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空间光学遥感器精密次镜调整机构设计及试验

武永见 杨大伟 孙欣 刘涌 胡永力

武永见, 杨大伟, 孙欣, 刘涌, 胡永力. 空间光学遥感器精密次镜调整机构设计及试验[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(4): 20220635. doi: 10.3788/IRLA20220635
引用本文: 武永见, 杨大伟, 孙欣, 刘涌, 胡永力. 空间光学遥感器精密次镜调整机构设计及试验[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(4): 20220635. doi: 10.3788/IRLA20220635
Wu Yongjian, Yang Dawei, Sun Xin, Liu Yong, Hu Yongli. Design and test of precision secondary mirror adjustment mechanism for space optical remote sensor[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(4): 20220635. doi: 10.3788/IRLA20220635
Citation: Wu Yongjian, Yang Dawei, Sun Xin, Liu Yong, Hu Yongli. Design and test of precision secondary mirror adjustment mechanism for space optical remote sensor[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(4): 20220635. doi: 10.3788/IRLA20220635

空间光学遥感器精密次镜调整机构设计及试验

doi: 10.3788/IRLA20220635
详细信息
    作者简介:

    武永见,男,高级工程师,硕士,主要从事空间光学遥感器光机结构设计方面的研究

  • 中图分类号: TH751

Design and test of precision secondary mirror adjustment mechanism for space optical remote sensor

  • 摘要: 随着空间光学遥感器地面分辨率逐步提高,长焦距、大口径相机成为重点研究方向。为了克服重力变化、复合材料变形等因素带来的天地不一致性的问题,次镜调整成为校正光学遥感器离焦和主次镜相对位置变化的关键技术之一。将次镜柔性支撑、精密直线驱动与柔性铰链传动技术相结合,设计了一套高精度次镜调整机构。首先介绍了该套机构的光机构成、工作原理及传动链路,然后对超轻次镜、高精度直线致动、高精度调焦传动等设计分别进行了阐述,最后介绍了力学环境试验后的调整精度测试情况。试验结果表明,该套精密调整机构实测调整行程大于±120 μm,轴向调整步距精度0.18 μm (3σ值),调整行程内次镜的最大平移误差为1.30 μm,最大倾斜误差为1.93″,具有调整范围宽、调整精度高的特点,满足空间光学遥感器精密次镜调整的要求,已成功在轨应用于北京三号B卫星0.5 m级高分辨率空间相机。
  • 图  1  次镜调整机构

    Figure  1.  Secondary mirror adjustment mechanism

    图  2  次镜调整机构原理

    Figure  2.  Principle of the secondary mirror focusing mechanism

    图  3  次镜组件的装调

    Figure  3.  Installation and adjustment of secondary mirror assembly

    图  4  高精度直线致动组件

    Figure  4.  High precision linear actuator assembly

    图  5  直线差分传感器

    Figure  5.  LVDT linear differential sensor assembly

    图  6  切口螺母于螺纹导杆配合

    Figure  6.  Split nut fits with threaded guide rod

    图  7  调整机构精度测试状态

    Figure  7.  Adjustment mechanism accuracy test

    图  8  调整行程

    Figure  8.  Adjustment range

    图  9  次镜的倾斜偏差

    Figure  9.  Inclination deviation of secondary mirror

    图  10  次镜的偏心量

    Figure  10.  Eccentricity of secondary mirror

    图  11  调整步距

    Figure  11.  Adjustment step of the secondary mirror

    表  1  常用的螺旋传动对比

    Table  1.   Comparison of common screw drives

    Sliding spiral driveRolling screw drive
    AdvantagesSimple structure and low cost; Easy to self-lockLow friction and high transmission efficiency;
    No additional clearance elimination design required
    DisadvantagesHigh friction and low transmission efficiency; Clearance elimination
    design is required
    Complex structure and high cost; Need anti reversal design
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-09-07
  • 修回日期:  2022-11-17
  • 网络出版日期:  2023-04-14
  • 刊出日期:  2023-04-25

空间光学遥感器精密次镜调整机构设计及试验

doi: 10.3788/IRLA20220635
    作者简介:

    武永见,男,高级工程师,硕士,主要从事空间光学遥感器光机结构设计方面的研究

  • 中图分类号: TH751

摘要: 随着空间光学遥感器地面分辨率逐步提高,长焦距、大口径相机成为重点研究方向。为了克服重力变化、复合材料变形等因素带来的天地不一致性的问题,次镜调整成为校正光学遥感器离焦和主次镜相对位置变化的关键技术之一。将次镜柔性支撑、精密直线驱动与柔性铰链传动技术相结合,设计了一套高精度次镜调整机构。首先介绍了该套机构的光机构成、工作原理及传动链路,然后对超轻次镜、高精度直线致动、高精度调焦传动等设计分别进行了阐述,最后介绍了力学环境试验后的调整精度测试情况。试验结果表明,该套精密调整机构实测调整行程大于±120 μm,轴向调整步距精度0.18 μm (3σ值),调整行程内次镜的最大平移误差为1.30 μm,最大倾斜误差为1.93″,具有调整范围宽、调整精度高的特点,满足空间光学遥感器精密次镜调整的要求,已成功在轨应用于北京三号B卫星0.5 m级高分辨率空间相机。

English Abstract

    • 随着空间光学遥感器技术的不断进步和地面分辨率逐步提高,长焦距、大口径空间相机成为未来航天光学遥感领域的重点研究方向[1]。为了克服地面和在轨环境重力、材料变形等差异带来的天地不一致性的问题,包括次镜调整在内的各种调焦技术成为校正光学遥感器离焦或主、次镜相对位置变化的主要手段之一[2-5]

      国外在次镜及空间光学元件的调整方面已经积累有大量的理论和应用经验,比如在哈勃望远镜、美国锁眼系列侦察卫星上成功应用的六自由度并联机构,具有高精度、高承载能力以及高刚度的优势,具备对光学系统中的次镜组件进行精密调整的能力[6]。Aiala Artiagoitia等人设计了一种三自由度定位机构对ECULID望远镜的次镜进行精密调焦,调整精度为3 μm;Karig Koski等人研制了一种新型调焦机构,利用柔性铰链实现主反射镜的调焦,调焦机构精度7.4 μm[7]。尽管次镜调焦技术在国外多个高分军用和商用遥感相机上均已经取得成功应用,但由于该项技术是大口径空间光学遥感器的核心技术之一,其详细性能参数较难获取。国内的空间相机调焦技术路线偏于保守,一般通过调节平面镜、三镜、中继透镜或焦平面进行调焦,调整分辨率一般在10 μm级[8],同时极少选取光学敏感度极高的次镜进行调整,这也导致国内次镜调焦相关的理论研究偏多,鲜见在轨应用。国内部分学者对六自由度调整机构做了较多的理论分析和工程研究,但是六自由度调整机构同样具有结构及控制系统复杂、成本较高以及质量相对偏大的不足[9-10]。单自由度高精度次镜调整机构同样具有高精度、高集成度以及高可靠性的优势,更加适用于中小口径商业光学遥感器。马骁哲等人设计了一种应用于高分辨率多光谱空间相机的精密次镜调焦机构,调焦范围为40 μm,调焦精度优于1 μm[11-12]

      文中针对某高分辨率相机次镜调整需求,将高精度直线传动、柔性铰链传动与次镜柔性支撑相结合,设计了一套高精度、高稳定性的次镜调整机构。介绍了该套机构的光机构成及调整原理,对精密调整机构涉及的次镜柔性支撑、高精度直线致动、高精度调焦传动等分别进行了分析。调整机构光机产品的力学环境考核后的调整精度测试结果表明,机构具有在大范围内实现亚微米级高精度调整的能力,满足空间光学遥感器在轨应用需求。

    • 次镜调整机构如图1所示,包括次镜组件(实现次镜支撑及其自由度约束)、调焦传动组件(实现高精度柔性铰链传动)以及直线传动组件(作为次镜调整机构输入,输出精密直线运动)。

      图  1  次镜调整机构

      Figure 1.  Secondary mirror adjustment mechanism

    • 次镜调整机构的基本原理如图2所示,调整机构左右完全对称且具备主备份调焦能力,结构上包含次镜及导向铰链、柔性传动机构、主(备)份直线驱动器以及倾斜盘等几个部分。主(备)份直线传动组件具备优于2 μm分辨率精密致动能力,假如A点向图2所示的下方运动1 μm,B点会以P为支点向上运动0.2 μm (APBP长度比例为5∶1),从而带动“倾斜盘”以D为支点顺时针旋转,进而对称面上H点柔性变形片向上运动且位移量为C点的1/2,从而驱动次镜发生0.1 μm的精密轴向运动。

      图  2  次镜调整机构原理

      Figure 2.  Principle of the secondary mirror focusing mechanism

      即次镜调整机构将直线传动组件的直线输出通过柔性铰链的变形转换为调焦传动组件顶端的“倾斜盘”运动,从而驱动次镜组件的高精度移动。次镜调整机构具有以下特点。

      (1)驱动机构冗余设计:驱动电机是调整机构设计的关键,采取驱动机构冗余设计以保证可靠性,主(备)份电机中的任何一个正常工作均可保证调整机构功能及性能;

      (2)采用柔性铰链传动:相比传统的齿轮减速具有冲击小、无磨损、传动平稳、可靠性高的优点,同时柔性铰链在微小位移范围的传动中具有较高的精度;

      (3)柔性导向铰链:通过柔性导向铰链的设计,使次镜及其组件在光轴方向具有一定柔性,而在其他方向上刚度较强,保证调焦过程中次镜的倾斜以及偏心在一定的误差范围内。

    • 次镜调整机构从步进电机输出旋转运动到次镜的高精度移动共经过三个环节减速,其中包含一次旋转运动到直线运动的转换,传动比分配如下。

      环节一:步进电机配合行星齿轮减速器,减速比iA=112.89∶1;

      环节二:切口螺母旋转转换为螺纹传动导杆的直线运动,螺纹导程S=1.0 mm;

      环节三:柔性传动铰链构成减速比10∶1的差分减速杠杆,减速比iB=10∶1。

      步进电机步距角γ=1.8°,按上述传动关系,理论上次镜沿轴向的移动分辨率d按照公式(1)给出:

      $$ {d}=(\gamma / 360^{\circ}) \times( { 1/i_A }) \times S \times(1 / i_B) $$ (1)

      计算可知分辨率d为4.4 nm,次镜的移动步距取决于步进电机的控制,在轨调焦一般按照每128/64/32步作为一个最小控制量,对应的次镜移动分辨率为128d/64d/32d = 0.56 μm/0.28 μm/0.14 μm。

    • 图3为次镜组件示意图,包括具有较高比刚度的蜂窝夹芯式ULE次镜及支撑背板、Bipod杆以及柔性导向铰链等。

      图  3  次镜组件的装调

      Figure 3.  Installation and adjustment of secondary mirror assembly

    • 采用步进减速电机作为动力,如图4所示。通过滑动螺旋传动实现旋转运动转化为直线输出,具有结构紧凑、运转平稳、易于自锁的特点,通过预紧弹簧进行消间隙控制以确保传动精度和稳定性。

      图  4  高精度直线致动组件

      Figure 4.  High precision linear actuator assembly

      常用的螺旋传动包括滑动螺旋传动以及滚动螺旋传动,二者的对比如表1所示。

      表 1  常用的螺旋传动对比

      Table 1.  Comparison of common screw drives

      Sliding spiral driveRolling screw drive
      AdvantagesSimple structure and low cost; Easy to self-lockLow friction and high transmission efficiency;
      No additional clearance elimination design required
      DisadvantagesHigh friction and low transmission efficiency; Clearance elimination
      design is required
      Complex structure and high cost; Need anti reversal design
    • 调焦传动组件是基于柔性变形原理设计的铰链传动机构,可以实现图2所示的调焦功能,传动铰链具备10∶1的传动比,为左右对称式构型。

    • 次镜组件通过三处周向均布的柔性铰链实现次镜的精密导向,柔性铰链使次镜在沿光轴方向具有一定柔性的同时,限制次镜其他自由度。

    • 调焦过程中为了探测次镜在调整机构工作时所处的绝对位置,直线传动组件末端采用直线差分传感器LVDT(Linear Variable Differential Transformer)反馈直线传动组件末端直线运动的绝对位置,构建闭环控制系统,如图5所示。

      次镜调焦过程中,直线差分传感器组件中的差分传感器输入轴、差分传感器输出轴在差分传感器内腔滑动,通过数据采集设备即可测量得到直线传动组件的位置,差分传感器输出轴的位移等价于图2A点(主份)或E点(备份)的绝对位置变化量,由于柔性传动铰链是设计状态为减速比10∶1的差分减速杠杆,因此闭环控制时可直接通过差分传感器输出轴除以10得到次镜的位移。

      图  5  直线差分传感器

      Figure 5.  LVDT linear differential sensor assembly

    • 空间防冷焊的方式包括运动副选用不同的材料、固体润滑以及油脂润滑等形式。次镜组件采用柔性铰链释放沿光轴方向的自由度,调焦传动组件通过柔性铰链的变形传递运动,无需采用防冷焊措施。对于直线致动组件涉及的步进电机、行星齿轮减速器涉及的轴承和齿轮副均采用表面镀覆MoS2固体润滑薄膜层防止冷焊效应的发生。

      滑动螺旋副采用切口螺母与螺纹导杆配合的形式,选用青铜与超硬不锈钢两种不同的配合材料,啮合段表面涂覆真空润滑脂进行防冷焊,通过调节切口螺母外预紧环实现螺纹消隙,如图6所示。

      图  6  切口螺母于螺纹导杆配合

      Figure 6.  Split nut fits with threaded guide rod

    • 该套精密调整机构在完成力学试验后开展了调整精度试验,试验按照步进减速电机每次转0.088°(对应的次镜理论步距8.858 μm)进行调整,次镜的初始位置为零位,驱动次镜依次完成“零位、正极限位置、零位、负极限位置、零位”整个调整循环。

      图7所示,调整机构精度测试时次镜调整机构放置于三坐标平台,光轴竖直向上。首先通过三坐标采集次镜三杆上三处周向120°均布的共面凸台建立测量基准,然后采集次镜在每次调整步距下的外圆柱拟合圆心的平移变化,用于表征次镜偏心量。通过采集次镜背部平面与测量基准面之间距离及法线的变化计算次镜的绝对位置和倾斜量。

      图  7  调整机构精度测试状态

      Figure 7.  Adjustment mechanism accuracy test

    • 图8所示,实测次镜的调整行程为+128.6~134.6 μm,结果满足≥±120 μm调整范围的要求,其中横坐标为步进减速电机的调整步数,纵坐标为次镜的绝对位置。

      图  8  调整行程

      Figure 8.  Adjustment range

    • 图9所示,横坐标为次镜的绝对位置,纵坐标为次镜在各位置的倾斜。次镜在整个调整行程内的倾斜偏差总均方根最大值为1.93″,满足总体要求的在调整行程内倾斜小于3″的要求。

      图  9  次镜的倾斜偏差

      Figure 9.  Inclination deviation of secondary mirror

    • 图10所示,横坐标为次镜的绝对位置,纵坐标为次镜在各位置的偏心量。可以看出次镜偏心量的总均方根最大值为1.33 μm,满足总体要求小于5 μm的要求。

      图  10  次镜的偏心量

      Figure 10.  Eccentricity of secondary mirror

    • 图11所示,横坐标为完成“零位、正极限位置、零位、负极限位置、零位”整个调整循环对应的步进减速电机调整步数,纵坐标为每次调整对应的次镜实测步距。可以看出,实测调整步距达到设计预期。

      图  11  调整步距

      Figure 11.  Adjustment step of the secondary mirror

      次镜调整机构的步距精度(3σ值)按公式(2)给出,定义为每次实测步距相对于标定步距的偏差,取多次测量的标准偏差RMS的3倍。实测次镜步距为8.732 μm,步距精度ASn (3σ)为0.18 μm。

      $$ A{S_n} = \sqrt {\dfrac{{\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {{{({d_n} - {S_n} \times n)}^2}} }}{{n - 1}}} \times 3 $$ (2)

      式中:Sn为标定步距,即通过测量得出的平均步距;i为调节次数;n为调节单位;ASn为调焦步距精度3σ值;dn为调节一个n单位时的实测调节距离。

    • 文中针对高分辨率相机次镜调整机构高精度、高稳定性以及一体化设计的需求,将次镜柔性支撑、精密直线驱动与柔性铰链传动技术相结合,设计了一套精密次镜调整机构。介绍了该套机构的光机构成及调整原理,对精密调整机构涉及的次镜柔性支撑、高精度直线致动、高精度调焦传动等分别进行了阐述。最后,开展了调整机构力学试验后的调整精度测试。试验结果表明:该套精密调整机构力学试验后的实测调整范围大于±120 μm,轴向调整步距精度为0.18 μm(3σ值),调整行程内次镜的平移量为1.30 μm,最大倾斜量为1.93″,具有调整范围宽、调整精度高的特点,满足空间光学遥感器精密次镜调整的要求,成功取得在轨应用。

参考文献 (12)

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