背部三点支撑天基大口径反射镜的装配方法、系统及装置与流程

本申请涉及光学设备技术领域，尤其涉及一种背部三点支撑天基大口径反射镜的装配方法、系统及装置。

背景技术：

空间光学遥感器在对地观察、太空探测等领域的应用具有重要的科学和经济意义。遥感器中反射镜组件是整个光学系统中最重要的部件,它们的面形精度高低直接关系到整个遥感器成像质量的好坏。天基大口径反射镜的支撑形式主要有三大类：被动支撑、重力卸载和主动光学。被动支撑是一种传统的支撑形式，其可靠性高，性能稳定，但随着反射镜口径的增大，结构会更加复杂，设计难度增大；主动光学是新兴的支撑形式，通过实时调整促动力的大小校正反射镜面形，保证反射镜组件自身性能，但是由于结构太复杂，可靠性并不高；重力卸载方式是在地面通过对反射镜施加一定数量的重力卸载装置来模拟在轨环境，保证面形精度要求，入轨工作时重力消失，断开重力卸载装置，反射镜面形不变，难度在于精确卸载重力、卸载残余要足够小。主动光学和重力卸载多用于支撑1m口径以上的反射镜，小于2m口径的反射镜更多采用被动支撑。被动支撑的形式也包括多种：背部支撑、周边支撑和复合支撑等。

反射镜由于镜面尺寸大，在重力载荷、温度载荷以及反射镜组件装配误差等综合因素的作用下，镜面往往产生严重的变形。传统背部三点支撑结构的结构形式，如图1和图2所示，传统的支撑结构的安装方法就是依据镜组件的理论设计尺寸进行装配，对于面形精度要求不高的反射镜组件来说，这种装配方法是可行的。但是对于高面形精度要求的镜组件来说，这种装配方式是不行的。因为研究表明，支撑结构安装位置偏离理想位置1mm的距离的话，将产生2-3nm的面形变化，不同的结构形式略有不同。而sic镜体的烧制精度并不高，且镜体大部分位置尤其是轻量化孔内不能采用机械加工，镜体材料分布不均导致镜体质心偏离设计位置且偏离量和方向不确定，传统的安装方法很难将支撑位置安装到最优位置，不能得到镜组件的最佳支撑性能。

技术实现要素：

鉴于此，本申请实施例提供了一种背部三点支撑天基大口径反射镜的装配方法、系统及装置，以解决现有技术中传统的安装方法得不到镜组件的最佳支撑性能的问题。

本申请实施例的第一方面提供了一种背部三点支撑天基大口径反射镜的装配方法，所述装配方法包括：

检测并确定铣磨完成后反射镜镜体的质心位置；

根据所述质心位置进行反射镜组件的初步安装，所述反射镜组件包括反射镜镜体和支撑结构；

在所述反射镜镜面抛光至指定精度时，获取反射镜组件绕光轴翻转不同角度时的面形测试结果，以根据所述面形测试结果计算支撑结构支撑位置的修研方向和修研量；

根据所述修研方向和修研量调整所述支撑结构对所述反射镜的支撑位置，以完成对所述反射镜组件的装配。

可选地，所述根据所述质心位置进行反射镜组件的初步安装，包括：

获取反射镜组件设计时对应的支撑结构在轴向距离反射镜镜体质心的理论距离；

结合所述质心位置和所述理论距离进行反射镜组件的初步安装。

可选地，所述检测并确定铣磨完成后反射镜镜体的质心位置，包括：

将工装设备与测试台连接，以测试并计算所述工装设备的质量特性；

将所述反射镜镜体安装到所述工装设备内，得到组合体；

将所述组合体与所述测试台连接，以测试并计算所述组合体的质量特征；

根据所述工装设备的质量特征和所述组合体的质量特征计算所述反射镜镜体的质心位置。

可选地，所述测试并计算所述工装设备的质量特性，包括：

调整所述测试台的回转轴至竖直向上位置，测量该状态下所述工装设备的第一质量特性；

将所述工装设备绕所述回转轴之外任意轴旋转30°，测量当前状态下所述工装设备的第二质量特性；

根据所述第一质量特性和所述第二质量特性，通过指定算法计算所述工装设备的质量特性。

可选地，所述获取反射镜组件光轴翻转不同角度时的面形测试结果，包括：

获取反射镜组件光轴水平状态绕0°和180°翻转两种状态的面形测试结果。

可选地，所述根据所述面形测试结果计算支撑结构支撑位置的修研方向和修研量，包括：

将所述0°和180°两种状态的面形测试结果采用zernike面形拟合处理得到处理结果；

将两种状态下的处理结果相减取半，获得初装配组件1g重力载载荷下的面形变化值；

通过将所述面形变化值与仿真结果对比，得到所述支撑位置的修研方向和修研量。

可选地，所述根据所述质心位置进行反射镜组件的初步安装，还包括：

镜组件安装时在整体装置的柔性杆与锥套的连接法兰处预留指定距离的修研量。

可选地，所述修研量为±1.5mm。

本申请实施例的第二方面提供了一种背部三点支撑天基大口径反射镜的装配系统，所述装配系统包括：

检测模块，用于检测并确定铣磨完成后反射镜镜体的质心位置；

安装模块，用于根据所述质心位置进行反射镜组件的初步安装，所述反射镜组件包括反射镜镜体和支撑结构；

面形测试模块，用于在所述反射镜镜面抛光至指定精度时，获取反射镜组件绕光轴翻转不同角度时的面形测试结果，以根据所述面形测试结果计算支撑结构支撑位置的修研方向和修研量；

调整模块，用于根据所述修研方向和修研量调整所述支撑结构对所述反射镜的支撑位置，以完成对所述反射镜组件的装配。

本申请实施例的第三方面提供了一种装置，所述装置包括大口径反射镜，其特征在于，所述大口径反射镜通过上述第一方面提供的任一项方法安装在所述装置上。

本申请的有益效果是：本申请通过质心位置的检测以及安装位置的调整，可以使背部三点支撑形式的反射镜组件的支撑结构安装到最优的支撑位置，获取反射镜组件的最优支撑效果，真正实现反射镜组件的高面形精度指标的计量装配。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的光学遥感器反射镜组件的后视图；

图2为图1所示的光学遥感器反射镜组件的沿c-c方向的剖视图；

图3是本申请提供的背部三点支撑天基大口径反射镜的装配方法的实现流程示意图；

图4为本申请提供的镜体质心位置测试装置图；

图5为本申请提供镜组件支撑结构沿光轴方向的最优支撑位置示意图；

图6为本申请提供镜组件初装配阶段为后期的精修预留俢研量示意图；

图7为本发明中涉及的背部三点支撑反射镜组件光轴水平工况下的镜体受力示意图；

图8为本发明中涉及的背部三点支撑反射镜组件光轴水平工况下的镜面面形误差与轴向支撑位置的关系曲线；

图9为本发明中涉及的背部三点支撑反射镜组件光轴水平工况下的镜面面形的zernike分解；

图10为本发明中涉及的背部三点支撑反射镜组件光轴水平工况下的柔性杆轴向力与支撑位置关系；

图11为本发明中涉及的背部三点支撑反射镜组件光轴水平工况下的0度像散与柔性杆轴向力的关系；

图12为本发明中涉及的背部三点支撑反射镜组件光轴水平工况下的柔性杆轴向力与镜面面形误差的关系；

图13为镜组件光轴处于水平绕光轴0°状态的面形zernike分解图；

图14为镜组件光轴处于水平绕光轴180°状态的面形zernike分解图；

图15为数据处理获得的镜组件承受1g重力载荷时的面形zernike分解图。

其中，1.镜体；2.第一连接螺钉；3.第二连接螺钉；4.第一定位销钉；5.锥套；6.柔性杆；7.修研垫。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

图3为本申请提供的背部三点支撑天基大口径反射镜的装配方法实现流程图，详述如下：

步骤s31，检测并确定铣磨完成后反射镜镜体的质心位置。

可选地，所述检测并确定铣磨完成后反射镜镜体的质心位置，包括：

将工装设备与测试台连接，以测试并计算所述工装设备的质量特性；

将所述反射镜镜体安装到所述工装设备内，得到组合体；

将所述组合体与所述测试台连接，以测试并计算所述组合体的质量特征；

根据所述工装设备的质量特征和所述组合体的质量特征计算所述反射镜镜体的质心位置。

可选地，所述测试并计算所述工装设备的质量特性，包括：

调整所述测试台的回转轴至竖直向上位置，测量该状态下所述工装设备的第一质量特性；

将所述工装设备绕所述回转轴之外任意轴旋转30°，测量当前状态下所述工装设备的第二质量特性；

根据所述第一质量特性和所述第二质量特性，通过指定算法计算所述工装设备的质量特性。

本申请所述的反射镜可以是sic镜体，在sic镜体铣磨加工完成后，镜体的质量及惯量特征基本定型，后期的面形抛光加工量很小，不会影响镜体的质量及惯量特征。铣磨完成后即进行镜体质心的测试工作，测试过程参阅图4。首先测试工装设备，上述工装设备用于测试镜体质心；将工装设备与测试台用螺钉连接，回转轴竖直向上，测试工装的质量特性(即第一质量特性)，再将工装设备绕除回转轴外的某一轴旋转30°，测试该状态的工装质量特性(即第二质量特性)，两个状态采用软件的内部算法解算工装的质量特性；其次，测试工装+镜体的组合体质量特性，将工装设备与测试台用螺钉连接，将镜体安装到工装设备内，紧固，回转轴竖直向上，测试组合体的质量特性，再将组合体绕除回转轴外的某一轴旋转30°，测试该状态的组合体质量特性，两个状态采用软件的内部算法解算工装的质量特性。最后，软件采用内部算法将工装的质量特性和组合体的质量特性进行解算求得镜体的质心位置。

步骤s32，根据所述质心位置进行反射镜组件的初步安装，所述反射镜组件包括反射镜镜体和支撑结构。

可选地，所述根据所述质心位置进行反射镜组件的初步安装，包括：

获取反射镜组件设计时对应的支撑结构在轴向距离反射镜镜体质心的理论距离；结合所述质心位置和所述理论距离进行反射镜组件的初步安装。

所述根据所述质心位置进行反射镜组件的初步安装，还包括：

镜组件安装时在整体装置的柔性杆与锥套的连接法兰处预留指定距离的修研量，所述修研量为±1.5mm。

采用质量质心、转动惯量测试台和相应的质心测试工装测量镜体在光轴方向的质心位置，依据设计的最佳支撑位置距离理想镜坯的质心距离l将支撑结构安装到铣磨完成的镜体上，保证支撑位置与镜体的质心位置的距离等于l。质心位置的测试精度大概在±0.3mm。

具体地，依据第一步测试得到的质心位置，结合镜组件在设计时支撑结构在轴向距离质心的理论位置完成镜组件的初装配，镜组件的初装配同传统的反射镜组件的装配方法相同，区别在于在柔性杆与锥套的连接法兰处预留俢研量，参阅图5和图6，为给后续的支撑结构装配位置修正环节预留调整量，在柔性杆上和锥套连接的法兰面上预留最大3mm的修研量，保证支撑结构的装配位置前后调整量为±1.5mm。

步骤s33，在所述反射镜镜面抛光至指定精度时，获取反射镜组件绕光轴翻转不同角度时的面形测试结果，以根据所述面形测试结果计算支撑结构支撑位置的修研方向和修研量。

所述获取反射镜组件光轴翻转不同角度时的面形测试结果，包括：

获取反射镜组件光轴水平状态绕光轴0°和180°翻转两种状态的面形测试结果。

所述根据所述面形测试结果计算支撑结构支撑位置的修研方向和修研量，包括：

将所述0°和180°两种状态的面形测试结果采用zernike面形拟合处理得到处理结果；

将两种状态下的处理结果相减取半，获得初装配组件1g重力载载荷下的面形变化值；

通过将所述面形变化值与仿真结果对比，得到所述支撑位置的修研方向和修研量。

具体地，在完成基于质心位置测试的组件初装配后，镜组件的支撑结构沿光轴方向的安装位置偏离最优位置的公差范围为±0.3mm，这部分偏离仍然会导致镜组件产生大约1nm的面形变化。在镜组件初装配环节完成后，继续以组件的状态对反射镜镜面开展精抛光，当抛光至面形精度大约λ/40时，获得镜组件光轴水平状态绕光轴0°和180°翻转两种状态的面形测试结果。依据两种状态测试面形值得zernike分解(如图13和图14所示)，两个结果相减取半，获得镜组件在光轴水平承受1g重力载荷时的面形zernike分解值(如图15所示)，将该值与有限元分析的面形zernike分解值(约束镜组件，光轴水平，施加1g重力)进行对比，获取支撑位置精修的俢研方向和俢研量。通过这种方法可以有效的分离和抑制由加工误差、支撑装配、环境温度及力学实验等影响因素带来的面形误差。

步骤s34，根据所述修研方向和修研量调整所述支撑结构对所述反射镜的支撑位置，以完成对所述反射镜的装配。

依据第三步面形检测获得的支撑位置俢研方向和俢研量，将第一定位销钉4拆除，将第二连接螺钉3拆除，将柔性杆6取下，对柔性杆6和锥套5连接的法兰面进行修整(去除量大时采用车削+研磨的工艺手段；去除量小时采用研磨的工艺手段即可)，修整完成后，将柔性杆6安装到锥套5上，安装第一定位销钉4，实现柔性杆的定位，安装第二连接螺钉3，实现对柔性杆的紧固。

基于组件面形精度检测的轴向装配位置精确修调的原理见图7-图12。地面检测面形误差时，光轴水平工况下的面形误差小于光轴竖直工况下的面形误差，而且地面检测和装调时，光轴都是处于水平状态的。因此，只分析光轴水平状态下的镜体受力。当柔性杆的柔槽沿重力方向一致而柔性相同时，每个柔性杆承担1/3重力。

其中fxi是抵消重力的作用力，fzi是光轴方向的力，myi时沿y轴方向力矩(i＝1,2,3)，ε1是柔性杆支撑位置距镜体质心的距离。将公式(1)简化。

当柔性杆偏离最佳支撑位置时，镜面面形误差严重退化，对每一个支撑位置下的面形误差进行zernike分解，0°像散(z5)明显大于其他zernike项，对于一个给定的柔性杆，力矩值myi只与柔性杆弯曲刚度和镜体重量有关。由公式(2)可知，光轴方向力fz1与支撑位置呈线性关系。0°像散(z5)与光轴方向作用力呈线性关系。光轴方向作用力与镜面面形误差之间的关系如图12所示，当面形误差最小时，光轴方向力等于某一定值。

依据上述的原理，依照镜组件0°和180°翻转两种状态的面形测试结果的zernike分解值，相减取半进行数据后处理获得装配位置与理想位置偏差而引入的面形误差值，将该值与仿真分析值对比，确定支撑位置的俢研方向和俢研量，实现支撑结构的精准装配。

本发明中涉及到的背部三点支撑结构是被动支撑结构中非常典型的一种支撑结构，原理清晰，结构简单，可以有效支撑2m口径以下的天基大口径反射镜。

本申请通过质心位置的检测以及安装位置的调整，可以使背部三点支撑形式的反射镜组件的支撑结构安装到最优的支撑位置，获取反射镜组件的最优支撑效果，真正实现反射镜组件的高指标精度计量装配。

实施例二

本申请实施例的第二方面提供了一种背部三点支撑天基大口径反射镜的装配系统，所述装配系统包括：

检测模块，用于检测并确定铣磨完成后反射镜镜体的质心位置；

安装模块，用于根据所述质心位置进行反射镜组件的初步安装，所述反射镜组件包括反射镜镜体和支撑结构；

面形测试模块，用于在所述反射镜镜面抛光至指定精度时，获取反射镜组件绕光轴翻转不同角度时的面形测试结果，以根据所述面形测试结果计算支撑结构支撑位置的修研方向和修研量；

调整模块，用于根据所述修研方向和修研量调整所述支撑结构对所述反射镜的支撑位置，以完成对所述反射镜组件的装配。

本申请实施例的第三方面提供了一种装置，所述装置包括大口径反射镜，其特征在于，所述大口径反射镜通过上述第一方面提供的任一项方法安装在所述装置上。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。