离轴三反消像散多光谱相机调焦系统设计

空间环境的恶劣经常导致航天相机的成像平面偏离焦平面产生离焦,从而影响遥感成像质量.本文针对某航天离轴三反消像散多光谱相机设计了一种调焦系统对成像平面的离焦进行有效补偿.首先,分析了相机的离轴三反消像散光学系统和CCD焦平面的特点,确定调焦方式并阐述调焦系统工作原理.然后,介绍了调焦系统构成以及调焦控制器环境适应性、步进电机力矩选择、调焦传动机构的设计参数和位置编码器,推导出了调焦精度与调焦机构参数及编码器分辨率的关系,分析了调焦系统所能达到的调焦精度.最后,通过调焦系统测试了调焦行程内CCD焦平面直线位置与编码器码值的对应曲线.对闭环控制方式测试数据的计算分析显示,闭环调焦精度在3σ情况下为±3.11 μm,满足相机调焦控制精度±10μm的要求.     

空间光学遥感器精密调焦机构设计与试验

外界环境变化会引起空间光学遥感器产生离焦现象,导致遥感器成像质量下降,需要设计调焦机构来解决离焦问题。从保证遥感器成像质量和轻小型化的角度出发,详细介绍调焦机构的调焦方案、工作原理和系统组成,提出由双滑块机构实现调焦功能的新型调焦机构;对调焦机构的精度进行理论计算,得到该机构的定位精度和调焦镜的倾斜角度误差均满足设计指标要求。对环境试验前后的机构进行精度测试,试验结果表明,机构定位精度0.006 mm,调焦镜的最大倾斜角为16.5″,满足光学设计指标要求。理论分析和环境试验结果充分表明,该调焦机构具有结构稳定,定位精度高,环境适应性广泛等特性,在复杂多变的环境条件下能够满足空间光学遥感器精确调焦的目的。     

一种空间相机直线调焦机构的设计与分析

空间相机在使用时由于空间环境中重力、温度及压力等因素的变化,引起各光学镜面位置的相对变化,进而导致像平面与焦平面的不重合。为了保证成像质量,必须采用调焦机构补偿离焦量,从而改善成像质量。本文分析了空间相机的三种调焦方式及调焦机构设计的基本原则,并针对某空间相机的要求设计了一种直线调焦机构,利用滚珠丝杠将旋转运动转化为直线运动,并结合直线导轨约束运动形式,采用绝对式编码器检测位移,采取开环控制和闭环控制两种方式检验了该机构的精度,通过对试验数据统计分析及残差分析可以看出,直线调焦机构的开环调焦精度为0.0025mm,闭环调焦的精度可达到0.0015mm,讨论了误差产生的原因,满足0.01mm使用要求,同时该直线调焦机构具有精度高、灵敏度高、模块化程度高、传动方案简单、易于装调等优点。     

大视场长焦面光学遥感器双凸轮式焦面调焦机构

为保证焦面长度大于600mm的大视场空间光学遥感器在空间环境下的成像质量,设计了一套在±2 mm调焦范围内焦面组件倾斜小于7”、定位精度优于0.01 mm的焦面调焦机构.针对系统对调焦精度、力学环境、真空环境的要求,该调焦机构采用双凸轮驱动技术来满足调焦精度要求;采用失电制动器自锁技术,使相机经发射等力学环境冲击后像面位置仍保持稳定.此外,采用高刚度导轨和轴承使调焦机构具有较高的动态刚度.设计分析及实验证明,该套焦面调焦机构具有较高的调焦精度和可靠性,能够在复杂的空间环境下完成调焦任务,提高遥感器的成像质量.     

空间相机均力输出式调焦机构

为了补偿空间相机因所处复杂运载环境和空间运行环境导致的焦平面偏移,研制了一套利用均力输出组件驱动,正反双曲柄滑块机构传动,直动组件导向的新型高精度调焦机构。介绍了其结构组成和运动原理,并对其误差来源及影响因素进行了深入分析。该调焦机构采用两点支撑方式,两支撑点均力输出且无同步性误差,机构内应力小,运行平稳,调焦精度高;运动副采用预压消间隙措施,有效消除配合间隙,无空回,重复精度高。在模拟空间环境条件下,对其各项参数进行了测试。试验结果表明,该调焦机构可在±1.77mm间调焦,直线定位精度大于±8μm,重复性优于±2μm;同步性误差小于±4μm,重复性优于±3μm;调焦行程范围内调焦反射镜转角精度优于±5″,重复性优于±1.5″。得到的结果能够满足空间相机在复杂空间环境下的成像需求。     

空间相机调焦机构自锁特性评价与试验

空间相机调焦机构需具有一定的锁止能力,以应对火箭发射中的冲击与振动,因此,对机构的自锁特性进行评价是保证空间光学遥感器正常工作的关键。针对某型空间相机调焦机构,研究了螺纹接触面的滑移机理,建立了工程分析模型,详细分析了两种螺距(1mm,1.5 mm)的螺纹的接触应力、切应力分布特征及其自锁性。结果表明:螺纹螺距为1mm的调焦机构Mises应力值大于其自锁标定值,自锁失效;螺距为1.5mm的调焦机构Mises应力值小于其自锁标定值,满足自锁要求。最后,对调焦机构进行了振动试验,结果显示:螺距为1mm的调焦机构焦平面位移达2 753μm,自锁失效;螺距为1.5mm的调焦机构焦平面位移为6μm,小于测量误差,机构自锁正常,验证了分析方法的可靠性。这种动力学环境下研究机构自锁性的新方法对工程应用具有重要的意义。     

离轴三反空间相机调焦机构设计

空间相机受所处复杂运载环境(冲击、振动、过载)和空间运行环境(压力、温度、微重力)的影响易产生焦平面偏移.为提高成像质量,本文设计了一种利用丝杠螺母变向、直线导轨导向、倾斜导轨驱动且适用于反射式光学系统的新型高精度调焦机构来修正离焦量.该设计采用防冷焊措施、预压消间隙措施和双重防卡死设计,有效地提高了结构强度、刚度和可靠性,从而保证了调焦精度.介绍了其结构和工作原理,描述了相应的可靠性设计措施,最后通过精度检测试验对调焦机构进行了综合性能测试.试验结果表明:该调焦机构具备良好的自锁特性,其直线运动精度优于±2 μm,重复定位精度优于±1 μm;调焦行程范围内调焦反射镜摆角精度绕X轴和Y轴方向均优于±3.5”,满足用户提出的精度要求.     

空间太阳望远镜调焦机构的设计与分析

根据某型号空间太阳望远镜的光学系统特性与整机的结构方式,为了达到节约安装空间、保证成像质量的目的,设计了一种焦平面式调焦机构.该调焦机构由蜗轮蜗杆和凸轮滑槽作为传动件,将步进电机的圆周运动转化为焦平面法线方向的直线运动.调焦范围为1.5 mm,外形尺寸为167 mmx64 mmx94 mm,质量为2 kg,在底座背板和...     

空间相机调焦机构误差分析

空间高分辨率遥感仪器的发射过程和在轨复杂的温度环境条件会使其光学焦平面发生偏离,从而影响相机的成像质量.为补偿相机焦平面位置的变化,本文根据高分辨红外相机的在轨应用环境以及光学设计要求,对相机的调焦机构进行了方案设计和误差分析.计算了结构误差对系统精度的影响,对不同类型结构的精度进行了归类,并利用齐次坐标变换矩阵建立了误差分析模型.同时,详细分析了误差源的特性、概率分布和变换矩阵参量间的关系.利用Monte Carlo法进行了仿真,结果表明该机构设计合理,满足仪器的使用要求.样机测试表明,该机构行程内轴向位置误差为(-0.01±0.003 6)mm,透镜最大倾斜角为25″,最大离轴量为0.005 mm.目前,该机构已成功在轨使用.     

大尺寸焦平面空间相机调焦机构的精度分析

由于大尺寸焦平面空间相机调焦机构的焦平面两端存在的不可消除的同步运动误差会直接影响相机调焦精度,因此对焦平面两端同步运动精度进行了分析。首先,研究了大尺寸焦平面空间相机调焦机构的特点,提出了焦平面两端同步运动误差是影响其调焦精度的主要因素;其次,分析了影响同步运动精度的主要误差来源,建立了同步运动误差的数学模型,并采用蒙特卡罗仿真算法对数学模型进行了仿真分析;最后,通过测试焦平面两端同步运动精度对仿真结果进行了验证。仿真结果显示,同步运动精度为0.02 mm,与试验数据分析结果0.023 mm一致,说明此方法能够比较准确地确定焦平面两端同步运动精度,为后续在轨调焦策略的确定以及同类产品的研制提供技术支持。     

空间相机调焦平台动力学特性研究

调焦机构作为空间相机中至关重要的组成部分,其动力学性能很大程度上影响了相机的可靠性。为了完成调焦机构的动力学分析,本文以某型空间相机调焦机构平台作为研究对象,将导轨滑块作为切入点,利用优化的串联弹簧阻尼单元及有限元方法完成对导轨结合部及调焦平台的建模。本文基于Hertzian接触理论获取动力学参数,将调焦机构中与导轨关联的滚珠丝杠和联轴器的刚度等效至导轨滚珠上,并提出了关系表达式和修正参数。通过以联轴器为变量的对比实验获取修正参数,实现该空间相机调焦平台的动力学分析。最后本文利用该分析方法完成了在不同状态下调焦平台的动力学仿真分析,通过对比实验结果表明其误差小于2%。证明了该分析方法具备较高精度和可靠性。     

航天立体测绘相机调焦机构设计与精度分析

航天立体测绘相机受发射过程的振动、冲击以及复杂多变的空间温度、压力等环境的影响,相机的CCD靶面将产生不同程度的偏移,为保证相机成像质量及后续测绘任务的完成,需将变化的CCD靶面进行补偿。因此本文设计了一种基于凸轮导向的调焦机构,通过传动误差的分析及精度验证试验结果表明,该调焦机构的传动误差为±1.71 μm;CCD靶面的直线性精度X方向11.2〞、Y方向11.8〞;CCD靶面绕光轴的旋转4.7〞,满足用户提出的精度要求。     

空间相机透镜调焦机构的设计与测试

高分辨率空间相机受发射段恶劣的力学环境以及空间复杂的温度环境影响,光学系统会产生微小的离焦量。为保证相机成像质量,本文设计了一种由蜗轮蜗杆与凸轮滑块机构组成的新型高精度调焦机构来修正离焦量。该设计通过蜗轮蜗杆实现第一级减速,并且使驱动器旋转轴与光轴正交,使机构更紧凑。通过凸轮滑块机构进一步进行减速,同时将旋转运动转化为直线运动,并通过直线导轨保证滑块的直线运动精度。该机构体积小、精度高,并且能实现断电自锁。机构运动副上溅射固体润滑涂层,防止发生真空冷焊。结合机构自身的特点,分析了机构调焦的分辨率与误差。对该机构开展了力学与热真空循环试验,试验前后对机构的精度指标进行了对比测试。试验与测试结果表明:该机构环境试验后性能参数正常,其调焦位移误差优于5.8μm,线性度优于0.3%,偏摆角优于14″。在热光试验中通过调整焦面,成像质量有显著的提升。该调焦机构能够满足光学系统的精度与环境适应性要求。     

空间相机直线调焦机构的设计

针对空间相机在使用时受空间环境中重力、温度及压力等因素的影响,引起各光学镜面位置相对变化,从而导致像平面与焦平面不重合的问题,在分析空间相机的3种调焦方式及调焦机构设计基本原则的基础上,针对某空间相机的要求设计了一种直线调焦机构.利用滚珠丝杠将旋转运动转化为直线运动,并结合直线导轨约束运动形式,采用绝对式编码器检测位移.该机构具有低摩擦、传动简单等优点,可有效地减少过多的传动环节所带来的传动误差.采取开环控制和闭环控制两种方式检验了该机构的精度,并讨论了误差产生的原因.实验数据的统计分析及残差分析表明,直线调焦机构的开环调焦精度为0.002 5 mm,闭环调焦的精度可达到0.001 5 mm,满足0.01 mm使用要求.     

精密直线移动滚珠导轨承载性能的有限元分析

对精密直线移动滚珠导轨传动的承载性能进行了研究分析,采用弹性力学有限元方法计算该机构的刚度、接触强度及对负载停位振动特性进行了模拟分析。首先建立了该机构承载特性分析的数学模型,再通过具体的有限元计算分析探明该机构的承载特性。通过与传统的赫兹理论计算结果和实测数据进行比较,验证了本方法的有效性。研究完成了该机构分析的计算机辅助分析软件,提出采用刚性预压法提高该机构运行精度和承载性能的方法。