CN106443959A - 天基大口径高面形精度反射镜组件的分体式双材料柔节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种天基大口径高面形精度反射镜组件的分体式双材料柔节，属于空间遥感技术领域。本发明提供的柔节由殷钢法兰盘和钛合金柔性环节组成；殷钢法兰盘的第二十一法兰面、第二十法兰面的平面度要优于0.005mm，平行度不得低于0.008mm；钛合金柔性环节为绕圆周120°均布的三爪结构，每个爪上有三个径向的柔槽和两个轴向柔槽；钛合金柔性环节的第十三法兰面和第十九法兰面的平面度要优于0.005mm，平行度不得低于0.008mm，其中第十三法兰面是由三个小平面组成的；殷钢法兰盘和钛合金柔性环节通过第十三法兰面和第二十一法兰面使用12个螺钉和6个圆柱销连接在一起，组成柔节。该柔节极大的削弱了热载荷和装配误差对面形精度的影响，同时抗重力载荷下面形变化的性能更优。

Description

天基大口径高面形精度反射镜组件的分体式双材料柔节

技术领域

本发明属于空间遥感技术领域，具体涉及一种应用于背部三点被动支撑的天基大口径高面形精度反射镜组件的分体式双材料柔节。

背景技术

空间遥感器用于对地球和太空资源进行普查和详查，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。遥感器中的光学元件特别是大口径反射镜是整个光学***中最重要的部件，它的面形精度高低直接关系到整个遥感器成像质量的好坏。

反射镜的面形精度误差主要包括反射镜面的加工残余误差、重力释放带来的面形误差、温度载荷带来的面形误差以及装配公差带来的面形误差等几个方面。除了加工残余误差仅与镜体比刚度有关，其余误差与镜体的比刚度和支撑结构的优劣相关。随着反射镜的口径的增大，反射镜的面形精度误差相对重力载荷、温度载荷和装配公差的敏感性逐渐增大。随着反射镜组件口径的增大、面形精度要求的提高，上述几个因素带来的误差在总面形误差中的比重略有变化。

对于天基大口径反射镜组件来说，地面装调状态和在轨工作状态的主要区别是重力载荷的有与无，即在轨工作时会存在一个重力释放的变化，这个重力释放将会引入面形误差的变化，这个因素是天基反射镜组件设计时需要考虑的一个重要方面，重力释放带来的面形变化可以通过提升镜体刚度和柔节柔性的匹配性来降低；反射镜面的加工残余误差与光学加工的加工能力有关以及镜体刚度有关，通过镜体加工人员和机械设计人员来共同保证，镜体经加工人员通过采用先进的加工工艺提升镜面面形刚度，机械设计人员设计合理的镜体结构来获取镜体的高比刚度；装配公差主要是由于零件的加工误差在装配时产生装配应力导致镜体面形的变化，这需要靠机械零件的加工精度以及合理设计机械结构来保证，机械零件加工时尽可能的提高加工精度，机械设计人员设计合理的柔性结构来缓解装配误差对镜面面形的影响；反射镜组件在轨工作和地面装调状态都存在温度载荷，当镜体材料和主支撑结构之间的热特性不一致时，温升载荷会带来面形变化，这要靠热控设计人员和机械设计人员来保证，热控设计人员尽可能的提供给反射镜组件一个恒定温度的环境，使反射镜组件在工作过程中的温度波动范围尽可能小，机械设计人员要合理的设计机械结构，使反射镜组件对热控温度的波动不敏感。

由于反射镜组件地面装调状态和在轨工作状态的主要差别是重力载荷的有与无，设计支撑结构时确保地面装调状态支撑结构对重力载荷的变化不敏感即可，被动支撑广泛采用的一种支撑形式是背部三点支撑，这种形式可以光轴水平放置，如图1，镜体在径向的刚度很大，面形变化对重力载荷不敏感，因此，背部三点支撑形式可以用于0.4m-2m乃至大于2m口径的光轴水平状态装调的反射镜的支撑。背部三点支撑的结构组成如图2所示，包括：镜体1、背板2、锥套3和柔节4。背部三点支撑中柔节4和锥套3共有三套，共圆120°分布于镜体背部。

本发明以前，背部三点支撑的反射镜组件采用的柔节4如图3-6所示，柔节4通过第七法兰7与锥套3连接在一起，通过第八法兰8与背板连接在一起。柔节4上开有垂直布置的第五柔槽5和第六柔槽6。第五柔槽5为一对，绕柔节4轴线180°对称分布；第六柔槽6也为一对，绕柔节4轴线180°对称分布；第五柔槽5和第六柔槽6沿柔节4轴线上下布置，并绕柔节4轴线垂直布置。该柔节4的有效作用是削弱当存在温度载荷时镜体同背板以及背板的连接结构的热膨胀系数不一致带来的热应力，削弱背板、背板连接结构变形以及零件装配公差带来的装配应力。

该结构的缺点是：(1)、第五柔槽5和第六柔槽6垂直布置，柔节4的刚度特性并不是绕柔节4轴线圆周对称的，为保证能均匀的削弱热应力和装配应力，三个柔节4绕主镜的光轴120旋转对称布置，这样在光轴水平状态承受重力载荷时三个柔节4在重力方向的刚度不一致，变形不协调，三个柔节承受镜体重力的大小不一致，将导致镜体的内部应力，导致反射镜组件由重力载荷带来的面形误差较大，当然这个影响不很大，但是对于高精度面形要求的大口径反射镜组件来说，则比较明显；(2)、反射镜组件承受温度载荷时，柔节4削弱镜体同背板以及背板的连接结构的热膨胀系数不一致带来的热应力，但是这种柔节4的削弱热应力的能力是有限的，这在反射镜组件面形精度要求不高时，柔节4是满足使用需求的，但是对于高面形精度需求的反射镜组件来说，这种柔节4削弱后的残余热应力不能忽略，尤其对于大口径反射镜组件来说。为削弱热应力锥套3采用可调节热膨胀系数的殷钢材料，将其膨胀系数调至与镜体热膨胀系数一致，柔节4一般采用性能稳定的钛合金材料，柔节4上的第七法兰7与锥套3连接面采用多个螺钉连接，当柔节4和锥套3体积比较大时，第七法兰7和锥套3的接触面也相应的增大，存在温度载荷时，这个接触面会存在较大的热应力，该位置非常接近镜体，对镜面的面形精度影响很大，对高面形精度要求的反射镜组件来说，这部分热应力带来的面形误差是总面形误差的一个较大的分量。

发明内容

本发明的目的是：提供一种对温度载荷和装配公差均不敏感、抗重力载荷下面形变化更优的、应用于背部三点被动支撑的天基大口径高面形精度反射镜组件的分体式双材料柔节。

为了实现上述目的，本发明的技术方案具体如下：

一种天基大口径高面形精度反射镜组件的分体式双材料柔节，由殷钢法兰盘和钛合金柔性环节两部分组成；

所述殷钢法兰盘的上、下第二十一法兰面、第二十法兰面的平面度要优于0.005mm，平行度不得低于0.008mm；

所述钛合金柔性环节为绕圆周120°均布的三爪结构，每个爪上包括三个径向的第十四柔槽、第十六柔槽和第十七柔槽，两个轴向的第十五柔槽和第十八柔槽；

所述钛合金柔性环节的第十三法兰面和第十九法兰面的平面度要优于0.005mm，平行度不得低于0.008mm，其中第十三法兰面是由三个小平面组成的；

所述殷钢法兰盘和钛合金柔性环节通过第十三法兰面和第二十一法兰面使用12个螺钉和6个圆柱销连接在一起，组成柔节。

在上述技术方案中，所述第十四柔槽、第十六柔槽、第十七柔槽、第十五柔槽和第十八柔槽采用线切割的慢走丝和研磨工艺加工，使其内壁的粗糙度优于1.6。

在上述技术方案中，所述第十三法兰面采用组合加工的方式，需要先将钛合金件与殷钢法兰盘通过螺钉和圆柱销固定在一起后，再组合加工三个径向的第十四柔槽、第十六柔槽和第十七柔槽，两个轴向的第十五柔槽、第十八柔槽。

本发明的有益效果是：

本发明提供的应用于背部三点支撑的天基大口径高面形精度反射镜组件的分体式双材料柔节，三个柔节成组使用。该柔节上有三组柔槽，是绕圆周120°均布的三爪结构，三个柔节绕主镜光轴120°均布，反射镜组件光轴水平时，这种形式的三个柔节在重力方向的刚度相同，各承担镜体三分之一的重量，变形协调性好，采用这种柔节的反射镜在重力载荷下的面形误差变化远小于采用现有柔节在重力载荷下的面形误差变化；该柔节满足均匀释放热应力和装配应力的要求，同时，为了最大限度的降低温度载荷带来的镜体的面形误差的变化，将该柔节解体设计，做成分体式，一部分是与锥套连接的法兰盘采用与锥套材料一致的殷钢，另一部分柔性环节采用钛合金材料。

本发明提供的天基大口径高面形精度反射镜组件的分体式双材料柔节可以非常有效的降低反射镜组件在温度载荷下由于材料热特性不一致带来的面形误差变化；可以有效的降低反射镜组件由于重力载荷变化带来的面形误差变化；可有效的降低由于反射镜组件装配误差带来的面形误差的变化。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是现有背部三点支撑的反射镜组件结构组成示意图；

图2是图1中背部三点支撑的反射镜组件示意图；

图3是图2中柔节的主视图；

图4是图3所示柔节的C-C剖视结构示意图；

图5是图2所示柔节的俯视结构示意图；

图6是图2所示柔节的仰视结构示意图；

图7是本发明所述天基大口径高面形精度反射镜组件的分体式双材料柔节的三维轴测结构示意图；

图8是本发明所述天基大口径高面形精度反射镜组件的分体式双材料柔节的正视结构示意图；

图9是本发明所述天基大口径高面形精度反射镜组件的分体式双材料柔节的仰视结构示意图；

图10是本发明中钛合金柔性环节的正视结构示意图；

图11是本发明中殷钢法兰盘的正视结构示意图；

图12是本发明中柔槽的组合加工结构示意图。

图1-6中的附图标记表示为：

1-镜体、2-背板、3-锥套、4-柔节、5-第五柔槽、6-第六柔槽、7-第七法兰、8-第八法兰；

图7-12中的附图标记表示为：

9-殷钢法兰盘、10-钛合金柔性环节、11-螺钉、12-圆柱销、13-第十三法兰面、14-第十四柔槽、15-第十五柔槽、16-第十六柔槽、17-第十七柔槽、18-第十八柔槽、19-第十九法兰面、20-第二十法兰面、21-第二十一法兰面、22-钛合金件。

具体实施方式

本发明的发明思想为：

本发明提出了一种应用于背部三点被动支撑的天基大口径反射镜上的对温度载荷和装配公差均不敏感、抗重力载荷下面形变化更优的高性能柔节。为克服已有技术存在的缺陷，将新柔节设计成绕圆周120°均布的三爪结构，保证柔节性能真正的圆周对称。在三个爪子上分别加工三个径向柔槽来削弱装配误差带来的装配应力；在三个爪子上分别加工两个开轴向柔槽来消弱背板和背板安装框架同反射镜热特性不匹配带来的应力，为进一步削弱热特性不匹配带来的细微影响，将柔节上与锥套连接端的法兰与柔节解体，采用与锥套一致的材料(可通过调整材料比例与镜体热特性一致)。这种柔节极大的削弱了热载荷和装配误差对面形精度的影响，同时抗重力载荷下面形变化的性能更优。

针对背部三点被动支撑结构采用三个柔节120°均布的特点，为保证三个柔节的圆周对称性能-有效的均匀的释放热应力、有效的释放装配应力，保证反射镜组件在光轴水平状态重力方向的刚度一致，在每个钛合金柔性环节上设计了成120°对称分布的三爪结构，每个爪上各有三个径向柔槽，两个轴向柔槽，当镜体和背板以及背板连接结构由于温度载荷存在径向应力时，两个轴向柔槽变形吸收能量削弱应力，当存在装配应力和背板外部结构引入的轴向变形时，三个径向柔槽变化吸收能量削弱应力。对高面形精度的大反射镜组件来说，热载荷带来的面形误差是反射镜组件面形的一个主要方面，通过三个径向柔槽和两个轴向柔槽已经大大削弱，但是柔节底部的法兰面与锥套接触面积比较大，两种材料线涨系数不一致带来较大的热应力，所以在此将柔节设计成了分体式，分成殷钢法兰盘和钛合金柔性环节两部分，殷钢法兰盘和锥套材料相同，其线涨系数可通过调整材料配比做成和镜体一致，更进一步降低了热应力的影响。反射镜组件处于光轴水平状态时，三个柔节在重力载荷方向的刚度相同，三者各承受镜体三分之一的重量，变形协调，镜体不会因为三者刚度不一致产生额外的内部应力，大大降低重力载荷状态的面形变化。该柔节对重力载荷、装配应力和温度载荷都有更好的适应能力。

下面结合附图对本发明做以详细说明。

本发明提供的应用于背部三点支撑的天基大口径高面形精度反射镜组件的分体式双材料柔节，三个柔节成组使用。该柔节是一种分体式的双材料柔节，由殷钢法兰盘9和钛合金柔性环节10两部分组成，其中殷钢法兰盘9采用了与锥套相同的殷钢材料，钛合金柔性环节10采用了性能稳定的钛合金材料，按图7-图12所示的结构实施。

装配前彻底清洗诸零件，保证无杂质，装配环境要洁净。殷钢法兰盘9的上、下第二十一法兰面21和第二十法兰面20的平面度要优于0.005mm，平行度不得低于0.008mm；所述钛合金柔性环节10为绕圆周120°均布的三爪结构，每个爪上包括三个径向的第十四柔槽14、第十六柔槽16和第十七柔槽17，两个轴向的第十五柔槽15和第十八柔槽18；钛合金柔性环节10的第十三法兰面13和第十九法兰面19的平面度要优于0.005mm，平行度不得低于0.008mm，其中第十三法兰面13是由三个小平面组成的。殷钢法兰盘9和钛合金柔性环节10通过第十三法兰面13和第二十一法兰面21使用12个M5的螺钉11和6个Ф4的圆柱销12连接在一起，组成柔节。

所述柔节的第二十法兰面20与锥套通过螺钉和圆柱销固定在一起，锥套与镜体采用环氧树脂胶粘接在一起；所述柔节另一端的第十九法兰面19通过螺钉和圆柱销与背板固定在一起，组成反射镜组件。

三个柔节绕反射镜光轴圆周120°对称布置，且每个柔节的三爪中的一爪要沿镜体的径向布置。

为保证柔节的性能，殷钢法兰盘9和钛合金柔性环节10的法兰面必须保证0.005mm的平面度和0.008mm的平行度。其中，钛合金柔性环节10的第十三法兰面13是由三个小平面组成，并且每个小平面的后端各有三个径向的第十四柔槽14、第十六柔槽16、第十七柔槽17和两个轴向的第十五柔槽15、第十八柔槽18，很难保证高精度的平面度和平行度。因此，需要按照图12所示的组合加工图来实施。即将钛合金件22(未加工柔槽的钛合金柔性环节10)，与殷钢法兰盘9通过螺钉11和圆柱销12固定在一起，(此时钛合金件22和殷钢法兰盘9上两端的法兰面的平面度和平行度都已经过加工和研磨，满足使用要求)，组合加工三个径向的第十四柔槽14、第十六柔槽16和第十七柔槽17，两个轴向的第十五柔槽15、第十八柔槽18。这样才可以保证钛合金柔性环节10上的第十三法兰面13的平面度和平行度。

第十四柔槽14、第十六柔槽16、第十七柔槽17、第十五柔槽15和第十八柔槽18的加工工序采用线切割，并且采用慢走丝工艺，加工完成后要制作研棒对各个柔槽的内壁进行研磨，保证各个柔槽的粗糙度优于1.6。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种天基大口径高面形精度反射镜组件的分体式双材料柔节，其特征在于，由殷钢法兰盘(9)和钛合金柔性环节(10)两部分组成；

所述殷钢法兰盘(9)的上、下第二十一法兰面(21)、第二十法兰面(20)的平面度要优于0.005mm，平行度不得低于0.008mm；

所述钛合金柔性环节(10)为绕圆周120°均布的三爪结构，每个爪上包括三个径向的第十四柔槽(14)、第十六柔槽(16)和第十七柔槽(17)，两个轴向的第十五柔槽(15)和第十八柔槽(18)；

所述钛合金柔性环节(10)的第十三法兰面(13)和第十九法兰面(19)的平面度要优于0.005mm，平行度不得低于0.008mm，其中第十三法兰面(13)是由三个小平面组成的；

所述殷钢法兰盘(9)和钛合金柔性环节(10)通过第十三法兰面(13)和第二十一法兰面(21)使用12个螺钉(11)和6个圆柱销(12)连接在一起，组成柔节。

2.根据权利要求1所述的天基大口径高面形精度反射镜组件的分体式双材料柔节，其特征在于，所述第十四柔槽(14)、第十六柔槽(16)、第十七柔槽(17)、第十五柔槽(15)和第十八柔槽(18)采用线切割的慢走丝和研磨工艺加工，使其内壁的粗糙度优于1.6。

3.根据权利要求1所述的天基大口径高面形精度反射镜组件的分体式双材料柔节，其特征在于，所述第十三法兰面(13)采用组合加工的方式，需要先将钛合金件(22)与殷钢法兰盘(9)通过螺钉(11)和圆柱销(12)固定在一起后，再组合加工三个径向的第十四柔槽(14)、第十六柔槽(16)和第十七柔槽(17)，两个轴向的第十五柔槽(15)、第十八柔槽(18)。