空间相机运动组件动态特性研究分析

赵海平　何欣

摘 要：空间运动机构设计很少考虑结合面的动力特性。本文着重分析了导轨丝杠运动副的动力学特性。文章结果表明，弹簧单元动态分析结果与实际模态测试更吻合。本文的分析结果为空间运动机构分析提供了依据。

关键词：空间运动机构；结合面；弹簧单元模型

1 引言

在空间相机的设计中，对高分辨率的性能要求越来越高。影响相机分辨率的外部物理因素主要有发射过程的冲击和振动、在轨中的交变温度[1]。在相机设计中增加调焦机构组件，既能使相机地面装调时找到更清晰像面，又能于在轨工作时发送一定的调焦指令消除离焦现象，保证分辨率在设计误差范围之内。因此调焦机构组件是目前大视场高分辨率相机必要的组件。

调焦组件一般由结构支撑件和采用单一驱动方式的运动传动件组成，对于采用单一驱动方式的调焦机构，存在焦平面两端同步运动误差不可消除的误差问题，这是影响相机调焦精度的主要原因[2]。由于单一驱动方式结构简单，可靠性高，目前是国内外空间相机调焦机构的主要驱动方式。对于单一驱动方式调焦机构，主要通过高刚度设计和高精密装调将上述同步运动误差控制在误差允许范围内。如何准确設计和分析调焦组件结构的刚度成为调焦机构结构设计的关键。

在机械运动部件中，运动副间形成的结合面占整个结构刚度的50%以上[3]。目前，在国内外空间调焦机构设计和分析研究文献中，一般都将运动部件结合面等效为固结形式，结构分析结果和实际调焦组件动态特性偏差大，而且结构设计安全系数过大，质量较重。本文针对调焦机构运动副结合面，引入运动副结合面理论，通过设计和分析与某空间相机调焦机构组件同尺寸的运动副试验件，分析和计算试验件的刚度特性，并对试验件进行试验验证。

2 调焦组件分析

根据调焦传动元件的不同，空间调焦机构有丝杠螺母、凸轮机构、曲柄滑块机构等多种方式。某型号离轴三反空间相机采用离轴三反光学系统，在热控保证的20°±5°间变化的工作环境下，为保证成像质量，CCD位置的MTF需大于0.4。在相机成像期间，根据调焦指令，进行焦面位置的调整，，调焦精度为0.03mm，调焦量程不小于±5mm。根据上述设计要求，调焦机构采用传动精度高、结构易于加工的导轨加丝杠螺母副形式，调焦组件结构设计如图1所示，主要由调焦电机和变速机构、编码器部件、调焦镜组件、导轨丝杠螺母传动部件及结构支撑部件组成，调焦电机通过变速机构将驱动力传到丝杠螺母副进而传到沿导轨直线运动的结构支撑部件1，结构支撑部件1通过背部滑块将导轨向运动传动实现调焦镜沿镜面垂直向运动，同时编码器通过另一组传动部件获得调焦镜部件的运动量并将运动量通过闭环传给电机控制电机的进给。

在上述调焦机构组件中，导轨直线副、丝杠螺母副是主要的运动结合面，分析该调焦机构尺寸大小的运动结合面是准确分析调焦机构组件刚度的关键。

3 动力学模型

在上图所示导轨丝杠螺母副结构试验台中，滚珠丝杠副和直线导轨副的组合实现运动台的进给运动。从机械动力学角度分析，运动副X向刚度为滚珠丝杠副轴向刚度，Y向刚度为直线滚动导轨的横向刚度，Z向刚度为直线滚动导轨的垂直刚度。在滚珠丝杠副和直线导轨副静、动刚度试验中，两种运动副都表现为一定的弹簧式刚度特性，因此在结构动力学理论中，将二者的各方向动刚度特性等效为单自由度的弹簧单元，通过理论计算或试验测试获得弹簧单元的刚度参数，便可确定两种运动副的动刚度特性。

3.1 滚珠丝杠副轴向刚度

分析表1，与试验测试结果比较，传统固结单元分析结果误差在20%以上，弹簧刚度单元分析结果误差小于10%。弹簧刚度单元分析更符合实际测试数据，可以更精确指导空间相机调焦运动组件的机械动力学设计。

参考文献

[1]陈世平，杨秉新，王怀义等.空间相机设计与试验[M]. 北京：中国宇航出版社，2009.

[2]邵明东. 离轴三反测绘相机调焦机构的设计[J]. 中国光学，2012.

[3]苏铁熊，杨世文，崔志琴等.复杂结构结合部动力学仿真模型研究[J]. 华北工学院学报，2001.