星載紅外探測器調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

浦前帥，翟巖，文大化，梅貴

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033）

星載紅外探測器可晝夜全天候獲取地面信息，提供清晰快捷的紅外圖像，在軍事偵察技術(shù)中具有不可替代的作用。星載紅外探測器在發(fā)射過程及工作時(shí)所處的環(huán)境條件（如沖擊、振動(dòng)、壓力、溫度等）非常復(fù)雜，為保證在復(fù)雜環(huán)境條件下紅外探測器的成像質(zhì)量，要求紅外探測器不但要有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能，而且應(yīng)具有良好的環(huán)境適應(yīng)性能，尤其是對溫度、壓力變化的適應(yīng)性［1］。由于環(huán)境條件的變化，紅外探測器的焦面將產(chǎn)生不同程度的偏移，為保證紅外探測器在復(fù)雜環(huán)境條件下的成像質(zhì)量，需對紅外探測器像面的變化加以校正，因此設(shè)計(jì)一套補(bǔ)償紅外探測器像面偏離的調(diào)焦機(jī)構(gòu)是十分必要的［2-4］。

1 調(diào)焦機(jī)構(gòu)的工作原理

不同光學(xué)系統(tǒng)其調(diào)焦方式不同，常用的調(diào)焦方式主要有鏡組移動(dòng)式、焦面反射鏡移動(dòng)式和焦平面移動(dòng)式幾種［5］，根據(jù)紅外探測器的結(jié)構(gòu)形式、調(diào)焦精度及使用環(huán)境條件，本文選擇鏡組移動(dòng)的調(diào)焦方式，即通過沿光軸移動(dòng)調(diào)焦鏡組改變焦面位置來達(dá)到調(diào)焦的目的。

在實(shí)際操作過程當(dāng)中，首先由地面遙控站分析探測器下傳的實(shí)際圖像質(zhì)量，判斷出調(diào)焦鏡組偏離理想位置的距離和方向，然后將比較差值通過遙控指令傳給功率驅(qū)動(dòng)器，以控制調(diào)焦電機(jī)工作，調(diào)焦電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)過齒輪和蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞給滾珠絲杠，移動(dòng)調(diào)焦鏡組，使景物像清晰地成在相機(jī)的焦平面上［6，7］。圖1所示為調(diào)焦原理框圖。

圖1 調(diào)焦原理框圖

2 調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 調(diào)焦機(jī)構(gòu)主要性能指標(biāo)

項(xiàng)目總體對調(diào)焦機(jī)構(gòu)提出的主要性能指標(biāo)如下：

（1）安裝空間為一個(gè)不規(guī)則空間形狀，主要尺寸如圖2所示；

（2）重量不超過630g；

（3）一階諧振頻率大于100Hz；

（4）調(diào)焦范圍±2mm，調(diào)焦精度0.06mm；

圖2 調(diào)焦機(jī)構(gòu)安裝空間尺寸

2.2 調(diào)焦機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

按照總體對調(diào)焦機(jī)構(gòu)提出的空間尺寸的要求，設(shè)計(jì)了如圖3所示的調(diào)焦機(jī)構(gòu)：主要由調(diào)焦電機(jī)、齒輪、蝸輪蝸桿、滾珠絲杠、編碼器、調(diào)焦鏡組和導(dǎo)軌滑塊組成。調(diào)焦電機(jī)借助減速裝置將動(dòng)力傳遞給滾珠絲杠，滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)了把步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為透鏡組沿光軸方向的直線移動(dòng)。反饋調(diào)焦鏡組位置的傳感器是14位絕對式光電軸角編碼器。

調(diào)焦底板占整個(gè)調(diào)焦機(jī)構(gòu)的比重最大，因此選用密度和成本都較低的鋁合金作為調(diào)焦底板的材料，這樣既可以做到與探測器本體材料一致，同時(shí)還能控制成本，減輕整機(jī)重量。其它零部件的選型時(shí)，在保證性能的前提下，盡量選取了重量輕的型號。設(shè)計(jì)完成的調(diào)焦機(jī)構(gòu)總重量約為600g，滿足重量要求。

圖3 調(diào)焦組件結(jié)構(gòu)示

2.3 減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使調(diào)焦機(jī)構(gòu)具有較高的調(diào)整精度，需要較大的減速比。減速裝置的結(jié)構(gòu)形式有多種，考慮調(diào)焦組件工作時(shí)應(yīng)具有良好的位置穩(wěn)定性，采用具有自鎖功能的蝸輪蝸桿傳動(dòng)形式，減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理如圖4所示。

圖4 減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理圖

調(diào)焦電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)過齒輪和蝸輪蝸桿傳遞給滾珠絲杠，再由滾珠絲杠帶動(dòng)調(diào)焦鏡組在直線導(dǎo)軌上前后移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)焦功能。一對齒輪的模數(shù)為0.5，齒數(shù)分別為z1=24和 z2=30，蝸桿模數(shù)為0.5，頭數(shù)為 z3=1，蝸輪模數(shù)為0.5，齒數(shù)為z4=33，因此減速機(jī)構(gòu)的總速比為：

2.4 絲杠導(dǎo)程設(shè)計(jì)

探測器都有一定的允許離焦量，在允許離焦量范圍之內(nèi)，不會(huì)造成圖像分辨率的下降。允許離焦量的最大值等于相機(jī)的半倍焦深，計(jì)算公式如下：

式中：±Δ表示焦深；F表示F數(shù)（相對孔徑的倒數(shù)）；λ表示相機(jī)工作的中心波長。紅外探測器的半焦深為：

根據(jù)要求，紅外探測器的調(diào)焦精度為0.06mm，調(diào)焦范圍±2mm。

為了便于調(diào)焦編碼器計(jì)數(shù)，編碼器運(yùn)轉(zhuǎn)360°應(yīng)能完整讀取調(diào)焦鏡組在調(diào)焦范圍內(nèi)所有位置的碼值，而滾珠絲杠直接驅(qū)動(dòng)編碼器，因此編碼器運(yùn)轉(zhuǎn)一周時(shí)，正好對應(yīng)滾珠絲杠一個(gè)導(dǎo)程，由于調(diào)焦范圍為±2mm，因此絲杠的導(dǎo)程不能小于4mm，考慮到項(xiàng)目中對于整機(jī)重量的嚴(yán)格控制，不宜將絲杠導(dǎo)程設(shè)計(jì)得過大，否則會(huì)導(dǎo)致絲杠整體尺寸偏大，重量偏重，因此將絲杠的導(dǎo)程設(shè)計(jì)為4mm。

步進(jìn)電機(jī)為四向八拍工作方式，每步轉(zhuǎn)角1.8°，通過減速機(jī)構(gòu)變速，電機(jī)每運(yùn)轉(zhuǎn)一步絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為：

那么，電機(jī)每運(yùn)轉(zhuǎn)一步對應(yīng)絲杠移動(dòng)的直線距離為：

該直線距離小于調(diào)焦精度0.06mm，因此絲杠導(dǎo)程的設(shè)計(jì)是合理可行的。

2.5 調(diào)焦電機(jī)選型

調(diào)焦電機(jī)為整個(gè)調(diào)焦機(jī)構(gòu)提供力矩，為了使機(jī)構(gòu)能夠穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，首先需要對整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行所需的力矩進(jìn)行計(jì)算。電機(jī)輸出的總力矩可由下式計(jì)算：

式中，Ma為電機(jī)啟動(dòng)加速力矩，Mf為導(dǎo)軌摩擦折算至電機(jī)的力矩。

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)采用矩形驅(qū)動(dòng)時(shí)，其啟動(dòng)加速力矩為：

式中，JO為轉(zhuǎn)子慣量（kg×m2），JL為全負(fù)載慣量（kg×m2），θs為馬達(dá)步距角（°/STEP），f為矩形驅(qū)動(dòng)時(shí)的脈沖頻率（Hz）。將上述參數(shù)的實(shí)際數(shù)據(jù)代入公式（7）可得Ma=4.68mNm。

導(dǎo)軌摩擦折算至電機(jī)的力矩Mf為：式中，u為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，W為滑動(dòng)部件總重量（N），s為絲杠導(dǎo)程（cm），η為傳遞效率，i為傳動(dòng)比。將上述參數(shù)的實(shí)際數(shù)據(jù)代入公式（8）可得Mf=0.172×10-6Nm。

因此，電機(jī)輸出的總力矩為：

選用Phytron公司型號為VSS25的電機(jī)，其保持轉(zhuǎn)矩為12mNm，達(dá)到了理論上系統(tǒng)所需力矩的2.56倍，由此可見，電機(jī)的力矩裕度足夠。

3 調(diào)焦誤差分析

調(diào)焦誤差主要包括編碼器誤差、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)誤差兩部分。編碼器誤差包括分度誤差δ1和編碼器測角誤差δ2。14位絕對式光電軸角編碼器的分度誤差為：

其測角誤差為：

因此編碼器誤差為兩部分之和：

傳動(dòng)誤差包括從減速器誤差δ3、滾珠絲杠傳遞到編碼器的誤差δ4和導(dǎo)軌的傳動(dòng)誤差δ5。以目前光機(jī)所的機(jī)械加工精度，減速器誤差可控制在δ3=2μm以內(nèi)。滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌都選用THK公司精度等級為C0級的高精度絲杠和導(dǎo)軌，滾珠絲杠傳遞到編碼器誤差可控制在為δ4=0.51μm以內(nèi)，直線導(dǎo)軌的誤差可控制在δ5=0.36μm以內(nèi)。整個(gè)調(diào)焦機(jī)構(gòu)的誤差為各部分誤差之和：

因此，該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)滿足調(diào)焦精度不超過0.06mm的要求。

4 調(diào)焦機(jī)構(gòu)模態(tài)分析

探測器整機(jī)的一階基頻約為80Hz，為了保證調(diào)焦機(jī)構(gòu)不與整機(jī)發(fā)生共振，調(diào)焦機(jī)構(gòu)的一階基頻應(yīng)達(dá)到100Hz以上。

為了研究調(diào)焦機(jī)構(gòu)的頻率特性，利用ANSYS軟件對調(diào)焦機(jī)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，選用六面體實(shí)體單元對各零部件進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，相接觸的零部件之間添加接觸對，將調(diào)焦底板的三處安裝凸臺進(jìn)行固定約束，前三階模態(tài)頻率計(jì)算結(jié)果如表1所示，一階振型如圖5所示，調(diào)焦機(jī)構(gòu)的一階諧振頻率為155Hz，滿足指標(biāo)要求。

表1 調(diào)焦機(jī)構(gòu)前三階模態(tài)頻率

圖5 調(diào)焦機(jī)構(gòu)一階振型圖

5 調(diào)焦精度測試

為了驗(yàn)證該調(diào)焦機(jī)構(gòu)的精度是否滿足使用要求，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行了精度測試。

在調(diào)焦機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)部件表面上粘貼一塊平面反射鏡，用光電自準(zhǔn)直儀對調(diào)焦鏡組在全行程直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的傾斜量進(jìn)行了檢測。檢測結(jié)果表明，機(jī)構(gòu)在X方向傾斜±4.9″、在Y方向傾斜±2.2″；在調(diào)焦組件的中部放置一塊電子千分表，對調(diào)焦機(jī)構(gòu)在全行程直線運(yùn)動(dòng)中的定位精度進(jìn)行檢測，檢測數(shù)據(jù)表明，該調(diào)焦機(jī)構(gòu)的定位精度達(dá)到0.003mm，滿足項(xiàng)目總體提出的指標(biāo)要求。環(huán)境試驗(yàn)前后，調(diào)焦機(jī)構(gòu)的精度基本沒有發(fā)生變化。

6 結(jié)論

調(diào)焦機(jī)構(gòu)是星載紅外探測器的重要組成部分，本文根據(jù)探測器的工作環(huán)境以及調(diào)焦精度的要求，設(shè)計(jì)了一種具有自鎖功能的調(diào)焦機(jī)構(gòu)，闡述了其減速機(jī)構(gòu)、絲杠導(dǎo)程的設(shè)計(jì)方法，各零部件的設(shè)計(jì)既滿足了性能要求，又最大限度得降低了成本、減輕了重量。對機(jī)構(gòu)進(jìn)行的誤差分析表明其調(diào)焦精度優(yōu)于0.06mm，模態(tài)分析結(jié)果顯示，整個(gè)調(diào)焦機(jī)構(gòu)的一階基頻為155Hz，滿足空間環(huán)境的使用要求。

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