一种交会对接敏感器用超高精度反射镜一体式加工方法与流程

本发明属于航天交会对接光学成像敏感器技术领域，尤其涉及一种交会对接敏感器用超高精度反射镜一体式加工方法。

背景技术：

目前，国内外的航天交会对接光学成像敏感器技术领域，一般通过反射镜进行光路折转，以缩小光学系统体积，实现整机小型化轻量化。例如美国msfc的vgs、avgs、navgs产品，以及中国的第二代交会测量子系统和第三代交会对接光学成像敏感器(即本文描述的产品)。vgs系列产品，是nasa为近距离逼近阶段自主自动交会对接研究的一种基于视觉的导航敏感器，用于交会对接演示验证实验(dartn)等。中国第二代交会测量子系统，用于2013年中国sy7卫星空间抓捕等交会测量任务。本文描述的交会对接光学成像敏感器，用于载人三期、探月三期的载人飞船、货运飞船、空间站、嫦娥五号等型号的空间交会对接任务。

交会对接光学成像敏感器用超高精度反射镜，材料可以选择非金属材料，例如我国第二代交会测量子系统中采用的方案，反射镜使用熔石英jgs1材料，并采用胶粘和金属压接反射镜边缘的方式固定反射镜，反射镜面形精度高，但体积庞大，直接影响整机的小型化和轻量化。材料也可以选择金属材料，例如美国的vgs系列，和本文描述的交会对接光学成像敏感器。但美国的vgs系列的金属反射镜，反射镜和反射镜支架分别加工完成后，采用螺钉硬连接方式固定反射镜，其最大优点为设计加工简单，且反射镜体积相对较小。但由于反射镜单独加工后存在应力释放形变，反射镜二次组装，也存在应力形变等影响，导致反射镜组件形成后，面形精度不高、稳定性差。反射镜面形不佳，直接影响整机测量精度，这也是美国的vgs系列测量精度比相对我国交会对接光学成像敏感器差一个数量级的原因之一。

总之，现有的非金属反射镜组件，如玻璃反射镜，则体积庞大，直接影响整机小型化轻量化，导致工程应用性差。而现有金属反射镜组件，作用是折转目标光源进入相机视场成像。反射镜面形不佳，将导致成像光点形变，无法准确提取质心，严重影响测量精度；反射镜面形不佳，将导致镜面发生衍射效应，不必要的杂光进入相机视场，影响整机正常工作；并且即使本身面形精度较高的反射镜，在安装于反射镜支架上后，受到安装应力，也会发生形变，影响测量精度；环境试验前后受力学、热学应力影响，反射镜面形和指向发生变化，影响测量精度。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种交会对接敏感器用超高精度反射镜一体式加工方法，解决了超高精度反射镜组件，高精度高稳定性与小型化轻量化的矛盾，使得反射镜组件始终保持高精度面形和高稳定性。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种交会对接敏感器用超高精度反射镜一体式加工方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一：对反射镜支架加工，并进行相关应力释放；

步骤二：对金属反射镜加工，并进行相关应力释放；

步骤三：将反射镜和反射镜支架进行微应力装配，形成反射镜组件，并进行组件应力释放和深度清洁；

步骤四：对反射镜组件进行离子束建模；

步骤五：根据步骤四中的离子束建模，对反射镜组件开展非接触式离子束抛光，获得超高精度反射镜组件；

步骤六：对步骤五中的超高精度反射镜组件进行光学镀膜。

上述交会对接光学成像敏感器用超高精度反射镜一体式加工方法中，在步骤一中，对反射镜支架进行相关应力释放包括如下步骤：

(1)将反射镜支架放置在液氮里-196℃保温1小时；

(2)然后在常温保温1小时；

(3)然后在高低温箱50℃保温1小时；

(4)步骤(1)到步骤(3)重复10次。

上述交会对接光学成像敏感器用超高精度反射镜一体式加工方法中，在步骤二中，对金属反射镜进行相关应力释放包括如下步骤：

(1)将金属反射镜放置在液氮里-196℃保温1小时；

(2)然后在常温保温1小时；

(3)然后在高低温箱50℃保温1小时；

(4)步骤(1)到步骤(3)重复10次。

上述交会对接光学成像敏感器用超高精度反射镜一体式加工方法中，在步骤三中，反射镜和反射镜支架进行微应力装配包括如下步骤：使用力矩扳手将金属反射镜通过四个螺钉安装在反射镜支架的安装面上，4颗螺钉的呈矩形分步，顺时针定义为螺钉1到4，面对反射镜右上方为螺钉1；其中，四个螺钉的拧紧步骤为：螺钉1拧入半圈，螺钉3拧紧半圈，螺钉2拧紧半圈，螺钉4拧紧半圈，重复以上的步骤直至拧紧到要求力矩。过程中，确保螺钉进入角度垂直，偏离度不大于10°；其中，在安装过程中监测面形，面形检测仪器为激光干涉仪，测试波长λ＝632.8nm，采用多点面形检测法，使得金属反射镜峰的反射面谷值pv≤2λ。

上述交会对接光学成像敏感器用超高精度反射镜一体式加工方法中，在步骤三中，对反射镜组件进行深度清洁包括如下步骤：先将反射镜组件放入石油醚中进行清洗；再将反射镜组件取出，用酒精冲洗；再将反射镜组件用酒精和乙醚混合液浸泡2小时；再将反射镜组件取出放置到烤箱在200度温度烘烤1小时；最后取出用酒精冲洗，在压强为10^-3pa的真空环境静置4小时以上。

上述交会对接光学成像敏感器用超高精度反射镜一体式加工方法中，在步骤四中，对反射镜组件进行离子束建模的步骤如下：步骤s10：选取材料、加工工艺、面形一致的试件，设置为误差提取件；步骤s20：采用激光干涉仪测量误差提取件的面形图，其中，面形数据为m1；步骤s30：把误差提取件，通过柔性工装，安装于离子束加工设备中，对误差提取件根据离子束加工的轨迹规划和扫描时间生成扫描代码，并进行扫描加工；步骤s40：扫描完成后，误差提取件从离子束加工设备取出，恒温冷却；步骤s50：采用激光干涉仪测量步骤s40加工后的误差提取件的面形图，检测的面形数据为m2；步骤s60：把面形数据m2减去m1，获得加工后的去除分布δm，即：m2─m1＝δm；步骤s70：去除分步δm数据包含x、y和z的坐标信息，x、y坐标即误差提取件的x、y方向坐标位置信息，z坐标是去除分布的方向，z坐标方向去除误差按扫描轨迹顺序生成一维矩阵r，扫描时间按扫描轨迹顺序生成一维矩阵t，对一维矩阵r和一维矩阵t采用数据拟合的方式，获得材料去除随加工时间的变化函数关系：r＝f(t)＝r0+a1t+a2t²+a3t³+…+antⁿ，其中，r为去除函数，r0为与时间无关的常数项，a为通过样品计算的时间系数，a1、a2、a3……an为每次样品去除后拟合的系数。

上述交会对接光学成像敏感器用超高精度反射镜一体式加工方法中，在步骤五中，根据步骤四中的离子束建模对反射镜组件开展非接触式离子束抛光包括如下步骤：步骤s100：采用激光干涉仪测量反射镜组件面形图，面形数据为l；步骤s200：根据面形数据l，结合材料去除随加工时间的变化函数关系公式，得到离子束加工驻留时间d；步骤s300：对反射镜组件按加工轨迹顺序分别生成x、y坐标和驻留时间d的一维矩阵，对驻留时间d进行补偿得到补偿后的驻留时间doffset；步骤s400：根据补偿后的驻留时间对反射镜组件进行离子束加工。

上述交会对接光学成像敏感器用超高精度反射镜一体式加工方法中，在步骤s300中，补偿后的驻留时间doffset的公式如下：

公式中，doffset为补偿后的驻留时间，d(i)为矩阵第i点的驻留时间，f为考虑修正的去除函数。

上述交会对接光学成像敏感器用超高精度反射镜一体式加工方法中，力矩扳手的装配力矩为0.4n.m-0.6n.m。

上述交会对接光学成像敏感器用超高精度反射镜一体式加工方法中，在步骤s70中，一维矩阵r为[r1,r2,…,rm]，其中，r1,r2,…,rm为扫描轨迹点；一维矩阵t为[t1,t2,…,tm]，其中，t1,t2,…,tm为每个扫描轨迹点对应的时间，其中，t1＝0，tm为总的扫描路径距离除以扫描速度。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明，采用金刚石车床粗加工，离子束精加工方法，解决金刚石车床加工极限的问题，和离子束加工效率低、成品率低的问题，实现反射镜面形超高精度的高效加工，避免镜面发生衍射效应导致杂光进入相机视场，确保成像质量。

(2)本发明，采用一体式高精度面形加工方法，包括反射镜组件微应力装配、柔性微应力夹具设计和加工、一体式非接触式面形抛光、失效处理、多途径清洁、高精度面形检测技术等，有效地反射镜面形受到加工、装配、环境试验等影响，存在多次形变导致面形损失的问题，最终完成一次超高精度面形加工，又保证该面形为最终状态，实现面形和抗形变能力提高数倍之多。为提高crds在全测量范围内的测量精度，实现测量精度比美国vgs高一个数量级，奠定坚实基础。

(3)本发明，采用超高精度金属反射镜一体式加工方法，解决了高精度高稳定性与小型化轻量化的技术瓶颈，不仅解决以往金属反射镜组件面形不佳的问题，更是解决玻璃反射镜组件，体积庞大的问题。玻璃反射镜组件，虽然面形高，但玻璃组件不能采用背面打孔螺钉固定方式，一般需要通过四周压接固定，导致反射镜组件体积增大，整机体积庞大。而本专利反射镜组件不用四周压接，直接背面螺钉固定，反射面面积100％有效，从而实现高精度面形反射镜组件的小型化轻量化，可用于交会对接光学成像敏感器、星敏感器、机器人视觉系统等，相机端需进行高精度无形变的光路折转需求，具有很高的工程应用价值。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明的交会对接光学成像敏感器整机示意图；

图2为本发明的反射镜组件三维示意图；

图3为本发明的反射镜组件加工流程图；

图4为反射镜坐标定义示意图；

图5为本发明的离子束建模流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

交会对接光学成像敏感器(以下简称crds)，由视觉测量相机和合作目标标志器组成。相机安装在追踪飞行器上，目标安装在目标飞行器上，在两飞行器从250m交会直到对接完成范围内，通过相机对合作目标的成像，进行图像处理、目标识别、位姿计算，可以计算得到相机坐标系相对于合作目标坐标系的相对位置和相对姿态角，从而为交会对接任务提供相对导航的测量信息。

如图1所示，crds相机发出照明光源，合作目标反射回目标光源，经过反射镜组件的光路折转，进入相机镜头成像，图像经过相机电路处理，获得相机和目标的相对位姿关系，这是crds基本工作原理。

crds金属反射镜组件，如图2所示，由以下几部分主份：金属反射镜(6061t6)、反射镜支架(2a12t4)、安装螺钉(不锈钢)、匀化器组件(光学组件)、光纤安装耳(2a12t4)、导热绝缘垫、反射镜遮光板等。外包络尺寸约90×70×70mm。

一种交会对接敏感器用超高精度反射镜一体式加工方法，其中涉及多个零件的加工和装调，本方法重点阐述反射镜和反射镜支架的分体加工、一体式式加工方法，以及配套的加工后的去应力方法、零件组装的微应力装配方法、工序间的清洁方法等。整个加工过程如图3所示。

步骤一：反射镜支架加工，并进行相关应力释放；反射镜支架材料为铝合金6061t6，初步加工后，为减少基准面去量产生的残余应力，同时保证其面形精度，采用研磨法进行面形提升，最终平面度优于0.002mm、粗糙度优于ra0.8。其中应力释放方法如下，后续其它零件、组件也采用类似方法处理，不再重述。

应力释放的方法：将反射镜支架放置在液氮里-196℃保温1小时→常温保温1小时→高低温箱50℃保温1小时。反复10次温度循环。注：在热处理过程中，要求零件平放，炉内干净，且测试片与零件同炉进行处理。

步骤二：金属反射镜加工，包括粗加工和精加工，加工后并进行相关应力释放；反射镜材料为铝合金6061t6，反射镜装卡，采用微应力粘接方式，避免卡具对反射镜面形的影响。

金属反射镜的具体加工步骤：

采用单点金刚石车床加工，其包括：圆形安装平台，用于固定被加工的反射镜；金刚石刀具，可设置进刀量，决定加工质量；车削主轴，连接金刚石刀具，旋转驱动对反射镜面进行车削。

步骤1s：反射镜固定于工装：采用边缘胶粘接方式，避免螺钉固定和侧面积压方式导致的加工受力，加工后应力释放而面形变化；

步骤2s：将反射镜(已固定于工装上)放置于圆形安装平台的外圆处，短轴方向向心，以提高反射面各处加工的线速度；

步骤3s：设置车削主轴转速大于3000转/分钟；设置进刀量为0.005mm，并保持该进刀量匀速，设置刀具步进的粗糙度rth精度为2.33nm；刀具安装的坐标位置和高度对加工精度也会产生重要影响。应当保证刀具圆弧的圆心在主轴中心线上，避免车削的零件表面会产生m形或w形，或在零件中心出现“圆柱”或“圆锥”。

步骤4s：刀具位置校正采用：试切→测量→调整位置方法，一般调整步长5μm，调测范围30μm，调试加工完毕，对试件用干涉仪检测面形合格后。反射镜面加工过程中，使用小流量冷却液ecocleancl，进行降温；

步骤5s：参照以上试件加工参数、设置，按照以上步骤，对正式零件进行加工。

最终确保反射镜加工后，平面度优于pv≤0.8λ(506nm)、rms≤0.13λ(82.16nm)，没有衍射条纹现象。颜色条纹，可在强光下检测，其呈现“彩虹”条纹，会在太阳光照射下会产生杂散光进入相机视场，影响成像效果，直接影响整机可工作时间范围。

应力释放的方法：将反射镜支架放置在液氮里-196℃保温1小时→常温保温1小时→高低温箱50℃保温1小时。反复10次温度循环。注：在热处理过程中，要求零件平放，炉内干净，且测试片与零件同炉进行处理。

步骤三：将反射镜和反射镜支架进行微应力装配，形成组件，并进行组件应力释放，和深度清洁；要求装配后反射面面形小于2λ；反射镜和反射镜支架，按照一定的装配力矩、顺序，进行微应力装配。微应力装配，直接影响高精度面形的反射镜在组装后，能否保持面形，具体装配过程如下：

步骤1s：使用力矩扳手，调节装配力矩0.4n.m-0.6n.m；

步骤2s：安装螺钉共计4颗，金属反射镜通过四个螺钉安装在反射镜支架的安装面上，4颗螺钉的呈矩形分步，顺时针定义为螺钉1到4，面对反射镜右上方为1号螺钉。拧紧顺序：螺钉1拧入半圈→螺钉3拧紧半圈→螺钉2拧紧半圈→螺钉4拧紧半圈→螺钉1拧入半圈→螺钉3拧紧半圈→螺钉2拧紧半圈→螺钉4拧紧半圈……直至拧紧到要求力矩。过程中，确保螺钉进入角度垂直，偏离度不大于10°。

步骤3s：装配过程中监测面形，面形检测仪器为激光干涉仪，测试波长λ＝632.8nm处，采用多点面形检测法，要求：峰谷值pv≤2λ；激光干涉仪在拧完四个螺钉后，再实时进行检测得到反射镜的反射面峰谷值。

步骤4s：面形不满足要求，调整各螺钉力矩，直到面形峰谷值pv≤2λ；

步骤5s：装配温度：15℃～20℃，相对湿度：35％～55％。

完成以上装配后，采用多溶液多途径清洁方法，以保证后续离子束抛光和光学镀膜的需求。深度清洁，直接影响后续离子束加工和光学镀膜成败；其方法如下描述，后续其它零件、组件也采用类似方法处理，不再重述。

多溶液多途径深度清洁方法如下：

步骤1s：准备物资：石油醚、酒精、乙醚、可升高200度的清洁烤箱、气枪(空气已过滤，用于吹净反射精酒精)

步骤2s：清洁流程：

先将反射镜组件放入石油醚中→晃动清洗→再将反射镜组件取出，用酒精冲洗→再将反射镜组件用酒精、乙醚混合液(比例1：2)浸泡2小时→再将反射镜组件取出放置到烤箱烤中，设置200度温度，烘烤1小时→最后取出用酒精冲洗。

步骤3s：完成上述清洁后，所有组件均在10-3pa的真空环境静置4小时以上，以保证渗入的有机物能有效挥发。

步骤4s：注意事项：

反射镜、反射镜支架，已经组合后的反射镜组件，需将各光螺孔深度清洁后，方置入石油醚中晃洗，后迅速取出。

在清洁时，反射面不能留下水印及酒精印。螺纹孔清洁可以结合压缩空气吹；反射镜面清洗可用酒精多次冲洗。

全程带手套，禁止带入有机物污染和其他污染；深度清洁后，全程传递、检测、装配零件时，禁止用手直接接触零件，禁止带入有机物污染。

步骤四：反射镜已经装入反射镜支架，形成反射镜组件。离子束抛光准备，包括柔性工装、误差模型建立；采用底部粘接，顶部压装的方式，设计柔性夹具，既能保证反射镜组件面形不受安装的影响，又能牢固固定反射镜组件，确保加工与检测的基准；然后用试件进行抛光去除模型的建立，确认光栅型的加工轨迹，以及去除率变化与驻留时间关系模型。

离子束建模方法如下：

选取材料、加工工艺、面形一致的试件，作为建模的误差提取件。

因为金属反射镜加工时，加工轨迹是光栅型，因此离子束加工轨迹也为光栅型。

测出误差提取件的初始面形数据，然后按光栅型轨迹进行均匀扫描。加工完后再次测量面形，所得的面型数据减去初始面形数据，为离子束加工去除量分布，根据轨迹获得去除量随时间的变化关系，计算并进行驻留时间温度补偿。

具体步骤如图5，说明如下：

步骤s1：选取材料、加工工艺、面形一致的试件，标注为误差提取件；

步骤s2：采用激光干涉仪测量误差提取件的面形图，面形数据为m1；

步骤s3：把误差提取件，通过柔性工装，安装置离子束加工设备中，启动设置离子束加工设备；

步骤s4：对误差提取件根据离子束加工的轨迹规划和扫描时间生成扫描代码，并进行扫描加工；

步骤s5：扫描完成后，误差提取件从离子束加工设备取出，恒温冷却；

步骤s6：采用激光干涉仪测量步骤s5加工后的误差提取件的面形图，测量方位保证与加工前检测的方位一致，检测的面形数据为m2；

步骤s7：去除误差提取：把面形数据m2减去m1，获得加工后的去除分布δm，即：m2─m1＝δm；(1)

步骤s8：将去除误差与加工时间进行数学关系拟合，去除分步δm数据包含x、y和z的坐标信息(坐标系具体描述如图4所示)，x、y坐标即误差提取件的x、y方向坐标位置信息，z坐标是去除分布信息，z坐标去除误差按扫描轨迹顺序生成一维矩阵r，r为[r1,r2,…,rm]，其中，r1,r2,…,rm为扫描轨迹点，扫描时间按按扫描轨迹顺序生成一维矩阵t，t为[t1,t2,…,tm]，t1,t2,…,tm为每个扫描轨迹点对应的时间，其中，t1＝0，tm为总的扫描路径距离除以扫描速度，对矩阵r和t采用数据拟合的方式，获得材料去除随加工时间的变化函数关系：

r＝f(t)＝r0+a1t+a2t²+a3t³+…+antⁿ(2)，

公式中的r为去除函数，r0去与时间无关的常数项，a为通过样品计算的时间系数。

步骤五：正式加工。

在上一步离子束加工建模的基础上，对反射镜组件(金属反射镜和反射镜支架的结合体)开展非接触式离子束抛光，使得面形精度满足要求；在离子束抛光机上，辅助柔性工装的安装，利用离子溅射原理，采用试件得出的加工轨迹和去除误差补偿方法，对反射镜组件开展非接触式离子束抛光，进一步提高面形精度，直到面形达到，峰谷值pv≤0.2λ、rms≤0.06λ要求。

根据上一步骤获取的材料去除随加工时间的变化函数关系，即公式(2)，设置反射镜组件在离子束加工过程中的误差补偿，具体步骤如下实现：

步骤s1：采用激光干涉仪测量反射镜组件面形图，面形数据为l，实际为z方向高度；

步骤s2：根据面形数据l，结合公式(2)，计算离子束加工驻留时间d，驻留时间越长，离子束消除反射镜的高度越多；

步骤s3：对反射镜组件进行加工轨迹规划，规划后按加工轨迹顺序分别生成x、y坐标和驻留时间d坐标的一维矩阵，并按如下公式对驻留时间d进行补偿：

公式中，doffset为补偿后的驻留时间，d(i)为矩阵第i点的驻留时间，f为考虑修正的去除函数。

步骤s4：把补偿后的驻留时间转化为数控代码，根据数控代码对反射镜组件进行离子束加工。

步骤六：经过以上步骤，获得超高精度反射镜组件模块，后续再开展反射镜组件的光学镀膜(对反射镜的反射面)，以及反射镜组件与其他零组件的配件和固封，最后形成完整的反射镜组件，并经过环境试验验证，复测面形和指向指标。获得超高精度反射镜组件模块，采用多途径多熔接清洁方法，深度清洁组件，再开展反射镜组件一体式的光学镀膜，镀膜后的组件在反射率等光学指标上需满足要求。此外，将其它加工组装完成的匀化器组件、遮光板组件等，采用微应力方法，安装并固定到反射镜组件上，形成完整的反射镜组件，并经过环境试验验证，试验前后反射镜面形、指向、光学特性变化满足以下要求：

面形pv≤0.2λ，rms≤0.06λ；

力热环试前后反射镜指向变化≤0.6′(按照《空间站产品设计和建造规范第16部分：产品环境试验要求》)

反射镜反射率：在波长780nm～880nm范围内，反射率≥96％；在波长350nm～700nm与1000nm～1100nm范围内，反射率≤20％。

本实施例采用金刚石车床粗加工，离子束精加工方法，解决金刚石车床加工极限的问题，和离子束加工效率低、成品率低的问题，实现反射镜面形超高精度的高效加工，避免镜面发生衍射效应导致杂光进入相机视场，确保成像质量。

本实施例采用一体式高精度面形加工方法，包括反射镜组件微应力装配、柔性微应力夹具设计和加工、一体式非接触式面形抛光、失效处理、多途径清洁、高精度面形检测技术等，有效地反射镜面形受到加工、装配、环境试验等影响，存在多次形变导致面形损失的问题，最终完成一次超高精度面形加工，又保证该面形为最终状态，实现面形和抗形变能力提高数倍之多。为提高crds在全测量范围内的测量精度，实现测量精度比美国vgs高一个数量级，奠定坚实基础。

本实施例采用超高精度金属反射镜一体式加工方法，解决了高精度高稳定性与小型化轻量化的技术瓶颈，不仅解决以往金属反射镜组件面形不佳的问题，更是解决玻璃反射镜组件，体积庞大的问题。玻璃反射镜组件，虽然面形高，但玻璃组件不能采用背面打孔螺钉固定方式，一般需要通过四周压接固定，导致反射镜组件体积增大，整机体积庞大。而本专利反射镜组件不用四周压接，直接背面螺钉固定，反射面面积100％有效，从而实现高精度面形反射镜组件的小型化轻量化，可用于交会对接光学成像敏感器、星敏感器、机器人视觉系统等，相机端需进行高精度无形变的光路折转需求，具有很高的工程应用价值。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。