜片(1)上并形成轴向胶斑(6)，轴向胶斑(6)的面积不大于隔垫(11)的面积；(7)待胶完全固化后，释放压块(9)，撤除轴向胶斑厚度控制垫片(13)和夹持力控制垫片(12)，将压块(9)和托框(8)重新压紧；(8)从径向注胶孔(15)注胶，直至胶与镜片(1)粘接并固化形成径向胶斑(7)。
2. 根据权利要求1所述的空间镜片的径向多点胶接轴向三点夹持支撑方法，其特征在 于所述的托框(8)和压块(9)的材料为钛合金Tc4。
3. 根据权利要求1所述的空间镜片的径向多点胶接轴向三点夹持支撑方法，其特征在 于所述的胶为xm23。
全文摘要
空间镜片的径向多点胶接轴向三点夹持支撑方法，首先在托框底面上沿圆周均布三组下轴向注胶孔，侧面加工径向注胶孔，在下轴向注胶孔处放置隔垫。然后在托框底面上沿圆周均布三个轴向胶斑厚度控制垫片，将镜片放置在轴向胶斑厚度控制垫片上，在镜片的上方与下轴向注胶孔对应放置三个隔垫，在托框的顶面与下轴向注胶孔对应放置三个夹持力控制垫片。然后将三个压块分别压紧在三个夹持力控制垫片上，压块上留有上轴向注胶孔与下轴向注胶孔对应。从上轴向注胶孔、下轴向注胶孔注胶，形成轴向胶斑，撤除垫片并将压块和托框重新压紧，最后从径向注胶孔注胶，直至胶与镜片粘接并固化形成径向胶斑。本发明具有装调简单、易于加工的的优点。
文档编号G02B7/00GK101762855SQ20091024327
公开日2010年6月30日 申请日期2009年12月30日 优先权日2009年12月30日
发明者伏瑞敏, 兰丽艳, 常宁华, 张建国, 曹东晶, 王伟刚, 王军, 王春宇, 王聪, 罗世魁, 项卫国 申请人:北京空间机电研究所