空間相機(jī)運(yùn)動組件動態(tài)特性研究分析

趙海平　何欣

摘 要：空間運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計很少考慮結(jié)合面的動力特性。本文著重分析了導(dǎo)軌絲杠運(yùn)動副的動力學(xué)特性。文章結(jié)果表明，彈簧單元動態(tài)分析結(jié)果與實際模態(tài)測試更吻合。本文的分析結(jié)果為空間運(yùn)動機(jī)構(gòu)分析提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：空間運(yùn)動機(jī)構(gòu)；結(jié)合面；彈簧單元模型

1 引言

在空間相機(jī)的設(shè)計中，對高分辨率的性能要求越來越高。影響相機(jī)分辨率的外部物理因素主要有發(fā)射過程的沖擊和振動、在軌中的交變溫度[1]。在相機(jī)設(shè)計中增加調(diào)焦機(jī)構(gòu)組件，既能使相機(jī)地面裝調(diào)時找到更清晰像面，又能于在軌工作時發(fā)送一定的調(diào)焦指令消除離焦現(xiàn)象，保證分辨率在設(shè)計誤差范圍之內(nèi)。因此調(diào)焦機(jī)構(gòu)組件是目前大視場高分辨率相機(jī)必要的組件。

調(diào)焦組件一般由結(jié)構(gòu)支撐件和采用單一驅(qū)動方式的運(yùn)動傳動件組成，對于采用單一驅(qū)動方式的調(diào)焦機(jī)構(gòu)，存在焦平面兩端同步運(yùn)動誤差不可消除的誤差問題，這是影響相機(jī)調(diào)焦精度的主要原因[2]。由于單一驅(qū)動方式結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，目前是國內(nèi)外空間相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)的主要驅(qū)動方式。對于單一驅(qū)動方式調(diào)焦機(jī)構(gòu)，主要通過高剛度設(shè)計和高精密裝調(diào)將上述同步運(yùn)動誤差控制在誤差允許范圍內(nèi)。如何準(zhǔn)確設(shè)計和分析調(diào)焦組件結(jié)構(gòu)的剛度成為調(diào)焦機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。

在機(jī)械運(yùn)動部件中，運(yùn)動副間形成的結(jié)合面占整個結(jié)構(gòu)剛度的50%以上[3]。目前，在國內(nèi)外空間調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計和分析研究文獻(xiàn)中，一般都將運(yùn)動部件結(jié)合面等效為固結(jié)形式，結(jié)構(gòu)分析結(jié)果和實際調(diào)焦組件動態(tài)特性偏差大，而且結(jié)構(gòu)設(shè)計安全系數(shù)過大，質(zhì)量較重。本文針對調(diào)焦機(jī)構(gòu)運(yùn)動副結(jié)合面，引入運(yùn)動副結(jié)合面理論，通過設(shè)計和分析與某空間相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)組件同尺寸的運(yùn)動副試驗件，分析和計算試驗件的剛度特性，并對試驗件進(jìn)行試驗驗證。

2 調(diào)焦組件分析

根據(jù)調(diào)焦傳動元件的不同，空間調(diào)焦機(jī)構(gòu)有絲杠螺母、凸輪機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)等多種方式。某型號離軸三反空間相機(jī)采用離軸三反光學(xué)系統(tǒng)，在熱控保證的20°±5°間變化的工作環(huán)境下，為保證成像質(zhì)量，CCD位置的MTF需大于0.4。在相機(jī)成像期間，根據(jù)調(diào)焦指令，進(jìn)行焦面位置的調(diào)整，，調(diào)焦精度為0.03mm，調(diào)焦量程不小于±5mm。根據(jù)上述設(shè)計要求，調(diào)焦機(jī)構(gòu)采用傳動精度高、結(jié)構(gòu)易于加工的導(dǎo)軌加絲杠螺母副形式，調(diào)焦組件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，主要由調(diào)焦電機(jī)和變速機(jī)構(gòu)、編碼器部件、調(diào)焦鏡組件、導(dǎo)軌絲杠螺母傳動部件及結(jié)構(gòu)支撐部件組成，調(diào)焦電機(jī)通過變速機(jī)構(gòu)將驅(qū)動力傳到絲杠螺母副進(jìn)而傳到沿導(dǎo)軌直線運(yùn)動的結(jié)構(gòu)支撐部件1，結(jié)構(gòu)支撐部件1通過背部滑塊將導(dǎo)軌向運(yùn)動傳動實現(xiàn)調(diào)焦鏡沿鏡面垂直向運(yùn)動，同時編碼器通過另一組傳動部件獲得調(diào)焦鏡部件的運(yùn)動量并將運(yùn)動量通過閉環(huán)傳給電機(jī)控制電機(jī)的進(jìn)給。

在上述調(diào)焦機(jī)構(gòu)組件中，導(dǎo)軌直線副、絲杠螺母副是主要的運(yùn)動結(jié)合面，分析該調(diào)焦機(jī)構(gòu)尺寸大小的運(yùn)動結(jié)合面是準(zhǔn)確分析調(diào)焦機(jī)構(gòu)組件剛度的關(guān)鍵。

3 動力學(xué)模型

在上圖所示導(dǎo)軌絲杠螺母副結(jié)構(gòu)試驗臺中，滾珠絲杠副和直線導(dǎo)軌副的組合實現(xiàn)運(yùn)動臺的進(jìn)給運(yùn)動。從機(jī)械動力學(xué)角度分析，運(yùn)動副X向剛度為滾珠絲杠副軸向剛度，Y向剛度為直線滾動導(dǎo)軌的橫向剛度，Z向剛度為直線滾動導(dǎo)軌的垂直剛度。在滾珠絲杠副和直線導(dǎo)軌副靜、動剛度試驗中，兩種運(yùn)動副都表現(xiàn)為一定的彈簧式剛度特性，因此在結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論中，將二者的各方向動剛度特性等效為單自由度的彈簧單元，通過理論計算或試驗測試獲得彈簧單元的剛度參數(shù)，便可確定兩種運(yùn)動副的動剛度特性。

3.1 滾珠絲杠副軸向剛度

分析表1，與試驗測試結(jié)果比較，傳統(tǒng)固結(jié)單元分析結(jié)果誤差在20%以上，彈簧剛度單元分析結(jié)果誤差小于10%。彈簧剛度單元分析更符合實際測試數(shù)據(jù)，可以更精確指導(dǎo)空間相機(jī)調(diào)焦運(yùn)動組件的機(jī)械動力學(xué)設(shè)計。

參考文獻(xiàn)

[1]陳世平，楊秉新，王懷義等.空間相機(jī)設(shè)計與試驗[M]. 北京：中國宇航出版社，2009.

[2]邵明東. 離軸三反測繪相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)的設(shè)計[J]. 中國光學(xué)，2012.

[3]蘇鐵熊，楊世文，崔志琴等.復(fù)雜結(jié)構(gòu)結(jié)合部動力學(xué)仿真模型研究[J]. 華北工學(xué)院學(xué)報，2001.