三線陣CCD相機安裝支架分析及檢測

張立平，王 智

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033）

三線陣CCD相機安裝支架分析及檢測

張立平，王 智*

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033）

為了滿足三線陣CCD相機對剛度和穩定性的要求，提高相機測繪精度，本文在有限元優化分析的基礎上完成了相機測繪基座的結構設計。對測繪基座的模態以及承受載荷情況下的自重變形以及自重變形引起的各相機光軸的變化量進行了分析。基于得到的測繪基座關鍵技術指標，研制了測繪基座專用的垂直度檢測工具。對加工過程中測繪基座進行了跟蹤檢測，驗證了該檢測工具的可用性，確保測繪基座的幾何精度。

立體測繪相機；測繪基座；有限元分析；垂直度檢測

1 引 言

立體測繪相機是星載對地攝影測量最有效的方法和手段，它由具有獨立鏡頭的3個線陣CCD相機組成，它們分別安裝在相機支架相應的安裝孔內，且相機之間保持一定的位置關系。

無地面控制點的測繪精度對立體測繪相機的力學穩定性、熱穩定性提出了很高的要求［1-3］：

（1）前視、后視相機測量坐標系和正視相機測量坐標系之間轉換矩陣的力學穩定性≤15″（繞Z軸，即相機光軸），≤10″（繞X，Y軸）;

（2）前視、后視相機測量坐標系和正視相機測量坐標系之間轉換矩陣的熱穩定性≤3″（繞Z軸，即相機光軸），≤3″（繞X，Y軸）。

測繪基座是三線陣CCD相機的安裝支架，是保證立體測繪相機力學穩定性、熱穩定性的關鍵部件，它的力學特性決定了相機光軸的指向精度以及空間穩定性。測繪基座的設計、加工及檢測是保證其滿足要求的必要手段。為了滿足立體測繪相機的力、熱穩定性要求，本文采用有限元優化分析的方法對測繪基座的結構設計進行反復迭代，最終獲得了滿足要求的結構;對測繪基座的檢測指標進行分析，設計了專用檢測工具對測繪基座相機安裝孔的垂直度進行檢測，以檢驗其是否達到設計指標要求。

2 測繪基座結構設計及分析［4-10］

由于線陣CCD相機、測繪基座以及衛星安裝平臺均采用獨立的熱控設計，故本文不考慮測繪基座的熱穩定性。對測繪基座各相機安裝位置的受力情況進行了分析。立體測繪相機完成裝配后，為了保證各相機的指向精度以及穩定性，測繪基座采用板-筒相結合的結構形式。考慮在熱控措施下的熱穩定性，測繪基座的材料選用鑄鈦合金（ZTC4），采用石墨鑄造高壓離心澆鑄成型，設計模型如圖1所示。

圖1 測繪基座結構設計模型Fig.1 Structuralmodel ofmapping foundation-seat

測繪基座模態分析結果如表1和圖2所示。由表1可以看出，各階模態的頻率間隔較大，說明測繪基座具有足夠高的動態剛度，且其模態疊加的可能性較小。

表1 測繪基座的前4階模態Tab.1 The first 4 modes ofmapping foundation-seat

在設計測繪基座時，除了考慮自身的剛度以及穩定性外，還要考慮3個線陣CCD相機裝配在測繪基座上組成立體測繪相機的自重變形情況，要使測繪基座在立體測繪相機自重變形后的誤差滿足其力學及熱穩定性的技術指標要求，需對立體測繪相機的自重變形進行分析。立體測繪相機自重變形分析結果如表2、表3和圖3所示。

圖2 測繪基座模態Fig.2 Modes ofmapping foundation-seat

表2 立體測繪相機的自重變形Tab.2 Gravity distortion of tridimensionalmapping camera

經過有限元分析與設計的反復迭代，最終得到滿足測繪要求的測繪基座。

表3 自重變形引起光軸變化量Tab.3 Ray axis change caused by gravity distortion

圖3 立體測繪相機的自重變形Fig.3 Gravity distortion of tridimensionalmapping camera

3 測繪基座檢測

3.1 測繪基座垂直度技術指標分析

測繪基座的最大外形尺寸為710 mm（X向）×730 mm（Y向）×476 mm（Z向），為了保證立體測繪相機的力學及熱穩定性，3個相機與測繪基座的聯接結構采取長孔配合、法蘭端面聯接的方式，其中正、前、后視相機安裝孔長為280 mm。測繪基座法蘭安裝面與相機安裝孔中心軸線的垂直度和穩定性是測繪基座的關鍵技術指標。

由于測繪基座相機安裝孔Z向尺寸超出了現有三坐標測量機的測量行程，無法用現有的三坐標測量機進行檢測。為了能夠對測繪基座相機安裝孔的垂直度進行檢測，需要結合測繪基座的具體結構，分析其垂直度技術指標，研究這種大尺寸工件的垂直度檢測方法，并研制相關的檢測工具。

為了滿足測繪精度的要求，3個線陣CCD相機視軸平行性應小于等于±3″，故以這個指標約束測繪基座上的相機安裝孔（如圖4所示）。以正視相機安裝孔為例，|β|≤1″，要求安裝孔的圓柱度為0.003 mm，則2×280×tanβ=0.003 mm，所以法蘭端面與安裝孔中心軸線的垂直度為0.003 mm。

圖4 法蘭端面與安裝孔中心軸線的關系Fig.4 Relationship between flange end and axis of camera fixing hole

3.2 測繪基座垂直度檢測工具的研制

為了能同時對3個相機安裝孔的垂直度指標進行檢測，需要根據前面的分析研制一套專用的垂直度檢測工具，以指導相機安裝孔的加工，完成圖紙提出的垂直度指標要求。

圖5 測繪基座垂直度檢測工具結構圖Fig.5 Sketch of verticality detection tool for mapping foundation-seat

測繪基座垂直度檢測工具結構設計如圖5所示，主要由8個零件組成。檢具使用時，檢具上的3個基準支點靠在被檢端面上，2個互成90°的定位支點靠在相機安裝孔內壁，通過調節定位支點，使兩個支點的外端點所成的圓弧半徑與相機安裝孔半徑一致，加工時保證這兩個定位支點在同一高度上，以確保檢具旋轉時兩個定位支點所走過的軌跡與相機安裝孔在同一個圓截面，從而使電感儀測頭所走過的軌跡是相機安裝孔的同一個截面，否則，檢測結果毫無意義。其中關鍵的一點是電感儀測頭與其中一個定位支點平行，這樣由電感儀測頭、與其平行的定位支點、檢具的中心軸線構成的平面與檢具上3個基準點構成的平面垂直，測繪基座垂直度檢測工具就是利用這兩個垂直的面來檢測測繪基座的相機安裝孔。同時，為了能檢測孔上不同截面的垂直度，檢具上的電感儀測頭可以上下移動，當移動到需要測量的位置時，通過緊定螺釘固定測頭，就可對工件進行檢測。

3.3 測繪基座相機安裝孔垂直度檢測

在測繪基座的相機安裝孔加工達到圖紙要求的技術指標（圓柱度0.003 mm）后，以相機安裝孔的內徑為基準，對相機安裝孔的法蘭端面與安裝孔中心軸線的垂直度進行檢測。如圖6所示，將檢具的3個基準支點靠在測繪基座相機安裝孔的法蘭端面上，調整檢具的2個定位支點及電感儀測頭，使其與安裝孔的內壁靠緊，并將電感儀的數顯表清零。在相機安裝孔加工過程中，考慮到刀是從法蘭端面伸進相機安裝孔進行加工的，由于刀桿懸臂顫動的影響，離刀具裝夾最遠處的垂直度最差，所以，將電感儀測頭靠在這個位置檢測的數據才可靠。為了得到可靠的檢測數據，如圖6所示，需要移動電感儀測頭的位置，獲取多個檢測截面的數據。

表4所得到的數據是在如圖6所示的某個檢測截面上，3次均勻獲取的8個采樣點的數據。

圖6 檢測工具的使用Fig.6 Application of detection tool

表4 垂直度過程檢測數據Tab.4 Detection data of verticality

為了確認研制的垂直度檢測工具檢測數據的可靠性，借助于外協單位的大型三座標測量機對基于該檢測數據加工的測繪基座進行了復檢，結果顯示誤差在0.5μm內，滿足了設計提出的精度要求，證明了所研制的垂直度檢測工具的可靠性。

4 結 論

測繪基座是三線陣CCD相機的安裝支架，其剛度、穩定性及精度關系到立體測繪相機的光軸指向精度及空間光軸穩定性，繼而影響測繪精度，因此，在設計測繪基座時，需考慮基座的剛度及穩定性，同時還要考慮各相機安裝在測繪基座以后的自重變形。本文在有限元優化分析的基礎上，得到了滿足要求的測繪基座的結構設計。為了保證測繪基座的質量，研制了測繪基座垂直度專用檢測工具，通過在測繪基座加工過程的檢測實踐驗證了該檢測工具的可使用性，同時指導了測繪基座加工并保證其加工精度。

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Analysis and exam ination on support frame of three-linear CCD cameras

ZHANG Li-ping，WANG Zhi*
（Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）
*Corresponding author，E-mail：wz070611@126.com

In order to satisfy the requirements of a three-linear CCD camera for stiffness and stability and to improve its themapping accuracy，the structure design of the mapping foundation support of the camera was accomplished based on finite element analysis.Themode，self-weight deformation and light axis variation due to self-weight deformation were analyzed.A special detection toolwas developed based on the qualifications of themapping foundation support.The tracking detection to themapping foundation support in the processwas developed to verify the feasibility of the special detection tool and to assure its geometric accuracy.

tridimensional mapping camera;mapping foundation support;finite element analysis;verticality detection

TP732；V447.3

A

10.3788/CO.20130603.0402

張立平（1957—），男，吉林長春人，學士，研究員，碩士生導師，1982年于長春光學精密機械學院獲得學士學位，主要從事航天光學遙感器的研制工作。E-mail：zhang_lp2005@163.com

王 智（1978—），男，山東壽光人，博士，副研究員，2000年于長春光學精密機械學院獲得學士學位，2003年于長春理工大學獲得碩士學位，2006年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所獲得博士學位，主要從事航天光學遙感器的結構設計研究。E-mail：wz070611@126.com

1674-2915（2013）03-0402-06

2013-02-13；

2013-03-17

國家自然科學基金資助項目（No.61108066）