空間相機運動組件動態特性研究分析

趙海平　何欣

摘 要：空間運動機構設計很少考慮結合面的動力特性。本文著重分析了導軌絲杠運動副的動力學特性。文章結果表明，彈簧單元動態分析結果與實際模態測試更吻合。本文的分析結果為空間運動機構分析提供了依據。

關鍵詞：空間運動機構；結合面；彈簧單元模型

1 引言

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

調焦組件一般由結構支撐件和采用單一驅動方式的運動傳動件組成，對于采用單一驅動方式的調焦機構，存在焦平面兩端同步運動誤差不可消除的誤差問題，這是影響相機調焦精度的主要原因[2]。由于單一驅動方式結構簡單，可靠性高，目前是國內外空間相機調焦機構的主要驅動方式。對于單一驅動方式調焦機構，主要通過高剛度設計和高精密裝調將上述同步運動誤差控制在誤差允許范圍內。如何準確設計和分析調焦組件結構的剛度成為調焦機構結構設計的關鍵。

在機械運動部件中，運動副間形成的結合面占整個結構剛度的50%以上[3]。目前，在國內外空間調焦機構設計和分析研究文獻中，一般都將運動部件結合面等效為固結形式，結構分析結果和實際調焦組件動態特性偏差大，而且結構設計安全系數過大，質量較重。本文針對調焦機構運動副結合面，引入運動副結合面理論，通過設計和分析與某空間相機調焦機構組件同尺寸的運動副試驗件，分析和計算試驗件的剛度特性，并對試驗件進行試驗驗證。

2 調焦組件分析

根據調焦傳動元件的不同，空間調焦機構有絲杠螺母、凸輪機構、曲柄滑塊機構等多種方式。某型號離軸三反空間相機采用離軸三反光學系統，在熱控保證的20°±5°間變化的工作環境下，為保證成像質量，CCD位置的MTF需大于0.4。在相機成像期間，根據調焦指令，進行焦面位置的調整，，調焦精度為0.03mm，調焦量程不小于±5mm。根據上述設計要求，調焦機構采用傳動精度高、結構易于加工的導軌加絲杠螺母副形式，調焦組件結構設計如圖1所示，主要由調焦電機和變速機構、編碼器部件、調焦鏡組件、導軌絲杠螺母傳動部件及結構支撐部件組成，調焦電機通過變速機構將驅動力傳到絲杠螺母副進而傳到沿導軌直線運動的結構支撐部件1，結構支撐部件1通過背部滑塊將導軌向運動傳動實現調焦鏡沿鏡面垂直向運動，同時編碼器通過另一組傳動部件獲得調焦鏡部件的運動量并將運動量通過閉環傳給電機控制電機的進給。

在上述調焦機構組件中，導軌直線副、絲杠螺母副是主要的運動結合面，分析該調焦機構尺寸大小的運動結合面是準確分析調焦機構組件剛度的關鍵。

3 動力學模型

在上圖所示導軌絲杠螺母副結構試驗臺中，滾珠絲杠副和直線導軌副的組合實現運動臺的進給運動。從機械動力學角度分析，運動副X向剛度為滾珠絲杠副軸向剛度，Y向剛度為直線滾動導軌的橫向剛度，Z向剛度為直線滾動導軌的垂直剛度。在滾珠絲杠副和直線導軌副靜、動剛度試驗中，兩種運動副都表現為一定的彈簧式剛度特性，因此在結構動力學理論中，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，便可確定兩種運動副的動剛度特性。

3.1 滾珠絲杠副軸向剛度

分析表1，與試驗測試結果比較，傳統固結單元分析結果誤差在20%以上，彈簧剛度單元分析結果誤差小于10%。彈簧剛度單元分析更符合實際測試數據，可以更精確指導空間相機調焦運動組件的機械動力學設計。

參考文獻

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

[2]邵明東. 離軸三反測繪相機調焦機構的設計[J]. 中國光學，2012.

[3]蘇鐵熊，楊世文，崔志琴等.復雜結構結合部動力學仿真模型研究[J]. 華北工學院學報，2001.