多自由度热光学真空实验台的设计

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第 42卷 第 8期VO1．42 NO．8红 外 与激 光工程Infrared and Laser Engineering2013年 8月Aug．2013多自由度热光学真空实验台的设计高明辉 ，郑玉权 ，弓成虎(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033)摘 要：针对某项目研制的相机结构特点和空间使用环境复杂性，在发射之前，为获取热光学调焦的规律 ，核对光机热集成仿真分析模型的正确性，检验输入与边界约束条件，因此要在地面模拟空间热真空环境 ，完成相机的热光学真空实验。由于相机在真空罐 内的环境条件不利于工作人员在内部的操作，为此研制了热光学真空实验台，实现相机在真空罐 内姿态方便调节。对实验台的参数进行了计算分析。采用光栅尺或编码器实现闭环控制，润滑采用低挥发的真空润滑脂，实验台的转动精度达到 6 ，移动精度达到±0．02 nlTI，能够满足相机的实验调节要求。热光学真空实验台的研制不仅能够完成相机热光学实验的要求，而且在 实验时间上大大节省，提高了实验效率，有利地保证相机 实验的顺利 完成。

关键词：热光学； 真空环境； 真空罐； 实验台； 相机中图分类号 ：TH741．3 文献标志码 ：A 文章编号：1007—2276(2013)08—2103—05Design of heat optics vacuum bench with multi—freedomGao Minghui，Zheng Yuquan，Gong Chenghu(Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，China Academy of Science，Changchun 130033，China)Abstract：Aiming at structure characteristics of camera developing in some project and the complexity ofspace environment，the camera thermal vacuum optical experiments are fulfilled prior to launch，in orderto obtain the law of the thermal optical focusing，to check the correctness of the integrated simulationmodel，test input and boundary conditions．Space therm al vacuum environment is SO simulated on theground．As the environm ental conditions of the vacuum tank for the camera is not conducive to staff tooperate．The development of vacuum therm al optical bench is very important，to achieve the convenientadjustment of the camera posture in a vacuum tank．Some parameters of bench were calculated．Thegrating scale or encoder was adopted to achieve closed—loop contro1．The vacuum grease for lubrication oflow volatile was adopted．The bench rotation accuracy is 6 ．Mobile accuracy is±0．02 miil．Th e benchaccuracy Can meet cam era experiment adjustment requirements．Thermal optical vacuum test platform isnot only able to complete the requirements of the camera therm al optical experiments，but also to saveexperimental time in significan tly and improve the experimental efi ciency， favorable to ensure thesuccessful completion of the cam era experiment.

Key words：therm al optics； vacuum environment； vacuum tank； bench； camera收稿 日期 ：2012—12—20： 修订 日期 ：2013—01—22基金项目：国家高技术研究发展计划(2011AA12A102)作者简介 ：高明辉(1971一)，男 ，副研究员，硕士生导师，博士，主要从事光机结构设计、分析 、地检设备设计 、材料加工、检测方面的研究 。Emml：ccgaomh###163．com2104 红外与激光工程 第 42卷O 引 言空间飞行器在轨道运行过 程 中处于真空和超低温的环境 ，同时受到部分热源的作用 。其中，太阳辐射 、地球红外辐射和地球阳光反照是主要热源[11。

为适应空 间光学遥感技术的快速发展及对空 间光学遥感器需求 的不断增长 ，在追求高空问分辨率 、高光谱分辨率 、高辐射分辨率性能及轻量化 的同时 。必须考虑空 间光学遥感器对恶劣的发射运载力学环境及在轨真空热环境的适应性问题。CCD相机是遥感卫星最主要 的有效载荷 ，也是卫星研制流程中的关键项 目。相机不仅本身在光学系统和结构方面精度要求严格 ，而且相机对工作环境的适应能力也有苛刻的要求[21。

空间环境的复杂性主要是温度变化对成像质量的影响。太空是一个高真空、超低温、强辐射的环境 ，所 以在地面要充分模拟载荷所在轨道 的太空环境 .

充分完成空间遥感器的热光学真空实验具有深远的意义。由于实验 中受光学窗口热流模拟需要 的影响.

相机的光学测量及模拟手段不易实施 ，因此热平衡 、热光学实验往往只能作为验证热设计而单独进行【 。

实际上 ，作为交付前的主要实验项 目，初样鉴定相机和正样相机还必须进行热真空、热光学试验来验证相机的性能【4J。所以对于大 口径、大视场 、CCD采用多片拼接的光学遥感器在真空罐 的低温 、真空条件下的姿态调整来测试每个视场的成像质量。采用多 自由度的热光学真空实验台进行调整显得尤为可行[51。

通过采用研制的热光学真空实验台来进行热光学真空实验可以大大缩短遥感器姿态、方位的调整时间 .

提高实验效率 。在很大意义上也节省了成本 ，缩短了产品的出厂时间。此实验 台采用闭环控制的方式，通过穿罐电缆 ，由外部计算机控制实验台的左右移动、旋转 、高低 、侧摆功能来验证空间遥感器热控设计的正确性 ，及是否能够保证空间遥感器在低温、真空条件下 ，成像质量满足设计精度要求。

1 多自由度热光学真空实验台实验的总体结构与原理1．1 多自由度热光学真空实验台实验的总体结构热光学实验是将遥感器放置在多 自由度热光学真空实验台上 ，送入空间环境模拟系统中，结合太阳模拟器．人为制造一个高真空、高低温变化的空间环境 ．利用平行光管等专用仪器测试遥感器在真空高低温变化环境下 的成像质量。尤其对于大视场相机 ，不仅要测试中心视场的成像质量 ，还要测试两个边缘视场的成像质量 ，为此 。相机在空间环境模拟系统中需利用实验台实现转动和移动来满足边缘视场成像质量测量的要求。热光学真空实验原理结构图如图 l所示 。

图 l热 光学 真空实 验原 理结构 图Fig．1 Principle configuration of heat optics vacuum experiment如图 l所示 ．遥感器通过连接接 口组件连接到热光学真空实验台上 ，连接接 口组件由连接弯板 、上连接板 、过渡柔性脚 、升降台等几部分组成 。在进行实验工作时，通过热真空实验台旋转转台实现转角 ，匹配位移台位移 ，使得相机轴上与轴外视场能够正对着平行光管 以完成热光学实验。旋转转台与位移 台相连接 ，位移台可以进行-+300fllin的移动 ，来实现两个边缘视场 的光学实验。三个真空升降台通过 z向位移、x向俯仰 、l，向侧摆来进行遥感器 的姿态 的调整 。

遥感器及实验台均采取热控方法来提供 20-+5℃的局部热环境 ．保证运动部件的运行正常，同时运动部件均采用低挥发性的真空润滑脂 ，避免对光学系统反射镜产生污染。

1．2 热光学真空实验台的组成及 系统指标该实验 台主要 由位移 台、旋转 台、升降台、柔性球脚组件和各连接件构成。系统指标 ：承重 500kg；转动范围±45。；移动范围_+300mln；转动精度 2”(显示精度)；轴系转动精度 15 ；移动精度±0．02innl。

1．3 系统结构参数的理论分析该实验台在真空罐中工作 ，相机 的焦面采用多片拼接的方式 ，因为光管的中心是不变的，所 以实验台要移动保证光管的光进入相机的光学系统 。最后第 8期 高明辉等：多 自由度热光学真空实验 台的设计 2105成像在 CCD上。视场 l7。，在每个位置要左右转动8．5。，设计时按照转动 45。设计 。原理如 图 2所示。

600ini1为位移台行程 ，带有相机实验 台检测时的三个位置。

图 2光 管检测 相 机 的原理 不意 图Fig．2 Principle configuration of lightpipe detectting camera根据 CCD焦面长度，确定位移台的行程600inln.

根据真空罐 的直径 4300mln，设计的转动角度+45。.

回转直径要小于 4300／2—300=1 850ITITI，考虑与罐壁留有 300inln的安全余量 ，以防撞到热沉以及相机 的支撑点位置。经过计算 ，下连接板的宽度为 l840nlin，满足 l 840mm／[2*(sin47．8。)】+300+300一l 841 mm<1850mln，满足要求。

驱动能力与力矩的计算 ：对 于计算速率位置转台的最大力矩参数时 。在没有给定最大加速度的情况下 ，一般最小按照 200。／sz计算所需的最大力矩 ，如果给出最大加速度 。则按最大加速度计算。电机选择峰值力矩大于等于 2—3倍计算力矩 ．当电机过大时，一般按不超过 70％电机峰值力矩选择。该转台的力矩电机力矩选择根据公式M=J*a，其 中‘，为转动惯量 ，a为角加速度。

利用三维软件计算可得 ：J=16．4kgm ，a=200。／s。。

得 出：电机最小输 出力矩= =l6．4"200／360"2",r57．25Nm， 为峰值角加速度(rad／s )。

所以选择峰值力矩 320Nm，连续力矩 98Nm.

型号 300STK2M，厂家 ALXT0N的力矩 电机。

编码器或圆光栅的选择 ：根据显示 ：精度为 2”，轴系转动精度为 l0”。由此选用德国汉德汉的 ERN180圆光栅 ，刻线数 5000，精度 5 ，细分倍数 l 024，细分后分辨率 0．36”，能够满足系统 的技术要求。

1．4 设计内容该热光 学真空实验 台的创 新之处在 于实现真空罐外的 自动控制 ，完成光学载荷 的热光学实验 的姿态调整功能 ；通过采用球脚组件实现柔性支撑 ，避免运动时产生刚性卡死现象[61：通过采用低挥发性的润滑脂 ．实现运动润滑的机构在真空环境下产生的挥发性降到最低 ，避免对光学系统反射镜 的污染 ；采用主动和被动热控措施实现真空环境下冷焊和部件 出现变形的问题。整个实验台的驱动通过编码器或者光栅尺实现位 置反馈 ，达到精准 的定位 。

通过整体结构部件的加工 、装配、运转灵活，通过对载荷 的热光学真空实验验证 ，能够满 足调整精度的要求。

2 热光学真空实验台设计方案2．1 机械结构设计方案热光学真空实验台整体机械结构如图 3所示 。

图 3热 光学 真空 实验 台整体 机械 结构 图Fig．3 Integral mechanics configuration of heat optics vacuum bench2．1．1位移 台设计位移台实现左右位移的调整 ，满足真空罐空间位置的需要 ，因为一般空间遥感器检测一1．0，l三个视场，所 以位移台满足三个位置调整的需要 ，在每个位置进行 CCD成像检测。为避免电机在真空环境下放电打火，采用带编码器的松下交流无刷 电机 、导轨副和丝杠来完成 ，两端装有 电限位开关和机械限位保证运行 的安全 ，侧面装有支撑脚 ，实验时落在真空罐内小车的导轨上 ，并且进行 固紧，防止倾倒 。轴承和电机 的润滑采用低挥发性的润滑脂。

第 8期 高明辉 等 ：多 自由度 热 光 学 真 空 实验 台 的设 计 2107高 ，缩短了实验的时间 ，为载荷 的顺利出厂节省了时间。实验进罐的照片如图 7所示 。

图 7带 载荷 的 热光 学真 空实验 台进罐 前结 构 图Fig．7 Configuration of heat optics vacuum bench wj￡h load orto g~fing in tank5 结 论热光学真空实验台的研制解决了在真空罐内手动调节载荷各姿态 的繁重的体力劳动问题 ，提高 了调整的准确性。通过采用罐外 自动控制调节的方式大大缩短了实验准备的调整时间，提高了实验效率，为以后大 口径遥感器的实验提供 了坚实的实验条件。

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