CN114488554B - 一种适用于爱因斯坦探针卫星的准直器及其制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于爱因斯坦探针卫星的准直器及其制作工艺，准直器包括：轮毂和准直器镜片，准直器镜片和轮毂为一体化结构，轮毂为蛛形结构，包括基准法兰和轮毂法兰，基准法兰与轮毂法兰同轴设置，基准法兰与轮毂法兰之间设置有多个轮毂辐条，多个轮毂辐条等间距设置，相邻轮毂辐条之间的栅格内固定连接准直器镜片，准直器镜片以轮毂的中心环形设置，以基准法兰为基点由高到低，由薄到厚依次排列，与轮毂形成中间高四周低的梯形嵌套式圆柱结构。本发明将准直器镜片与轮毂整体加工成型，提高了准直器的加工精度和力学性能，降低了准直器的集成难度，通过减少准直器镜片数量并改变准直器厚度和高度，保证了准直器镜片的加工精度。

Description

一种适用于爱因斯坦探针卫星的准直器及其制作工艺

技术领域

本发明属于空间天文观测技术领域，特别涉及一种适用于爱因斯坦探针卫星的准直器及其制作工艺。

背景技术

爱因斯坦探针卫星（EP）是一颗面向未来时域天文学和高能天体物理的天文探测卫星。EP卫星的有效载荷包括一台大视场的软X 射线监视器和一台X 射线望远镜（FXT）。FXT望远镜用于在第一时间对监视器发现的暂现源进行深度后随观测，对其它设备发现的机遇目标展开观测。FXT望远镜为了实现对目标X射线源的观测，采用传统的嵌套式掠入射聚焦望远镜的构型，再由PNCCD作为焦平面探测器进行X射线光子的读出。FXT的聚焦镜是由54层镜片嵌套而成，经过抛物面和双曲面2次反射，实现聚焦。一个聚焦镜组件包括准直器和聚焦镜，对于任何双反射型的X光掠射成像望远镜而言，对入射光的过滤，减少其杂散光，并大幅减少一次反射后能够达到焦面的光子的数目，是提高成像质量的重要手段。对于FXT的X射线望远镜，其二次光到达焦平面探测器的视场为38′，而其一次反射光到达焦平面探测器的视场可达180′，所以使用准直器抑制大角度的一次反射光到达焦平面探测器是非常必要的。和X射线聚焦镜一致，国际合作的准直器也是由中心轮毂粘贴54层镜片组成，与聚焦镜镜片直径一一对应，准直器的镜片通常采用殷钢材料制作，而殷钢材料很难镀在模具上，再加上镜片的厚度较小，无法采用机加工，故只能使用板料激光焊接的方法实现镜片精密成型，准直器镜片焊接的精度是整个***最终精度的关键，而焊接工艺没有经过试验，无法准确预料其可能产生的结果，聚焦镜准直器的安装也可以是以一个轴为整个安装工装的共有基准，利用54组高精度的工装卡具，将镜片由外而内的一片一片粘接到准直器轮毂之上。准直器镜片在加工过程中，主要以控制弹性形变为主，其成型精度难以控制，准直器镜片和轮毂粘接，同轴度也难保证。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种适用于爱因斯坦探针卫星的准直器及其制作工艺，以解决现有准直器镜片成型精度难以控制，准直器镜片和轮毂粘接，同轴度难保证的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种适用于爱因斯坦探针卫星的准直器，包括：

轮毂和准直器镜片，准直器镜片和轮毂为一体化结构，其中轮毂为蛛形结构，包括位于中心的基准法兰和设置在边缘的轮毂法兰，且基准法兰与轮毂法兰同轴设置，基准法兰与轮毂法兰之间设置有多个轮毂辐条，多个轮毂辐条等间距设置，相邻轮毂辐条之间的栅格内固定连接准直器镜片，准直器镜片以轮毂的中心环形设置，共设置43层，各层所述准直器镜片的高度和厚度均不相同，各层准直器镜片以基准法兰为基点，按照由高到低，由薄到厚的顺序依次排列，与轮毂形成中间高四周低的梯形嵌套式圆柱结构。

根据本发明的一个具体实施例，准直器镜片和轮毂的材料均为殷钢。

根据本发明的一个具体实施例，准直器镜片的直径和聚焦镜镜片的最大直径在光路准直的情况下完全重合。

根据本发明的一个具体实施例，准直器镜片的厚度包括0.2mm、0.25mm、和0.3mm三种规格。

一种适用于爱因斯坦探针卫星的准直器的制作工艺，包括：

步骤1：利用数控机床对准直器进行粗加工，得到准直器基本轮廓，其中准直器基本轮廓的内外锥度余量为3mm；

步骤2：对粗加工的准直器进行热处理，去除准直器的内应力，再将温度设定为550°C，保温4小时后放置在空气中冷却；

步骤3：对热处理后的准直器进行精加工，得到准直器的精确轮廓；

步骤4：对精加工后的准直器进行镜片精度测量，判断准直器镜片的精度误差是否在预设指标范围内。

根据本发明的一个具体实施例，步骤3对热处理后的准直器进行精加工，得到准直器的精确轮廓还包括：

步骤301：对准直器的外形轮廓进行精加工，确保准直器的内外圆心同轴，其中准直器的外圆直径按照-0.02mm的加工精度进行加工，准直器的内锥面中间薄壁孔尺寸按照±0.01mm的加工精度进行加工；

步骤302：对准直器的外锥面各个伞形台阶槽进行精加工，确保各个伞形台阶槽的排刀间距为0.05mm；

步骤303：对准直器顶部的基准法兰进行精加工，在顶部的基准法兰上加工三个螺纹底孔和六个梯形孔；

步骤304：利用钳工制作螺纹，去除棱边，并进行棱边倒钝，根据外圆螺钉孔制作两个螺纹销，两个螺纹销中心对称设置，装配在工装内，工装内孔与准直器外圆相配合，并通过定位槽定位，将工装端面的压板螺钉拧紧；

步骤305：利用模型套图设定768个穿孔点位，再利用穿孔丝进行穿孔，其中穿孔丝的直径包括φ0.5mm，φ0.8mm和φ1mm；

步骤306：对准直器进行慢走丝线切割，切割完成后采用超声波清洗各个槽。

根据本发明的一个具体实施例，步骤4对精加工后的准直器进行镜片精度测量，判断准直器镜片的精度误差是否在预设指标范围内包括：

在准直器轮毂的多个栅格中选取15个栅格区域，在每个栅格区域内的43层准直器镜片的内外直径分别选则1个测点，共选择1290个测点，测量准直器的直径和厚度值，并判断测量的准直器直径和厚度值是否满足预设指标和使用需求。

与现有技术相比，本发明提供的一种适用于爱因斯坦探针卫星的准直器及其制作工艺，将准直器镜片与轮毂整体加工成型，镜片加工精度和集成精度统一控制，提高了加工精度，降低了准直器的集成难度，同时提高了准直器的力学性能。通过减少准直器镜片数量并改变准直器厚度和高度，保证了准直器镜片的加工精度，能够满足设计指标和使用需求。

附图说明

图1是根据本发明一实施例提供的适用于爱因斯坦探针卫星的准直器结构示意图。

图2是根据本发明一实施例提供的适用于爱因斯坦探针卫星的准直器剖面图。

图3是根据本发明一实施例提供的适用于爱因斯坦探针卫星的准直器俯视图。

图4是根据本发明一实施例提供的适用于爱因斯坦探针卫星的准直器侧视图。

图5是根据本发明一实施例提供的适用于爱因斯坦探针卫星的准直器的制作工艺流程图。

图6是根据本发明一实施例提供的准直器精加工方法流程图。

附图标记：

1-轮毂；2-准直器镜片；

1.1-基准法兰；1.2-轮毂法兰；1.3-轮毂辐条。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更加清楚地理解本发明的概念和思想，以下结合具体实施例详细描述本发明。应理解，本文给出的实施例都只是本发明可能具有的所有实施例的一部分。本领域技术人员在阅读本申请的说明书以后，有能力对下述实施例的部分或整体作出改进、改造、或替换，这些改进、改造、或替换也都包含在本发明要求保护的范围内。

在本文中，术语“第一”、“第二”和其它类似词语并不意在暗示任何顺序、数量和重要性，而是仅仅用于对不同的元件进行区分。在本文中，术语“一”、“一个”和其它类似词语并不意在表示只存在一个事物，而是表示有关描述仅仅针对事物中的一个，事物可能具有一个或多个。在本文中，术语“包含”、“包括”和其它类似词语意在表示逻辑上的相互关系，而不能视作表示空间结构上的关系。例如，“A包括B”意在表示在逻辑上B属于A，而不表示在空间上B位于A的内部。另外，术语“包含”、“包括”和其它类似词语的含义应视为开放性的，而非封闭性的。例如，“A包括B”意在表示B属于A，但是B不一定构成A的全部，A还可能包括C、D、E等其它元素。

在本文中，术语“实施例”、“本实施例”、“一实施例”、“一个实施例”并不表示有关描述仅仅适用于一个特定的实施例，而是表示这些描述还可能适用于另外一个或多个实施例中。本领域技术人员应理解，在本文中，任何针对某一个实施例所做的描述都可以与另外一个或多个实施例中的有关描述进行替代、组合、或者以其它方式结合，替代、组合、或者以其它方式结合所产生的新实施例是本领域技术人员能够容易想到的，属于本发明的保护范围。

实施例1

本发明的实施方式的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实施方式的实践了解到。结合图1-图4，本发明实施例提供了一种适用于爱因斯坦探针卫星的准直器，包括：

轮毂1和准直器镜片2，准直器镜片2和轮毂1为一体化结构，其中轮毂1为蛛形结构，包括位于中心的基准法兰1.1和设置在边缘的轮毂法兰1.2，且基准法兰1.1与轮毂法兰1.2同轴设置，基准法兰1.1与轮毂法兰1.2之间设置有多个轮毂辐条1.3，多个轮毂辐条1.3等间距设置，相邻轮毂辐条1.3之间的栅格内固定连接准直器镜片2，准直器镜片2以轮毂1的中心环形设置，共设置43层，各层准直器镜片2以基准法兰1.1为基点，按照由高到低，由薄到厚的顺序依次排列，与轮毂1形成中间高四周低的梯形嵌套式圆柱结构。其中，准直器镜片2和轮毂1的材料均为殷钢。准直器镜片2的直径和聚焦镜镜片的最大直径在光路准直的情况下完全重合。

现有的国际合作准直器是由中心轮毂粘贴54层镜片组成，准直器镜片在加工过程中，主要以控制弹性形变为主，然而殷钢材料很难镀在模具上，再加上镜片的厚度较小，无法采用机加工，故只能使用板料激光焊接的方法实现镜片精密成型，焊接精度是具有一定的风险的，焊接的工艺没有经过试验，无法准确预料其可能产生的结果，相比于传统的国际合作准直器，本发明实施例提供的准直器的准直器镜片2与轮毂1整体加工成型，镜片加工精度和集成精度统一控制，提高了加工精度，降低了准直器的集成难度，以及提高了准直器的力学性能。

具体的，准直器镜片2以轮毂1的中心环形设置，共设置43层，各层准直器镜片2的高度和厚度均不相同，各层准直器镜片2以轮毂1轴心为基点，按照由高到低，由薄到厚的顺序依次排列。由于受加工工艺限制，本发明实施例的准直器的直径和厚度比不能太大，否则准直器镜片变形引起准直器镜片整体精度变差，同时为保证准直器镜片的加工精度，本发明实施例共减掉内部6层镜片（国际准直器第49~54层镜片），从第48层开始每隔一层减掉一层镜片，一共减掉11层镜片。由于准直器栅格孔最大63.699mm×5.137mm，高度34.95mm，为保证镜片精度，各层准直器镜片2的厚度和高度均不相同，最外层栅格孔虽然孔径最大，但是壁厚较厚，因此变形和加工难度较小，最内侧镜片由于栅格孔较小，壁厚较薄，高度也达到41.95mm，并不影响镜片的精度。准直器镜片2的厚度包括0.2mm、0.25mm、和0.3mm三种规格，由于聚焦镜镜片厚度从0.2~0.54mm，由此保证聚焦镜镜片不被遮挡。

实施例2

结合图5和图6，本发明实施例提供一种适用于爱因斯坦探针卫星的准直器的制作工艺，包括：

S1：利用数控机床对准直器进行粗加工，得到准直器基本轮廓，其中准直器基本轮廓的内外锥度余量为3mm，对准直器中间凸台上的圆孔粗加工，外圆台阶不加工，加工出准直器的基本轮廓，余量两边一致。

S2：对粗加工的准直器进行热处理，去除准直器的内应力，再将温度设定为550°C，保温4小时后放置在空气中冷却。

S3：对热处理后的准直器进行精加工，得到准直器的精确轮廓，具体包括以下步骤：

S301：对准直器的外形轮廓进行精加工，确保准直器的内外圆心同轴，其中准直器的外圆直径按照-0.02mm的加工精度进行加工，为后续工装基准，确保达到18.44台阶垂直度，准直器的内锥面中间薄壁孔尺寸按照±0.01mm的加工精度进行加工，用于后续配工装支撑套用。

S302：对准直器的外锥面各个伞形台阶槽进行精加工，确保各个伞形台阶槽的排刀间距为0.05mm。

S303：对准直器顶部的基准法兰进行精加工，在顶部的基准法兰上加工三个螺纹底孔和六个梯形孔，并钻铣螺纹底孔，有效保证螺纹垂直度。

S304：利用钳工制作螺纹，去除棱边，并进行棱边倒钝，根据外圆螺钉孔制作两个螺纹销，两个螺纹销中心对称设置，装配在工装内，工装内孔与准直器外圆相配合，并通过定位槽定位，将工装端面的压板螺钉拧紧，保证准直器工装牢固。

S305：利用模型套图设定768个穿孔点位，由于点位较多并且尺寸紧凑点，位设定完成需验证再次确认。再利用穿孔丝进行穿孔，其中穿孔丝的直径包括φ0.5mm，φ0.8mm和φ1mm。三种共计穿孔768个，既要保证微孔的垂直度还要保证位置度，稍有不慎就造成切片时片子断裂，在上准直器前加工无数试验件调整参数，电压电流进给速度等。

S306：对准直器进行慢走丝线切割，切割完成后采用超声波清洗各个槽。

S4：对精加工后的准直器进行镜片精度测量，判断准直器镜片的精度误差是否在预设指标范围内，具体包括：

在准直器轮毂的多个栅格中选取15个栅格区域，在每个栅格区域内的43层准直器镜片的内外直径分别选则1个测点，共选择1290个测点，测量准直器的直径和厚度值，并判断测量的准直器直径和厚度值是否满足预设指标和使用需求。本发明实施例测量得到镜片厚度最厚0.277mm，比实际厚度薄3um，直径误差小于0.02mm，因此国产准直器满足设计指标和使用需求。

综上所述，本发明提供的适用于爱因斯坦探针卫星的准直器，将准直器镜片与轮毂整体加工成型，镜片加工精度和集成精度统一控制，提高了加工精度，降低了准直器的集成难度，同时提高了准直器的力学性能。通过减少准直器镜片数量并改变准直器厚度和高度，保证了准直器镜片的加工精度，能够满足设计指标和使用需求。

以上结合具体实施方式（包括实施例和实例）详细描述了本发明的概念、原理和思想。本领域技术人员应理解，本发明的实施方式不止上文给出的这几种形式，本领域技术人员在阅读本申请文件以后，可以对上述实施方式中的步骤、方法、***、部件做出任何可能的改进、替换和等同形式，这些改进、替换和等同形式应视为落入在本发明的范围内，本发明的保护范围仅以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种适用于爱因斯坦探针卫星的准直器，其特征在于，包括：轮毂和准直器镜片，所述准直器镜片和所述轮毂为一体化结构，其中所述轮毂为蛛形结构，包括位于中心的基准法兰和设置在边缘的轮毂法兰，且所述基准法兰与所述轮毂法兰同轴设置，所述基准法兰与所述轮毂法兰之间设置有多个轮毂辐条，多个所述轮毂辐条等间距设置，相邻所述轮毂辐条之间的栅格内固定连接所述准直器镜片，所述准直器镜片以所述轮毂的中心环形设置，共设置43层，各层所述准直器镜片的高度和厚度均不相同，各层所述准直器镜片以所述基准法兰为基点，按照由高到低，由薄到厚的顺序依次排列，与所述轮毂形成中间高四周低的梯形嵌套式圆柱结构。

2.根据权利要求1所述的适用于爱因斯坦探针卫星的准直器，其特征在于，所述准直器镜片和所述轮毂的材料均为殷钢。

3.根据权利要求1所述的适用于爱因斯坦探针卫星的准直器，其特征在于，所述准直器镜片的直径和聚焦镜镜片的最大直径在光路准直的情况下完全重合。

4.根据权利要求1所述的适用于爱因斯坦探针卫星的准直器，其特征在于，所述准直器镜片的厚度包括0.2mm、0.25mm、和0.3mm三种规格。

5.一种适用于如权利要求1所述的爱因斯坦探针卫星的准直器的制作工艺，其特征在于，包括：

步骤1：利用数控机床对准直器进行粗加工，得到准直器基本轮廓，其中所述准直器基本轮廓的内外锥度余量为3mm；

步骤2：对粗加工的准直器进行热处理，去除准直器的内应力，再将温度设定为550°C，保温4小时后放置在空气中冷却；

步骤3：对热处理后的准直器进行精加工，得到准直器的精确轮廓；

步骤4：对精加工后的准直器进行镜片精度测量，判断准直器镜片的精度误差是否在预设指标范围内。

6.根据权利要求5所述的适用于爱因斯坦探针卫星的准直器的制作工艺，其特征在于，所述步骤3对热处理后的准直器进行精加工，得到准直器的精确轮廓还包括：

步骤301：对准直器的外形轮廓进行精加工，确保准直器的内外圆心同轴，其中所述准直器的外圆直径按照-0.02mm的加工精度进行加工，所述准直器的内锥面中间薄壁孔尺寸按照±0.01mm的加工精度进行加工；

步骤302：对准直器的外锥面各个伞形台阶槽进行精加工，确保各个伞形台阶槽的排刀间距为0.05mm；

步骤303：对准直器顶部的基准法兰进行精加工，在顶部的基准法兰上加工三个螺纹底孔和六个梯形孔；

步骤304：利用钳工制作螺纹，去除棱边，并进行棱边倒钝，根据外圆螺钉孔制作两个螺纹销，两个所述螺纹销中心对称设置，装配在工装内，工装内孔与所述准直器外圆相配合，并通过定位槽定位，将工装端面的压板螺钉拧紧；

步骤305：利用模型套图设定768个穿孔点位，再利用穿孔丝进行穿孔，其中所述穿孔丝的直径包括φ0.5mm，φ0.8mm和φ1mm；

步骤306：对所述准直器进行慢走丝线切割，切割完成后采用超声波清洗各个槽。

7.根据权利要求5所述的适用于爱因斯坦探针卫星的准直器的制作工艺，其特征在于，所述步骤4对精加工后的准直器进行镜片精度测量，判断准直器镜片的精度误差是否在预设指标范围内包括：

在准直器轮毂的多个栅格中选取15个栅格区域，在每个栅格区域内的43层准直器镜片的内外直径分别选则1个测点，共选择1290个测点，测量准直器的直径和厚度值，并判断测量的准直器直径和厚度值是否满足预设指标和使用需求。

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