張立平，王 智

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

三線陣CCD相機(jī)安裝支架分析及檢測(cè)

張立平，王 智*

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

為了滿足三線陣CCD相機(jī)對(duì)剛度和穩(wěn)定性的要求，提高相機(jī)測(cè)繪精度，本文在有限元優(yōu)化分析的基礎(chǔ)上完成了相機(jī)測(cè)繪基座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)測(cè)繪基座的模態(tài)以及承受載荷情況下的自重變形以及自重變形引起的各相機(jī)光軸的變化量進(jìn)行了分析?；诘玫降臏y(cè)繪基座關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，研制了測(cè)繪基座專用的垂直度檢測(cè)工具。對(duì)加工過程中測(cè)繪基座進(jìn)行了跟蹤檢測(cè)，驗(yàn)證了該檢測(cè)工具的可用性，確保測(cè)繪基座的幾何精度。

立體測(cè)繪相機(jī)；測(cè)繪基座；有限元分析；垂直度檢測(cè)

1 引 言

立體測(cè)繪相機(jī)是星載對(duì)地?cái)z影測(cè)量最有效的方法和手段，它由具有獨(dú)立鏡頭的3個(gè)線陣CCD相機(jī)組成，它們分別安裝在相機(jī)支架相應(yīng)的安裝孔內(nèi)，且相機(jī)之間保持一定的位置關(guān)系。

無地面控制點(diǎn)的測(cè)繪精度對(duì)立體測(cè)繪相機(jī)的力學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性提出了很高的要求［1-3］：

（1）前視、后視相機(jī)測(cè)量坐標(biāo)系和正視相機(jī)測(cè)量坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換矩陣的力學(xué)穩(wěn)定性≤15″（繞Z軸，即相機(jī)光軸），≤10″（繞X，Y軸）;

（2）前視、后視相機(jī)測(cè)量坐標(biāo)系和正視相機(jī)測(cè)量坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換矩陣的熱穩(wěn)定性≤3″（繞Z軸，即相機(jī)光軸），≤3″（繞X，Y軸）。

測(cè)繪基座是三線陣CCD相機(jī)的安裝支架，是保證立體測(cè)繪相機(jī)力學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵部件，它的力學(xué)特性決定了相機(jī)光軸的指向精度以及空間穩(wěn)定性。測(cè)繪基座的設(shè)計(jì)、加工及檢測(cè)是保證其滿足要求的必要手段。為了滿足立體測(cè)繪相機(jī)的力、熱穩(wěn)定性要求，本文采用有限元優(yōu)化分析的方法對(duì)測(cè)繪基座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行反復(fù)迭代，最終獲得了滿足要求的結(jié)構(gòu);對(duì)測(cè)繪基座的檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了專用檢測(cè)工具對(duì)測(cè)繪基座相機(jī)安裝孔的垂直度進(jìn)行檢測(cè)，以檢驗(yàn)其是否達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

2 測(cè)繪基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析［4-10］

由于線陣CCD相機(jī)、測(cè)繪基座以及衛(wèi)星安裝平臺(tái)均采用獨(dú)立的熱控設(shè)計(jì)，故本文不考慮測(cè)繪基座的熱穩(wěn)定性。對(duì)測(cè)繪基座各相機(jī)安裝位置的受力情況進(jìn)行了分析。立體測(cè)繪相機(jī)完成裝配后，為了保證各相機(jī)的指向精度以及穩(wěn)定性，測(cè)繪基座采用板-筒相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式?？紤]在熱控措施下的熱穩(wěn)定性，測(cè)繪基座的材料選用鑄鈦合金（ZTC4），采用石墨鑄造高壓離心澆鑄成型，設(shè)計(jì)模型如圖1所示。

圖1 測(cè)繪基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型Fig.1 Structuralmodel ofmapping foundation-seat

測(cè)繪基座模態(tài)分析結(jié)果如表1和圖2所示。由表1可以看出，各階模態(tài)的頻率間隔較大，說明測(cè)繪基座具有足夠高的動(dòng)態(tài)剛度，且其模態(tài)疊加的可能性較小。

表1 測(cè)繪基座的前4階模態(tài)Tab.1 The first 4 modes ofmapping foundation-seat

在設(shè)計(jì)測(cè)繪基座時(shí)，除了考慮自身的剛度以及穩(wěn)定性外，還要考慮3個(gè)線陣CCD相機(jī)裝配在測(cè)繪基座上組成立體測(cè)繪相機(jī)的自重變形情況，要使測(cè)繪基座在立體測(cè)繪相機(jī)自重變形后的誤差滿足其力學(xué)及熱穩(wěn)定性的技術(shù)指標(biāo)要求，需對(duì)立體測(cè)繪相機(jī)的自重變形進(jìn)行分析。立體測(cè)繪相機(jī)自重變形分析結(jié)果如表2、表3和圖3所示。

圖2 測(cè)繪基座模態(tài)Fig.2 Modes ofmapping foundation-seat

表2 立體測(cè)繪相機(jī)的自重變形Tab.2 Gravity distortion of tridimensionalmapping camera

經(jīng)過有限元分析與設(shè)計(jì)的反復(fù)迭代，最終得到滿足測(cè)繪要求的測(cè)繪基座。

表3 自重變形引起光軸變化量Tab.3 Ray axis change caused by gravity distortion

圖3 立體測(cè)繪相機(jī)的自重變形Fig.3 Gravity distortion of tridimensionalmapping camera

3 測(cè)繪基座檢測(cè)

3.1 測(cè)繪基座垂直度技術(shù)指標(biāo)分析

測(cè)繪基座的最大外形尺寸為710 mm（X向）×730 mm（Y向）×476 mm（Z向），為了保證立體測(cè)繪相機(jī)的力學(xué)及熱穩(wěn)定性，3個(gè)相機(jī)與測(cè)繪基座的聯(lián)接結(jié)構(gòu)采取長孔配合、法蘭端面聯(lián)接的方式，其中正、前、后視相機(jī)安裝孔長為280 mm。測(cè)繪基座法蘭安裝面與相機(jī)安裝孔中心軸線的垂直度和穩(wěn)定性是測(cè)繪基座的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。

由于測(cè)繪基座相機(jī)安裝孔Z向尺寸超出了現(xiàn)有三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量行程，無法用現(xiàn)有的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。為了能夠?qū)y(cè)繪基座相機(jī)安裝孔的垂直度進(jìn)行檢測(cè)，需要結(jié)合測(cè)繪基座的具體結(jié)構(gòu)，分析其垂直度技術(shù)指標(biāo)，研究這種大尺寸工件的垂直度檢測(cè)方法，并研制相關(guān)的檢測(cè)工具。

為了滿足測(cè)繪精度的要求，3個(gè)線陣CCD相機(jī)視軸平行性應(yīng)小于等于±3″，故以這個(gè)指標(biāo)約束測(cè)繪基座上的相機(jī)安裝孔（如圖4所示）。以正視相機(jī)安裝孔為例，|β|≤1″，要求安裝孔的圓柱度為0.003 mm，則2×280×tanβ=0.003 mm，所以法蘭端面與安裝孔中心軸線的垂直度為0.003 mm。

圖4 法蘭端面與安裝孔中心軸線的關(guān)系Fig.4 Relationship between flange end and axis of camera fixing hole

3.2 測(cè)繪基座垂直度檢測(cè)工具的研制

為了能同時(shí)對(duì)3個(gè)相機(jī)安裝孔的垂直度指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，需要根據(jù)前面的分析研制一套專用的垂直度檢測(cè)工具，以指導(dǎo)相機(jī)安裝孔的加工，完成圖紙?zhí)岢龅拇怪倍戎笜?biāo)要求。

圖5 測(cè)繪基座垂直度檢測(cè)工具結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Sketch of verticality detection tool for mapping foundation-seat

測(cè)繪基座垂直度檢測(cè)工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示，主要由8個(gè)零件組成。檢具使用時(shí)，檢具上的3個(gè)基準(zhǔn)支點(diǎn)靠在被檢端面上，2個(gè)互成90°的定位支點(diǎn)靠在相機(jī)安裝孔內(nèi)壁，通過調(diào)節(jié)定位支點(diǎn)，使兩個(gè)支點(diǎn)的外端點(diǎn)所成的圓弧半徑與相機(jī)安裝孔半徑一致，加工時(shí)保證這兩個(gè)定位支點(diǎn)在同一高度上，以確保檢具旋轉(zhuǎn)時(shí)兩個(gè)定位支點(diǎn)所走過的軌跡與相機(jī)安裝孔在同一個(gè)圓截面，從而使電感儀測(cè)頭所走過的軌跡是相機(jī)安裝孔的同一個(gè)截面，否則，檢測(cè)結(jié)果毫無意義。其中關(guān)鍵的一點(diǎn)是電感儀測(cè)頭與其中一個(gè)定位支點(diǎn)平行，這樣由電感儀測(cè)頭、與其平行的定位支點(diǎn)、檢具的中心軸線構(gòu)成的平面與檢具上3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)構(gòu)成的平面垂直，測(cè)繪基座垂直度檢測(cè)工具就是利用這兩個(gè)垂直的面來檢測(cè)測(cè)繪基座的相機(jī)安裝孔。同時(shí)，為了能檢測(cè)孔上不同截面的垂直度，檢具上的電感儀測(cè)頭可以上下移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)到需要測(cè)量的位置時(shí)，通過緊定螺釘固定測(cè)頭，就可對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)。

3.3 測(cè)繪基座相機(jī)安裝孔垂直度檢測(cè)

在測(cè)繪基座的相機(jī)安裝孔加工達(dá)到圖紙要求的技術(shù)指標(biāo)（圓柱度0.003 mm）后，以相機(jī)安裝孔的內(nèi)徑為基準(zhǔn)，對(duì)相機(jī)安裝孔的法蘭端面與安裝孔中心軸線的垂直度進(jìn)行檢測(cè)。如圖6所示，將檢具的3個(gè)基準(zhǔn)支點(diǎn)靠在測(cè)繪基座相機(jī)安裝孔的法蘭端面上，調(diào)整檢具的2個(gè)定位支點(diǎn)及電感儀測(cè)頭，使其與安裝孔的內(nèi)壁靠緊，并將電感儀的數(shù)顯表清零。在相機(jī)安裝孔加工過程中，考慮到刀是從法蘭端面伸進(jìn)相機(jī)安裝孔進(jìn)行加工的，由于刀桿懸臂顫動(dòng)的影響，離刀具裝夾最遠(yuǎn)處的垂直度最差，所以，將電感儀測(cè)頭靠在這個(gè)位置檢測(cè)的數(shù)據(jù)才可靠。為了得到可靠的檢測(cè)數(shù)據(jù)，如圖6所示，需要移動(dòng)電感儀測(cè)頭的位置，獲取多個(gè)檢測(cè)截面的數(shù)據(jù)。

表4所得到的數(shù)據(jù)是在如圖6所示的某個(gè)檢測(cè)截面上，3次均勻獲取的8個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

圖6 檢測(cè)工具的使用Fig.6 Application of detection tool

表4 垂直度過程檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.4 Detection data of verticality

為了確認(rèn)研制的垂直度檢測(cè)工具檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，借助于外協(xié)單位的大型三座標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)基于該檢測(cè)數(shù)據(jù)加工的測(cè)繪基座進(jìn)行了復(fù)檢，結(jié)果顯示誤差在0.5μm內(nèi)，滿足了設(shè)計(jì)提出的精度要求，證明了所研制的垂直度檢測(cè)工具的可靠性。

4 結(jié) 論

測(cè)繪基座是三線陣CCD相機(jī)的安裝支架，其剛度、穩(wěn)定性及精度關(guān)系到立體測(cè)繪相機(jī)的光軸指向精度及空間光軸穩(wěn)定性，繼而影響測(cè)繪精度，因此，在設(shè)計(jì)測(cè)繪基座時(shí)，需考慮基座的剛度及穩(wěn)定性，同時(shí)還要考慮各相機(jī)安裝在測(cè)繪基座以后的自重變形。本文在有限元優(yōu)化分析的基礎(chǔ)上，得到了滿足要求的測(cè)繪基座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了保證測(cè)繪基座的質(zhì)量，研制了測(cè)繪基座垂直度專用檢測(cè)工具，通過在測(cè)繪基座加工過程的檢測(cè)實(shí)踐驗(yàn)證了該檢測(cè)工具的可使用性，同時(shí)指導(dǎo)了測(cè)繪基座加工并保證其加工精度。

［1］胡莘，曹喜濱.三線陣立體測(cè)繪衛(wèi)星的測(cè)繪精度分析［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，40（5）：695-699. HU X，CAO X B.Analysis on Precision of stereomappingmicrosatellite using three-line array CCD images［J］.J.Harbin Institute Technology，2008，40（5）：695-699.（in Chinese）

［2］高衛(wèi)軍，孫立，王長杰，等.“資源三號(hào)”高分辨率立體測(cè)繪衛(wèi)星三線陣相機(jī)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證［J］.航天返回與遙感，2012，33（3）：25-34. GAOW J，SUN L，WANG CH J，et al..Design and verification of three-line array camera for ZY-3 high resolution stereo mapping satellite［J］.Spacecraft Recovery and Remote Sensing，2012，33（3）：25-34.（in Chinese）

［3］岳麗清，張繼友，伏瑞敏，等.三線陣相機(jī)視軸夾角及線陣平行性裝調(diào)測(cè)試［J］.航天返回與遙感，2012，33（3）：35-40. YUE L Q，ZHANG JY，F(xiàn)U R M，et al..Alignmentmethod of axis angle and linear array parallelism for three-line array mapping camera［J］.Spacecraft Recovery and Remote Sensing，2012，33（3）：55-40.（in Chinese）

［4］王智，喬克，張立平.三線陣立體測(cè)繪衛(wèi)星LMCCD相機(jī)的實(shí)現(xiàn)［J］.光機(jī)電信息，2010，27（11）：110-114. WANG ZH，QIAO K，ZHANG L P.Implementation of LMCCD camera for stereomapping satellite using three-line array CCDs［J］.OME Information，2010，27（11）：110-114.（in Chinese）

［5］王智，張立平，姚惠.三線陣立體測(cè)繪相機(jī)光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)［J］.光子學(xué)報(bào)，2010，39（2）：227-232. WANG ZH，ZHANG L P，YAOH.Design on optical lens of three-linear tridimensionalmapping camera［J］.Acta Photonica Sinica，2010，39（2）：227-232.（in Chinese）

［6］王智，張立平，李朝輝.傳輸型立體測(cè)繪相機(jī)的調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)精密工程，2009，17（5）：1051-1056. WANG ZH，ZHANG L P，LIZH H.Design on focusingmechanism of space tridimensionalmapping camera［J］.Opt.Precision Eng.，2009，17（5）：1051-1056.（in Chinese）

［7］王智，張立平，李朝輝.三線陣立體測(cè)繪相機(jī)構(gòu)像及誤差模型的建立［J］.光電工程，2010，37（1）：95-100. WANG ZH，ZHANG L P，LIZH H.Imaging and errormodel of three-linear tridimensionalmapping camera［J］.Opto-E-lectronic Eng.，2010，37（1）：95-100.（in Chinese）

［8］王智.基于碳纖維復(fù)合材料的月基極紫外相機(jī)照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.中國光學(xué)，2012，5（6）：590-595. WANG ZH.Design of collimation frame structure for lunar-based extreme ultraviolet camera based on carbon fiber reinforced plstics［J］.Chinese Optics，2012，5（6）：590-595.（in Chinese）

［9］王智，李朝輝.月基極紫外相機(jī)光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)精密工程，2011，19（10）：2427-2433. WANG ZH，LIZH H.Design of optical-mechanical structure for lunar-based extreme ultraviolet camera［J］.Opt.Precision Eng.，2011，19（10）：2427-2433.（in Chinese）

［10］苗健宇，張立平，翟巖，等.三線陣CCD立體測(cè)繪相機(jī)的集成裝調(diào)［J］.中國光學(xué)，2012，（4）：366-372. MIAO JY，ZHANG L P，.ZHAIY，et al..Integrative assembly for three-line array CCD tridimensionalmapping camera［J］.Chinese Optics，2012，（4）：366-372.（in Chinese）

Analysis and exam ination on support frame of three-linear CCD cameras

ZHANG Li-ping，WANG Zhi*
（Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）
*Corresponding author，E-mail：wz070611@126.com

In order to satisfy the requirements of a three-linear CCD camera for stiffness and stability and to improve its themapping accuracy，the structure design of the mapping foundation support of the camera was accomplished based on finite element analysis.Themode，self-weight deformation and light axis variation due to self-weight deformation were analyzed.A special detection toolwas developed based on the qualifications of themapping foundation support.The tracking detection to themapping foundation support in the processwas developed to verify the feasibility of the special detection tool and to assure its geometric accuracy.

tridimensional mapping camera;mapping foundation support;finite element analysis;verticality detection

TP732；V447.3

A

10.3788/CO.20130603.0402

張立平（1957—），男，吉林長春人，學(xué)士，研究員，碩士生導(dǎo)師，1982年于長春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事航天光學(xué)遙感器的研制工作。E-mail：zhang_lp2005@163.com

王 智（1978—），男，山東壽光人，博士，副研究員，2000年于長春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，2003年于長春理工大學(xué)獲得碩士學(xué)位，2006年于中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事航天光學(xué)遙感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。E-mail：wz070611@126.com

1674-2915（2013）03-0402-06

2013-02-13；

2013-03-17

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61108066）