一種寬調(diào)焦范圍的調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

一種寬調(diào)焦范圍的調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

航空航天成像相機(jī)是獲取地面信息的重要手段之一。精確的探測和聚焦技術(shù)直接影響相機(jī)的工作穩(wěn)定性。這是星載長度捕獲和高分辨率三維測量相機(jī)不可或缺的一項(xiàng)重要技術(shù)之一。由于航天立體測繪相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)焦距較長，衛(wèi)星發(fā)射過程中的振動(dòng)、沖擊以及復(fù)雜多變的在軌溫度、壓力等環(huán)境會(huì)引起空氣的折射率發(fā)生變化，同時(shí)光學(xué)系統(tǒng)中透鏡的折射率、曲率半徑、厚度、透鏡材料內(nèi)應(yīng)力變化、金屬框架的伸縮等，都會(huì)導(dǎo)致相機(jī)的CCD靶面偏離焦平面從而降低成像分辨率，直接影響測繪精度。因此設(shè)計(jì)了一套補(bǔ)償相機(jī)CCD靶面偏移的調(diào)焦機(jī)構(gòu)，介紹了檢調(diào)焦工作原理、凸輪調(diào)焦機(jī)構(gòu)的組成、調(diào)焦機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理及誤差分析，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了調(diào)焦系統(tǒng)的精度。1條件決定的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)焦結(jié)構(gòu)主要由光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)焦精度及使用環(huán)境條件決定。不同光學(xué)系統(tǒng)其調(diào)焦方式不同，即使同一光學(xué)系統(tǒng)，因結(jié)構(gòu)形式及使用環(huán)境條件不同，其調(diào)焦方式亦不同，常用的調(diào)焦方式有以下幾種。1.1光學(xué)前組透鏡鏡組移動(dòng)式又可分為前組、中組和后組移動(dòng)，鏡頭前組移動(dòng)，通過移動(dòng)鏡頭光學(xué)前組透鏡，改變焦距，從而達(dá)到調(diào)焦目的，通常用于小型普及型照相機(jī)。鏡頭中組或后組移動(dòng)，通過移動(dòng)鏡頭中組透鏡或后組透鏡，改變焦距，常用于超望遠(yuǎn)鏡頭。1.2調(diào)整機(jī)型如果光學(xué)系統(tǒng)的后截距很長，可以在最后一塊透鏡和像面之間增加一塊反射鏡改變光路縮短相機(jī)長度，通過調(diào)整反射鏡沿光軸方向的位置實(shí)現(xiàn)調(diào)焦，用于鏡頭后截距較長、調(diào)焦精度要求較高的長焦距相機(jī)。1.3從調(diào)焦機(jī)構(gòu)的選擇，主要分為絲杠螺釘調(diào)焦、發(fā)展氣通過移動(dòng)成像介質(zhì)（膠片或CCD）感光面使其與光學(xué)系統(tǒng)的焦面重合進(jìn)行調(diào)焦，適用于裝機(jī)空間小，焦距較短的相機(jī)。結(jié)合某航天立體測繪相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用沿光軸移動(dòng)CCD攝像靶面（焦平面）的方式，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)能夠很好的保持穩(wěn)定。應(yīng)用于航天相機(jī)的調(diào)焦機(jī)構(gòu)主要有兩種：一種是絲杠螺母調(diào)焦；另一種是凸輪調(diào)焦。這兩種調(diào)焦方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，絲杠螺母調(diào)焦方式結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但相機(jī)在軌工作環(huán)境中（真空、低溫等）容易產(chǎn)生卡滯現(xiàn)象，抗振動(dòng)沖擊能力差；而凸輪調(diào)焦方式精度高，結(jié)構(gòu)也比較簡單，其運(yùn)動(dòng)件（齒輪、凸輪、蝸輪、蝸桿）經(jīng)過防冷焊處理后不會(huì)產(chǎn)生冷焊、卡滯現(xiàn)象，但對凸輪曲線的加工要求較高。由于航天立體測繪相機(jī)的工作環(huán)境及精度要求，我們選擇雙凸輪曲線調(diào)焦方式，通過凸輪的導(dǎo)向作用，把調(diào)焦步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為CCD靶面沿光軸的直線運(yùn)動(dòng)。2立體測繪攝像機(jī)的調(diào)焦方案設(shè)計(jì)相機(jī)都有一定的允許離焦量，在允許離焦范圍內(nèi)不會(huì)造成圖像分辨率的下降。允許離焦量的最大值等于相機(jī)的半倍焦深，計(jì)算公式如下：λ—相機(jī)工作的中心波長。測繪相機(jī)的焦深為：由于影響相機(jī)的因素有很多，如光學(xué)元件的制造、機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工、整機(jī)的裝調(diào)以及電控等，綜合考慮上述因素，分配給調(diào)焦組件的調(diào)焦要求是：精度為（±8）μm，另外，根據(jù)本立體測繪相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)，經(jīng)過分析計(jì)算，只需把CCD靶面沿光軸方向移動(dòng)±1mm即可補(bǔ)償離焦量，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在結(jié)構(gòu)允許的空間范圍內(nèi)，盡量增加調(diào)焦范圍，使調(diào)焦量有一定裕度。調(diào)焦量的大小由凸輪曲線決定，在滿足要求的凸輪的強(qiáng)度、剛度條件下，設(shè)計(jì)調(diào)焦范圍（±2)mm。3焦平面結(jié)構(gòu)組成航空立體測繪相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)主要由調(diào)焦電機(jī)組件、編碼器組件、凸輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、焦平面組件等組成，結(jié)構(gòu)簡圖，如圖1所示。調(diào)焦電機(jī)借助減速裝置將力傳遞給凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了把步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為CCD靶面沿光軸方向的直線移動(dòng)。3.1鋼球相對固定筒間的調(diào)整圈凸輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)調(diào)焦電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為CCD靶面沿光軸方向直線運(yùn)動(dòng)、決定調(diào)焦量大小的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是反映調(diào)焦精度的重要環(huán)節(jié)。凸輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu)主要由凸輪、齒圈、特殊螺釘、過渡軸及軸座組成，凸輪組件結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。凸輪借助于多個(gè)精密鋼球，支承在固定筒上，鋼球借助保持架保證相對位置不變，修研支持架與固定筒間的調(diào)整圈，保證鋼球相對凸輪及固定筒間的間隙很小，凸輪在固定筒上回轉(zhuǎn)自如，凸輪機(jī)構(gòu)相對固定筒軸向位置恒定不變。凸輪與齒圈通過特殊螺釘聯(lián)結(jié)在一起，過渡軸通過兩個(gè)精密軸承與凸輪聯(lián)接（軸承在凸輪槽內(nèi)移動(dòng)，每個(gè)軸承與凸輪槽的一邊間隙為零，此設(shè)計(jì)是為了消除正反轉(zhuǎn)帶來的機(jī)構(gòu)空回，還可以克服由于凸輪槽寬度的不均勻性引起的滾子跳動(dòng)），過渡軸裝在軸座上，軸座固定在像面鏡筒上，這樣就把凸輪與CCD靶面組件的像面鏡筒連接起來，當(dāng)齒圈旋轉(zhuǎn)時(shí)，凸輪隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，由凸輪傳遞的運(yùn)動(dòng)可分解為沿光軸方向的直線移動(dòng)和繞光軸方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而像面鏡筒繞光軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)被限位機(jī)構(gòu)限制，這樣，凸輪通過過渡軸、軸座帶動(dòng)像面鏡筒沿光軸方向直線運(yùn)動(dòng)，從而將調(diào)焦電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為CCD靶面沿光軸方向的直線移動(dòng)。3.2調(diào)焦機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)調(diào)焦機(jī)構(gòu)是測繪相機(jī)的關(guān)鍵組件之一，測繪相機(jī)CCD靶面的偏移是通過調(diào)焦機(jī)構(gòu)來補(bǔ)償。為保證相機(jī)的成像質(zhì)量，不但要求調(diào)焦機(jī)構(gòu)有高的調(diào)焦精度，還要有足夠的強(qiáng)度、剛度。調(diào)焦機(jī)構(gòu)中，過渡軸及軸座的力學(xué)性能相對薄弱，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用冗余設(shè)計(jì)，即在凸輪上設(shè)計(jì)有對稱的兩條凸輪曲線，形成兩個(gè)凸輪槽。由雙過渡軸、雙軸座與CCD靶面的像面鏡筒聯(lián)系起來，這樣可提高凸輪機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，保證調(diào)焦精度，而且還能減少CCD靶面的光軸晃動(dòng)，提高其沿光軸直線運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。4系統(tǒng)副回路，控制器未充航天立體測繪相機(jī)檢調(diào)焦機(jī)構(gòu)的控制原理框圖，如圖3所示?？刂葡到y(tǒng)主要由兩個(gè)回路組成，主回路是一個(gè)閉環(huán)控制回路，主要由檢焦元件檢測出CCD靶面的位置，將其位置數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，調(diào)焦控制器讀取存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，并與理想標(biāo)定值進(jìn)行比較，然后將比較差值（靶面離焦量）傳給功率驅(qū)動(dòng)器，以控制調(diào)焦電機(jī)工作，調(diào)焦電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)過齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞給凸輪執(zhí)行機(jī)構(gòu)，移動(dòng)CCD靶面，使景物像清晰的成在相機(jī)的焦平面上。副回路是一個(gè)開環(huán)控制回路，地面遙控站根據(jù)相機(jī)下傳的實(shí)際圖像質(zhì)量，通過對相機(jī)注入遙控指令對相機(jī)進(jìn)行調(diào)焦。CCD靶面移動(dòng)量由16位絕對式編碼器進(jìn)行檢測。5焦機(jī)油擠出的精度分析和實(shí)驗(yàn)5.1系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為三級減速機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)原理圖，如圖4所示。由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪副、蝸輪蝸桿副和凸輪副，總速比為140∶1。圓柱狀凸輪的單滾道轉(zhuǎn)角行程100°，升角為1°45′。調(diào)焦精度主要由齒輪副、蝸輪蝸桿副和凸輪副的嚙合誤差、軸系的誤差、空回誤差、傳動(dòng)的平穩(wěn)性等多方面因素構(gòu)成。其中最大的誤差是空回誤差，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)齒輪7采用雙片消間隙齒輪副，蝸輪蝸桿副采用跑合配研方式提高精度。所有運(yùn)動(dòng)副均涂覆二硫化鉬固體潤滑層。焦平面直線行程（±2)mm。是靠凸輪鏡筒轉(zhuǎn)動(dòng)，使滑塊沿光軸直線移動(dòng)實(shí)現(xiàn)，其滑塊在x、y兩個(gè)方向上的移動(dòng)直線性精度（±1）μm，引起系統(tǒng)主點(diǎn)的最大偏移量0.154個(gè)像元，能夠滿足相機(jī)主點(diǎn)標(biāo)定精度0.2個(gè)像元的要求；調(diào)焦后的主距改變量由16位光電軸角編碼器測出。為了提高可靠性，16位光電軸角編碼器采用冷備份。調(diào)焦機(jī)構(gòu)像面調(diào)節(jié)量檢測的分辨率為：0.224μm/碼；像平面位置電子學(xué)控制精度為（±10）個(gè)碼（即±2.24μm）；調(diào)焦檢測機(jī)構(gòu)最大間隙≤（±10）μm，齒輪副空回消除后折合到像平面上僅為（±3.3）μm。5.2cd靶面繞光軸旋轉(zhuǎn)量的檢測調(diào)焦機(jī)構(gòu)直線移動(dòng)副的精度試驗(yàn)及檢測，是工程實(shí)施中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。采用自準(zhǔn)直方法對放在焦平面處的平面反射鏡1的像進(jìn)行自準(zhǔn)來檢測CCD靶面的直線性偏差及位置移動(dòng)的精度，如圖5所示。同樣的方法檢測CCD靶面繞光軸的旋轉(zhuǎn)量，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)所需的儀器設(shè)備為：專用檢測平臺、0.1″自準(zhǔn)直儀、軸向電感測微儀、平面反射鏡1、平面反射鏡2，夾持后鏡筒用V型工裝卡具、潔凈度10萬級的實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)測得調(diào)焦分辨率為3μm；調(diào)焦精度為（±5.7）μm，滿足（±8）μm的要求；調(diào)焦機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈的空回誤差為4.5μm;CCD靶面直線移動(dòng)精度為：x方向：11.2″，y方向：11.8″；CCD靶面在調(diào)焦范圍內(nèi)繞光軸的旋轉(zhuǎn)量：電機(jī)正轉(zhuǎn)：8.3″，電機(jī)反轉(zhuǎn)：13.1″。結(jié)果表明設(shè)計(jì)合理，加工精度高，能夠滿足成像質(zhì)量要求。6調(diào)焦精度檢測在分析離焦原因