星載紅外探測器調焦機構設計與分析

浦前帥，翟巖，文大化，梅貴

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

星載紅外探測器可晝夜全天候獲取地面信息，提供清晰快捷的紅外圖像，在軍事偵察技術中具有不可替代的作用。星載紅外探測器在發射過程及工作時所處的環境條件（如沖擊、振動、壓力、溫度等）非常復雜，為保證在復雜環境條件下紅外探測器的成像質量，要求紅外探測器不但要有優良的結構性能，而且應具有良好的環境適應性能，尤其是對溫度、壓力變化的適應性［1］。由于環境條件的變化，紅外探測器的焦面將產生不同程度的偏移，為保證紅外探測器在復雜環境條件下的成像質量，需對紅外探測器像面的變化加以校正，因此設計一套補償紅外探測器像面偏離的調焦機構是十分必要的［2-4］。

1 調焦機構的工作原理

不同光學系統其調焦方式不同，常用的調焦方式主要有鏡組移動式、焦面反射鏡移動式和焦平面移動式幾種［5］，根據紅外探測器的結構形式、調焦精度及使用環境條件，本文選擇鏡組移動的調焦方式，即通過沿光軸移動調焦鏡組改變焦面位置來達到調焦的目的。

在實際操作過程當中，首先由地面遙控站分析探測器下傳的實際圖像質量，判斷出調焦鏡組偏離理想位置的距離和方向，然后將比較差值通過遙控指令傳給功率驅動器，以控制調焦電機工作，調焦電機輸出的轉矩經過齒輪和蝸輪蝸桿傳動機構傳遞給滾珠絲杠，移動調焦鏡組，使景物像清晰地成在相機的焦平面上［6，7］。圖1所示為調焦原理框圖。

圖1 調焦原理框圖

2 調焦機構設計

2.1 調焦機構主要性能指標

項目總體對調焦機構提出的主要性能指標如下：

（1）安裝空間為一個不規則空間形狀，主要尺寸如圖2所示；

（2）重量不超過630g；

（3）一階諧振頻率大于100Hz；

（4）調焦范圍±2mm，調焦精度0.06mm；

圖2 調焦機構安裝空間尺寸

2.2 調焦機構方案設計

按照總體對調焦機構提出的空間尺寸的要求，設計了如圖3所示的調焦機構：主要由調焦電機、齒輪、蝸輪蝸桿、滾珠絲杠、編碼器、調焦鏡組和導軌滑塊組成。調焦電機借助減速裝置將動力傳遞給滾珠絲杠，滾珠絲杠實現了把步進電機的旋轉運動轉化為透鏡組沿光軸方向的直線移動。反饋調焦鏡組位置的傳感器是14位絕對式光電軸角編碼器。

調焦底板占整個調焦機構的比重最大，因此選用密度和成本都較低的鋁合金作為調焦底板的材料，這樣既可以做到與探測器本體材料一致，同時還能控制成本，減輕整機重量。其它零部件的選型時，在保證性能的前提下，盡量選取了重量輕的型號。設計完成的調焦機構總重量約為600g，滿足重量要求。

圖3 調焦組件結構示

2.3 減速傳動機構設計

為使調焦機構具有較高的調整精度，需要較大的減速比。減速裝置的結構形式有多種，考慮調焦組件工作時應具有良好的位置穩定性，采用具有自鎖功能的蝸輪蝸桿傳動形式，減速機構傳動原理如圖4所示。

圖4 減速機構傳動原理圖

調焦電機輸出的轉矩經過齒輪和蝸輪蝸桿傳遞給滾珠絲杠，再由滾珠絲杠帶動調焦鏡組在直線導軌上前后移動，進而實現調焦功能。一對齒輪的模數為0.5，齒數分別為z1=24和 z2=30，蝸桿模數為0.5，頭數為 z3=1，蝸輪模數為0.5，齒數為z4=33，因此減速機構的總速比為：

2.4 絲杠導程設計

探測器都有一定的允許離焦量，在允許離焦量范圍之內，不會造成圖像分辨率的下降。允許離焦量的最大值等于相機的半倍焦深，計算公式如下：

式中：±Δ表示焦深；F表示F數（相對孔徑的倒數）；λ表示相機工作的中心波長。紅外探測器的半焦深為：

根據要求，紅外探測器的調焦精度為0.06mm，調焦范圍±2mm。

為了便于調焦編碼器計數，編碼器運轉360°應能完整讀取調焦鏡組在調焦范圍內所有位置的碼值，而滾珠絲杠直接驅動編碼器，因此編碼器運轉一周時，正好對應滾珠絲杠一個導程，由于調焦范圍為±2mm，因此絲杠的導程不能小于4mm，考慮到項目中對于整機重量的嚴格控制，不宜將絲杠導程設計得過大，否則會導致絲杠整體尺寸偏大，重量偏重，因此將絲杠的導程設計為4mm。

步進電機為四向八拍工作方式，每步轉角1.8°，通過減速機構變速，電機每運轉一步絲杠轉動的角度為：

那么，電機每運轉一步對應絲杠移動的直線距離為：

該直線距離小于調焦精度0.06mm，因此絲杠導程的設計是合理可行的。

2.5 調焦電機選型

調焦電機為整個調焦機構提供力矩，為了使機構能夠穩定可靠的運行，首先需要對整個系統運行所需的力矩進行計算。電機輸出的總力矩可由下式計算：

式中，Ma為電機啟動加速力矩，Mf為導軌摩擦折算至電機的力矩。

當步進電機采用矩形驅動時，其啟動加速力矩為：

式中，JO為轉子慣量（kg×m2），JL為全負載慣量（kg×m2），θs為馬達步距角（°/STEP），f為矩形驅動時的脈沖頻率（Hz）。將上述參數的實際數據代入公式（7）可得Ma=4.68mNm。

導軌摩擦折算至電機的力矩Mf為：式中，u為導軌摩擦系數，W為滑動部件總重量（N），s為絲杠導程（cm），η為傳遞效率，i為傳動比。將上述參數的實際數據代入公式（8）可得Mf=0.172×10-6Nm。

因此，電機輸出的總力矩為：

選用Phytron公司型號為VSS25的電機，其保持轉矩為12mNm，達到了理論上系統所需力矩的2.56倍，由此可見，電機的力矩裕度足夠。

3 調焦誤差分析

調焦誤差主要包括編碼器誤差、傳動機構誤差兩部分。編碼器誤差包括分度誤差δ1和編碼器測角誤差δ2。14位絕對式光電軸角編碼器的分度誤差為：

其測角誤差為：

因此編碼器誤差為兩部分之和：

傳動誤差包括從減速器誤差δ3、滾珠絲杠傳遞到編碼器的誤差δ4和導軌的傳動誤差δ5。以目前光機所的機械加工精度，減速器誤差可控制在δ3=2μm以內。滾珠絲杠和直線導軌都選用THK公司精度等級為C0級的高精度絲杠和導軌，滾珠絲杠傳遞到編碼器誤差可控制在為δ4=0.51μm以內，直線導軌的誤差可控制在δ5=0.36μm以內。整個調焦機構的誤差為各部分誤差之和：

因此，該機構的設計滿足調焦精度不超過0.06mm的要求。

4 調焦機構模態分析

探測器整機的一階基頻約為80Hz，為了保證調焦機構不與整機發生共振，調焦機構的一階基頻應達到100Hz以上。

為了研究調焦機構的頻率特性，利用ANSYS軟件對調焦機構進行了模態分析，選用六面體實體單元對各零部件進行了網格劃分，相接觸的零部件之間添加接觸對，將調焦底板的三處安裝凸臺進行固定約束，前三階模態頻率計算結果如表1所示，一階振型如圖5所示，調焦機構的一階諧振頻率為155Hz，滿足指標要求。

表1 調焦機構前三階模態頻率

圖5 調焦機構一階振型圖

5 調焦精度測試

為了驗證該調焦機構的精度是否滿足使用要求，對機構進行了精度測試。

在調焦機構的滑動部件表面上粘貼一塊平面反射鏡，用光電自準直儀對調焦鏡組在全行程直線運動時的傾斜量進行了檢測。檢測結果表明，機構在X方向傾斜±4.9″、在Y方向傾斜±2.2″；在調焦組件的中部放置一塊電子千分表，對調焦機構在全行程直線運動中的定位精度進行檢測，檢測數據表明，該調焦機構的定位精度達到0.003mm，滿足項目總體提出的指標要求。環境試驗前后，調焦機構的精度基本沒有發生變化。

6 結論

調焦機構是星載紅外探測器的重要組成部分，本文根據探測器的工作環境以及調焦精度的要求，設計了一種具有自鎖功能的調焦機構，闡述了其減速機構、絲杠導程的設計方法，各零部件的設計既滿足了性能要求，又最大限度得降低了成本、減輕了重量。對機構進行的誤差分析表明其調焦精度優于0.06mm，模態分析結果顯示，整個調焦機構的一階基頻為155Hz，滿足空間環境的使用要求。

［1］張善鐘.精密儀器結構設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，1993.

［2］黃和平，夏寅輝，安成斌，等.大口徑長焦距紅外系統調焦機構設計［J］.激光與紅外，2005，35（10）：745-747.

［3］丁亞林，田海英，王家琪.空間遙感相機調焦機構設計［J］.光學精密工程，2001，9（1）：35-38.

［4］楊永彬.空間光學相機調焦技術研究［J］.航天器工程，2011，20（2）：20-24.

［5］張新潔，嚴昌翔.星載光學遙感器調焦機構設計［J］.光學精密工程，2009，17（11）：2758-2761.

［6］安源，齊迎春.間相機直線調焦機構的設計［J］.光學精密工程，2009，17（3）：609-614.

［7］張海青，張立平，王智.航天立體測繪相機調焦機構的設計與實驗研究［J］.機械設計與制造，2009，47（4）：57-59.