本发明涉及一种用于空间相机结构稳定化的方法，特别是一种用于航天遥感器对尺寸或位置精度要求较高的组件结构达到稳定的方法，属于空间相机结构装调技术领域。
背景技术：
空间相机结构在加工装调过程中，结构内部可能会产生如下应力：金属材料在铸造、焊接和切削加工过程中，零件内部会产生残余应力；各零件加工过程中形成尺寸公差、形状位置公差会产生装配应力；柔性结构变形会在组件内部产生残余应力；碳纤维复合材料经过胶接组装后，内部产生残余应力等。组件内部的应力可导致相机结构的尺寸稳定性和机械性能下降。
振动时效、热时效及自然时效都可以降低结构的残余应力，但自然时效所需时间较长、效率低，因此在零件加工中多数采用振动时效和热时效来降低加工应力。在由赵长喜于2008年第3期《航天制造技术》上发表的“振动消除应力技术应用研究”一文中描述：振动就是对金属构件施加周期性的作用力。在振动过程中，施加到金属构件各部分的作用力与内部残余应力叠加，当叠加幅值大于金属构件的屈服极限时，这些点晶格滑移，产生微小的塑性变形，达到释放残余应力的目的。热时效是通过把工件加热到相变温度以下来加速应力释放，其周期较自然时效大为缩短，应用广泛。
一般的振动时效和热时效通常运用在零件加工中，可消除较大的加工应力，但对于装配完成的相机结构组件，尤其是含有光学件等敏感零件的组件，一般的振动时效和热时效方法无法实施。且对于空间相机来说，为保证成像质量，需要将某些光学组件的稳定性控制在μm级，一般去应力方法无法实现。因此需针对组件特性，对消应力振动条件及热真空条件进行严格控制。
技术实现要素：
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于空间相机结构稳定化的方法，该方法通过力学、热循环试验促使高精度组件结构迅速达到稳定。
本发明的技术解决方案是：
一种用于空间相机结构稳定化的方法，步骤如下：
(1)将空间相机中待稳定化的结构组件固定安装到工装的表面；
(2)在结构组件的待测试部位和工装上均固定安装基准量块，得到组合体；
(3)对步骤(2)得到的组合体进行三坐标测量，记录基准量块的位置值w1；
(4)将步骤(3)得到的组合体在振动台上进行x、y、z三个方向的小量级消应力振动试验；
(5)对步骤(4)得到的组合体进行三坐标测量，记录基准量块的位置值w2，并与步骤(3)得到的位置值w1进行比较，得到位置变化量δ1，若位置变化量δ1大于要求值则重复步骤(4)再次进行x、y、z三个方向的小量级消应力振动试验，若位置变化量δ1小于等于要求值则进行步骤(6)；
(6)对步骤(5)得到的组合体在振动台上进行x、y、z三个方向的稳定性振动试验；
(7)对步骤(6)得到的组合体进行三坐标测量，记录基准量块的位置值w3，并与步骤(5)得到的位置值w2进行比较，得到位置变化量δ2，若位置变化量δ2大于要求值则重复步骤(4-6)，若位置变化量δ2小于等于要求值则进行步骤(8)；
(8)对步骤(7)得到的组合体进行热循环试验；
(9)对步骤(8)得到的组合体进行三坐标测量，记录基准量块的位置值w4，并与步骤(7)得到的位置值w3进行比较，得到位置变化量δ3，若位置变化量δ3大于要求值则重复步骤(8)，若位置变化量小于等于要求值则试验结束。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明方法通过力学试验与热循环试验相结合，消除组件内的加工应力、装配应力等，可使结构迅速达到稳定；
(2)本发明方法采用小量级、多次试验的方法，确保相机结构的安全性；
(3)本发明方法通过将相机结构组件与工装连接，并在工装及组件上安装高精度基准量块，以基准量块的位置变化代替结构组件的变形，简化了测量方法，节省测量时间；
(4)本发明方法通过建立两个坐标系、多次测量、取三点计算重心位置变化的方法，保证测量数据的准确性；
(5)一种用于空间相机结构稳定化的方法，将相机结构组件与稳定化试验工装连接，安装基准量块，进行三坐标测量，记录基准量块位置；然后进行小量级消应力试验，试验后通过三坐标测量基准量块位置变化判定组件敏感部位位置变化。若变化量超出要求值，则再次进行小量级消应力试验，若变化量小于要求值，则继续进行稳定性试验。试验后判定位置变化量，若变化量超出要求值，则重复上述操作直至变化量小于要求值，结构达到稳定；若变化量小于要求值，则继续进行热循环试验。试验后判定位置变化量，若变化量超出要求值，则再次进行热循环试验，直至变化量小于要求值，结构达到稳定；若变化量小于要求值，则试验结束，组件结构已达到稳定化。本发明方法通过多次力、热时效试验，可使对尺寸或位置精度要求较高的组件结构达到稳定。
附图说明
图1为本发明试验方法的流程框图；
图2为本发明试验方法中组合体的组成示意图；
图3为本发明的方法中直角坐标系o1x1y1z1建立图；
图4为本发明的方法中直角坐标系o2x2y2z2建立图。
具体实施方式
一种用于空间相机结构稳定化的方法，步骤如下：
(1)将空间相机中待稳定化的结构组件2固定安装到工装1的表面；所述的工装1用于结构组件2与振动台的转接，即结构组件2安装到工装1上后，工装1连同结构组件2一起安装到振动台上，用于进行振动试验；工装1上还提供基准量块的接口；
(2)在结构组件2的待测试部位均匀固定安装三个基准量块5，三个基准量块5分别为基准量块c1、基准量块c2和基准量块c3；
在工装1上首先均匀固定安装三个基准量块4，三个基准量块4分别为基准量块b1、基准量块b2和基准量块b3；基准量块b1与结构组件2的中心连线记为l1，基准量块b2与结构组件2的中心连线记为l2，基准量块b3与结构组件2的中心连线记为l3，l1与l2之间的夹角、l2与l3之间的夹角、l1与l3之间的夹角均为120°；在经过基准量块b1且与l1垂直的直线上还分布有两个基准量块a2和基准量块a3，基准量块a2和基准量块a3位于基准量块b1的两侧且基准量块a2到基准量块b1的距离与基准量块a3到基准量块b1的距离相等；在经过基准量块b2且与l2垂直的直线上还分布有两个基准量块a4和基准量块a5，基准量块a4和基准量块a5位于基准量块b2的两侧且基准量块a4到基准量块b2的距离与基准量块a5到基准量块b2的距离相等；在经过基准量块b3且与l3垂直的直线上还分布有两个基准量块a1和基准量块a6，基准量块a1和基准量块a6位于基准量块b3的两侧且基准量块a1到基准量块b3的距离与基准量块a6到基准量块b3的距离相等，得到组合体；
在三坐标测量过程中，上述的基准量块a1、基准量块a2、基准量块a3、基准量块a4、基准量块a5、基准量块a6、基准量块b1、基准量块b2、基准量块b3、基准量块c1、基准量块c2以及基准量块c3的五个非安装表面均能够被测量到；
(3)将步骤(2)得到的组合体进行三坐标测量，记录基准量块a1、基准量块a2、基准量块a3、基准量块a4、基准量块a5、基准量块a6、基准量块b1、基准量块b2、基准量块b3、基准量块c1、基准量块c2以及基准量块c3的位置值w1；
(4)将步骤(2)得到的组合体固定安装到振动台上，进行x、y、z三个方向的小量级消应力振动试验；
(5)对步骤(4)得到的组合体进行三坐标测量，记录基准量块a1、基准量块a2、基准量块a3、基准量块a4、基准量块a5、基准量块a6、基准量块b1、基准量块b2、基准量块b3、基准量块c1、基准量块c2以及基准量块c3的位置值w2，并与步骤(3)得到的位置值w1进行比较，得到位置变化量，若位置变化量大于要求值则重复步骤(4)，若位置变化量小于等于要求值则进行步骤(6)；
(6)对步骤(4)得到的组合体固定安装到振动台上，进行x、y、z三个方向的稳定性振动试验；
(7)对步骤(6)得到的组合体进行三坐标测量，记录基准量块a1、基准量块a2、基准量块a3、基准量块a4、基准量块a5、基准量块a6、基准量块b1、基准量块b2、基准量块b3、基准量块c1、基准量块c2以及基准量块c3的位置值w3，并与步骤(5)得到的位置值w2进行比较，得到位置变化量，若位置变化量大于要求值则重复步骤(4-6)，若位置变化量小于等于要求值则进行步骤(8)；
(8)对步骤(7)得到的组合体进行热循环试验；
(9)对步骤(8)得到的组合体进行三坐标测量，记录基准量块a1、基准量块a2、基准量块a3、基准量块a4、基准量块a5、基准量块a6、基准量块b1、基准量块b2、基准量块b3、基准量块c1、基准量块c2以及基准量块c3的位置值w4，并与步骤(7)得到的位置值w3进行比较，得到位置变化量，若位置变化量大于要求值则重复步骤(8)，若位置变化量小于等于要求值则试验结束。
所述的步骤(1)中，工装1一般为圆形或正方形，尺寸比结构组件2大，提供安装结构组件2和基准量块的接口，一阶频率大于结构组件2一阶频率的5倍；
所述的步骤(2)中的基准量块为20mm×20mm×20mm的不锈钢立方体，中间打孔用于固定在工装1上；除安装面外其余5个面的平面度要求均为0.002mm，夹角要求均为90°±40″；
所述的步骤(4)中，小量级消应力振动试验条件要低于稳定性振动试验，为稳定性振动试验条件的四分之三；
所述的步骤(6)中，稳定性振动试验的条件为一已知值，该已知值一般为一条曲线，是从空间相机分系统分解到待稳定化的结构组件2的振动试验条件；
所述的步骤(8)中，热循环试验条件一般为：真空度优于1.3x10-3pa；温度变化率不大于3℃/1h；温度循环：室温到45℃，保温4h，然后降温到20℃，保温4h；循环次数：2次；
所述的步骤(3)、(5)和(7)中，三坐标测量时，设基准量块a1的一个顶点为顶点a1，基准量块a2的一个顶点为顶点a2，基准量块a3的一个顶点为顶点a3，基准量块a4的一个顶点为顶点a4，基准量块a5的一个顶点为顶点a5，基准量块a6的一个顶点为顶点a6，基准量块b1的一个顶点为顶点b1，基准量块b2的一个顶点为顶点b2，基准量块b3的一个顶点为顶点b3，基准量块c1的一个顶点为顶点c1，基准量块c2的一个顶点为顶点c2，基准量块c3的一个顶点为顶点c3；
基准量块a1的顶点a1的获取方法为：通过测量相邻的三个平面的交点得到；其他顶点的获取方法同顶点a1；
直角坐标系o1x1y1z1定义为：原点o1为顶点a3到顶点a1和顶点a5的连线的垂足；原点o1到顶点a5的连线为x1轴；原点o1到顶点a3的连线为y1轴；z1轴按照右手定则确定；
直角坐标系o2x2y2z2定义为：原点o2为顶点a6到顶点a2和顶点a4的连线的垂足；原点o2到顶点a2的连线为x2轴；原点o2到顶点a6的连线为y2轴；z2轴按照右手定则确定；
所述的步骤(3)、(5)和(7)中三坐标测量时，分别在坐标系o1x1y1z1和o2x2y2z2中测量顶点a1-a6、b1-b3、c1-c3的坐标；重复测量两次，记录如表1；
表1顶点a1-a6、b1-b3、c1-c3的坐标值
所述的步骤(3)、(5)和(7)中三坐标测量时，顶点a1-a6为基准点，试验前后对应点相减变化应小于等于3μm；顶点b1-b3位置变化值由b1-b3的重心位置b的变化来代替，分为水平变化和竖直变化，两个方向变化均小于3μm；顶点c1-c3的判定及计算方法与b1-b3相同；分别在ox1y1z1和ox2y2z2坐标系下进行计算，详细计算方法如下：
顶点b1-b3位置变化值由b1-b3的重心位置b的变化来代替，顶点b1-b3的重心位置b的水平变化为：
顶点b1-b3的重心位置b的垂直变化为：
如图1所示为本发明试验方法的流程框图，图2为本发明方法所用试验装置的结构组成图。其中1为需要进行稳定化试验的相机结构组件，2为试验工装，组件与工装需设计接口连接。图2中的3、4、5均为基准量块，分别标记为a、b、c，各基准量块均为立方体，设计接口与工装连接，并在四周点502胶固定。按图3、4所示坐标系，将各量块的顶点分别定义为a1-a6、b1-b3、c1-c3。
将图2的组合体进行振动试验消应力及热循环试验消应力，其中振动试验条件分两种：稳定性振动试验条件和小量级消应力振动试验条件。稳定性振动试验条件一般为从相机分系统分解到组件的振动试验条件，小量级消应力振动试验条件要低于稳定性振动试验，推荐为稳定性振动试验的四分之三。每次振动前后均进行三坐标测量，判定基准量块顶点的坐标变化量，以此判定组件结构是否稳定。若不稳定则重复振动试验消应力，若稳定则进行热循环试验消应力。热循环试验消应力条件一般为：真空度优于1.3x10-3pa；温度变化率不大于3℃/1h；温度循环：室温→45℃(保温4h)→20℃(保温4h)；循环次数：2次。热循环试验前后均进行三坐标测量，判定基准量块顶点的坐标变化量，以此判定组件结构是否稳定。若不稳定则重复热循环试验消应力，若稳定则试验结束。
在进行判定结构是否稳定的三坐标测量中，图3为坐标系o1x1y1z1的建立，建立方法为：o1为a3到直线a1a5的垂足，以o1为原点,以o1a5为x1轴，以o1a3为y1轴建立直角坐标系o1x1y1z1。图4为坐标系o2x2y2z2的建立，建立方法为：o2为a6到直线a2a4的垂足以o2为原点，以o2a2为x2轴，以o2a6为y2轴建立直角坐标系o2x2y2z2。分别在坐标系o1x1y1z1，o2x2y2z2中测量点a1-a6、b1-b3、c1-c3的坐标。重复测量两次，记录；根据坐标数据计算角度数据。a1-a6为基准点，试验前后对应点相减变化应小于3μm；b1-b3位置变化由b1-b3的重心位置b的变化来代替，分为水平变化和竖直变化，两个方向变化均小于3μm；c1-c3的判定及计算方法与b1-b3相同。
本试验方法可以通过力学试验与热循环试验相结合，消除组件内的加工应力、装配应力等，可使结构迅速达到稳定，保证组件结构在整机装配后的尺寸稳定性及位置稳定性。可广泛应用于各种对尺寸稳定性及位置稳定性精度要求较高的结构形式。
实施例
空间相机的结构组件2的外轮廓尺寸为φ200mm×100mm，工装1尺寸为φ720mm×70mm。
要求稳定性振动试验的频率范围为20～2000hz，总均方根为4.87grms，加载时间为2分钟。在力学试验和热循环试验过程中，判定基准量块位置变化要求值为小于等于3μm。
结构组件稳定化的试验方法，过程如下：
(1)将空间相机中待稳定化的结构组件2固定安装到工装1的表面；所述的工装1用于结构组件2与振动台的转接，即结构组件2安装到工装1上后，工装1连同结构组件2一起安装到振动台上，用于进行振动试验；工装1上还提供基准量块的接口；
(2)在结构组件2的待测试部位均匀固定安装三个基准量块，分别为基准量块c1、基准量块c2和基准量块c3；
在工装1上首先均匀固定安装三个基准量块，分别为基准量块b1、基准量块b2和基准量块b3；基准量块b1与结构组件2的中心连线记为l1，基准量块b2与结构组件2的中心连线记为l2，基准量块b3与结构组件2的中心连线记为l3，l1与l2之间的夹角、l2与l3之间的夹角、l1与l3之间的夹角均为120°，l1、l2、l3长度均为220mm；在经过基准量块b1且与l1垂直的直线上还分布有两个基准量块a2和基准量块a3，基准量块a2和基准量块a3位于基准量块b1的两侧且基准量块a2到基准量块b1的距离与基准量块a3到基准量块b1的距离相等，均为225mm；在经过基准量块b2且与l2垂直的直线上还分布有两个基准量块a4和基准量块a5，基准量块a4和基准量块a5位于基准量块b2的两侧且基准量块a4到基准量块b2的距离与基准量块a5到基准量块b2的距离相等，均为225mm；在经过基准量块b3且与l3垂直的直线上还分布有两个基准量块a1和基准量块a6，基准量块a1和基准量块a6位于基准量块b3的两侧且基准量块a1到基准量块b3的距离与基准量块a6到基准量块b3的距离相等，均为225mm，得到组合体；
(3)将步骤(2)得到的组合体进行三坐标测量，记录基准量块a1、基准量块a2、基准量块a3、基准量块a4、基准量块a5、基准量块a6、基准量块b1、基准量块b2、基准量块b3、基准量块c1、基准量块c2以及基准量块c3的位置值w1；
(4)将步骤(2)得到的组合体固定安装到振动台上，进行x、y、z三个方向的小量级消应力振动试验；
(5)对步骤(4)得到的组合体进行三坐标测量，记录基准量块a1、基准量块a2、基准量块a3、基准量块a4、基准量块a5、基准量块a6、基准量块b1、基准量块b2、基准量块b3、基准量块c1、基准量块c2以及基准量块c3的位置值w2，并与步骤(3)得到的位置值w1进行比较，得到位置变化量，若位置变化量大于要求值则重复步骤(4)，若位置变化量小于等于要求值则进行步骤(6)；
(6)对步骤(4)得到的组合体固定安装到振动台上，进行x、y、z三个方向的稳定性振动试验；
(7)对步骤(6)得到的组合体进行三坐标测量，记录基准量块a1、基准量块a2、基准量块a3、基准量块a4、基准量块a5、基准量块a6、基准量块b1、基准量块b2、基准量块b3、基准量块c1、基准量块c2以及基准量块c3的位置值w3，并与步骤(5)得到的位置值w2进行比较，得到位置变化量，若位置变化量大于要求值则重复步骤(4-6)，若位置变化量小于等于要求值则进行步骤(8)；
(8)对步骤(7)得到的组合体进行热循环试验；
(9)对步骤(8)得到的组合体进行三坐标测量，记录基准量块a1、基准量块a2、基准量块a3、基准量块a4、基准量块a5、基准量块a6、基准量块b1、基准量块b2、基准量块b3、基准量块c1、基准量块c2以及基准量块c3的位置值w4，并与步骤(7)得到的位置值w3进行比较，得到位置变化量，若位置变化量大于要求值则重复步骤(8)，若位置变化量小于等于要求值则试验结束。
稳定化试验过程测试数据如表2所示。根据表中数据可以看出通过该稳定化试验方法，组件结构测量点的位置变化量逐渐变小，最终满足小于等于3μm的要求，组件内部应力释放，结构趋于稳定，方法有效。
表2稳定化试验过程中的测试数据
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。