張新潔,王樹清,顏昌翔

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所,吉林長春 130033)

1 引 言

隨著空間技術(shù)的快速發(fā)展,對空間相機捕獲的圖像要求越來越高。因發(fā)射條件及工作環(huán)境的影響,成像系統(tǒng)的焦面常會產(chǎn)生離焦現(xiàn)象,從而要求設(shè)計相應(yīng)的調(diào)焦機構(gòu)來補償焦面的離焦量。針對空間相機的特殊使用環(huán)境,要求調(diào)焦機構(gòu)具有低速平穩(wěn)、體積小、重量輕、傳動精度高等特點,而采用剛性件的傳統(tǒng)傳動方式已難以滿足上述要求[1],因此,尋求一種合理、穩(wěn)定并具備上述特點的傳動方式進行調(diào)焦十分必要。

本文介紹了一種由精密步進諧波傳動帶動的空間相機的調(diào)焦機構(gòu),詳細闡述了諧波傳動的結(jié)構(gòu)特性并對其進行了誤差分析,最后對調(diào)焦組件做了位移精度檢測,數(shù)據(jù)表明其精度滿足使用要求。

2 精密步進諧波傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計

諧波傳動是隨著空間遙感新技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型傳動,它在空間環(huán)境下具有其它傳動難以達到的特殊性能。

根據(jù)空間相機的調(diào)焦要求,采用的調(diào)焦組件傳動結(jié)構(gòu)如圖1所示,精密步進諧波傳動同相機的調(diào)焦鏡相連,精密諧波傳動中的輸出剛輪與滾珠絲杠相連,調(diào)焦鏡一端與滾珠絲杠的螺母連接,底部與直線導(dǎo)軌滑塊連接,從而使步進電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為調(diào)焦機構(gòu)的直線運動[2]。

圖1 調(diào)焦組件傳動結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of focusing device

設(shè)帶動諧波減速器的步進電機的步距角為θ,諧波減速器的傳動比為i,滾珠絲杠的導(dǎo)程為h,調(diào)焦鏡沿滾珠絲杠軸線方向的最小位移為Δl,則它們之間的關(guān)系為[3]:

根據(jù)空間相機的技術(shù)要求,選取步進電機的步距角為θ=0.9°,滾珠絲杠的導(dǎo)程為 12 mm,設(shè)步進電機每走一步,調(diào)焦機構(gòu)的位移為 0.45μm,則諧波減速器的傳動比為:

為此,選用精密諧波傳動裝置,傳動比為 70。

該傳動主要由波發(fā)生器、柔輪、剛輪和輸出剛輪組成,如圖2所示。波發(fā)生器由橢圓凸輪與套在其外部的柔性軸承組成,裝入柔輪內(nèi)部,柔輪的結(jié)構(gòu)為具有外齒的環(huán)形齒圈,剛輪為具有內(nèi)齒的環(huán)形齒圈,三者結(jié)合后,可實現(xiàn)減速傳動。減速之后的運動,經(jīng)柔輪與輸出剛輪的內(nèi)齒輪構(gòu)成齒嚙輸出機構(gòu)傳遞到輸出軸。另外輸出剛輪上的外齒輪與裝在編碼器上的消間隙齒輪構(gòu)成無間隙的精密傳動,實現(xiàn)編碼器實時精確地測定輸出軸 (滾珠絲杠)。這種結(jié)構(gòu)便于加工、軸向尺寸小、扭轉(zhuǎn)剛度大。

圖2 精密諧波傳動結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of precision har monic gear drive

3 誤差分析

對于無側(cè)隙可逆的諧波齒輪傳動,其運動誤差極限隨機幅值可用下式計算[4]:

式(1)中,Δ φ″1為諧波齒輪傳動的運動誤差(″);ΔT∑K為剛輪 (或柔輪 )的運動誤差 ;Δ ρn為波發(fā)生器零件的徑向誤差;DR為柔輪的分度圓直徑;ω0i為柔輪的最大徑向變形量;Z∑為同時參加嚙合的齒數(shù);KB為運動誤差實際測定值與計算值的比值,在預(yù)先計算時,一般取KB=0.9～1.0,本文取0.95;u為波發(fā)生器的波數(shù);i為傳動比。

已知諧波傳動比為 1∶70,柔輪齒數(shù)ZR=140,精度為 7級,剛輪齒數(shù)為 142,輸出剛輪齒數(shù)為140,精度為 7級,模數(shù)m=0.3。

根據(jù)齒輪精度,單個齒距極限偏差ΔT∑=9.5μm;剛輪,柔輪的不同心度e1=3μm;柔輪的徑向跳動量e2=4μm;波發(fā)生器軸系徑向跳動量的綜合誤差為e3=10μm;柔性軸承的徑向跳動e7＜2μm,同時嚙合齒數(shù)Z∑為柔輪齒數(shù)ZR的30%～40%,則Z∑=42～56。

當(dāng)輸出軸轉(zhuǎn)動時,剛輪和柔輪的綜合誤差極限幅值為:

波發(fā)生器零件的徑向綜合誤差極限幅值為:

將上面求出的值代入式 (3),并取KB=0.95,則諧波齒輪傳動運動誤差的極限隨機幅值為:

柔輪和輸出剛輪的綜合誤差極限幅值為24μm,則輸出剛輪和柔輪的運動誤差為:

編碼器上采用消間隙齒輪組與輸出剛輪嚙合,調(diào)整消間隙齒輪組,可使其與輸出剛輪的側(cè)隙為零,即Δ φ″3=0。

則通過消間隙齒輪組傳到編碼器的總徑向綜合誤差極限幅值為

由于步進諧波傳動的輸出軸通過速比為 1∶1的齒輪傳動與絕對式編碼器相連,又知編碼器旋轉(zhuǎn)一周,碼值變換 65 536個碼,絲杠導(dǎo)程為12 mm,則單個碼值對應(yīng)滾珠絲杠螺母沿絲杠軸線方向的位移為 1.831×10-4mm,由此可計算出誤差 Δ φ″將會造成 9個碼值的偏差,轉(zhuǎn)換成調(diào)焦鏡沿滾珠絲杠軸線方向的位移誤差為 1.65μm。

另外滾珠絲杠導(dǎo)程偏差為e2π=8μm,當(dāng)在調(diào)焦時實際使用的導(dǎo)程為 8 mm,即滾珠絲杠所對應(yīng)的轉(zhuǎn)角為 240°,則由該相應(yīng)導(dǎo)程偏差造成的調(diào)焦鏡沿滾珠絲杠軸線方向位移誤差為es=5.3μm。

由上述分析可知,調(diào)焦鏡沿滾珠絲杠軸線方向總的位移偏差為:

4 焦面位移誤差計算

為了增加調(diào)焦的精度,將調(diào)焦鏡的鏡面與調(diào)焦機構(gòu)的直線運動方向成γ角裝配,如圖3所示。

則調(diào)焦鏡法向位移Δx與絲杠位移Δs之間的關(guān)系為

已知該調(diào)焦鏡與焦面在空間相機光學(xué)系統(tǒng)中的位置關(guān)系如圖4所示,圖中光線對焦面的入射角為α,對調(diào)焦反射鏡的入射角為β,Δx為調(diào)焦反射鏡沿鏡面法線方向移動的位移,Δf為焦面沿鏡面法線方向移動的位移。

圖3 調(diào)焦鏡與絲杠運動方向的關(guān)系Fig.3 Assembly angle between focusingmirror and ball screw moving direction

圖4 調(diào)焦反射鏡與焦面的位置關(guān)系Fig.4 Location relationship between focusing mirror and focal plane

由對應(yīng)的幾何關(guān)系可知:

將式 (10)帶入式 (11)中,則:

已知該空間相機光學(xué)系統(tǒng)中α=15°,γ=12°,β=50°,則由調(diào)焦機構(gòu)誤差 5.55μm導(dǎo)致的焦面位移誤差為Δf=0.342 2·Δs=1.90μm,滿足相機使用要求。

5 檢調(diào)焦工作測試

諧波傳動機構(gòu)中輸出剛輪的外齒輪與絕對式編碼器的消間隙齒輪組相嚙合,故通過編碼器的碼值可以檢測調(diào)焦位移。其調(diào)焦控制單元的工作原理圖如圖5所示,調(diào)焦編碼器的信號通過編碼器信號處理板運算處理,再將處理結(jié)果同理想標(biāo)定值進行比較,然后將比較差值送到電控箱中,控制調(diào)焦電機工作[5]。

圖5 調(diào)焦控制單元原理框圖Fig.5 Block diagram of focusing structure controller platfo rm

圖6 位移誤差 (絕對值)曲線Fig.6 Curve of displacement errors(absolute value)

在測試中,驅(qū)動電機每次走 400 step,用測微儀測量調(diào)焦機構(gòu)的直線位移量,之后將實際測量值與根據(jù)編碼器讀數(shù)計算出的理論位移量進行比較,即可得出相應(yīng)位置調(diào)焦機構(gòu)的位移誤差,具體測試數(shù)據(jù)如圖6所示。

由圖6可知測量結(jié)果的算術(shù)平均值為:標(biāo)準(zhǔn)差為:

取置信度為 99.7%,則測量的最大極限誤差為:

式中,0.0015 mm為調(diào)焦結(jié)構(gòu)本身的系統(tǒng)誤差,0.0028 mm為編碼器和測微儀的測量誤差,推出像面的最大極限誤差為 1.34μm,滿足設(shè)計使用要求。

6 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種空間相機的調(diào)焦機構(gòu),對其進行的檢調(diào)焦測試表明,誤差主要來源是精密步進諧波傳動中剛輪、柔輪和輸出剛輪的綜合誤差以及波發(fā)生器的綜合徑向誤差,選用高精度齒輪可增加調(diào)焦機構(gòu)的傳動精度。位移精度的測量表明,該調(diào)焦機構(gòu)的焦面位移精度高于 1.5μm,證明該調(diào)焦機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。綜上所述,采用精密步進諧波傳動的空間相機調(diào)焦機構(gòu)具備較好的傳動穩(wěn)定性和較高的傳動效率,滿足空間環(huán)境的特殊使用要求。

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