專利名稱：一種用于空間光學(xué)遙感儀器的高精度調(diào)焦裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間遙感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及用于空間高靈敏度光學(xué)遙感儀器的高精度調(diào)焦裝置。
背景技術(shù)：
空間遙感儀器不同于地面光學(xué)儀器，它要經(jīng)受在發(fā)射階段的沖擊、振動、過載等力學(xué)環(huán)境；同時，相機在軌工作階段又會受到微重力、高真空、溫度交變等環(huán)境條件的影響，相機經(jīng)歷這一系列惡劣環(huán)境后，會使得主次鏡或透鏡間間隔發(fā)生變化，從而導(dǎo)致最佳焦平面發(fā)生一定程度的偏移，嚴(yán)重的情況下直接影響相機的成像質(zhì)量。高靈敏度光學(xué)遙感儀器對外界環(huán)境的變化更為敏感，為了保證空間相機在惡劣環(huán)境下仍然能具有較高的成像質(zhì)量， 則需要對相機中的某些光學(xué)元件的位置進行主動校正，從而修正系統(tǒng)焦平面。目前國內(nèi)空間高靈敏度相機的調(diào)焦機構(gòu)多采用齒輪組或凸輪進行調(diào)焦，這兩種方式的調(diào)焦機構(gòu)的精度受其傳動部件加工精度的影響較大。尤其是對凸輪曲線的加工要求更高，制造難度較大。同時，齒輪傳動或凸輪傳動均為滑動摩擦，空間冷焊問題以及長壽命潤滑問題目前也是有待于解決的難題。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有調(diào)焦技術(shù)上的缺陷，本發(fā)明就是要提供一種空間應(yīng)用、結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)焦精度高、穩(wěn)定性好，且適用于大口徑光學(xué)元件的調(diào)焦裝置。本發(fā)明的高精度調(diào)焦裝置包括調(diào)焦機構(gòu)和鎖緊機構(gòu)兩大部分。其中調(diào)焦機構(gòu)用于主動調(diào)節(jié)調(diào)焦透鏡的運動，從而校正系統(tǒng)的焦平面，鎖緊機構(gòu)用于鎖定調(diào)焦透鏡的初始位置，便于調(diào)焦機構(gòu)通過空間力學(xué)環(huán)境試驗的考核。其中調(diào)焦機構(gòu)包括調(diào)焦機構(gòu)支撐筒1、驅(qū)動電機2、柔性聯(lián)軸器3、滾珠絲桿支撐精密軸承I 4、精密滾珠絲杠5、滾珠絲桿支撐精密軸承116、聯(lián)軸器7、電位器8、調(diào)焦連接架9、高精密線性滑臺10、固定透鏡11、調(diào)焦透鏡12、透鏡支撐筒13 ；鎖緊機構(gòu)包括鎖緊銷14、電磁閥15、位置傳感器16。其中調(diào)焦機構(gòu)支撐筒1為筒狀結(jié)構(gòu)，采用鈦合金或不銹鋼材料；驅(qū)動電機2采用可正反轉(zhuǎn)的步進電機，轉(zhuǎn)速小于< 3r/min ；柔性聯(lián)軸器3采用不銹鋼材料；精密軸承I 4與精密軸承II 6分別選用精度等級在P4級以上的角接觸球軸承和深溝球軸承；精密滾珠絲杠5精度等級達P2級以上；電位器8為旋轉(zhuǎn)式角位置傳感器；調(diào)焦連接架9為U字形結(jié)構(gòu)， 采用鈦合金或不銹鋼材料；高精密線性滑臺10精度為0. 002mm/100mm，其材料為不銹鋼；鎖緊銷14為頭端錐狀結(jié)構(gòu)，可方便嵌入調(diào)焦透鏡12的安裝座內(nèi)；位置傳感器16采用微動開關(guān)或霍爾元件。本發(fā)明的高精度調(diào)焦裝置中，驅(qū)動電機2套于調(diào)焦機構(gòu)支撐筒1內(nèi)，通過柔性聯(lián)軸器3將精密滾珠絲杠5與驅(qū)動電機2輸出端連接，精密軸承I 4與精密軸承II 6分別支撐精密滾珠絲杠5的前端和后端；電位器8通過聯(lián)軸器7與精密滾珠絲杠5前端輸出軸連接； 固定透鏡11通過其透鏡安裝座安裝于透鏡支撐筒13內(nèi)；調(diào)焦透鏡12安裝于調(diào)焦透鏡動環(huán)內(nèi)，動環(huán)與調(diào)焦透鏡靜止環(huán)通過高精密線性滑臺10連接，裝配好的調(diào)焦透鏡組合體至于透鏡支撐筒13內(nèi)；調(diào)焦連接架9上端固定于調(diào)焦透鏡動環(huán)一側(cè)，下端固定于底部精密滾珠絲杠5的螺母座上；電磁閥15位于透鏡支撐筒13頂部，其鎖緊銷14錐型端插入調(diào)焦透鏡動環(huán)錐形槽內(nèi)，另外一端則固定于電磁閥15內(nèi)。所述的驅(qū)動電機2選用可正反轉(zhuǎn)步進電機，其通過驅(qū)動電機2安裝法蘭固定于調(diào)焦機構(gòu)支撐筒1后端，該驅(qū)動電機2亦可采用直流電機替代。所述的電位器8通過轉(zhuǎn)接法蘭安裝于調(diào)焦機構(gòu)支撐筒1前端，該電位器8亦可采用旋轉(zhuǎn)變壓器或光柵編碼尺替代。所述的高精密線性滑臺10其固定導(dǎo)軌安裝于調(diào)焦透鏡靜止環(huán)上，滑塊安裝于調(diào)焦透鏡動環(huán)上，該高精密線性滑臺10亦可采用高精密直線軸承替代。所述的鎖緊機構(gòu)安裝于透鏡支撐筒13頂部安裝座上，其中電磁閥15亦可采用無泄漏的火工品替代。為防止調(diào)焦機構(gòu)在無油超高真空環(huán)境中運動發(fā)生冷焊，需對所述的運動部件即精密軸承I 4、精密軸承II 6、精密滾珠絲杠5和高精密線性滑臺10采取潤滑措施。該調(diào)焦機構(gòu)運動方式屬于間歇運動，對上述運動部件采取固體潤滑，在各運動部件表面噴涂Mo&。本發(fā)明高精度調(diào)焦裝置的詳細工作過程如下所述，其整個調(diào)焦機構(gòu)位于調(diào)焦機構(gòu)支撐筒1內(nèi)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)地面接收到的圖像質(zhì)量下降時，判斷焦面偏離位置，根據(jù)偏離方位按相應(yīng)的調(diào)焦方案進行調(diào)焦，調(diào)焦移動方位即有可能向前，又有可能向后，因此在調(diào)焦透鏡12 前后均預(yù)留一定的調(diào)焦量，且使用的驅(qū)動電機2能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)。調(diào)焦由控制系統(tǒng)發(fā)出調(diào)焦指令，驅(qū)動電機2作為調(diào)焦機構(gòu)的驅(qū)動源接收到調(diào)焦指令后開始運動，驅(qū)動電機2輸出端通過柔性聯(lián)軸器3與精密滾珠絲杠5連接，將驅(qū)動電機2驅(qū)動力傳遞至精密滾珠絲杠5，精密滾珠絲杠5又將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為高精度的直線運動并傳遞動力至調(diào)焦連接架9，調(diào)焦連接架9是連接精密滾珠絲杠5與調(diào)焦透鏡12的橋梁，同時調(diào)焦透鏡12固定于調(diào)焦透鏡動環(huán)上，調(diào)焦透鏡靜止環(huán)固于透鏡支撐筒13內(nèi)，調(diào)焦透鏡動環(huán)采用三個高精密線性滑臺10與調(diào)焦透鏡靜止環(huán)連接，通過這三個線性滑臺約束調(diào)焦透鏡12的五維自由度，即三個方向的轉(zhuǎn)動自由度和兩個方向的徑向移動自由度。當(dāng)發(fā)出調(diào)焦指令后，驅(qū)動電機2通過精密滾珠絲杠5驅(qū)動調(diào)焦連接架9移動，隨后調(diào)焦連接架9通過推動高精密線性滑臺10而帶動調(diào)焦透鏡12向調(diào)焦方位按既定調(diào)焦量平穩(wěn)地移動。整個調(diào)焦過程中，控制系統(tǒng)實時監(jiān)控電位器 8的反饋信號，通過其反饋信號指示控制調(diào)焦位置。在空間大口徑相機發(fā)射前，對整個光學(xué)系統(tǒng)進行地面裝調(diào)，根據(jù)選取最優(yōu)MTF原則確定調(diào)焦透鏡12的初始位置，由于滾珠絲杠螺母無自鎖性，為確保調(diào)焦透鏡12在地面裝調(diào)后的初始位置不會發(fā)生偏移，需增加透鏡鎖緊機構(gòu)，本裝置采用電磁閥15對調(diào)焦透鏡動環(huán)進行機械自鎖。當(dāng)發(fā)出調(diào)焦透鏡鎖定指令后，電磁閥15通電，鎖緊銷14脫離電磁閥15 內(nèi)彈簧閥體，在外力作用下鎖緊銷14向調(diào)焦透鏡12徑向方向移動；同時，在調(diào)焦透鏡動環(huán)上配有一個錐形槽，鎖緊銷14移動至錐形槽內(nèi)，兩錐面配合使其鎖緊可靠；數(shù)秒后，電磁閥 15失電，其內(nèi)彈簧閥體重新彈出，將鎖緊銷14卡住，此時，調(diào)焦透鏡12即被鎖緊，在相機發(fā)射前調(diào)焦透鏡12均為鎖緊狀態(tài)。相機在軌運行時，若焦平面發(fā)生偏移，在發(fā)出正式調(diào)焦運動指令前，首先要進行鎖緊機構(gòu)解鎖。通過控制系統(tǒng)發(fā)出調(diào)焦解鎖指令，調(diào)焦電磁閥15開始工作，將鎖緊銷14從電磁閥15內(nèi)彈出，彈出的鎖緊銷14立即脫開調(diào)焦透鏡動環(huán)，并通過位置傳感器16反饋信號確定解鎖是否成功。當(dāng)確定鎖緊機構(gòu)解鎖成功后即可發(fā)送調(diào)焦指令，從而完成一次完整的調(diào)焦過程。本發(fā)明的優(yōu)點該裝置采用高精密滾珠絲杠和線性滑臺，裝置結(jié)構(gòu)緊湊，可驅(qū)動大口徑的光學(xué)元件。通過該裝置可精準(zhǔn)地控制調(diào)焦位置，使調(diào)焦透鏡沿軸向方向的定位精度達到5 μ m，重復(fù)定位精度達到2 μ m，透鏡偏轉(zhuǎn)角精度可達士0.05°。采用地面鎖緊機構(gòu)配合能夠充分保證地面最佳像質(zhì)位置不發(fā)生變化。


圖1為本發(fā)明高精度調(diào)焦裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1、調(diào)焦機構(gòu)支撐筒11、固定透鏡2、驅(qū)動電機12、調(diào)焦透鏡3、柔性聯(lián)軸器13、透鏡支撐筒4、滾珠絲桿支撐精密軸承I14、鎖緊銷5、精密滾珠絲杠15、電磁閥6、滾珠絲桿支撐精密軸承II16、位置傳感器7、聯(lián)軸器8、電位器9、調(diào)焦連接架10、高精密線性滑臺
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的一個具體實施方式
進行詳細描述如圖1所示，調(diào)焦機構(gòu)安裝于調(diào)焦機構(gòu)支撐筒1內(nèi)，固定透鏡11與調(diào)焦透鏡12均安裝于透鏡支撐筒13內(nèi)。U型調(diào)焦連接架9 一端安裝于精密滾珠絲杠5的螺母座上，另一端固定于調(diào)焦透鏡動環(huán)上。為方便整個光學(xué)系統(tǒng)光校，需要保證透鏡組件的光軸與透鏡支撐筒13的機械軸盡量保持一致。為此，在設(shè)計加工過程中，保證透鏡支撐筒13與調(diào)焦透鏡 12、固定透鏡11分別配合的兩內(nèi)圓圓柱度小于0. 008mm，兩內(nèi)圓同軸度小于0. Olmm ；同時， 為保證調(diào)焦透鏡在移動過程中具有較高的運動精度，需要將透鏡支撐筒13與調(diào)焦機構(gòu)支撐筒1組合加工，并保證兩支撐筒軸線的平行度小于0. 01mm。調(diào)焦裝置的主要性能參數(shù)與零部件參數(shù)如下所示1)調(diào)焦行程-3讓 +3讓；2)調(diào)焦透鏡口徑> 100匪；幻透鏡重量> 0. 5kg ；4)驅(qū)動電機可正反轉(zhuǎn)混合式步進電機；5)柔性聯(lián)軸器外徑Φ 25mm,內(nèi)徑Φ 6mm ；6)滾珠絲桿支撐精密軸承I 定制P4級角接觸球軸承；7)滾珠絲桿支撐精密軸承II 定制P4級深溝球軸承；8)軸承安裝方式軸承采用一端固定，一端游動的安裝方式，消除了由溫度變化對軸承預(yù)緊力的影響；9)滾珠絲杠定制P2級精密滾珠絲杠；10)高精密線性滑臺定制精密滑臺，其精度等級需達到0. 002mm/100mm。
權(quán)利要求
1.一種用于空間光學(xué)遙感儀器的高精度調(diào)焦裝置，它包括調(diào)焦機構(gòu)和鎖緊機構(gòu)兩大部分，其特征在于所述的調(diào)焦機構(gòu)包括調(diào)焦機構(gòu)支撐筒(1)、驅(qū)動電機O)、柔性聯(lián)軸器(3)、滾珠絲桿支撐精密軸承K4)、精密滾珠絲杠(5)、滾珠絲桿支撐精密軸承II (6)、聯(lián)軸器(7)、電位器(8)、調(diào)焦連接架(9)、高精密線性滑臺(10)、固定透鏡(11)、調(diào)焦透鏡(12)、透鏡支撐筒 (13)；鎖緊機構(gòu)包括鎖緊銷(14)、電磁閥(15)和位置傳感器(16)，其中調(diào)焦機構(gòu)支撐筒 (1)為筒狀結(jié)構(gòu)，采用鈦合金或不銹鋼材料；驅(qū)動電機(2)采用可正反轉(zhuǎn)的步進電機，轉(zhuǎn)速小于< 3r/min ；柔性聯(lián)軸器(3)采用不銹鋼材料；精密軸承I (4)與精密軸承II (6)分別選用精度等級在P4級以上的角接觸球軸承和深溝球軸承；精密滾珠絲杠( 精度等級達P2 級以上；電位器(8)為旋轉(zhuǎn)式角位置傳感器；調(diào)焦連接架(9)為U字形結(jié)構(gòu)，采用鈦合金或不銹鋼材料；高精密線性滑臺(10)精度為0.002mm/100mm，其材料為不銹鋼；鎖緊銷(14) 為頭端錐狀結(jié)構(gòu)，可方便嵌入調(diào)焦透鏡(12)的安裝座內(nèi)；位置傳感器(16)采用微動開關(guān)或霍爾元件；所述的高精度調(diào)焦裝置中，驅(qū)動電機( 套于調(diào)焦機構(gòu)支撐筒(1)內(nèi)，通過柔性聯(lián)軸器 (3)將絲杠(5)與驅(qū)動電機(2)輸出端連接，兩套精密軸承(4、6)分別支撐絲杠(5)的前端和后端；電位器(8)通過聯(lián)軸器(7)與絲杠( 前端輸出軸連接；固定透鏡(11)通過其透鏡安裝座安裝于透鏡支撐筒(13)內(nèi)；調(diào)焦透鏡(12)安裝于調(diào)焦透鏡動環(huán)內(nèi)，動環(huán)與調(diào)焦透鏡靜止環(huán)通過高精密線性滑臺(10)連接，裝配好的調(diào)焦透鏡組合體置于透鏡支撐筒(13) 內(nèi)；調(diào)焦連接架(9)上端固定于調(diào)焦透鏡動環(huán)一側(cè)，下端固定于底部絲杠螺母座上；電磁閥 (15)位于透鏡支撐筒(1 頂部，其鎖緊銷(14)錐型端插入調(diào)焦透鏡動環(huán)錐形槽內(nèi)，另外一端則固定于電磁閥(15)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于空間光學(xué)遙感儀器的高精度調(diào)焦裝置，其特征在于所述的驅(qū)動電機( 可采用直流電機替代。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于空間光學(xué)遙感儀器的高精度調(diào)焦裝置，其特征在于所述的電位器( 可采用旋轉(zhuǎn)變壓器或光柵編碼尺替代。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于空間光學(xué)遙感儀器的高精度調(diào)焦裝置，其特征在于所述的精密軸承I (4)、精密軸承II (6)、精密滾珠絲杠( 和高精密線性滑臺(10)采用 MoS2固體潤滑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于空間光學(xué)遙感儀器的高精度調(diào)焦裝置，其特征在于所述的電磁閥(15)可用無泄漏的火工品替代。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于空間光學(xué)遙感儀器的高精度調(diào)焦裝置，包括調(diào)焦機構(gòu)和鎖緊機構(gòu)兩大部分。其中，調(diào)焦機構(gòu)主要零部件驅(qū)動電機、精密滾珠絲杠、電位器均安裝于調(diào)焦機構(gòu)支撐筒內(nèi)；固定透鏡、調(diào)焦透鏡安裝于透鏡支撐筒內(nèi)，通過調(diào)焦連接架連接調(diào)焦運動部件與調(diào)焦透鏡。工作過程中，通過絲杠將驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，并利用高精密線性滑臺推動調(diào)焦透鏡沿軸向運動，根據(jù)電位器反饋信號控制調(diào)焦位置。該裝置中鎖緊機構(gòu)用于鎖定調(diào)焦透鏡初始位置。本發(fā)明的裝置可驅(qū)動大口徑光學(xué)元件，其運動穩(wěn)定性好，具有精確的定位精度和重復(fù)定位精度，并能滿足空間遙感相機的長壽命調(diào)焦需求。另外，采用鎖緊機構(gòu)能夠充分保證地面最佳像質(zhì)位置不發(fā)生變化。
文檔編號G02B7/04GK102565997SQ20121001912
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月20日
發(fā)明者劉曉華, 史婷婷, 鄭庚, 陳洪達 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所