星载迈克尔逊干涉仪扫描角镜装调工艺研究.pdf
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1、宇航材料工艺 http:/ 2024年 第1期 工程实践 星载迈克尔逊干涉仪扫描角镜装调工艺研究李松1,2 江希龙1,2 张迪1,2 李星1,2 赵亨1,2(1 北京空间机电研究所,北京 100094)(2 北京市航空智能遥感装备工程技术研究中心,北京 100094)文摘 针对星载迈克尔逊干涉仪悬臂式扫描角镜组件装调维度多、装调精度高、检测困难等技术难点,提出了一种“向量解析+精密微动调整”方法,通过建立装调及检测基准、将角镜组件简化为空间点向量、采用“先法向后平面”的调整顺序、利用专用精密微动装置等措施,实现了空间多自由度角镜组件的高精度调整,角镜顶点位置对称度装调后达到8 m,优于0.01
2、 mm的设计指标要求,有效提高了装调精度,缩短了装调周期。关键词 角镜组件,空间悬臂,精密微动,装调工艺中图分类号:V465 DOI:10.12044/j.issn.1007-2330.2024.01.013Research on Scanning Angle Mirrors Assembly Technology for Spaceborne Michelson InterferometerLI Song1,2 JIANG Xilong1,2 ZHANG Di1,2 LI Xing1,2 ZHAO Heng1,2(1 Beijing Institute of Space Mechanics
3、and Electronics,Beijing 100094)(2 Beijing Aviation Intelligent Remote Sensing Equipment Engineering Technology Research Center,Beijing 100094)AbstractAiming at the technical difficulties of the cantilever scanning corner mirrors assembly of spaceborne Michelson interferometer,such as multi-dimension
4、,high precision,difficult detection and etc.,a method of vector analysis+precision micro-adjustment was proposed,which included establishing the installation and detection benchmark,simplifying the angle mirrors to a spatial point vector,adopting the adjustment sequence of first method to back plane
5、 and using special precision micro-motion device,etc.And finally the high-precision adjustment of the spatial multi-degree-of-freedom angle mirrors assembly was realized.After the adjustment,the symmetry of the vertex position of the angle mirrors reaches 0.008 mm,which is superior to the design acc
6、uracy of 0.01 mm.The adjustment accuracy is improved effectively and the adjustment cycle is shortened.Key words Angle mirror assembly,Space cantilever,Precision micro-motion,Assembly and adjustment technology0 引言随着全球气候形势日益严峻,当下各国对碳中和的呼声越来越高1-2。大气中 CO2,CH和 NO等温室气体的增加是全球变暖和气候变化的主要原因3,温室气体监测是调控温室气体排放的
7、重要手段,温室气体在轨遥感探测因具有覆盖面积大、连续快速、相对成本较低等优势4,正在成为当前大气遥感中的一个重要领域和发展方向。“风云三号”D卫星针对温室气体探测布局了近红外高光谱温室气体监测仪,通过获取对流层底CO2和CH4浓度的分布信息,监测全球CO2和CH4的季节变化和长期趋势5-6。该气体监测仪光学系统采用双摆臂迈克尔逊干涉仪系统,其核心部件采用“V”形摆臂式双角镜悬臂结构,由“V”形摆臂加两组角镜组件构成,见图1。两组角镜对称安装在“V”形摆臂的两侧,要求两组角镜顶点的空间位置相对摆臂中心面的对称度优于10 m。目前,国内外类似结构的装调工艺研究参考文献较少,给空间悬臂式迈克尔逊收稿
8、日期:2022-12-02第一作者简介:李松,1981年出生,工学学士,工程师,主要从事航天器光机结构件精密加工及装配的研究工作。E-mail: 98宇航材料工艺 http:/ 2024年 第1期干涉仪角镜装调带来诸多不便7-8。本文主要针对角镜组件的装调难点进行分析,提出相应控制措施,解决空间多自由度角镜组件装调难题。1 干涉仪角镜组件工作原理两组角镜对称安装在“V”形摆臂上,工作时,入射光束经分束器分为两路,两路光束分别经角镜反射,角镜组件在驱动机构带动下绕挠性转轴往复扫描,使两路光束形成随时间变化的光程差,在干涉仪输出端形成相应干涉场,角镜组件工作示意图如图2所示。通过对干涉图数据进行逆
9、 FFT变换,就能得到干涉仪所观测物体的光谱信息,两路光束干涉得到的双边干涉图如图3所示。干涉图直接决定光谱图的品质,干涉图与两路光束光程差的速度直接相关,光程差速度是角镜顶点到转轴中心距离R的函数9,由此角镜组件装调的对称度对监测仪性能有直接的影响。结合监测仪口径,响应波长等系统参数,2组角镜顶点的对称度需保证在10 m以内。角镜组件的装调是干涉仪的核心工艺,需要识别工艺难点,梳理工艺流程,制定解决措施。2 干涉仪角镜组件装调原理及工艺流程角镜组件对称安装在摆臂上,角镜顶点位置对称度要求10 m,安装位置如图1所示。装配前已完成摆臂组合加工、精研摆臂各安装面,保证零件形位精度满足要求。装调时
10、,先将两侧角镜组件预安装至摆臂上,三坐标测量仪分别检测角镜顶点的位置P1、P2,每组角镜由3片相互垂直的平面镜组成,角镜顶点的位置通过检测平面镜平面来确定,以其中一侧的角镜顶点P1为基准点,将基准点关于过枢轴中心线的对称中心面镜像至另一侧,得到另一侧的理论安装点P1,通过分析理论安装点与实际安装点P2的位置,然后将实际安装点调整至理论点。由于角镜组件安装面限制了其中一个装调维度,所以角镜顶点的空间位置调整分解为在摆臂安装面内二维平移调整和安装面法向调整。通过对零件结构和装配技术要求进行分析,结合三维模型进行试装配,对装配流程进行了优化设计,采用先预装调再精调的工序,在预装调及精调后均安排三坐标
11、进行检测,为后续调整提供依据,调整完成后通过配制销钉进行限位。制定的装配流程见图4。图2角镜组件工作示意图Fig.2Schematic diagram of corner mirror assembly图1角镜组件安装模型Fig.1Installation model of angle mirror assembly图3双边干涉图Fig.3Bilateral interferogram图4角镜组件装配流程图Fig.4Flow chart of corner mirror assembly 99宇航材料工艺 http:/ 2024年 第1期3 干涉仪角镜组件装调技术难点及解决措施3.1 装调技术
12、难点干涉仪角镜组件的装调主要有以下难点:(1)角镜组件安装到摆臂后,为空间悬臂结构,角镜组件安装位置无法直接测量,需要建立适当的检测基准;(2)为保证角镜顶点的空间位置,调整维度多,调整量无法确定,需建立简化模型确定调整维度及调整量;(3)确定了调整维度及调整量后,还需要设计合理的调整顺序,否则将导致角镜组件反复拆卸,影响装调效率及精度;(4)角镜顶点位置对称度要求高,调整精度高,需借助专用的微位移调整装置进行调整。3.2 解决措施3.2.1 建立装调及检测基准基准的建立,不仅影响装调及检测是否方便,而且影响最终装调精度。为减少基准转换带来误差,以摆臂基准A作为装调及检测的基准面。两组角镜绕枢
13、轴摆扫,因此以枢轴安装孔轴线建立角镜安装基准轴线OO1,以过轴线OO1且垂直于基准A的面建立角镜的对称中心面,基准建立半剖示意图见图5。3.2.2 简化模型,计算调整量通过对结构形式和装调要点进行分析,角镜组件可以简化为角镜的顶点P1、P2,两个顶点的空间位置调整可分解为在摆臂安装面内二维平移调整和安装面法向调整。构建的简化模型及三维坐标系如图6装位置;P1为右侧角镜的理论正确安装位置,P1和P1关于摆臂的对称中心面镜像对称。以过枢轴安装孔的轴线建立z轴;过点P1、P1并垂直枢轴安装孔轴线建立xOy坐标平面;枢轴安装孔轴线与xOy坐标平面的交点为坐标原点O;以摆臂对称中心面和xOy坐标平面的交
14、线(过原点O)为y轴;在xOy坐标平面内,过P1、P1点作与y轴成45的直线,直线的交点为O,角镜的理论安装位置用“OP1”、“OP1”表示。已知其中一个空间点P1(x1,y1,z1)及对称面:Ax+By+Cz+D=0(A2+B2+C2 0),可 以 求 得关于平面的对称点P1(x1,y1,z1),在图6所示坐标系中,对称面方程为x=0,计算得出P1坐标为:x1=x1-2A()Ax1+By1+Cz1+DA2+B2+C2=-x1y1=y1-2B()Ax1+By1+Cz1+DA2+B2+C2=y1z1=z1-2C()Ax1+By1+Cz1+DA2+B2+C2=z1(1)由于OP1与Y轴夹角45,从
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