碳纤维反射镜及其装调方法

1.本发明涉及碳纤维反射镜技术领域，具体提供一种碳纤维反射镜及其装调方法。


背景技术：

2.反射镜材料是望远镜技术发展的重要基础，望远镜技术的更新换代必然伴随着新材料的运用。现代望远镜技术向着高分辨率、大口径、长焦距、大视场的方向发展，在空间载荷上更需要严格控制其质量；体积越来越大而重量却要足够轻，这就需要望远镜连接结构、光学元件及支撑、焦平面结构等选取比强度高、比刚度大、稳定性好、加工技术成熟的新型材料。碳纤维是20世纪60年代中期崛起的一种新型结构材料，目前已广泛应用于建筑、航空航天等领域；碳纤维不仅各项性能指标优良，而且其材料性能也符合望远镜光、机、热一体化设计的发展方向，目前逐步涵盖了望远镜机身、桁架支架、遮光罩、反射镜、焦平面等主要部件，应用范围越来越广泛深入。其中碳纤维反射镜在空间望远镜系统中的应用已经从无到有，发展成为与金属材料、无机非金属材料并列的常用材料之一；而在地基望远镜技术中，碳纤维反射镜的集成应用同样前景广阔。
3.对于碳纤维反射镜的制造，国内外目前基本都采用分体制造的方式，即反射镜分为面板、基体两大部分，面板通过高精度模具进行转印复制，通过纤维、胶体间隔并按照一定的纤维角度排列布置，在真空条件下进行注塑热压成型，得到所需要形状的薄板，然后在薄板上镀金属层，再进行修磨，得到高精度的碳纤维镜面面板；对于基体部分，通常也采用模具来进行同样原理的加工，形成所需不同结构形式的基体结构，目前常采用3d打印技术来成型碳纤维轻量化基体结构。无论通过何种方法形成基体部分结构，最终都需要与面板进行连接固定，连接后需要对外形、面型精度进行测试，并对碳纤维反射镜的金属层进行修磨；最终形成完整的碳纤维反射镜，并进行支撑装调应用。对于碳纤维反射镜的支撑，目前是在完成反射镜的制造，以及镜面镀层镀膜后，进行预埋件的过渡粘接。基体通过设计预留台面或中心圆孔，来进行连接。
4.现有的碳纤维反射镜均为面板、基体加工制造完成粘接，成为一体结构后再进行支撑装调，与玻璃、sic等材料的反射镜思路相同，因此可沿用技术相对成熟的支撑方案。但是，碳纤维反射镜不同于传统反射镜，其复合材料的特性决定其可机械加工性很差，无法在镜体上进行高精度的机械定位加工，支撑定位准确度基本依赖于基体的加工定位精度；同时其集成制造很容易受到外部工艺的影响，尤其在反射镜面板与基体的连接中，粘胶容易形成局部的应力集中，导致变形不协调而产生镜面“印透”效应，即在反射镜正面面型检测时，背部的基体结构形状反应在面型结果中，其本质为面板背面粘胶后收缩产生的局部应力变形影响了面板正面。并且现有的支撑方法，在成型后再粘接支撑组件，容易产生二次粘胶影响，并且在碳纤维复合材料各向异性以及分体制造的思路下，进行粘胶应力的释放以及稳定过程很有必要，若在反射镜整体制造后再进行支撑粘接及装调，应力释放稳定后容易导致面型精度变化，此时再进行修磨会非常困难，且极容易反复。
5.因此，对于碳纤维反射镜来说，加工制造以及支撑装调必须要同步考虑进行，实现
高精度、高稳定性的碳纤维反射镜的支撑与装调。


技术实现要素：

6.本发明为解决上述问题，提供了一种碳纤维反射镜及其装调方法，碳纤维反射镜采用拼接形式的拼接基体和支撑组件，提高了碳纤维反射镜的装调性能；采用拼接基体和支撑组件一体化设计集成装调，再采用离散点胶的方式与面板进行连接，支撑与装调技术可靠性高，适用于碳纤维反射镜的制造集成应用。
7.本发明提供的碳纤维反射镜，包括：面板、拼接基体和支撑组件；拼接基体包括底板、中心环、外环和叶片，其中，中心环与外环同轴设置，叶片与面板接触的弧形边曲率与面板的曲率相同，叶片的底边上开有镶嵌槽，用于与外环上的镶嵌槽连接；叶片的底边上设置有镶嵌台，用于与底板上的镶嵌槽连接；叶片的侧边上设置有镶嵌台，用于与中心环上的镶嵌槽连接；支撑组件包括粘结环和过渡件，其中粘结环的侧壁内设置有至少两个柔性层，每个柔性层至少包括两个弧形柔性槽，粘结环连接在中心环的内侧；过渡件与粘结环连接。
8.优选的，拼接基体采用与面板同型号标准的碳纤维与树脂材料。
9.优选的，过渡件采用与拼接基体材料膨胀系数相同的殷钢。
10.优选的，粘结环的侧壁内设置有两个柔性层，即外柔性层和内柔性层，外柔性层中相邻的弧形柔性槽的过渡位置的两侧均开有半圆形沟槽，内侧的半圆形沟槽位于内柔性层的弧形柔性槽的中点位置。
11.优选的，粘结环的侧面上设置有注胶孔。
12.一种碳纤维反射镜的装调方法，包括以下步骤：s1、将拼接基体进行装调和胶接，并进行温差循环消应力处理；s2、将拼接基体和支撑组件进行整体装调和胶接形成一体化支撑结构，并对一体化支撑结构进行温差循环消应力处理；s3、利用低应力胶将一体化支撑结构与面板连接，并进行温差循环消应力处理；s4、利用干涉仪对面板进行面型检测，并根据检测结果进行修磨；s5、对面板进行镀膜。
13.优选的，在s1中，将拼接基体的各连接位置均匀涂胶，将叶片侧边上的镶嵌台对准中心环柱面上的镶嵌槽进行连接，将外环上的镶嵌槽与叶片底边上的镶嵌槽对准并咬合插接；将底板上的镶嵌槽对准叶片底边上的镶嵌台进行连接；对拼接基体的各连接位置进行补胶。
14.优选的，在s2中，将用砂纸在粘结环的外侧面进行45
°
交叉打磨，形成粗糙的粘接面；将粘结环放入中心环内，通过注胶孔注入低应力胶将拼接基体和支撑组件进行胶接。
15.优选的，一体化支撑结构与面板连接时，采用离散点胶的方式，每个点胶位置等间距均匀分布。
16.与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：本发明的碳纤维反射镜采用拼接形式的拼接基体和支撑组件，提高了碳纤维反射镜的装调性能，粘结环采用双极柔性设计，增加了径向柔度。
17.本发明的碳纤维反射镜的装调方法通过优化加工制造与支撑装调的工序，将二者
同步进行，并采用支撑结构与基体一体化设计集成思路，率先完成一体化支撑结构的整体装调，避免发生现有方案中容易产生二次粘胶以及应力释放不充分而影响反射镜面型的情况；采用拼接形式的拼接基体和支撑组件，同时辅以低应力粘胶手段，使拼接形成的一体化支撑结构满足刚度及稳定性要求，在完成一体化支撑结构的集成装调后，再进行与面板的离散小剂量点胶形式的粘接，可有效减少粘胶应力，避免产生支撑“印透”效应，影响反射镜的面型。本发明的支撑与装调技术可靠性高，适用于碳纤维反射镜的制造集成应用。
附图说明
18.图1是根据本发明实施例提供的碳纤维反射镜的俯视图；图2是根据本发明实施例提供的碳纤维反射镜的剖面图；图3是根据本发明实施例提供的拼接基体的爆炸图；图4是根据本发明实施例提供的支撑组件的结构图；图5是根据本发明实施例提供的碳纤维反射镜的装调示意图；图6是根据本发明实施例提供的碳纤维反射镜的装调方法的步骤图；图7是重力沿光轴时，碳纤维反射镜有限元分析获得的镜面变形位移的变形云图；图8是重力沿光轴时，碳纤维反射镜有限元分析获得的镜面应力的变形云图；图9是重力垂直光轴时，碳纤维反射镜有限元分析获得的镜面变形位移的变形云图；图10是重力垂直光轴时，碳纤维反射镜有限元分析获得的镜面应力的变形云图。
19.其中的附图标记包括：面板1；拼接基体2、底板21、中心环22、外环23、叶片24；支撑组件3、粘结环31、注胶孔311、外层柔性槽312、内层柔性槽313、过渡件32。
具体实施方式
20.在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
21.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
22.需要说明的是，在本实施例中会涉及前、后、顶部、底部等方向对应类词语描述，为结合附图进行描述以镜面的方向为前或顶，以支撑组件的方向为后或底部，不构成对本发明的限制。
23.在现有技术中，面板、基体和支撑件均是单独制作的一体化零件，流程工艺大致是先将面板与基体连接，再与支撑件连接。由于面板、基体和支撑件均是一体化零件，相互连接时难以调整，并且由于加工误差会导致连接时出现轻微不匹配、断触等问题，需要对零件进行加工修整，但可碳纤维材料机械加工性很差。针对上述问题提出了一种拼接式的碳纤维反射镜。
24.图1示出了根据本发明实施例提供的碳纤维反射镜的俯视结构。
25.图2示出了根据本发明实施例提供的碳纤维反射镜的剖面结构。
26.图3示出了根据本发明实施例提供的拼接基体的零件组成。
27.图4示出了根据本发明实施例提供的支撑组件的结构。
28.图5示出了根据本发明实施例提供的碳纤维反射镜的装调示意。
29.如图1~图5所示，碳纤维反射镜主要由面板1、拼接基体2和支撑组件3组成，面板1是已初步精抛光加工后满足要求的成品碳纤维反射镜面板；拼接基体2主要用于承接面板1，与面板1紧密连接；支撑组件3用于对面板1和拼接基体2进行支撑和调节，并且将整体结构与其他组件连接使用。
30.拼接基体2由底板21、中心环22、外环23和叶片24拼接四种零件而成，其采用与面板1同型号标准的碳纤维与树脂材料制作而成，各零件中的碳纤维铺层对称，通过成熟的标准制造工艺流程，完成四种碳纤维板材的单件制造。
31.底板21为圆形板，其直径与外环23的直径接近，用于连接在中心环22和外环23的底部，底板21沿径向均匀开有6个镶嵌槽。中心环22与外环23同轴设置，外环23设置在中心环22的外侧，中心环22上均匀开有6个镶嵌槽，该镶嵌槽的长度方向沿中心环22的轴向，并且镶嵌槽并不与中心环22的两侧截面连通。外环23上均匀开有6个镶嵌槽，该镶嵌槽的长度方向沿外环23的轴向，并且该镶嵌槽与外环23的一个截面连通，呈现为豁口状。叶片24为6个其数量与镶嵌槽的数量对应，叶片24的整体形状近似于收边的t型结构，其与面板1接触的弧形边曲率与面板1的曲率相同，用于与面板1紧密连接；叶片24的底边上开有一个镶嵌槽，该镶嵌槽也为豁口状，用于与外环23上的镶嵌槽匹配嵌合；叶片24的底边上还设置有一个镶嵌台，用于与底板21上的镶嵌槽匹配嵌合；叶片24的内侧边上设置有一个镶嵌台，用于与中心环22上的镶嵌槽匹配嵌合。
32.支撑组件3包括粘结环31和过渡件32，粘结环31用于连接在中心环22的内侧，粘结环31采用双极柔性设计，其侧壁内交替布置每个柔性层，即外柔性层和内柔性层，每个柔性层包括多个弧形柔性槽，为了便于描述，描述为外层柔性槽312和内层柔性槽313，相邻两个外层柔性槽312交接位置的两侧均开有半圆形沟槽，用于增加柔度，内侧的半圆形沟槽位于内层柔性槽313的中点位置。粘结环31的柱面上设置有6个注胶孔，通过注胶孔311进行注胶粘合。粘结环31用于与过渡件32的端面上还均匀开有6个螺纹孔。
33.过渡件32采用与拼接基体2材料膨胀系数相同的殷钢，过渡件32为阶梯型圆柱体，包括中心圆柱台面和凸出圆柱台面，中心圆柱台面与粘结环31配做，连接在粘结环31的内侧；中心圆柱台面上也均匀开有6个螺纹孔，通过螺栓与过渡件32上的螺纹孔连接固定。凸出圆柱台面上也开有通孔，用于最终整体与其他组件连接使用。
34.在现有技术中的工艺流程大致是先将面板与基体连接，将面板面形精度修正后，再与支撑件进行二次胶接，会再次导致面型精度变化，此时再进行修磨会非常困难，并且现有的胶结方法很容易导致“印透”效应。
35.图6示出了根据本发明实施例提供的碳纤维反射镜的装调方法的步骤。
36.如图1~6所示，针对上述问题，本发明还提出了一种碳纤维反射镜的装调方法，对于碳纤维反射镜整体的制造装调，采用支撑结构与基体一体化设计集成思路，率先完成支撑部分的集成装调，然后再与面板进行连接，通过先进行支撑部分的集成，可有效避免原有
过程的二次粘胶及集成影响，同时还可将整体进行二次修正、应力释放与稳定性评估。具体结合上述已示出的碳纤维反射镜，阐述碳纤维反射镜的装调方法如下：s1、对拼接基体2进行装调和胶接，具体的：将拼接基体2的所有碳纤维板材的连接面上均匀涂胶，将叶片24侧边上的镶嵌台对准中心环22柱面上的镶嵌槽进行连接，将外环23上的镶嵌槽与叶片24底边上的镶嵌槽对准并咬合插接；当所有中心环22、外环23和叶片24完成拼接后，将底板21上的镶嵌槽对准叶片24底边上的镶嵌台进行嵌合连接；对完成拼接的拼接基体2的各连接位置进行补胶，完成后在恒温干燥条件下进行充分放置固化，并利用高低温度循环进行温差循环消应力处理，完成第一次消应力处理。
37.s2、将拼接基体2和支撑组件3进行整体装调和胶接形成一体化支撑结构，具体的：将粘结环31进行表面预处理，用砂纸在注胶孔311周边进行45
°
交叉打磨，形成粗糙的粘接面，然后将表面清理干净，将粘结环31放入中心环22内，在指定适当位置进行定位，由内侧通过注胶孔注入适量的低应力胶将拼接基体2和粘结环31胶接，在恒温干燥条件下进行充分放置固化，再将粘结环31通过螺栓与过渡件32连接紧固，完成拼接基体2和支撑组件3形成一体化支撑结构，并对一体化支撑结构进行第二次温差循环消应力处理。
38.s3、将一体化支撑结构与面板在指定适合位置进行对准，使中心对齐，在面板背面做好拼接基体2的定位标记，在拼接基体2与面板1的接触面上，涂低应力胶，采用小剂量离散点胶的方式，每个点胶位置等间距均匀分布，按照面板1背面的定位标记，将点胶完毕的一体化支撑结构与面板1进行对准粘接，用均布的等厚垫片来控制胶层厚度，在恒温干燥条件下进行充分放置固化，并进行第三次温差循环消应力处理。
39.s4、利用干涉仪对面板1进行面型检测，并根据检测结果进行修磨；s5、最终对面板1进行镀膜工艺。
40.本发明的碳纤维反射镜已经投入正式使用，其装调方法已通过多个项目长时间使用验证，被证明高效、可靠、精度高。
41.为验证本发明的有效性和优越性，对碳纤维反射镜的支撑情况进行了有限元分析，分析采用ansys有限元软件，针对中心粘接支撑，并对重力作用下的镜面变形进行计算分析。
42.图7、图8、图9和图10示出了重力沿光轴和重力垂直光轴时，获得的变形云图。
43.表1示出了支撑重力计算结果，具体如下：表1 支撑重力计算结果
结果表明，该中心支撑能够很好的应对重力的作用，保证反射镜的支撑面型满足指标要求，重力作用下面型rms均优于30nm。
44.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
45.以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

技术特征：
1.一种碳纤维反射镜，其特征在于，包括：面板、拼接基体和支撑组件；所述拼接基体包括底板、中心环、外环和叶片，其中，中心环与外环同轴设置，叶片与面板接触的弧形边曲率与面板的曲率相同，叶片的底边上开有镶嵌槽，用于与外环上的镶嵌槽连接；叶片的底边上设置有镶嵌台，用于与底板上的镶嵌槽连接；叶片的侧边上设置有镶嵌台，用于与中心环上的镶嵌槽连接；所述支撑组件包括粘结环和过渡件，其中粘结环的侧壁内设置有至少两个柔性层，每个柔性层至少包括两个弧形柔性槽，粘结环连接在中心环的内侧；过渡件与粘结环连接。2.如权利要求1所述的碳纤维反射镜，其特征在于，所述拼接基体采用与面板同型号标准的碳纤维与树脂材料。3.如权利要求2所述的碳纤维反射镜，其特征在于，过渡件采用与所述拼接基体材料膨胀系数相同的殷钢。4.如权利要求1所述的碳纤维反射镜，其特征在于，粘结环的侧壁内设置有两个柔性层，即外柔性层和内柔性层，外柔性层中相邻的弧形柔性槽的过渡位置的两侧均开有半圆形沟槽，内侧的半圆形沟槽位于内柔性层的弧形柔性槽的中点位置。5.如权利要求1所述的碳纤维反射镜，其特征在于，粘结环的侧面上设置有注胶孔。6.一种碳纤维反射镜的装调方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、将拼接基体进行装调和胶接，并进行温差循环消应力处理；s2、将拼接基体和支撑组件进行整体装调和胶接形成一体化支撑结构，并对所述一体化支撑结构进行温差循环消应力处理；s3、利用低应力胶将所述一体化支撑结构与面板连接，并进行温差循环消应力处理；s4、利用干涉仪对面板进行面型检测，并根据检测结果进行修磨；s5、对面板进行镀膜。7.如权利要求6所述的碳纤维反射镜的装调方法，其特征在于，在s1中，将拼接基体的各连接位置均匀涂胶，将叶片侧边上的镶嵌台对准中心环柱面上的镶嵌槽进行连接，将外环上的镶嵌槽与叶片底边上的镶嵌槽对准并咬合插接；将底板上的镶嵌槽对准叶片底边上的镶嵌台进行连接；对拼接基体的各连接位置进行补胶。8.如权利要求6所述的碳纤维反射镜的装调方法，其特征在于，在s2中，将用砂纸在粘结环的外侧面进行45
°
交叉打磨，形成粗糙的粘接面；将粘结环放入中心环内，通过注胶孔注入低应力胶将拼接基体和支撑组件进行胶接。9.如权利要求6所述的碳纤维反射镜的装调方法，其特征在于，所述一体化支撑结构与面板连接时，采用离散点胶的方式，每个点胶位置等间距均匀分布。

技术总结
本发明涉及碳纤维反射镜技术领域，具体提供一种碳纤维反射镜及其装调方法，反射镜包括面板、拼接基体和支撑组件，拼接基体和支撑组件均采用多零件拼接形式，支撑组件中的粘结环采用双极柔性设计，增加了径向柔度。碳纤维反射镜的装调方法对加工制造与支撑装调工序进行优化，采用一体化设计集成思路，进行一体化支撑结构的整体装调，避免发生二次粘胶以及应力释放不充分等问题；利用离散小剂量点胶形式将拼接基体与面板粘接，可有效减少粘胶应力，避免产生支撑“印透”效应，影响反射镜的面型。影响反射镜的面型。影响反射镜的面型。


技术研发人员：徐伟 佟首峰 程路超 吕宝林 王志臣 吕天宇 曾文彬 周明亮
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/8/14