交會對接光學(xué)成像敏感器反射鏡組件微應(yīng)力裝配技術(shù)*

張慧鋒，龔德鑄，張佳星，孫建波

0 引 言

2016年9月開始，中國陸續(xù)發(fā)射了天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室、神舟十一號載人飛船和天舟一號貨運(yùn)飛船，主要目的是更好地掌握空間交會對接技術(shù)并驗(yàn)證系列空間新技術(shù)，為中國空間站的建設(shè)奠定良好基礎(chǔ).迄今為止，載人飛船、貨運(yùn)飛船已先后多次完成與天宮二號的交會對接.交會對接光學(xué)成像敏感器(camera-type rendezvous and docking sensor，CRDS)作為瞄準(zhǔn)整個載人三期和探月三期自動交會對接任務(wù)而研制的新一代空間交會對接光學(xué)成像敏感器，在上述任務(wù)中發(fā)揮了重要作用，工作表現(xiàn)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)[1].

CRDS由視覺測量相機(jī)和合作目標(biāo)標(biāo)志器組成.相機(jī)安裝在追蹤飛行器上，目標(biāo)安裝在目標(biāo)飛行器上，在兩飛行器從250 m交會直到對接完成范圍內(nèi)，通過相機(jī)對合作目標(biāo)的成像，進(jìn)行圖像處理、目標(biāo)識別、位姿計算，可以計算得到相機(jī)坐標(biāo)系相對于合作目標(biāo)坐標(biāo)系的相對位置和相對姿態(tài)角，從而為交會對接任務(wù)提供相對導(dǎo)航的測量信息.

現(xiàn)有CRDS所用的是金屬反射鏡，作用是折轉(zhuǎn)目標(biāo)光源進(jìn)入相機(jī)視場成像.和玻璃等非金屬相比，金屬具有低成本、易加工、體積小且可以直接安裝等優(yōu)點(diǎn)[2-3].反射鏡組件的性能，決定目標(biāo)光點(diǎn)的成像質(zhì)量、決定反射光源的光學(xué)特性，決定CRDS光軸指向，是CRDS的關(guān)鍵組件.如果反射鏡面形不佳，將導(dǎo)致成像光點(diǎn)形變，無法準(zhǔn)確提取質(zhì)心，嚴(yán)重影響測量精度；反射鏡面形不佳，將導(dǎo)致鏡面發(fā)生衍射效應(yīng)，不必要的雜光進(jìn)入相機(jī)視場，影響CRDS正常工作.在反射鏡組件的裝配和組件裝到CRDS整機(jī)的過程中，由于零組件存在尺寸和形位誤差，應(yīng)盡量減小反射鏡的變形，保證反射鏡和勻化器的指向精度.這就要求裝配和各環(huán)節(jié)中變形小，減小裝配應(yīng)力對組件精度的影響.

中國空間站工程所用CRDS測量精度、體積、功耗等主要指標(biāo)，領(lǐng)先于國內(nèi)外主流產(chǎn)品(美國NGAVGS等)；另一方面，CRDS反射鏡組件由反射鏡、反射鏡支架、勻化器組件等組成(勻化器組件用來擴(kuò)束勻化激光光源，具體如下介紹)，尺寸約90×70×70 mm，而美國NGAVGS產(chǎn)品，其反射鏡組件未見勻化器組件，結(jié)構(gòu)簡單，激光光源直接出射(這也是其視場較小，測量精度不高的原因之一)，尺寸200 mm×200 mm×200 mm，因此中國CRDS與美國NGAVGS的反射鏡組件差異較大，CRDS反射鏡組件體積小、重量輕、構(gòu)成復(fù)雜、性能指標(biāo)好.

1 金屬反射鏡變形分析

CRDS金屬反射鏡組件，如圖1所示，由以下幾部分主份：金屬反射鏡(6061 T6)、反射鏡支架(2A12T4)、安裝螺釘(不銹鋼)、勻化器組件(光學(xué)組件)、光纖安裝耳(2A12T4)、導(dǎo)熱絕緣墊、反射鏡遮光板等.外包絡(luò)尺寸約90 mm×70 mm×70 mm.在完成組件裝配后，需要將組件裝至整機(jī)主結(jié)構(gòu)上.在整個CRDS的工作過程中，首先是勻化器組件，接收LD激光光源，并進(jìn)行擴(kuò)束勻化后，通過反射鏡中心小孔，實(shí)現(xiàn)與光學(xué)鏡頭光軸同軸出射.

1.1 面形及指向變化原因分析

由CRDS的結(jié)構(gòu)以及裝配過程可知，造成反射鏡面形發(fā)生變化的原因有以下3類：

1) 反射鏡組件內(nèi)部以及與整機(jī)結(jié)構(gòu)之間相互連接關(guān)系多，復(fù)雜結(jié)構(gòu)形成多重裝配應(yīng)力.如反射鏡與反射鏡支架的連接，反射鏡支架與光纖安裝耳的連接，勻化器與反射鏡支架的連接傳遞，勻化器與整機(jī)主結(jié)構(gòu)的連接等，各零組件相互咬合，如圖1和圖2所示.

圖1 金屬反射鏡組件示意圖Fig.1 Metal reflector module

圖2 CRDS整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Camera-type rendezvous and docking sensor

2) 裝調(diào)環(huán)節(jié)多，每一個環(huán)節(jié)都容易發(fā)生變形，引起裝配應(yīng)力.在反射鏡加工后由于加工應(yīng)力，容易發(fā)生二次變形，該應(yīng)力屬于加工應(yīng)力；反射鏡與反射鏡支架組合后發(fā)生第三次形變，該應(yīng)力屬于裝配應(yīng)力，主要原因是安裝面為非理想平面，用螺釘緊固后發(fā)生變形；反射鏡組件內(nèi)部以及與整機(jī)主結(jié)構(gòu)有多處裝配關(guān)系，存在過定位情況，發(fā)生第四次變形，此應(yīng)力屬于裝配應(yīng)力；另外反射鏡組件力學(xué)和熱學(xué)環(huán)境試驗(yàn)后發(fā)生第五次形變.

3) 勻化器組件重心靠下，質(zhì)量分布不平衡，如果裝配不當(dāng)，在力學(xué)環(huán)境下容易引起較大的振動，最終無法保證反射鏡和勻化器的相對角度關(guān)系.也就是說，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計過定位(主要目的是為了保證強(qiáng)度，防止在環(huán)境實(shí)驗(yàn)后精度發(fā)生變化)的情況下，保證裝配應(yīng)力較小，裝配在整機(jī)上的反射鏡組件面形和指向精度滿足要求.

1.2 面形及指向變化仿真分析

針對以上反射鏡的變形因素，對反射鏡組件進(jìn)行有限元建模，如圖3所示.其中，對考慮了反射鏡和反射鏡支架安裝面的平面度誤差；將光纖安裝耳與反射鏡支架的過定位尺寸誤差設(shè)定為0.1 mm；對反射鏡安裝螺釘模型施加了擰緊力矩；對反射鏡組件的四個安裝孔施加固定約束.對裝配過程進(jìn)行了分析計算.

圖3 反射鏡組件有限元模型Fig.3 FEA model of Metal reflector module

反射鏡通過螺釘擰緊在反射鏡支架上，反射鏡安裝面為非理想平面，存在平面度誤差，通過有限元分析可知，當(dāng)螺釘裝配力矩0.6N·m時，反射面的最大變形為0.73 μm(反射鏡安裝面平面度0.008 mm，力矩0.6 N·m)，即1.15λ，變形圖如圖4所示.通過仿真分析可知，反射鏡組件的裝配過程造成的面形變化較大，直接導(dǎo)致反射鏡指標(biāo)不滿足要求.

2 微應(yīng)力裝配

由于反射鏡裝配到反射鏡支架上時，產(chǎn)生裝配應(yīng)力，導(dǎo)致反射面發(fā)生變形，因此，本文采用一體式加工的工藝路線，即先將反射鏡裝配到反射鏡支架上，再進(jìn)行面形精加工的工藝路線，并在裝配過程中進(jìn)行多環(huán)節(jié)的面形檢測和指向檢測，檢控面形和指向變化，并配合應(yīng)力釋放措施，逐步完成整個反射鏡組件的微應(yīng)力裝配.

圖4 螺釘裝配應(yīng)力導(dǎo)致的反射面變形圖Fig.4 Reflector deformation by flatnessand tightening torque

2.1 金屬反射鏡裝配應(yīng)力分析與控制

對于反射鏡組件，引入裝配應(yīng)力的一個重要環(huán)節(jié)是，反射鏡通過螺釘擰緊在反射鏡支架上.為了實(shí)現(xiàn)金屬反射鏡的微應(yīng)力裝配，主要采取了兩種措施：控制金屬反射鏡螺釘擰緊力矩和提高反射鏡和反射鏡支架的平面度.

1) 首先，通過靜力學(xué)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，確定合理的反螺釘預(yù)緊力.通過靜力學(xué)分析可知，當(dāng)螺釘裝配力矩0.6 N·m時，反射面的最大變形為0.73 μm(平面度0.008 mm，力矩0.6 N·m)，即1.15λ，如圖5所示.因此要保證裝配后面形變化小于2λ的要求，并留有足夠裕量，需要降低裝配力矩，在后續(xù)通過防松膠保證螺紋連接可靠.

圖5 裝配應(yīng)力導(dǎo)致的反射面變形圖(平面度0.008 mm，力矩0.6 N·m)Fig.5 Reflector deformation by assembly stress

當(dāng)反射鏡以0.4 N·m螺釘擰緊力矩進(jìn)行裝配后，面形變化為0.49 μm，即0.77λ，如圖6所示.考慮到裝配體的環(huán)境適應(yīng)性要求，因此確定反射鏡安裝到反射鏡支架上的螺釘預(yù)緊力為0.4 N·m.工藝實(shí)驗(yàn)的過程數(shù)據(jù)和結(jié)果也表明，此擰緊力矩對改善面形，減小裝配應(yīng)力起到了重要作用.

2) 優(yōu)化反射鏡和反射鏡支架的安裝面的平面度.通過變形分析可以看出，與理想平面比，存在平面度誤差時，反射鏡的裝配應(yīng)力大，造成的面形誤差較大，如表1所示.分析數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢一致.

圖6 裝配應(yīng)力導(dǎo)致的反射面變形圖(平面度0.008 mm，力矩0.4 N·m)Fig.6 Reflector deformation by assembly stress

表1 反射鏡裝配應(yīng)力和變形值Tab.1 Assembly stress and deformation

所以，對反射鏡支架和反射鏡安裝面的平面度進(jìn)行了優(yōu)化，如表2所示.

表2 優(yōu)化反射鏡支架和反射鏡安裝面加工精度Tab.2 Optimization of flatness

安裝面平面加工完成后，對裝配完的組件面形(精加工之前)進(jìn)行了檢測，結(jié)果表明，優(yōu)化安裝面平面度可以有效改善反射鏡平面度，與仿真結(jié)果一致.

2.2 過定位尺寸鏈分析與改進(jìn)

由于存在多處過定位，所以在主定位處采用剛性連接，在其他定位處選用柔性材料.例如，光纖安裝耳與反射鏡支架之間的過定位尺寸如圖7所示，反射鏡支架與光纖安裝耳有兩個接觸面，這兩個接觸面尺寸精度要求較高，如果尺寸誤差較大，將造成反射鏡指向精度發(fā)生變化.

圖7 過定位尺寸鏈?zhǔn)疽鈭DFig.7 Over-positioning dimension chain

通過靜力學(xué)分析計算可知，當(dāng)過定位尺寸存在0.1 mm的誤差時，反射鏡上邊緣X向位移3.21 μm，下邊緣X向位移-6.43 μm，如圖8所示，裝配應(yīng)力最大值為7.09 MPa，如圖9所示，通過計算可得反射鏡指向變化為1.32′.采用硅橡膠材料制作過定位尺寸的零件，由于硅橡膠材料柔性較好，過定位尺寸可在測試反射鏡指向的同時確定.用此方法，通過分析計算，裝配造成反射鏡指向變化為0.1′，裝配應(yīng)力為1.09 MPa.反射鏡指向變化和裝配應(yīng)力都大幅減小，保證了反射鏡指向精度滿足精度要求.

圖8 過定造成的反射鏡指向精度變化Fig.8 Surface vector variation caused by over-positioning

由于硅橡膠在常溫下可交聯(lián)成彈性體，具有較大的伸長率，伸長率≥300%，而鋁合金材料的彈性模量71 GPa，鈦合金的彈性模量為96 GPa，柔性材料的彈性模量很小，可忽略，所以固化應(yīng)力很小.柔性材料裝在反射鏡組件與整機(jī)主結(jié)構(gòu)之間，在保證勻化器指向精度的同時，不引入裝配應(yīng)力；同時柔性材料的阻尼較大，可以減小勻化器振動.

圖9 過定造成的反射鏡裝配應(yīng)力Fig.9 Assembly stress caused by over-positioning

2.3 其他通用措施

必要的環(huán)節(jié)中，進(jìn)行多點(diǎn)面形檢測，如果不滿足要求，進(jìn)行微調(diào)再確認(rèn)，保證整個反射鏡的面形滿足要求.面形檢測采用激光干涉儀.

在裝配過程選擇多個環(huán)節(jié)進(jìn)行面形和指向檢測，不滿足要求再調(diào)整，保證在各個環(huán)節(jié)都不引入不必要的變形和裝配應(yīng)力.

進(jìn)行多次應(yīng)力釋放，包括力學(xué)試驗(yàn)和熱學(xué)試驗(yàn)，保證裝配應(yīng)力得以釋放.

2.4 微應(yīng)力裝配效果

從過程數(shù)據(jù)的監(jiān)測來看，整個組件經(jīng)過如上所示的分析和改進(jìn)以后，最終完成了反射鏡組件微應(yīng)力裝配.其中，實(shí)驗(yàn)所測的9個組件在經(jīng)歷和力學(xué)和熱學(xué)試驗(yàn)后，反射鏡面形達(dá)到PV≤0.2λ，RMS≤0.06λ(原方法面形PV≤0.8λ，RMS≤0.13λ)；反射鏡力熱環(huán)試前后反射鏡指向變化由≤2′，提高到≤1′.

3 結(jié) 論

本文介紹了交會對接光學(xué)成像敏感器的功能和基本工作原理，并介紹了金屬反射鏡組件在敏感器整機(jī)中的作用.經(jīng)過結(jié)構(gòu)組成和裝配過程的有限元分析，得出了導(dǎo)致反射鏡組件精度發(fā)生變化的主要因素：反射鏡裝配到反射鏡組件上產(chǎn)生的裝配應(yīng)力，反射鏡組件內(nèi)部及裝配到整機(jī)上過定位導(dǎo)致的裝配應(yīng)力.針對這些問題，在優(yōu)化裝調(diào)流程的基礎(chǔ)上，對裝配應(yīng)力進(jìn)行了有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化了反射鏡和反射鏡支架安裝面的的加工平面度，確定了反射鏡的擰緊力矩；選用柔性材料制作過定位尺寸鏈的零件，對比了改進(jìn)前后的反射鏡指向變化和裝配應(yīng)力，改進(jìn)后大幅減小.通過對裝配過程的分析和改進(jìn)，達(dá)到了反射鏡精度指標(biāo)要求，保證了敏感器測量精度.

本文所述的微應(yīng)力裝配技術(shù)將應(yīng)用于載人工程三期的CRDS產(chǎn)品上，保證交會對接任務(wù)的順利完成，該技術(shù)也可推廣于需要光路折轉(zhuǎn)的光學(xué)產(chǎn)品的研制過程.