一种空间相机调焦机构的设计与分析

范洪杰，董吉洪，李威，张远清，郭权峰

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春　130033）

一种空间相机调焦机构的设计与分析

范洪杰，董吉洪，李威，张远清，郭权峰

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春130033）

为补偿空间相机由于温度、轨道高度变化，以及运载过程中冲击和振动等影响引起的离焦，并满足空间相机质量更轻、体积更小的需求，设计了一种调焦机构。该调焦机构采用步进电机和谐波齿轮减速器进行驱动，精密滚珠丝杠进行传动，直线轴承进行导向，绝对式编码器与滚珠丝杠同轴安装测量，总质量仅为1.4千克。论述了调焦机构的方案选择，给出了调焦机构的设计结构图。分析计算了调焦机构的的调焦误差，理论误差为5.1μm，满足调焦精度要求。此外，利用有限元对轻量化后的调焦机构进行了模态分析，结果表明其结构刚度较高，满足使用要求。

调焦机构；误差分析；模态分析；谐波齿轮减速器

随着人类对地球地表信息、月球及近地行星表面信息获取需求的逐步增加，适用于各种用途的、性能更高、应用环境更苛刻的空间相机的研发目前已成为各国研究的热点。空间相机一般都有专门的调焦机构用来补偿温度、轨道高度变化、大气压力变化，以及运载过程中冲击、振动等因素造成的离焦，使探测器的感光面准确与光学系统的焦平面对应，以保证空间相机获得清晰的图像［1，2］。

调焦机构根据其应用类型、相机光学系统、工作环境、焦深大小、用途通常有以下几种方式：镜头移动式、反射镜移动式和像面移动式［3，4］。对于空间相机，镜头尺寸一般较大，因而一般采用反射镜移动式或像面移动式调焦方式。采用像面移动式调焦方式，调焦机构的质量会很大，而空间相机各组件质量有严格的要求，因此，为了减轻调焦系统的重量，缩短相机尺寸，空间相机通常采用反射镜移动式的调焦方式，即在空间相机光学系统和探测器感光面之间放置一个平面反射镜，如图1所示。

图1　某空间相机系统光路图

通过移动平面反射镜完成对相机光学系统焦距的调节，本文设计的即是一种应用于空间相机反射镜移动式调焦的调焦机构。

1　调焦机构设计

1.1驱动方式的选择

空间相机的调焦机构一般采用步进电机驱动。步进电机没有累积误差，控制方便，其转速仅取决于脉冲频率，不受电压、电流和温度的影响，具有可靠性高和精度高等优点［5］。

空间相机对调焦机构需求的调焦量为：±2mm，调焦精度为：±0.01mm，质量为：不大于1.5kg。调焦量较小，调焦精度不高，理论上采用步进电机直接驱动也可满足要求。但是，步进电机使用方波电流驱动，其中含有大量的高次谐波，会产生振动和噪音。一般可采用步进电机细分驱动的方法减小振动的影响，但细分驱动存在掉电不能自锁的缺点［6］。采用直驱方式，对电机的驱动力矩要求较高，满足要求的步进电机质量会较大。此外，直驱方式对控制精度要求较高，出现电机失步现象时，调焦精度将无法实现。因而，调焦机构需采用步进电机加减速机构驱动。

空间相机调焦机构采用的减速机构一般有涡轮蜗杆减速器、行星齿轮减速器、斜面减速机构和谐波齿轮减速器。涡轮蜗杆减速器一般体积较大，传动效率不高，输入轴和输出轴不在同一平面上；行星齿轮减速器零部件多，径向尺寸大；斜面减速器的质量一般较大。而空间相机对调焦机构的质量和结构空间有严格的要求，采用上述几种减速器的设计可实现性不高［7］。

谐波齿轮减速器是一种依靠波发生器使柔性齿轮产生可控的弹性变形波，实现运动和动力传动的减速机构，如图2所示，其结构简单主要由刚轮、柔轮和波发生器三个部分组成。目前，谐波齿轮减速器已应用于多台空间飞行器，包括月球车、哈勃望远镜、火星观测器和探测器以及国际空间站等空间机构中。谐波齿轮减速器的体积和重量只有普通减速器的30%左右或更低，这对于质量和体积有严格要求的空间相机的尤为关键［8，9］。

考虑到谐波齿轮减速器相对其他减速器在质量和体积上的优势以及在航天领域的广泛应用，调焦机构最终采用步进电机加谐波齿轮减速器驱动的方案。

1.2传动方式的选择

调焦机构通常采用滚珠丝杠或者凸轮机构传动，实现调焦镜沿光轴的移动。凸轮机构机构简单，抗冲击力强，但空间要求一般较大［10，11］。而本文设计的调焦机构对空间有严格的要求，并不适用。因而，调焦机构采用结构简单、运动灵活的滚珠丝杠传动，并利用直线轴承导向。

综上，调焦机构采用步进电机和谐波减速器驱动，滚珠丝杠传动，直线轴承导向，绝对式编码器和滚珠丝杠同轴安装进行位置反馈的设计方案，其设计结构图如下图所示。

图3　调焦机构结构图

1.3传动参数设计

调焦机构选用德国Phytron公司VSS32.200. 0.06-HD08/50型步进电机和谐波减速器一体化产品，步进电机步距角1.8°，谐波减速器减速比1：50，丝杠导程选择为4mm，则调焦步进精度a为：

其中，e为滚珠丝杠导程，取4mm；p为步进电机每转脉冲数，步进角为1.8°，则每转脉冲数为200；i为减速机构的速比，取50。

滚珠丝杠的一端安装14位绝对式编码器，结合导程为4mm的丝杠，可得调焦机构的分辨率ε为0.24μm。

由于调焦机构的精度需求为±10μm，调焦机构步进精度和编码器分辨率的选取较为合理，考虑机构传动误差的情况，传动精度与位置检测精度能够匹配且满足调焦精度需求。

2　调焦精度分析

调焦机构的调焦误差由传动误差、测量误差、阿贝误差和工作温度变化造成的误差四项组成［12，13］。

2.1传动误差

传动误差由步进电机、谐波齿轮减速器和滚珠丝杠的传动误差造成。

步进电机的传动误差主要由步距角误差和其控制误差组成，一般为一个步距角，谐波减速器的传动误差一般为2′～3′。根据选型参数，步进电机的步距角为1.8°，谐波减速器减速比为1∶50，丝杠导程4mm，则其造成的调焦误差为：

滚珠丝杠传动误差主要由滚珠丝杠的传动精度决定。滚珠丝杠的传动精度主要由丝杠、螺母的轴向间隙和导程精度引起。滚珠丝杠采用有预压的G0型，其轴向间隙为0或以下，丝杠的精度选择C0级，丝杠在300mm行程内任意段的定位精度0.003mm，转化为调焦精度σ2为3μm。

2.2测量误差

编码器选择以色列Netzer公司生产的DS-58型绝对编码器，其测量精度为14位，编码器旋转360°对应的调焦行程为4mm，编码器的测量误差理论上为一个码值，转化为调焦误差σ3为0.24μm。

2.3阿贝误差

阿贝误差是由于该调焦机构的结构形式造成的。由于直线轴承和光轴之间的间隙、光轴直线度和装调精度等因素的影响，调焦过程中，调焦镜光轴会产生微小的相对转角位移θ，即调焦过程中调焦镜的晃动。而调焦镜的光轴和编码器的测量轴线不在同一直线上，它们之间的距离L会对调焦过程中调焦镜的转角误差θ起放大作用，造成阿贝误差［14］，如图4所示。空间相机光学系统对调焦镜的转角公差为±10″，即调焦机构装调过程中，需保证调焦过程中调焦镜转角误差θ小于±10″，因此阿贝误差最大值σ4为3.7μm。

图4　阿贝误差产生原理图

2.4工作温度变化造成的误差

空间相机工作状态时的温度控制为18℃±2℃，工作时温度的变化会引起调焦镜的位置变化。本文利用有限元分析软件patran/nastran，对温度变化± 2℃时调焦镜的位移变化进行了分析，如图5、6所示。通过面型处理软件计算，在温度变化±2℃时，调焦镜沿光轴方向的位移变化为±1.4μm，转化为调焦误差为：

图5　温升2℃调焦机构变形图

图6　温降2℃调焦机构变形图

综上所述，根据误差合成方和根法，调焦机构总的调焦误差为：

满足调焦精度±0.01mm的要求。

3　模态分析

考虑到发射成本，空间相机对质量有严格的设计要求。调焦机构在满足各项设计和使用要求的情况下，质量越轻越优。为减轻调焦机构的质量，对调焦机构各组件进行了轻量化，轻量化后调焦机构总质量仅为1.4kg。

表1　调焦机构模型固有频率

图7　调焦机构第一阶固有阵型

为满足发射状态的要求，空间相机要求整体结构模态需大于70Hz。利用有限元分析软件patran/ nastran对轻量化后的调焦机构进行了模态分析，其前三阶固有频率如表1所示，其第一阶模态振型如图7所示。经分析，调焦机构的一阶固有频率为180.34Hz，满足使用要求。

4　结论

本文根据空间相机的应用需求和调焦需求，设计了相应的调焦机构。该调焦机构采用步进电机加谐波齿轮减速器驱动，通过精密滚珠丝杠将步进电机旋转运动转化为调焦镜的直线运动，利用直线轴承实现导向，绝对式编码器与滚珠丝杠同轴安装，单圈测量反馈调焦镜的位置。该调焦机构结构紧凑，总质量轻仅为1.4kg，调焦误差经分析为5.1μm，满足调焦精度要求。调焦机构的一阶固有频率为180.34Hz，满足使用要求。

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［7］陈少帅.空间机械臂关节中谐波减速器的［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

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Design and Analysis of Focusing Mechanism for Space Camera

FAN Hongjie，DONG Jihong，LI Wei，ZHANG Yuanqing，GUO Quanfeng

（Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033）

In order to compensating defocusing caused by the changing of temperature and orbital altitude，camera launching vibration and shock，and to meeting the overall design requirement of the camera for the lower mass and small size，a focusing mechanism is provided in this paper.This focusing mechanism，which consists of step motor，harmonic gear reducer，precision screw ball，linear bearing and absolute encoder installed on the ball screw coaxially，weighs only 1.4 kilogram.This paper illustrated the design scheme and analyzed the focusing error，which is 5.1 micrometer and meets the accuracy requirement.Besides，the modal analysis by finite element was carried out.The analysis results show that the structural stiffness is high enough and meets the requirement.

focusing mechanism；error analysis；modal analysis；harmonic gear reducer

V447.3

A

1672-9870（2016）03-0001-04

2016-01-16

国家自然科学基金（60507003）

范洪杰（1987-），男，研究实习员，E-mail：hongjiefan007@163.com