空間相機調焦機構的設計與分析

張新潔,王樹清,顏昌翔

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,吉林長春 130033)

1 引 言

隨著空間技術的快速發展,對空間相機捕獲的圖像要求越來越高。因發射條件及工作環境的影響,成像系統的焦面常會產生離焦現象,從而要求設計相應的調焦機構來補償焦面的離焦量。針對空間相機的特殊使用環境,要求調焦機構具有低速平穩、體積小、重量輕、傳動精度高等特點,而采用剛性件的傳統傳動方式已難以滿足上述要求[1],因此,尋求一種合理、穩定并具備上述特點的傳動方式進行調焦十分必要。

本文介紹了一種由精密步進諧波傳動帶動的空間相機的調焦機構,詳細闡述了諧波傳動的結構特性并對其進行了誤差分析,最后對調焦組件做了位移精度檢測,數據表明其精度滿足使用要求。

2 精密步進諧波傳動結構設計

諧波傳動是隨著空間遙感新技術的發展而出現的一種新型傳動,它在空間環境下具有其它傳動難以達到的特殊性能。

根據空間相機的調焦要求,采用的調焦組件傳動結構如圖1所示,精密步進諧波傳動同相機的調焦鏡相連,精密諧波傳動中的輸出剛輪與滾珠絲杠相連,調焦鏡一端與滾珠絲杠的螺母連接,底部與直線導軌滑塊連接,從而使步進電機的旋轉運動轉化為調焦機構的直線運動[2]。

圖1 調焦組件傳動結構示意圖Fig.1 Structure diagram of focusing device

設帶動諧波減速器的步進電機的步距角為θ,諧波減速器的傳動比為i,滾珠絲杠的導程為h,調焦鏡沿滾珠絲杠軸線方向的最小位移為Δl,則它們之間的關系為[3]:

根據空間相機的技術要求,選取步進電機的步距角為θ=0.9°,滾珠絲杠的導程為 12 mm,設步進電機每走一步,調焦機構的位移為 0.45μm,則諧波減速器的傳動比為:

為此,選用精密諧波傳動裝置,傳動比為 70。

該傳動主要由波發生器、柔輪、剛輪和輸出剛輪組成,如圖2所示。波發生器由橢圓凸輪與套在其外部的柔性軸承組成,裝入柔輪內部,柔輪的結構為具有外齒的環形齒圈,剛輪為具有內齒的環形齒圈,三者結合后,可實現減速傳動。減速之后的運動,經柔輪與輸出剛輪的內齒輪構成齒嚙輸出機構傳遞到輸出軸。另外輸出剛輪上的外齒輪與裝在編碼器上的消間隙齒輪構成無間隙的精密傳動,實現編碼器實時精確地測定輸出軸 (滾珠絲杠)。這種結構便于加工、軸向尺寸小、扭轉剛度大。

圖2 精密諧波傳動結構示意圖Fig.2 Structure diagram of precision har monic gear drive

3 誤差分析

對于無側隙可逆的諧波齒輪傳動,其運動誤差極限隨機幅值可用下式計算[4]:

式(1)中,Δ φ″1為諧波齒輪傳動的運動誤差(″);ΔT∑K為剛輪 (或柔輪 )的運動誤差 ;Δ ρn為波發生器零件的徑向誤差;DR為柔輪的分度圓直徑;ω0i為柔輪的最大徑向變形量;Z∑為同時參加嚙合的齒數;KB為運動誤差實際測定值與計算值的比值,在預先計算時,一般取KB=0.9～1.0,本文取0.95;u為波發生器的波數;i為傳動比。

已知諧波傳動比為 1∶70,柔輪齒數ZR=140,精度為 7級,剛輪齒數為 142,輸出剛輪齒數為140,精度為 7級,模數m=0.3。

根據齒輪精度,單個齒距極限偏差ΔT∑=9.5μm;剛輪,柔輪的不同心度e1=3μm;柔輪的徑向跳動量e2=4μm;波發生器軸系徑向跳動量的綜合誤差為e3=10μm;柔性軸承的徑向跳動e7＜2μm,同時嚙合齒數Z∑為柔輪齒數ZR的30%～40%,則Z∑=42～56。

當輸出軸轉動時,剛輪和柔輪的綜合誤差極限幅值為:

波發生器零件的徑向綜合誤差極限幅值為:

將上面求出的值代入式 (3),并取KB=0.95,則諧波齒輪傳動運動誤差的極限隨機幅值為:

柔輪和輸出剛輪的綜合誤差極限幅值為24μm,則輸出剛輪和柔輪的運動誤差為:

編碼器上采用消間隙齒輪組與輸出剛輪嚙合,調整消間隙齒輪組,可使其與輸出剛輪的側隙為零,即Δ φ″3=0。

則通過消間隙齒輪組傳到編碼器的總徑向綜合誤差極限幅值為

由于步進諧波傳動的輸出軸通過速比為 1∶1的齒輪傳動與絕對式編碼器相連,又知編碼器旋轉一周,碼值變換 65 536個碼,絲杠導程為12 mm,則單個碼值對應滾珠絲杠螺母沿絲杠軸線方向的位移為 1.831×10-4mm,由此可計算出誤差 Δ φ″將會造成 9個碼值的偏差,轉換成調焦鏡沿滾珠絲杠軸線方向的位移誤差為 1.65μm。

另外滾珠絲杠導程偏差為e2π=8μm,當在調焦時實際使用的導程為 8 mm,即滾珠絲杠所對應的轉角為 240°,則由該相應導程偏差造成的調焦鏡沿滾珠絲杠軸線方向位移誤差為es=5.3μm。

由上述分析可知,調焦鏡沿滾珠絲杠軸線方向總的位移偏差為:

4 焦面位移誤差計算

為了增加調焦的精度,將調焦鏡的鏡面與調焦機構的直線運動方向成γ角裝配,如圖3所示。

則調焦鏡法向位移Δx與絲杠位移Δs之間的關系為

已知該調焦鏡與焦面在空間相機光學系統中的位置關系如圖4所示,圖中光線對焦面的入射角為α,對調焦反射鏡的入射角為β,Δx為調焦反射鏡沿鏡面法線方向移動的位移,Δf為焦面沿鏡面法線方向移動的位移。

圖3 調焦鏡與絲杠運動方向的關系Fig.3 Assembly angle between focusingmirror and ball screw moving direction

圖4 調焦反射鏡與焦面的位置關系Fig.4 Location relationship between focusing mirror and focal plane

由對應的幾何關系可知:

將式 (10)帶入式 (11)中,則:

已知該空間相機光學系統中α=15°,γ=12°,β=50°,則由調焦機構誤差 5.55μm導致的焦面位移誤差為Δf=0.342 2·Δs=1.90μm,滿足相機使用要求。

5 檢調焦工作測試

諧波傳動機構中輸出剛輪的外齒輪與絕對式編碼器的消間隙齒輪組相嚙合,故通過編碼器的碼值可以檢測調焦位移。其調焦控制單元的工作原理圖如圖5所示,調焦編碼器的信號通過編碼器信號處理板運算處理,再將處理結果同理想標定值進行比較,然后將比較差值送到電控箱中,控制調焦電機工作[5]。

圖5 調焦控制單元原理框圖Fig.5 Block diagram of focusing structure controller platfo rm

圖6 位移誤差 (絕對值)曲線Fig.6 Curve of displacement errors(absolute value)

在測試中,驅動電機每次走 400 step,用測微儀測量調焦機構的直線位移量,之后將實際測量值與根據編碼器讀數計算出的理論位移量進行比較,即可得出相應位置調焦機構的位移誤差,具體測試數據如圖6所示。

由圖6可知測量結果的算術平均值為:標準差為:

取置信度為 99.7%,則測量的最大極限誤差為:

式中,0.0015 mm為調焦結構本身的系統誤差,0.0028 mm為編碼器和測微儀的測量誤差,推出像面的最大極限誤差為 1.34μm,滿足設計使用要求。

6 結 論

本文設計了一種空間相機的調焦機構,對其進行的檢調焦測試表明,誤差主要來源是精密步進諧波傳動中剛輪、柔輪和輸出剛輪的綜合誤差以及波發生器的綜合徑向誤差,選用高精度齒輪可增加調焦機構的傳動精度。位移精度的測量表明,該調焦機構的焦面位移精度高于 1.5μm,證明該調焦機構具有結構緊湊、精度高、穩定性好等優點。綜上所述,采用精密步進諧波傳動的空間相機調焦機構具備較好的傳動穩定性和較高的傳動效率,滿足空間環境的特殊使用要求。

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