一種光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

曹德華

?

一種光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

曹德華

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第50研究所，上海 200331）

光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)是各種航天航空遙感掃描成像系統(tǒng)的重要組成部分，而掃描鏡及轉(zhuǎn)動(dòng)軸系又是其關(guān)鍵因素。從實(shí)際工程應(yīng)用出發(fā)，著重論述一種大尺寸掃描鏡的制備工藝以及光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)軸系的設(shè)計(jì)及校核方案，提出了一種45°平面反射鏡掃描機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)和解決方案，經(jīng)檢驗(yàn)該方案切實(shí)可行。

光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)；掃描鏡制備；軸系設(shè)計(jì)

0 引言

光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)是各種航天航空遙感掃描成像系統(tǒng)的重要組成部分，掃描驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)掃描鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的掃描成像，以獲取目標(biāo)信息[1]。光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)為擴(kuò)大探測(cè)視場(chǎng)、增加空間分辨率，往往采用二維掃描擺鏡繞兩軸擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)大的掃描視場(chǎng)。目前常用的光機(jī)掃描方式有：旋轉(zhuǎn)（擺動(dòng)）的45°平面反射鏡掃描、旋轉(zhuǎn)（擺動(dòng)）的單（雙）面鏡掃描、望遠(yuǎn)鏡整體掃描等。在這些方法中，45°鏡具有掃描鏡尺寸小、可觀測(cè)冷空間作輻射定標(biāo)基準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，在航天遙感儀器中應(yīng)用較多[2]。本文將從實(shí)際工程應(yīng)用出發(fā)，著重論述一種45°平面反射鏡掃描的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)和解決方案。

1 整體設(shè)計(jì)

采用2個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)掃描鏡在水平及垂直方向來(lái)回?cái)[動(dòng)，實(shí)現(xiàn)二維掃描。電機(jī)控制單元向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出步進(jìn)信號(hào)及方向信號(hào)，由驅(qū)動(dòng)器直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。安裝在掃描鏡上的位置傳感器，實(shí)時(shí)獲取掃描鏡擺動(dòng)的位置信息，為掃描鏡2個(gè)維度的位置校準(zhǔn)提供依據(jù)。掃描機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 掃描機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)框圖

掃描鏡為類橢圓型平面鏡，鏡面與系統(tǒng)光軸夾角為45°，步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)掃描鏡實(shí)現(xiàn)來(lái)回?cái)[掃。掃描鏡繞其自身短軸擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)垂直方向的連續(xù)掃描，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)掃描鏡沿系統(tǒng)光軸擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水平方向的步進(jìn)。

為使鏡面相對(duì)于光路只有方位角度的不同而沒(méi)有額外的平移運(yùn)動(dòng)，將二維轉(zhuǎn)軸都穿過(guò)鏡面是最理想的狀態(tài)。但這樣必然要使用一個(gè)比鏡面長(zhǎng)軸還長(zhǎng)的外框架，或者至少要使用一個(gè)比鏡面長(zhǎng)軸的一半要大的U形架，如此必然將使整個(gè)掃描系統(tǒng)顯得龐大而不夠緊湊。

為此，掃描系統(tǒng)不采用轉(zhuǎn)軸穿過(guò)鏡面的方案，而是把兩維軸系置于掃描鏡后面。這樣可以避免使用龐大的外框或U形架，使整個(gè)軸系緊湊地裝配在一起，不僅能夠減小體積和重量，而且緊湊的布局對(duì)于提高軸系剛度和精度都是有利的。（轉(zhuǎn)軸偏置于掃描鏡背面，會(huì)造成掃描圖像存在一定的變形，而掃描鏡厚度僅為10mm，轉(zhuǎn)軸相對(duì)于掃描鏡偏移的距離很小且為固定值，由此造成的變形完全可以在后期進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理時(shí)消除。）同時(shí)，整個(gè)二維軸系與掃描鏡是相對(duì)獨(dú)立的，二維軸系可以看作是一個(gè)單獨(dú)的平臺(tái)，待二維軸系裝配完成后，再將掃描鏡裝上即可。

對(duì)掃描系統(tǒng)軸系進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮以下因素：

1）剛度要求。首先支撐框架承擔(dān)著支撐安裝于其上的部件并連接到轉(zhuǎn)軸的作用，因此應(yīng)確保俯仰、回轉(zhuǎn)2個(gè)軸系的支撐框架具有足夠的剛度，可以支撐起并帶動(dòng)整個(gè)掃描鏡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)而不發(fā)生變形或顫動(dòng)；其次2個(gè)軸系的轉(zhuǎn)軸一方面需要支撐包括框架在內(nèi)的所有軸上零部件，另一方面需要將電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩傳遞到支撐框架上，帶動(dòng)掃描鏡實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)。因此轉(zhuǎn)軸也必須具有足夠的抗彎和抗扭剛度，以確保整個(gè)掃描運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)和精確，實(shí)現(xiàn)掃描精度要求。

2）精度要求。本文設(shè)計(jì)的二維掃描系統(tǒng)，具有很高的掃描精度要求。這就對(duì)掃描系統(tǒng)中各零部件的提出了很高的加工和裝配精度要求。如兩維轉(zhuǎn)軸與鏡面的平行度、兩維軸之間的垂直度，以及軸與軸承之間的安裝間隙等，都需要通過(guò)在加工和裝配過(guò)程中采取相應(yīng)的措施，將這些尺寸控制在合理的偏差范圍之內(nèi)。此外，整個(gè)系統(tǒng)的掃描精度還與控制系統(tǒng)和整個(gè)軸系的剛度有關(guān)，這些因素也需要后期通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真或物理樣機(jī)的試驗(yàn)加以分析和驗(yàn)證。

2 掃描鏡的設(shè)計(jì)

目前常見(jiàn)的掃描鏡制備方法為采用SiC基體材料進(jìn)行機(jī)械加工后得到[3]，這種方法的缺點(diǎn)在于：國(guó)內(nèi)的SiC材料比較欠缺、掃描鏡質(zhì)量較重、基體的機(jī)械加工周期較長(zhǎng)、加工成本較高[4]。而本系統(tǒng)要求制備的掃描鏡為長(zhǎng)軸520mm、短軸380mm的橢圓掃描鏡，尺寸相對(duì)較大。因此，本文將探討另外一種掃描鏡的制備方案：將鏡面鋁板做兩底面，直接在中間澆注泡沫。該方案具有成本低、質(zhì)量輕、易加工、易修改等優(yōu)點(diǎn)。

金屬鋁是制造光學(xué)反射鏡的傳統(tǒng)材料，現(xiàn)在有數(shù)以百計(jì)的反射鏡都是由金屬鋁制造的。擬采用的鏡面鋁板更具備以下特點(diǎn)：價(jià)格穩(wěn)定，節(jié)約成本，反射率極高，節(jié)約能源，質(zhì)地輕巧，易于成型，表面堅(jiān)硬，不易刮傷，可直接加工，無(wú)需預(yù)處理。具體參數(shù)如表1。

表1 鋁材參數(shù)

在2塊鋁板中加采用泡沫材料作為夾心層，以起到增強(qiáng)剛度同時(shí)減輕重量的效果。經(jīng)過(guò)查找資料對(duì)比，選出兩種較為合適的夾心層泡沫塑料：聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）和聚氨基甲酸酯（PU）。

PMI泡沫塑料呈白色到金黃色，平均泡孔尺寸在0.5～1.0mm（隨密度減小而增大）。其泡孔為多面體閉孔結(jié)構(gòu)，閉孔率接近100%。PMI泡沫塑料的密度為30～110kg/m3，在此范圍內(nèi)可按需要制備相應(yīng)密度。

PMI泡沫加工成型非常方便，可以采用木材切割工具進(jìn)行切割和修刨，并且也可將PMI泡沫熱成型制得復(fù)雜形狀滿足復(fù)雜工件對(duì)泡沫形狀的要求。同時(shí)，PMI有非常優(yōu)異的耐溶劑性能。在所有的泡沫中，相同密度條件下對(duì)比，PMI泡沫的強(qiáng)度和剛度最高。因此，在泡沫夾心層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的重量設(shè)計(jì)及優(yōu)化和制造方面，PMI泡沫有明顯的優(yōu)勢(shì)。

表2 PMI泡沫塑料的力學(xué)性能表

聚氨基甲酸酯又稱PU，是由多異氰酸酯與聚醚型或聚醋型多元醇在一定比例下反應(yīng)的產(chǎn)物。PU可以分為彈性體和泡沫塑料兩大類。PU泡沫塑料為PU最主要的品種，約占整個(gè)PU的一半以上。聚氨酯硬泡多為閉孔結(jié)構(gòu)，具有絕熱效果好、重量輕、比強(qiáng)度大、施工方便等優(yōu)良特性，同時(shí)還具有隔音、防震、電絕緣、耐熱、耐寒、耐溶劑等特點(diǎn)。根據(jù)要求的配方的不同，聚氨酯模型型材的密度可以在40～900kg/m3之間任意調(diào)整。輕型聚氨酯夾芯板參數(shù)如表3。

表3 輕型聚氨酯夾芯板參數(shù)

經(jīng)分析，2種夾心材料的性能均可以滿足要求，其中PMI材料的生產(chǎn)廠家極少且供貨周期不能保證、供貨板材厚度也不能根據(jù)需要調(diào)整。PU材料的生產(chǎn)廠家較多，可采用將鏡面鋁板做兩底面，直接澆注PU泡沫的加工成型方法。

經(jīng)計(jì)算，長(zhǎng)軸520mm、短軸380mm的橢圓掃描鏡，由2塊厚度為1mm的鋁板與厚度為8mm PU泡沫塑料粘合后的總質(zhì)量約為1000g，較之傳統(tǒng)的加工手法既縮短了加工周期，也大大減輕了鏡體的質(zhì)量，減輕了電機(jī)和軸的負(fù)載。

3 軸系的設(shè)計(jì)

軸承的摩擦力矩是電機(jī)選型過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮的部分。軸承的總摩擦力矩主要由0和1兩部分組成, 其中0主要是在高速輕載的場(chǎng)合起作用，本系統(tǒng)中掃描鏡的轉(zhuǎn)速較慢，這一部分可以不作考慮。而1主要是彈性滯后和接觸表面的摩擦損耗，可由下式[5]計(jì)算：

1＝11m(1)

式中：1為摩擦系數(shù)；1為軸系靜載荷；m為軸承平均直徑。

3.1 俯仰軸系計(jì)算

俯仰軸系中軸所承擔(dān)的質(zhì)量合計(jì)約為1200g，俯仰軸系采用一個(gè)深溝球軸承和一個(gè)角接觸球軸承，查得其摩擦系數(shù)1為0.004。俯仰軸系的重力＝11.76N，m＝0.5(＋)＝12mm。故單個(gè)軸承的摩擦力矩為：

M1＝0.004×5.88×0.012＝0.00028224N·m＝

0.28224mN·m

整個(gè)俯仰軸系的摩擦力矩為：

＝2×1＝0.56448mN·m

俯仰軸系電機(jī)轉(zhuǎn)速要求為雙向60r/min，帶動(dòng)俯仰軸系轉(zhuǎn)動(dòng)所需的最小力矩為0.56448mN·m，計(jì)算出軸的最小直徑≥1mm。為加工及電機(jī)、軸承及旋轉(zhuǎn)編碼器選取便利，取軸徑為8mm。

根據(jù)三維模型中的仿真結(jié)果，分別計(jì)算俯仰軸系中各個(gè)零件單元的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量后最終相加可得：

＝1.70725g·m2

由要求俯仰軸角加速度：＝4.17rad/s2

電機(jī)所需力矩：

＝×＝0.0071192325N·m＝7.1192325mN·m

3.2 回轉(zhuǎn)軸系計(jì)算

由于回轉(zhuǎn)軸一端為懸臂梁，故此懸臂梁支點(diǎn)為最危險(xiǎn)截面，以此計(jì)算回轉(zhuǎn)軸最小軸徑。俯仰軸系總質(zhì)量約為2kg，懸臂梁長(zhǎng)度為20mm。軸材料選用45鋼調(diào)質(zhì)處理，其抗彎曲疲勞疲勞強(qiáng)度為260MPa。計(jì)算可得回轉(zhuǎn)軸直徑≥3mm，在此取回轉(zhuǎn)軸徑為10mm。

回轉(zhuǎn)軸系電機(jī)摩擦力矩計(jì)算：

回轉(zhuǎn)軸系采用一對(duì)背對(duì)背角接觸球軸承和一個(gè)深溝球軸承。m＝0.5(＋)＝20mm，＝19.6N，每個(gè)軸承需加軸向預(yù)緊力為＝40N，所選角接觸球軸承接觸角＝25°，角接觸軸承采用背對(duì)背安裝，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可得：＝/3＋0.76＝36.93N。

故單個(gè)軸承的摩擦力矩為：

1＝11m＝0.003×36.93×0.02＝

0.0022158N·m＝2.2158mN·m

整個(gè)回轉(zhuǎn)軸系的摩擦力矩為：

＝31＝6.6474mN·m

根據(jù)三維模型中的仿真結(jié)果，分別計(jì)算回轉(zhuǎn)軸系中各個(gè)零件單元的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量后最終相加可得：

＝0.045kg·m2

由要求回轉(zhuǎn)軸角加速度：＝4.17rad/s2

要使掃描鏡達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，電機(jī)所需力矩：

2＝×＝0.18765N·m＝187.65mN·m

而回轉(zhuǎn)軸電機(jī)需同時(shí)帶動(dòng)俯仰軸組件同步轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)算得俯仰軸電機(jī)組件質(zhì)量＝1000g，其重心距離回轉(zhuǎn)軸中心為＝80mm。計(jì)算可得帶動(dòng)俯仰軸電機(jī)組件轉(zhuǎn)動(dòng)所需力矩：

3＝×＝0.784N·m＝784mN·m

回轉(zhuǎn)軸電機(jī)所需力矩為：

＝1＋2＋3＝6.6474＋187.65＋784＝

978.2974mN·m

3.3 軸系精度分析

3.3.1 俯仰軸系

俯仰軸系的精度主要由深溝球軸承內(nèi)圈的徑向跳動(dòng)和軸加工安裝時(shí)的誤差。軸系兩側(cè)軸承的同軸度可以用U形架安裝面的同軸度來(lái)保證。同時(shí)設(shè)定軸與掃描鏡的連接剛度較好，不考慮軸與掃描鏡之間的連接偏差，俯仰軸系偏差如圖2所示。

應(yīng)用范圍較廣的精度等級(jí)為P6級(jí)，經(jīng)查表得軸承內(nèi)圈圓跳動(dòng)為8μm，由此得軸承所引起的掃描鏡偏差為：1＝2＝(45/90)×8＝4mm。另外，按照加工能力和精度要求，查表選定3＝3mm。

可引起的最大偏差為：

經(jīng)計(jì)算，俯仰軸系的運(yùn)動(dòng)誤差為：

圖2 俯仰軸系偏差示意圖

3.3.2 回轉(zhuǎn)軸系

回轉(zhuǎn)軸系的運(yùn)動(dòng)誤差計(jì)算方法與俯仰軸系計(jì)算方法一致，回轉(zhuǎn)軸系偏差如圖3所示。計(jì)算可得：

1＝12.57mm，2＝4.57mm，3＝3mm；

經(jīng)計(jì)算得回轉(zhuǎn)軸系的運(yùn)動(dòng)誤差為：

圖3 回轉(zhuǎn)軸系偏差示意圖

根據(jù)兩個(gè)軸系的計(jì)算結(jié)果，選取應(yīng)用范圍較廣的P6級(jí)精度即可滿足俯仰軸系及回轉(zhuǎn)軸系的精度設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

根據(jù)設(shè)計(jì)方案建模，得到如圖4所示三維模型。經(jīng)測(cè)算，整個(gè)掃描機(jī)構(gòu)的重量約為6kg，機(jī)構(gòu)尺寸約為190mm×185mm×175mm，掃描視場(chǎng)及掃描精度可以滿足要求。

圖4 二維掃描機(jī)構(gòu)模型圖

本文所提出的一種新型的掃描鏡制備工藝，使該掃描系統(tǒng)具備重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、加工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，能夠在實(shí)際工程中應(yīng)用。

[1] 葉虎勇, 陳桂林. 地球同步軌道三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的掃描鏡設(shè)計(jì)及考慮[J]. 紅外技術(shù), 2003, 25(6): 1-5.

Ye Huyong, Chen Guilin. Scanning mirror design considerations of 3-axis stability satellite[J]., 2003, 25(6): 1-5.

[2] 惠彬, 李景鎮(zhèn), 黃虹賓, 等. 45°二維掃描鏡掃描軸系特性分析[J]. 紅外技術(shù), 2006, 28(9): 508-511.

Hui Bin, Li Jingzhen, Huang Hongbin, et al. Optical analysis of space two-axis scanning mirror[J]., 2006, 28(9): 508-511.

[3] 康健, 宣斌, 謝京江. 表面改性碳化硅基底反射鏡加工技術(shù)現(xiàn)狀[J]. 中國(guó)光學(xué), 2013, 6(6): 824-833.

Kang Jian, Xuan Bin, Xie Jingjiang. Manufacture technology status of surface modified silicon carbide mirrors[J]., 2013, 6(6): 824-833.

[4] 劉云猛, 張寶龍. 空間遙感器兩維掃描指向鏡的輕量化設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]. 紅外技術(shù), 2007, 29(12): 688-691.

Liu Yunment, Zhang Baolong. Light-weight design and application of two-dimensional scan pointer mirror in space remote sensor[J]., 2007, 29(12): 688-691.

[5] 蘇周華, 姜紫慶, 賈建軍. 二維跟蹤指向鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程, 2010, 10(6): 1384-1387.

Su Zhouhua, Jiang Ziqing, Jia Jianjun. Research on structure design of two-dimensional tracking pointing mirror[J]., 2010, 10(6): 1384-1387.

Design Scheme for a Kind of Optical-mechanical Scanner

CAO Dehua

(50,200331,)

Optical-mechanical scanner is an essential part of various remote sensing scanning and imaging systems for aerospace. Moreover, scanning mirror and rotational axis are the critical factors of the scanner. From the point of view of application, the preparation procedures of a large size scanning mirror and the scheme of design and calibration for rotational axis systems in optical-mechanical scanner were discussed. A kind of key implementation technology and solution for scanners with 45° plane mirror is proposed. The scheme was proved feasible by inspection..

optical-mechanical scanner，preparation of scanning mirror，design of axis system

TN958

A

1001-8891(2016)03-0193-04

2015-07-07；

2015-10-17.

曹德華（1982-），男，碩士，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究。E-mail：interc_d_h@163.com。