一种反射镜支撑对大口径反射镜制造误差适应性的检验方法、装置及存储介质

摘要

本发明公开了一种反射镜支撑对大口径反射镜制造误差适应性的检验方法，包括：获取反射镜经历工况及各个工况面形指标要求；获取反射镜各个结构参数及各个参数的加工误差范围；采用误差分析链路，分析结构尺寸误差与各工况面形误差的关系，获得各个参数分别与各个工况下反射镜面形误差的关系曲线，并获取各个工况下敏感的参数；并采用所述误差分析链路，将各尺寸误差设置为随机变量，各个工况下的面形误差RMS值为响应变量，误差分布选择为正态分布，获得各个加工误差引入后各个工况下面形误差的参数。本发明还公开了一种装置和存储介质。

说明书

技术领域

本发明涉及光学反射镜技术领域，特别涉及一种反射镜支撑对大口径反射镜制造误差适应性的检验方法、装置及存储介质。

背景技术

随着空间观测对分辨率的要求不断提高，大口径、长焦距成为空间望远镜发展的主要趋势。反射镜是空间望远镜最重要的组成部分，其性能直接关系到望远镜的成像质量。因此，对空间反射镜的设计提出了更严格的要求。反射镜组件设计的主要任务是依据光学系统设计及总体分配的技术指标要求，合理设计镜体及支撑结构以保证组件面形精度满足技术指标要求。反射镜组件结构一旦确定，那么得到的满足技术指标要求的各结构参数理论值也随之确定。然而，反射镜在实际加工过程中加工误差是不可避免的，这些误差的存在可能对反射镜组件的可用性和使用寿命有很大影响。

反射镜支撑结构对反射镜制造误差的适应性是指：反射镜轻量化结构的几何参数在加工误差范围内变化时，在保证初始设计支撑不变的前提下，对反射镜组件面形精度的影响。当加工误差引入以后，大口径碳化硅反射镜参数多，制造公差较大，且加工周期长，当反射镜和支撑加工完成以后再来验证支撑的适应性，如果反射镜支撑无法适应加工误差带来影响使得面形退化超出指标要求则需要重新设计并加工反射镜支撑，这对时间成本和经济成本无疑是一种浪费。

因此，有必要提出相应的解决措施，来避免盲目控制加工精度，增加人力和时间成本。

发明内容

本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种反射镜支撑对大口径反射镜制造误差适应性的检验方法。该方法包括步骤：

S1，获取反射镜经历工况及各个工况面形指标要求；

S2，获取反射镜各个结构参数及各个参数的加工误差范围；

S3，根据设计参数建立所述反射镜及反射镜支撑的三维模型；

S4，采用误差分析链路，分析结构尺寸误差与各工况面形误差的关系，获得各个参数分别与各个工况下反射镜面形误差的关系曲线，并获取各个工况下敏感的参数；

S5，采用所述误差分析链路，将各尺寸误差设置为随机变量，各个工况下的面形误差RMS值为响应变量，误差分布选择为正态分布，获得各个加工误差引入后各个工况下面形误差的参数。

在一些实施例中，所述步骤S3之后还包括步骤：S3.1，对所述三维模型在有限元分析软件中进行壳处理，并根据所述设计参数将壳体赋予相应的参数。

在一些实施例中，所述步骤S1中经历工况具体可包括：重力，温度变化，以及安装面不共面误差等因素设置不同下的工况。

在一些实施例中，所述步骤S2中获取反射镜各个结构参数，可包括获取：前面板厚度，筋组厚度等参数。

在一些实施例中，所述步骤S3，根据设计参数建立所述反射镜及反射镜支撑的三维模型，是通过UG软件实现。

在一些实施例中，所述步骤S3.1，对所述三维模型在有限元分析软件中进行壳处理是通过hypermesh软件实现该壳处理。

在一些实施例中，所述步骤S4中分析结构尺寸误差与各工况面形误差的关系，是采用蒙特卡洛分析方法进行。

在一些实施例中，所述步骤S5中获得各个加工误差引入后各个工况下面形误差的参数中，面形误差参数包括：面形误差RMS值的平均值，最大值，以及低于面形分配指标的概率。

另一方面，本发明还提供了一种反射镜支撑对大口径反射镜制造误差适应性的检验装置，所述检验装置包括：至少一个处理器和存储器；

所述处理器用于执行所述存储器中存储的反射镜支撑对大口径反射镜制造误差适应性的检验程序，以实现如前所述的检验方法。

第三方面，本发明提供了一种计算机存储介质。所述计算机存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被前所述的反射镜支撑对大口径反射镜制造误差适应性的检验装置执行，以实现前所述的检验方法。

可以理解的是，上述第三方面的有益效果可以参见上述第一方面和第二方面的相关描述，在此不再赘述。

本发明的技术效果：本发明公开的反射镜支撑对大口径反射镜制造误差适应性的检验方法和装置，通过获取反射镜经历工况及各个工况面形指标要求；获取反射镜各个结构参数及各个参数的加工误差范围；采用误差分析链路，分析结构尺寸误差与各工况面形误差的关系，获得各个参数分别与各个工况下反射镜面形误差的关系曲线，并获取各个工况下敏感的参数；并采用所述误差分析链路，将各尺寸误差设置为随机变量，各个工况下的面形误差RMS值为响应变量，误差分布选择为正态分布，获得各个加工误差引入后各个工况下面形误差的参数。本发明公开的检测方法和装置在反射镜组件设计初始设计阶段进行检测，将反射镜加工误差作为设计指标考虑，可以有效地节约时间和经济成本；并通过误差分析链路，分析结构尺寸误差与各工况面形误差的关系，获得各个参数分别与各个工况下反射镜面形误差的关系曲线，并获取各个工况下敏感的参数以及分析获得各个加工误差引入后各个工况下面形误差的参数在设计初期预判加工误差引入后各个工况的面形满足指标的情况，可早期有针对性提出新的支撑设计方案。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明一个实施例的一种反射镜支撑对大口径反射镜制造误差适应性的检验方法示意图；

图2为根据本发明一个实施例的一种反射镜支撑对大口径反射镜制造误差适应性的检验方法中反射镜组件所经历的各个工况及各工况面形指标要求示例图；

图3为根据本发明一个实施例的一种反射镜单元网格模型及分组示意图；

图4为根据本发明一个实施例的反射镜支撑对大口径反射镜制造误差适应性的检验方法中的误差分析链路示意图；

图5为根据本发明一个实施例的反射镜参数与1g重力工况下面形误差的关系曲线示意图；

图6为根据本发明一个实施例的1g重力面形误差概率分布图示意图。

具体实施方式

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。

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

反射镜是空间望远镜最重要的组成部分，其性能直接关系到望远镜的成像质量。因此，对空间反射镜的设计提出了更严格的要求。反射镜组件设计的主要任务是依据光学系统设计及总体分配的技术指标要求，合理设计镜体及支撑结构以保证组件面形精度满足技术指标要求。设计中最重要的两项输入是技术性能指标和约束条件，前者是阐述结构正常运行时性能需求，如面形精度、刚体位移、倾角和基频等；后者是确定结构的限制条件，如尺寸、重量、布局等。反射镜组件结构一旦确定，那么得到的满足技术指标要求的各结构参数理论值也随之确定。然而，反射镜在实际加工过程中加工误差是不可避免的，这些误差的存在可能对反射镜组件的可用性和使用寿命有很大影响，因此，在反射镜设计阶段(投入生产之前)检验反射镜支撑结构对反射镜制造误差的适应性是结构设计阶段必不可少的环节之一。

反射镜支撑结构对反射镜制造误差的适应性是指：反射镜轻量化结构的几何参数在加工误差范围内变化时，在保证初始设计支撑不变的前提下，对反射镜组件面形精度的影响。当加工误差引入以后，反射镜面形精度满足指标要求，我们认为反射镜支撑结构对反射镜制造误差的适应性很好。大口径碳化硅反射镜参数多，制造公差较大，且加工周期长，当反射镜和支撑加工完成以后再来验证支撑的适应性，如果反射镜支撑无法适应加工误差带来影响使得面形退化超出指标要求则需要重新设计并加工反射镜支撑，这对时间成本和经济成本无疑是一种浪费。

参考图1所示，本发明实施例提供了一种反射镜支撑对大口径反射镜制造误差适应性的检验方法来解决以上问题，该检验方法包括步骤：

S1，获取反射镜经历工况及各个工况面形指标要求；

S2，获取反射镜各个结构参数及各个参数的加工误差范围；

S3，根据设计参数建立所述反射镜及反射镜支撑的三维模型；

S4，采用误差分析链路，分析结构尺寸误差与各工况面形误差的关系，获得各个参数分别与各个工况下反射镜面形误差的关系曲线，并获取各个工况下敏感的参数；

S5，采用所述误差分析链路，将各尺寸误差设置为随机变量，各个工况下的面形误差RMS值(RMS值为均方根值)为响应变量，误差分布选择为正态分布，获得各个加工误差引入后各个工况下面形误差的参数。

在一些实施例中，所述步骤S3之后还包括步骤：S3.1，对所述三维模型在有限元分析软件中进行壳处理，并根据所述设计参数将壳体赋予相应的参数。

在一些实施例中，所述步骤S1中经历工况具体可包括：重力，温度变化，以及安装面不共面误差等因素设置不同下的工况。

如图2所示，所述检验方法首先确定反射镜组件经历的具体工况如1g重力，20±4℃温度变化载荷，0.1mm安装面的不共面度的装配误差以及各个工况面形指标要求。

在一些实施例中，所述步骤S2中获取反射镜各个结构参数，可包括获取：前面板厚度、后面板厚度以及不同特征筋组厚度等参数。

在一些实施例中，所述步骤S3，根据设计参数建立所述反射镜及反射镜支撑的三维模型，是通过UG软件实现。

在一些实施例中，所述步骤S3.1，对所述三维模型在有限元分析软件中进行壳处理是通过hypermesh软件实现该壳处理。所述检验方法通过UG软件建立所述反射镜及支撑的三维模型，通过hypermesh软件将三维实体模型处理为壳体单元，可有效的节约计算机计算空间和时间，如图3所示，就是主镜壳单元网格模型及分组的示意图，可以看到反射镜各个结构参数，可包括前面板厚度、后面板厚度以及不同特征筋组厚度等参数。

在一些实施例中，所述步骤S4中分析结构尺寸误差与各工况面形误差的关系，是采用蒙特卡洛分析方法进行。

所述检验方法采用蒙特卡洛分析方法进行，蒙特卡洛分析功能是用于对由于随机变量的干预而难以预测的过程中不同结果的概率进行建模。它是一种用于理解预测和预测模型中风险和不确定性影响的技术，用于考察优化解在不确定性环境下的可靠性。具体方法是采用上述如图4所示的Isight误差分析链路，将各尺寸误差设置为随机变量，重力，温度和装配误差的面形误差RMS值分别为响应变量，误差分布选择为正态分布进行分析；

在一些实施例中，所述步骤S5中获得各个加工误差引入后各个工况下面形误差的参数中，面形误差参数包括：面形误差RMS值的平均值，最大值，以及低于面形分配指标的概率。

蒙特卡洛分析获得了各个加工误差引入后的各个工况下(重力，温度和装配误差)面形误差RMS值的平均值，最大值，以及低于面形分配指标的概率等参数。

经过实验检测发现，所述检验方法在大口径碳化硅反射镜的优越性尤为明显，但是不限制反射镜口径和材料。

另一方面，本发明还提供了一种反射镜支撑对大口径反射镜制造误差适应性的检验装置，所述检验装置包括：至少一个处理器和存储器；

所述处理器用于执行所述存储器中存储的反射镜支撑对大口径反射镜制造误差适应性的检验程序，以实现如前所述的检验方法。

第三方面，本发明提供了一种计算机存储介质。所述计算机存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被前所述的反射镜支撑对大口径反射镜制造误差适应性的检验装置执行，以实现前所述的检验方法。

可以理解的是，上述第三方面的有益效果可以参见上述第一方面和第二方面的相关描述，在此不再赘述。

本发明的技术效果：本发明实施例公开的反射镜支撑对大口径反射镜制造误差适应性的检验方法和装置，通过获取反射镜经历工况及各个工况面形指标要求；获取反射镜各个结构参数及各个参数的加工误差范围；采用误差分析链路，分析结构尺寸误差与各工况面形误差的关系，获得各个参数分别与各个工况下反射镜面形误差的关系曲线，并获取各个工况下敏感的参数；并采用所述误差分析链路，将各尺寸误差设置为随机变量，各个工况下的面形误差RMS值为响应变量，误差分布选择为正态分布，获得各个加工误差引入后各个工况下面形误差的参数。本发明公开的检测方法和装置在反射镜组件设计初始设计阶段进行检测，将反射镜加工误差作为设计指标考虑，可以有效地节约时间和经济成本；并通过误差分析链路，分析结构尺寸误差与各工况面形误差的关系，获得各个参数分别与各个工况下反射镜面形误差的关系曲线，并获取各个工况下敏感的参数以及分析获得各个加工误差引入后各个工况下面形误差的参数在设计初期预判加工误差引入后各个工况的面形满足指标的情况，可早期有针对性提出新的支撑设计方案。

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

实施例一：

本实施例提供的反射镜支撑对大口径反射镜制造误差适应性的检验方法首先确定反射镜组件经历的具体工况如1g重力，20±4℃温度变化载荷，0.1mm安装面的不共面度的装配误差以及各个工况面形指标要求，如图2所示。

所述检验方法在反射镜设计完成以后识别反射镜各个结构参数，如前面板厚度，1#筋组厚度等参数，如图3所示，以及各个参数的加工误差如下表1所示；

表1结构尺寸初始公差

所述检验方法需要UG软件建立所述反射镜及支撑的三维模型，通过hypermesh软件将三维实体模型处理为壳体单元，可有效的节约计算机计算空间和时间，如图3所示，并根据设计参数将壳体赋予相应的参数；

所述检验方法通过Isight集成Ansys、Matlab软件，设置误差项和初始误差为变量和变量范围，以各工况下的面形误差RMS值为统计量。Isight通过直接修改Ansys输入文本文件来施加误差项，修改之后的输入文本提交，给Ansys进行结算，Matlab用于统计镜面面形误差，误差链路如图4所示；

所述检验方法根据上述步骤，可以获得各个参数分别与各个工况下反射镜面形误差的关系曲线，获取各个工况下最敏感的参数，如图5所示。参考图5所示，横坐标代表的是反射镜各个参数在公差范围内从最小变化到最大值，纵坐标代表的是对应的重力工况下例如1g重力作用下面形RMS值的变化，斜率越大曲线对应的是越敏感的参数，从图中可知，镜面厚度对应的就是该工况下最敏感的参数。

所述检验方法采用蒙特卡洛分析：具体方法是采用上述Isight误差分析链路(如图4所示)，将各尺寸误差设置为随机变量，重力，温度和装配误差的面形误差RMS值分别为响应变量，误差分布选择为正态分布；

蒙特卡洛分析获得了各个加工误差引入后的各个工况下(重力，温度和装配误差)面形误差RMS值的平均值，标准差，最小值，最大值，以及低于面形分配指标5nm的概率为99％(合格率)如图6和下表2所示；

表2蒙特卡洛分析统计表

本实施例提供的反射镜支撑对大口径反射镜制造误差适应性的检验方法在反射镜组件初始设计阶段，将反射镜加工误差作为设计指标考虑，可以有效地节约时间和经济成本；利用isight集成Ansys、Matlab软件进行参数敏感性分析，识别敏感参数，可在反射镜加工初期人为控制敏感的结构参数，以免在加工完成以后造成不可预估的影响；利用isight集成Ansys、Matlab软件进行蒙特卡洛分析，在设计初期预判加工误差引入后各个工况的面形满足指标的情况，可早期有针对性提出新的支撑设计方案。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

在本发明的描述中，需要理解的是，本发明实施例中中提及的参数、变量以及程序名等符号均可替代成不至混淆的任何其他代号。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

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。

以上所述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作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。