遙感器真空成像三維光學(xué)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王振仁，劉寶瑞，王華新，張 克

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

0 引言

隨著遙感器研制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多相機(jī)組合技術(shù)。多相機(jī)組合體一般由2～4 臺(tái)相機(jī)組合而成，在進(jìn)行真空成像試驗(yàn)時(shí)，需要將每臺(tái)相機(jī)的鏡頭逐一對(duì)準(zhǔn)真空平行光管進(jìn)行光學(xué)測(cè)試。在以往的真空成像試驗(yàn)中，多相機(jī)組合體在真空容器中每完成一臺(tái)相機(jī)的光學(xué)測(cè)試，就需要停止試驗(yàn)，恢復(fù)至常溫常壓，由測(cè)試人員進(jìn)入容器內(nèi)調(diào)整組合體姿態(tài)，將下一臺(tái)相機(jī)調(diào)整至測(cè)試位后，再進(jìn)行真空成像試驗(yàn)工況的測(cè)試。如此循環(huán)往復(fù)，既浪費(fèi)時(shí)間，又浪費(fèi)試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。

本文設(shè)計(jì)研制了一種三維光學(xué)檢測(cè)裝置。使用該裝置，在建立好的真空成像試驗(yàn)工況下，多相機(jī)組合體只需一次裝配即可完成全部相機(jī)的光學(xué)測(cè)試，既可提高環(huán)境試驗(yàn)效率，保障產(chǎn)品試驗(yàn)過(guò)程質(zhì)量受控，還可以拓展真空熱環(huán)境下的檢測(cè)項(xiàng)目，優(yōu)化多相機(jī)真空成像試驗(yàn)方法[1]。

服務(wù)于多相機(jī)組合體的三維光學(xué)檢測(cè)裝置在高低溫真空環(huán)境下至少需要具備如下功能：

1）平臺(tái)能運(yùn)動(dòng)自如；

2）可實(shí)現(xiàn)相機(jī)切換的平移，平移精度要求達(dá)到0.1 mm；

3）可實(shí)現(xiàn)全視場(chǎng)檢測(cè)的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)精度要求達(dá)到0.1°；

4）在空間環(huán)境模擬容器內(nèi)使用非電力驅(qū)動(dòng)裝置，避免對(duì)遙感器產(chǎn)生電磁干擾；

5）機(jī)械臺(tái)體的最大承載重量為3000 kg。

1 三維光學(xué)檢測(cè)裝置組成及工作原理

遙感器真空成像三維光學(xué)檢測(cè)裝置由機(jī)械臺(tái)體、控制系統(tǒng)和控溫系統(tǒng)組成（見(jiàn)圖1）。機(jī)械臺(tái)體位于空間環(huán)境模擬容器內(nèi)，由軌道、位移支撐平臺(tái)、旋轉(zhuǎn)載物平臺(tái)和俯仰機(jī)構(gòu)組成，可實(shí)現(xiàn)相機(jī)的平移、旋轉(zhuǎn)和俯仰?？刂葡到y(tǒng)包括俯仰、旋轉(zhuǎn)、位移3 個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的模擬容器外驅(qū)動(dòng)裝置和模擬容器內(nèi)機(jī)械裝置，它們通過(guò)穿艙的磁流體密封組件連接。模擬容器內(nèi)無(wú)電力控制系統(tǒng)，從而避免對(duì)遙感器產(chǎn)生電磁干擾。利用控制系統(tǒng)可在真空試驗(yàn)條件下在模擬容器外對(duì)機(jī)械臺(tái)體進(jìn)行精確調(diào)整?？販叵到y(tǒng)可保證機(jī)械臺(tái)體在高低溫環(huán)境下正常工作。

圖1 三維光學(xué)檢測(cè)裝置組成 Fig.1 Composition of the 3-D optical detection device

將遙感器置于三維光學(xué)檢測(cè)裝置的旋轉(zhuǎn)載物平臺(tái)或俯仰機(jī)構(gòu)上并固定，建立好真空成像試驗(yàn)中第一個(gè)試驗(yàn)工況后，關(guān)閉模擬容器大門，待真空容器內(nèi)環(huán)境達(dá)到要求后進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。在需要切換相機(jī)或調(diào)整檢測(cè)裝置姿態(tài)時(shí)，在模擬容器外驅(qū)動(dòng)各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)該檢測(cè)裝置使其平移、旋轉(zhuǎn)或俯仰，實(shí)現(xiàn)多相機(jī)組合體的位置精確切換，使相機(jī)逐一對(duì)準(zhǔn)真空平行光管，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真空條件下相機(jī)的全視場(chǎng)光學(xué)檢測(cè)。檢測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中，可通過(guò)檢測(cè)裝置上裝配的球柵測(cè)量系統(tǒng)在模擬容器外的顯示儀上讀取檢測(cè)裝置的位移、旋轉(zhuǎn)角度，以便精確調(diào)整遙感器的全視場(chǎng)光學(xué)檢測(cè)光路。

2 三維光學(xué)檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械臺(tái)體

機(jī)械臺(tái)體（見(jiàn)圖2）的軌道上是位移支撐平臺(tái)，它主要由支撐板、輪系組件組成。支撐平臺(tái)采用304 方鋼焊接成型，以保證良好的熱縮比和低出氣率。支撐平臺(tái)下方安裝有平移機(jī)構(gòu)，上方依次為第一旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、第二旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和俯仰機(jī)構(gòu)。

圖2 三維光學(xué)檢測(cè)裝置的機(jī)械臺(tái)體俯視圖 Fig.2 The bird-view of the mechanical platform of three-dimensional optical detection device

平移機(jī)構(gòu)包括位移減速器、主動(dòng)輪和從動(dòng)輪。主動(dòng)輪采用雙十字萬(wàn)向聯(lián)軸器與減速器輸出軸連接，可消除裝配過(guò)程中車輪軸與減速器輸出軸的裝配誤差。主動(dòng)輪的材料為45#鋼，表面滾直紋，以增加與導(dǎo)軌之間的摩擦力。

支撐平臺(tái)與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)之間、兩個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)之間均由8 個(gè)均勻分布的支撐輪座和1 個(gè)旋轉(zhuǎn)中心支撐。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)與支撐座之間安裝聚四氟乙烯（摩擦系數(shù)為0.04）墊圈，可保證即使支撐座軸承在低溫環(huán)境中卡死，也不會(huì)影響平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)中心起限位作用，確保旋轉(zhuǎn)不偏心[2]。第二旋轉(zhuǎn)平臺(tái)可拆卸，拆卸后的第一旋轉(zhuǎn)平臺(tái)可滿足較大規(guī)格遙感器的小角度旋轉(zhuǎn)[3]。

為滿足中等口徑相機(jī)環(huán)境試驗(yàn)的要求，應(yīng)盡量降低三維光學(xué)檢測(cè)裝置的整體高度。只安裝第一旋轉(zhuǎn)平臺(tái)時(shí)，平臺(tái)上表面至平行光管中心距離為1300 mm，安裝第二旋轉(zhuǎn)平臺(tái)后該距離為1130 mm，保證了相機(jī)視場(chǎng)不會(huì)超出平行光管范圍；同時(shí)，確保位移減速器底板不會(huì)與模擬容器內(nèi)底面冷板接觸。

支撐平臺(tái)和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上分別裝有1 個(gè)旋轉(zhuǎn)減速器。旋轉(zhuǎn)減速器主動(dòng)齒輪與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)齒條配合 時(shí)，應(yīng)保證側(cè)隙在1～2 mm 之間，以避免熱脹冷縮而使得主動(dòng)齒輪與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)齒條卡死。

俯仰機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)式千斤頂與減速器組成（見(jiàn) 圖3），可根據(jù)光學(xué)遙感器真空成像試驗(yàn)需求安裝于第一或第二旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的任意位置，通過(guò)旋轉(zhuǎn)式千斤頂來(lái)調(diào)整工裝俯仰。千斤頂?shù)撞繛?0 mm 厚的玻璃鋼墊片，既可保證減速器輸出軸與千斤頂輸入軸的同軸度，又可起隔熱作用，防止旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的冷量傳遞到俯仰機(jī)構(gòu)。俯仰機(jī)構(gòu)的最大承重為3200 kg，可升降高度為110 mm。

圖3 俯仰機(jī)構(gòu) Fig.3 The pitching mechanism

三維光學(xué)檢測(cè)裝置主體結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度硬鋁材料，厚度為40 mm，在保證可靠性的前提下減輕了整車重量[4]。對(duì)第二旋轉(zhuǎn)平臺(tái)施加10 000 Pa 的壓力，當(dāng)該平臺(tái)半徑為1 m 時(shí)，相當(dāng)于承重為3184 kg，滿足設(shè)計(jì)要求；以平移機(jī)構(gòu)的主動(dòng)輪與從動(dòng)輪為支撐時(shí)，其最大變形量為0.31 mm，滿足遙感器測(cè)試過(guò)程中底板最大變形量≤0.5 mm 的要求[5]。三維光學(xué)檢測(cè)裝置的受力仿真分析如圖4所示。

圖4 三維光學(xué)檢測(cè)裝置受力變形 Fig.4 Mechanical deformation of the 3-D optical detection device

2.2 控制系統(tǒng)控制

控制系統(tǒng)是整個(gè)裝置設(shè)計(jì)的核心部分，包括俯仰、旋轉(zhuǎn)和位移3 個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制，它們均由模擬容器外驅(qū)動(dòng)裝置、磁流體密封組件、鋼絲軟軸和減速器組件組成。光學(xué)遙感器隨檢測(cè)裝置進(jìn)入模擬容器后，連接軟軸與容器壁的磁流體密封組件；關(guān)閉容器大門，在容器外，通過(guò)模擬容器外驅(qū)動(dòng)裝置分別驅(qū)動(dòng)各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)軸，并將扭矩通過(guò)磁流體密封組件傳遞給容器內(nèi)軟軸組件，再傳遞至各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的減速器組件，各減速器的輸出力矩分別驅(qū)動(dòng)檢測(cè)裝置的位移、旋轉(zhuǎn)、俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)控制（見(jiàn)圖5）。

圖5 三維光學(xué)檢測(cè)裝置控制系統(tǒng) Fig.5 The control system of the 3-D optical detection device

2.2.1 磁流體密封組件

磁流體密封是由外磁場(chǎng)在磁極與導(dǎo)磁軸或?qū)Т泡S套之間形成一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)回路；在磁極與導(dǎo)磁軸的間隙內(nèi)加注一種鐵磁流體，鐵磁流體在磁場(chǎng)的約束下，在間隙內(nèi)形成一個(gè)液態(tài)O 型圈，將間隙填塞住，從而達(dá)到密封目的。磁流體密封組件位于模擬容器外側(cè)，通過(guò)專用法蘭與模擬容器相連，將驅(qū)動(dòng)力向容器內(nèi)傳導(dǎo)[6]。

磁流體在真空密封、防塵密封中有廣泛應(yīng)用，其密封壓力真空度可達(dá)1.33×10-6Pa，軸徑為1.6～250 mm，傳遞轉(zhuǎn)速可達(dá)15 000 r/min。

2.2.2 軟軸組件

磁流體密封組件固定于容器壁，當(dāng)三維光學(xué)檢測(cè)裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)，減速器輸入軸與磁流體密封組件輸出軸間會(huì)產(chǎn)生空間位移。此時(shí)，由軟軸組件滿足工作時(shí)彼此要求有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的空間傳動(dòng)。

軟軸組件由鋼絲軟軸、軟管、軟軸接頭和軟管接頭組成。按照用途不同，軟軸又分為功率型（G型）和控制型（K 型）。三維光學(xué)檢測(cè)裝置的軟軸選用功率型。軟軸尺寸應(yīng)根據(jù)所需傳遞的扭矩、轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向、工作中的彎曲半徑以及傳遞距離等使用要求選擇。為保證檢測(cè)裝置勻速運(yùn)動(dòng)，軟軸轉(zhuǎn)速須低于額定轉(zhuǎn)速來(lái)獲取恒轉(zhuǎn)矩傳遞動(dòng)力。軟軸直徑可以根據(jù)式(1)選定，

式中：T0為軟軸能傳遞的最大轉(zhuǎn)矩；T為軟軸從動(dòng)端所需轉(zhuǎn)矩；k1為過(guò)載系數(shù)，當(dāng)短時(shí)最大轉(zhuǎn)矩小于軟軸無(wú)彎曲時(shí)所能傳遞的最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，k1=1，否則取兩者的比值；k2為軟軸轉(zhuǎn)向系數(shù)，旋轉(zhuǎn)時(shí)軟軸外層鋼絲趨于繞緊則k2=1，趨于旋松則k2≈1.5；k3為軟軸支撐情況系數(shù)，當(dāng)鋼絲軟軸在軟管內(nèi)的支撐跨距與軟軸直徑之比小于50 時(shí)k3≈1，當(dāng)比值大于150 時(shí)k3≈1.25；n為軟軸工作轉(zhuǎn)速，r/min；n0為軟軸額定轉(zhuǎn)速，r/min；η為軟軸的傳動(dòng)效率，通常為0.7～1，當(dāng)軟軸無(wú)彎曲工作時(shí)η=1，彎曲半徑越小則彎曲越大，則η值越小。

可以根據(jù)三維光學(xué)檢測(cè)裝置所選用的減速器 參數(shù)計(jì)算出軟軸的直徑。以位移運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制為例，所選減速器的減速比i=300，輸出扭矩M2= 21 000 N·cm，機(jī)械效率η減= 50%，則減速器輸入端的輸入扭矩為

減速器輸入端的輸入扭矩即軟軸從動(dòng)端的轉(zhuǎn)矩T。減速器的最高輸入轉(zhuǎn)速為1400 r/min，為使軟軸以恒定扭矩傳遞動(dòng)力，軟軸的額定轉(zhuǎn)速應(yīng)高于減速器最高輸入轉(zhuǎn)速，即n0＞n。由表1可知，直徑為13 mm 的軟軸的額定轉(zhuǎn)速為n=1750 r/min，故先選取該規(guī)格軟軸進(jìn)行校核。

表1 軟軸在額定轉(zhuǎn)速n0 時(shí)能傳遞的最大轉(zhuǎn)矩T0 Table1 The maximum torque T0 that can be delivered by the soft shaft at rated speed n0

因?yàn)閚＜n0，所以取n=n0=1750 進(jìn)行計(jì)算，并取k1=2，k2=1.5，k3=1.25，η=0.8，則根據(jù)式(1)可計(jì)算出，當(dāng)T=140 N·cm 時(shí)，T0=656.25 N·cm。根據(jù)軟軸實(shí)際使用工況，軟軸最小彎曲半徑≥1000 mm，因此選取直徑為13 mm 的軟軸可以滿足該裝置控制系統(tǒng)的使用要求。

2.2.3 減速器

三維光學(xué)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)承載重量為3000 kg，當(dāng)檢測(cè)裝置在模擬容器內(nèi)工作時(shí)，需要較大的扭矩來(lái)提供動(dòng)力，因此選用蝸輪蝸桿減速器。這種減速器還具有體積小、傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。但使用時(shí)需對(duì)減速器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)：

1）為了避免減速器中的液體潤(rùn)滑油在真空環(huán)境中溢出對(duì)相機(jī)鏡頭造成污染，將潤(rùn)滑劑改為固體二硫化鉬。二硫化鉬與金屬表面的結(jié)合能力強(qiáng)，而且在-270～350 ℃的高真空環(huán)境中具有良好的固體潤(rùn)滑性能。

2）將減速器輸入軸蝸桿與軸承接觸部位的直徑銑去0.2 mm，以解決在低溫情況下軸承將蝸桿抱死的問(wèn)題。

3）將鋼絲軟軸輸出驅(qū)動(dòng)軸端與減速器輸入軸蝸桿裝配完成后焊死，避免冷環(huán)境下軟軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程 中，輸入軸與減速器輸入蝸桿脫開(kāi)。

2.3 控溫系統(tǒng)

真空熱試驗(yàn)時(shí)，模擬容器內(nèi)的溫度會(huì)從常溫降到-190 ℃。由于三維光學(xué)檢測(cè)裝置在高低溫真空環(huán)境中工作，減速器和軸類零件等會(huì)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，所以需要采取合理的熱控措施來(lái)保證其工作溫度，避免低溫環(huán)境對(duì)檢測(cè)裝置工作性能的影響。

控溫系統(tǒng)由主動(dòng)熱控和被動(dòng)熱控兩部分組成。

1）主動(dòng)熱控通過(guò)熱補(bǔ)償方式提高減速器溫度并控制溫度合理分布。為減速器設(shè)計(jì)控溫艙，各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的減速器均放置在控溫艙內(nèi)，控溫艙盡量與減速器表面貼合，且在外表面粘貼電加熱器；在每個(gè)加熱區(qū)與減速器外表面粘貼熱偶進(jìn)行溫度反饋，實(shí)現(xiàn)控溫目標(biāo)可調(diào)，控溫誤差不超2 ℃。

2）被動(dòng)熱控對(duì)維持減速器溫度有重要作用。在減速器與位移支撐平臺(tái)之間安裝玻璃鋼墊片進(jìn)行隔熱，并用多層隔熱組件對(duì)減速器小艙進(jìn)行包覆。

3 實(shí)際應(yīng)用

在某型號(hào)光學(xué)遙感器真空成像試驗(yàn)歷程內(nèi)，完成了4 臺(tái)光學(xué)相機(jī)在各個(gè)試驗(yàn)工況下多次位置切 換。試驗(yàn)工況穩(wěn)定，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，測(cè)試項(xiàng)目齊 全，首次實(shí)現(xiàn)了同一工況條件下的全視場(chǎng)光學(xué)檢測(cè)，同時(shí)也使該型號(hào)遙感器的試驗(yàn)周期縮短半個(gè)月。此次試驗(yàn)，全面驗(yàn)證了遙感器真空成像三維光學(xué)檢測(cè)裝置的使用性能。在試驗(yàn)中，該平臺(tái)的平移精度達(dá)到0.01 mm，旋轉(zhuǎn)精度達(dá)到0.01°，均滿足功能設(shè)計(jì)需求。

試驗(yàn)中，該裝置的驗(yàn)證數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 三維光學(xué)檢測(cè)裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù) Table2 The test data of three-dimensional optical detection device

4 結(jié)束語(yǔ)

利用空間環(huán)境模擬容器進(jìn)行遙感器的熱真空成像試驗(yàn)，可驗(yàn)證熱光學(xué)分析的正確性和溫度指標(biāo)的合理性。本文中的遙感器三維光學(xué)檢測(cè)裝置自研制成功起，已多次應(yīng)用于熱真空成像試驗(yàn)，驗(yàn)證了其工作的可靠性和實(shí)用性。

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