一種空間相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

范洪杰，董吉洪，李威，張遠(yuǎn)清，郭權(quán)峰

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

一種空間相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

范洪杰，董吉洪，李威，張遠(yuǎn)清，郭權(quán)峰

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

為補(bǔ)償空間相機(jī)由于溫度、軌道高度變化，以及運(yùn)載過程中沖擊和振動(dòng)等影響引起的離焦，并滿足空間相機(jī)質(zhì)量更輕、體積更小的需求，設(shè)計(jì)了一種調(diào)焦機(jī)構(gòu)。該調(diào)焦機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)和諧波齒輪減速器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，精密滾珠絲杠進(jìn)行傳動(dòng)，直線軸承進(jìn)行導(dǎo)向，絕對(duì)式編碼器與滾珠絲杠同軸安裝測(cè)量，總質(zhì)量?jī)H為1.4千克。論述了調(diào)焦機(jī)構(gòu)的方案選擇，給出了調(diào)焦機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。分析計(jì)算了調(diào)焦機(jī)構(gòu)的的調(diào)焦誤差，理論誤差為5.1μm，滿足調(diào)焦精度要求。此外，利用有限元對(duì)輕量化后的調(diào)焦機(jī)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，結(jié)果表明其結(jié)構(gòu)剛度較高，滿足使用要求。

調(diào)焦機(jī)構(gòu)；誤差分析；模態(tài)分析；諧波齒輪減速器

隨著人類對(duì)地球地表信息、月球及近地行星表面信息獲取需求的逐步增加，適用于各種用途的、性能更高、應(yīng)用環(huán)境更苛刻的空間相機(jī)的研發(fā)目前已成為各國研究的熱點(diǎn)。空間相機(jī)一般都有專門的調(diào)焦機(jī)構(gòu)用來補(bǔ)償溫度、軌道高度變化、大氣壓力變化，以及運(yùn)載過程中沖擊、振動(dòng)等因素造成的離焦，使探測(cè)器的感光面準(zhǔn)確與光學(xué)系統(tǒng)的焦平面對(duì)應(yīng)，以保證空間相機(jī)獲得清晰的圖像［1，2］。

調(diào)焦機(jī)構(gòu)根據(jù)其應(yīng)用類型、相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)、工作環(huán)境、焦深大小、用途通常有以下幾種方式：鏡頭移動(dòng)式、反射鏡移動(dòng)式和像面移動(dòng)式［3，4］。對(duì)于空間相機(jī)，鏡頭尺寸一般較大，因而一般采用反射鏡移動(dòng)式或像面移動(dòng)式調(diào)焦方式。采用像面移動(dòng)式調(diào)焦方式，調(diào)焦機(jī)構(gòu)的質(zhì)量會(huì)很大，而空間相機(jī)各組件質(zhì)量有嚴(yán)格的要求，因此，為了減輕調(diào)焦系統(tǒng)的重量，縮短相機(jī)尺寸，空間相機(jī)通常采用反射鏡移動(dòng)式的調(diào)焦方式，即在空間相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器感光面之間放置一個(gè)平面反射鏡，如圖1所示。

圖1　某空間相機(jī)系統(tǒng)光路圖

通過移動(dòng)平面反射鏡完成對(duì)相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)焦距的調(diào)節(jié)，本文設(shè)計(jì)的即是一種應(yīng)用于空間相機(jī)反射鏡移動(dòng)式調(diào)焦的調(diào)焦機(jī)構(gòu)。

1　調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1驅(qū)動(dòng)方式的選擇

空間相機(jī)的調(diào)焦機(jī)構(gòu)一般采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)沒有累積誤差，控制方便，其轉(zhuǎn)速僅取決于脈沖頻率，不受電壓、電流和溫度的影響，具有可靠性高和精度高等優(yōu)點(diǎn)［5］。

空間相機(jī)對(duì)調(diào)焦機(jī)構(gòu)需求的調(diào)焦量為：±2mm，調(diào)焦精度為：±0.01mm，質(zhì)量為：不大于1.5kg。調(diào)焦量較小，調(diào)焦精度不高，理論上采用步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)也可滿足要求。但是，步進(jìn)電機(jī)使用方波電流驅(qū)動(dòng)，其中含有大量的高次諧波，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪音。一般可采用步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的方法減小振動(dòng)的影響，但細(xì)分驅(qū)動(dòng)存在掉電不能自鎖的缺點(diǎn)［6］。采用直驅(qū)方式，對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩要求較高，滿足要求的步進(jìn)電機(jī)質(zhì)量會(huì)較大。此外，直驅(qū)方式對(duì)控制精度要求較高，出現(xiàn)電機(jī)失步現(xiàn)象時(shí)，調(diào)焦精度將無法實(shí)現(xiàn)。因而，調(diào)焦機(jī)構(gòu)需采用步進(jìn)電機(jī)加減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。

空間相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)采用的減速機(jī)構(gòu)一般有渦輪蝸桿減速器、行星齒輪減速器、斜面減速機(jī)構(gòu)和諧波齒輪減速器。渦輪蝸桿減速器一般體積較大，傳動(dòng)效率不高，輸入軸和輸出軸不在同一平面上；行星齒輪減速器零部件多，徑向尺寸大；斜面減速器的質(zhì)量一般較大。而空間相機(jī)對(duì)調(diào)焦機(jī)構(gòu)的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)空間有嚴(yán)格的要求，采用上述幾種減速器的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)性不高［7］。

諧波齒輪減速器是一種依靠波發(fā)生器使柔性齒輪產(chǎn)生可控的彈性變形波，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳動(dòng)的減速機(jī)構(gòu)，如圖2所示，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單主要由剛輪、柔輪和波發(fā)生器三個(gè)部分組成。目前，諧波齒輪減速器已應(yīng)用于多臺(tái)空間飛行器，包括月球車、哈勃望遠(yuǎn)鏡、火星觀測(cè)器和探測(cè)器以及國際空間站等空間機(jī)構(gòu)中。諧波齒輪減速器的體積和重量只有普通減速器的30%左右或更低，這對(duì)于質(zhì)量和體積有嚴(yán)格要求的空間相機(jī)的尤為關(guān)鍵［8，9］。

考慮到諧波齒輪減速器相對(duì)其他減速器在質(zhì)量和體積上的優(yōu)勢(shì)以及在航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，調(diào)焦機(jī)構(gòu)最終采用步進(jìn)電機(jī)加諧波齒輪減速器驅(qū)動(dòng)的方案。

1.2傳動(dòng)方式的選擇

調(diào)焦機(jī)構(gòu)通常采用滾珠絲杠或者凸輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)焦鏡沿光軸的移動(dòng)。凸輪機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗沖擊力強(qiáng)，但空間要求一般較大［10，11］。而本文設(shè)計(jì)的調(diào)焦機(jī)構(gòu)對(duì)空間有嚴(yán)格的要求，并不適用。因而，調(diào)焦機(jī)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)靈活的滾珠絲杠傳動(dòng)，并利用直線軸承導(dǎo)向。

綜上，調(diào)焦機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)和諧波減速器驅(qū)動(dòng)，滾珠絲杠傳動(dòng)，直線軸承導(dǎo)向，絕對(duì)式編碼器和滾珠絲杠同軸安裝進(jìn)行位置反饋的設(shè)計(jì)方案，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。

圖3　調(diào)焦機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

1.3傳動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)

調(diào)焦機(jī)構(gòu)選用德國Phytron公司VSS32.200. 0.06-HD08/50型步進(jìn)電機(jī)和諧波減速器一體化產(chǎn)品，步進(jìn)電機(jī)步距角1.8°，諧波減速器減速比1：50，絲杠導(dǎo)程選擇為4mm，則調(diào)焦步進(jìn)精度a為：

其中，e為滾珠絲杠導(dǎo)程，取4mm；p為步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，步進(jìn)角為1.8°，則每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為200；i為減速機(jī)構(gòu)的速比，取50。

滾珠絲杠的一端安裝14位絕對(duì)式編碼器，結(jié)合導(dǎo)程為4mm的絲杠，可得調(diào)焦機(jī)構(gòu)的分辨率ε為0.24μm。

由于調(diào)焦機(jī)構(gòu)的精度需求為±10μm，調(diào)焦機(jī)構(gòu)步進(jìn)精度和編碼器分辨率的選取較為合理，考慮機(jī)構(gòu)傳動(dòng)誤差的情況，傳動(dòng)精度與位置檢測(cè)精度能夠匹配且滿足調(diào)焦精度需求。

2　調(diào)焦精度分析

調(diào)焦機(jī)構(gòu)的調(diào)焦誤差由傳動(dòng)誤差、測(cè)量誤差、阿貝誤差和工作溫度變化造成的誤差四項(xiàng)組成［12，13］。

2.1傳動(dòng)誤差

傳動(dòng)誤差由步進(jìn)電機(jī)、諧波齒輪減速器和滾珠絲杠的傳動(dòng)誤差造成。

步進(jìn)電機(jī)的傳動(dòng)誤差主要由步距角誤差和其控制誤差組成，一般為一個(gè)步距角，諧波減速器的傳動(dòng)誤差一般為2′～3′。根據(jù)選型參數(shù)，步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8°，諧波減速器減速比為1∶50，絲杠導(dǎo)程4mm，則其造成的調(diào)焦誤差為：

滾珠絲杠傳動(dòng)誤差主要由滾珠絲杠的傳動(dòng)精度決定。滾珠絲杠的傳動(dòng)精度主要由絲杠、螺母的軸向間隙和導(dǎo)程精度引起。滾珠絲杠采用有預(yù)壓的G0型，其軸向間隙為0或以下，絲杠的精度選擇C0級(jí)，絲杠在300mm行程內(nèi)任意段的定位精度0.003mm，轉(zhuǎn)化為調(diào)焦精度σ2為3μm。

2.2測(cè)量誤差

編碼器選擇以色列Netzer公司生產(chǎn)的DS-58型絕對(duì)編碼器，其測(cè)量精度為14位，編碼器旋轉(zhuǎn)360°對(duì)應(yīng)的調(diào)焦行程為4mm，編碼器的測(cè)量誤差理論上為一個(gè)碼值，轉(zhuǎn)化為調(diào)焦誤差σ3為0.24μm。

2.3阿貝誤差

阿貝誤差是由于該調(diào)焦機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式造成的。由于直線軸承和光軸之間的間隙、光軸直線度和裝調(diào)精度等因素的影響，調(diào)焦過程中，調(diào)焦鏡光軸會(huì)產(chǎn)生微小的相對(duì)轉(zhuǎn)角位移θ，即調(diào)焦過程中調(diào)焦鏡的晃動(dòng)。而調(diào)焦鏡的光軸和編碼器的測(cè)量軸線不在同一直線上，它們之間的距離L會(huì)對(duì)調(diào)焦過程中調(diào)焦鏡的轉(zhuǎn)角誤差θ起放大作用，造成阿貝誤差［14］，如圖4所示?？臻g相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)調(diào)焦鏡的轉(zhuǎn)角公差為±10″，即調(diào)焦機(jī)構(gòu)裝調(diào)過程中，需保證調(diào)焦過程中調(diào)焦鏡轉(zhuǎn)角誤差θ小于±10″，因此阿貝誤差最大值σ4為3.7μm。

圖4　阿貝誤差產(chǎn)生原理圖

2.4工作溫度變化造成的誤差

空間相機(jī)工作狀態(tài)時(shí)的溫度控制為18℃±2℃，工作時(shí)溫度的變化會(huì)引起調(diào)焦鏡的位置變化。本文利用有限元分析軟件patran/nastran，對(duì)溫度變化± 2℃時(shí)調(diào)焦鏡的位移變化進(jìn)行了分析，如圖5、6所示。通過面型處理軟件計(jì)算，在溫度變化±2℃時(shí)，調(diào)焦鏡沿光軸方向的位移變化為±1.4μm，轉(zhuǎn)化為調(diào)焦誤差為：

圖5　溫升2℃調(diào)焦機(jī)構(gòu)變形圖

圖6　溫降2℃調(diào)焦機(jī)構(gòu)變形圖

綜上所述，根據(jù)誤差合成方和根法，調(diào)焦機(jī)構(gòu)總的調(diào)焦誤差為：

滿足調(diào)焦精度±0.01mm的要求。

3　模態(tài)分析

考慮到發(fā)射成本，空間相機(jī)對(duì)質(zhì)量有嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求。調(diào)焦機(jī)構(gòu)在滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)和使用要求的情況下，質(zhì)量越輕越優(yōu)。為減輕調(diào)焦機(jī)構(gòu)的質(zhì)量，對(duì)調(diào)焦機(jī)構(gòu)各組件進(jìn)行了輕量化，輕量化后調(diào)焦機(jī)構(gòu)總質(zhì)量?jī)H為1.4kg。

表1　調(diào)焦機(jī)構(gòu)模型固有頻率

圖7　調(diào)焦機(jī)構(gòu)第一階固有陣型

為滿足發(fā)射狀態(tài)的要求，空間相機(jī)要求整體結(jié)構(gòu)模態(tài)需大于70Hz。利用有限元分析軟件patran/ nastran對(duì)輕量化后的調(diào)焦機(jī)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，其前三階固有頻率如表1所示，其第一階模態(tài)振型如圖7所示。經(jīng)分析，調(diào)焦機(jī)構(gòu)的一階固有頻率為180.34Hz，滿足使用要求。

4　結(jié)論

本文根據(jù)空間相機(jī)的應(yīng)用需求和調(diào)焦需求，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的調(diào)焦機(jī)構(gòu)。該調(diào)焦機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)加諧波齒輪減速器驅(qū)動(dòng)，通過精密滾珠絲杠將步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為調(diào)焦鏡的直線運(yùn)動(dòng)，利用直線軸承實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向，絕對(duì)式編碼器與滾珠絲杠同軸安裝，單圈測(cè)量反饋調(diào)焦鏡的位置。該調(diào)焦機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，總質(zhì)量輕僅為1.4kg，調(diào)焦誤差經(jīng)分析為5.1μm，滿足調(diào)焦精度要求。調(diào)焦機(jī)構(gòu)的一階固有頻率為180.34Hz，滿足使用要求。

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Design and Analysis of Focusing Mechanism for Space Camera

FAN Hongjie，DONG Jihong，LI Wei，ZHANG Yuanqing，GUO Quanfeng

（Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033）

In order to compensating defocusing caused by the changing of temperature and orbital altitude，camera launching vibration and shock，and to meeting the overall design requirement of the camera for the lower mass and small size，a focusing mechanism is provided in this paper.This focusing mechanism，which consists of step motor，harmonic gear reducer，precision screw ball，linear bearing and absolute encoder installed on the ball screw coaxially，weighs only 1.4 kilogram.This paper illustrated the design scheme and analyzed the focusing error，which is 5.1 micrometer and meets the accuracy requirement.Besides，the modal analysis by finite element was carried out.The analysis results show that the structural stiffness is high enough and meets the requirement.

focusing mechanism；error analysis；modal analysis；harmonic gear reducer

V447.3

A

1672-9870（2016）03-0001-04

2016-01-16

國家自然科學(xué)基金（60507003）

范洪杰（1987-），男，研究實(shí)習(xí)員，E-mail：hongjiefan007@163.com