一种用于降低非球面大口径中空反射镜粘接应力的方法技术

本发明专利技术属于光机结构设计及光机装配领域，具体公开了一种用于降低非球面大口径中空反射镜粘接应力的方法。本发明专利技术包括大口径非球面主反射镜1、主镜框2、主镜压板3、压板橡胶垫4以及螺钉5，其中主镜框包括支撑台和注胶孔等装配结构，装配时，主反射镜与主镜框通过支撑台支撑，通过主镜压板及压板橡胶垫进行主镜辅助定位，通过注胶孔灌胶对主反射镜进行固定。该发明专利技术不仅可以降低主镜框对主反射镜的支撑应力，同时也可降低主反射镜在胶粘过程中产生的应力，减小主反射镜面型发生变化，保证主反射镜的面型精度及主反射镜相对主镜框的位置精度，进一步保证光学系统成像的质量。

【技术实现步骤摘要】
一种用于降低非球面大口径中空反射镜粘接应力的方法
本专利技术属于光机设计及装调
，具体为一种用于降低非球面大口径中空反射镜粘接应力的方法。
技术介绍
卡塞格林系统中主反射镜作为主要的成像元件，其结构形式大多采用非球面中空反射镜，主反射镜面型的变化直接影响卡式系统成像的像质高低。卡式系统的主反射镜和主镜框多采用胶接的方式进行装配连接，采用胶接方式可以使卡式系统在多种姿态(竖直、倾斜、水平)变换和复杂工况环境正常高效的使用。然而在装配过程中，由于主镜框的结构支撑应力以及在主反射镜与主镜框的粘接应力，使得主反射镜结构内部产生较大的应力集中，导致主反射镜面型发生变化，且粘接胶层容易导致主反射镜与主镜框发生相对位移，从而影响卡式系统成像像质。目前我国公布的中国科学院西安光学精密机械研究所“一种大口径反射镜的微应力支撑结构”专利(公开号CN105700109A)采用镜座及带有多个凸片的轴向紧固压圈固定大口径反射镜，通过设置消应力槽保证反射镜面型精度。该方法适用于中间厚边缘薄的反射镜支撑，对于中空孔径大、厚度薄、边缘厚、厚径比较小的大口径反射镜并不适用，为降低装配过程中的主镜内部结构的应力，减小主镜面型变化，防止主反射镜与主镜框之间发生相对位移，保证卡塞格林系统高像质成像的要求，因此寻求一种能降低非球面中空反射镜粘接应力且能保证主反射镜与主镜框之间相对位置的结构和方法，对提高卡塞格林系统装配质量和成像质量有着十分重要的意义。
技术实现思路
针对现有技术的不足，专利技术了一种用于降低非球面大口径中空反射镜粘接应力的方法，本专利技术解决的技术问题是：主要解决大口径中空反射镜粘接装配过程中面型精度变差、主反射镜与主镜框之间相对位移的问题，该光机结构和粘接方法可以广泛应用于大口径中空反射镜装配过程。此外，对其它类型的非球面反射镜的装配具有重要的参考意义。本专利技术专利适用的主反射镜结构形式如图1所示，该主反射镜具有以下结构特点：1)中空孔径大：非球面主反射镜中空直径φC不小于总口径φA的1/4；2)中空孔厚度薄：中间厚度较薄，与边缘最厚处之比即t2/t1不大于2/3；3)厚径比较小：厚度最薄处与最大直径处厚径比即t2/φA不大于1/10。本专利技术的方法主要包括主镜框支撑台设计，粘接胶层间隙设计，主镜框与主反射镜粘接方法设计：主镜框支撑台设计：所述主反射镜属于非球面轴对称结构，其等效质心处于主反射镜中空位置，且主反射镜中空位置厚度最薄，对于应力变化最为敏感，因此主镜框支撑台离主反射镜中心位置越远对面型产生的影响越小。主反射镜支撑台一周台面支撑时，所述主反射镜与主镜框接触面积较大，由于台面在机械加工时，所述台面上具有微观结构上的凹凸缺陷，导致主反射镜内部产生应力集中，引起主反射镜面型变化；支撑台面积较小时，主反射镜与主镜框接触面积较小，导致主反射镜在支撑台处单位面积受力变大，同样使主反射镜面型产生变化。该专利技术采用三段圆弧支撑台对主反射镜进行支撑：支撑台为三段均布等长的圆弧，支撑台圆弧对应的角度θ为圆周的1/36，支撑台内圈直径取主反射镜重量70％处对应的直径φB：mφB＝70％mφA，即其中a、b为面型方程在φA/2、φB/2处的值。支撑台外圈直径与主镜框内孔的径向尺寸φK一致，φK在步骤2中进行定义。主反射镜的等效质心位置、支撑台位置、压板和胶粘产生的力使得主反射镜处于静力平衡状态，如图2所示，从而降低主反射镜内部应力，进一步降低对主反射镜面型变化的影响。粘接胶层间隙设计：主反射镜与主镜框之间的间隙是主镜框结构设计的重要环节。所述主反射镜与主镜框的热膨胀系数一般相差10-20倍，在复杂工况环境下：胶层间隙过小，所述主反射镜与主镜框线性变化量不同，造成主镜框对主反射镜挤压，导致主反射镜面型发生变化，进而影响卡式系统成像象质；胶层间隙过大，胶液厚度增加，固化后其弹性变化量越大，导致主镜在复杂工况环境下与主镜框的相对位置发生变化，造成卡式系统像质变差，因此本专利技术采用无热化等效胶层厚度及胡克定律共同解决主镜位移及热膨胀系数的胶层厚度设计方法。根据无热化胶层厚度要求：其中为等效热膨胀系数，te为胶层厚度，rg为主反射镜的半径，αm为主镜框材料热膨胀系数，αg为主反射镜材料热膨胀系数，αe为硅橡胶热膨胀系数，μe为硅橡胶的泊松比。依据卡式系统成像象质要求，确定出主反射镜沿径向方向相对主镜框允许的最大偏移量Δt，在主反射镜竖直状态下通过简化纵向变形的单向应力状态的胡克定律计算出确定满足要求所需胶层的最大厚度tk：其中E为硅橡胶弹性模量，FN为胶层所受的正压力，A为胶层主截面积，根据主反射镜使用工况，确定胶层厚度t(te≤t≤tk)，既保证主反射镜相对主镜框位置不变的同时减少胶层对主反射镜面型变化产生的影响，如图3所示，通过胶层厚度t确定主镜框内孔的径向尺寸φK＝φC+2t。主镜框与主反射镜粘接方法设计：(1)主反射镜定心：将所述主反射镜框固定在高精度可调回转台上，采用机械式千分表测量的方法，通过主镜框的端面特征及内孔或外圆特征，确定主镜框中心轴；将主反射镜置于主镜框中，调整主反射镜的位置，使主反射镜光轴与主镜框同轴。(2)安装压板：主镜压板与主反射镜之间加垫航空橡胶板，通过主镜压板轻压主反射镜，精确固定主反射镜与主镜框的相对位置，防止灌胶过程中胶液的挤压造成主反射镜与主镜框相对位置的改变。(3)灌胶：在保证粘接强度的条件下，计算出最小粘接面积Qmin＝WaGfs/J，其中W为主反射镜的重量，aG为主反射镜组件所受的最大冲击的加速度系数，fs为安全系数，J为胶粘区的抗剪强度或抗拉强度。将粘接面积等分为16个粘接区域，各粘接区域的宽度w＝Qmin/(h·16)。采用柔软铜箔填塞出相应宽度的胶槽，从灌胶孔将胶液注入胶槽，保证各粘接区域胶液连续、均匀。(4)压板调整：带胶液完全固化后，松开主镜压板螺钉。修垫主镜压板与主镜框连接面，使得航空橡胶板压紧量在0～0.02mm之间，保证各压板压紧量一致，防止主镜压板压力不均带来主反射镜面型变化，并达到辅助固定主反射镜的作用。根据以上原理，本专利技术的技术方案为：所述一种用于降低非球面大口径中空反射镜粘接应力的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：设计主镜框支撑台：支撑台为三段均布等长的圆弧，支撑台圆弧对应的角度θ为圆周的1/36，支撑台内圈直径取主反射镜重量70％处对应的直径φB，支撑台外圈直径与主镜框内孔的径向尺寸φK一致，φK＝φC+2t；步骤2：粘接胶层间隙设计：确定胶层厚度t符合te≤t≤tk要求，其中为等效热膨胀系数，rg为主反射镜的半径，αm为主镜框材料热膨胀系数，αg为主反射镜材料热膨胀系数，αe为硅橡胶热膨胀系数，μe为硅橡胶的泊松比；E为硅橡胶弹性模量，FN为胶层所受的正压力，A为胶层主截面积，Δt为依据卡式系统成像象质要求，确定出的主反射镜沿径向方向相对主镜框允许的最大偏移量；步骤3：进行主镜框与主反射镜粘接，采用以下步骤：步骤3.1：主反射镜定心：将主反射镜框固定在可调回转台上，采用机械式千分表测量的方法，通过主镜框的端面特征及内孔或外圆特征，确定主镜框中心轴；将主反射镜置于主镜框中，调整主反射镜的位置，使主反射镜光轴与主镜框同轴；步骤3.2：安装压板：主镜压板与主反射镜之间加垫航空橡胶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于降低非球面大口径中空反射镜粘接应力的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：设计主镜框支撑台：支撑台为三段均布等长的圆弧，支撑台圆弧对应的角度θ为圆周的1/36，支撑台内圈直径取主反射镜重量70％处对应的直径φB，支撑台外圈直径与主镜框内孔的径向尺寸φK一致，φK＝φC+2t；步骤2：粘接胶层间隙设计：确定胶层厚度t符合te≤t≤tk要求，其中

【技术特征摘要】
1.一种用于降低非球面大口径中空反射镜粘接应力的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：设计主镜框支撑台：支撑台为三段均布等长的圆弧，支撑台圆弧对应的角度θ为圆周的1/36，支撑台内圈直径取主反射镜重量70％处对应的直径φB，支撑台外圈直径与主镜框内孔的径向尺寸φK一致，φK＝φC+2t；步骤2：粘接胶层间隙设计：确定胶层厚度t符合te≤t≤tk要求，其中为等效热膨胀系数，rg为主反射镜的半径，αm为主镜框材料热膨胀系数，αg为主反射镜材料热膨胀系数，αe为硅橡胶热膨胀系数，μe为硅橡胶的泊松比；E为硅橡胶弹性模量，FN为胶层所受的正压力，A为胶层主截面积，Δt为依据卡式系统成像象质要求，确定出的主反射镜沿径向方向相对主镜框允许的最大偏移量；步骤3：进行主镜框与主反射镜粘接，采用以下步骤：步骤3.1：主反射镜定心：将主反射镜框固定在可调回转台上，采用机械式千分表测量的方法，通过主镜框的端面特征及内孔或外圆特征，确定主镜框中心轴；将主反射...

【专利技术属性】
技术研发人员：张森，张燕，惠刚阳，张云龙，刘欣，左晓舟，石凯，管伟，王章利，王中强，
申请(专利权)人：西安应用光学研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61