星敏感器自動調(diào)焦系統(tǒng)測量裝置的設(shè)計與研究.pdf

1、無限遠(yuǎn)成像系統(tǒng)光學(xué)星敏感器裝調(diào)時，其后方安裝有CCD接收裝置，為使CCD接收裝置達(dá)到最清晰的成像，CCD接受像面位置需與星敏感器成像焦點位置重合?，F(xiàn)有方法為在星敏感器法蘭面與CCD接收裝置法蘭面間安裝有一定厚度的修切圈，通過手動對多個尺寸的修切圈進(jìn)行反復(fù)試裝試測來尋找固定CCD接收像面位置，這種實現(xiàn)方式工作效率低且精度難以保證。為改變國內(nèi)精密儀器裝配檢測中手動試裝的現(xiàn)狀，提高光學(xué)系統(tǒng)研制的生產(chǎn)效率和精度，開展自動調(diào)焦測量技術(shù)的研究具有十

2、分重要的意義。
　　為此，針對星敏感器裝調(diào)過程中的實際需求，本文基于自動調(diào)焦技術(shù)與誤差補償技術(shù)，設(shè)計出一種精確測量星敏感器后工作距的星敏感器自動調(diào)焦系統(tǒng)（以下簡稱自動調(diào)焦系統(tǒng)），完成系統(tǒng)誤差精度的分析與合理控制，運用誤差耦合理論對系統(tǒng)進(jìn)行精度分配;基于PID控制算法實現(xiàn)誤差的實時補償，使系統(tǒng)精度達(dá)到設(shè)計要求;可對星敏感器后工作距進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地測量，從而得到裝調(diào)所需修切圈厚度的精確尺寸，改進(jìn)現(xiàn)有手動試裝修切圈的方法，提升了效率和精

3、度。主要研究內(nèi)容如下:
　　首先，設(shè)計了自動調(diào)焦系統(tǒng)，根據(jù)功能要求將該系統(tǒng)分為四個模塊:目標(biāo)及光源系統(tǒng)、無限遠(yuǎn)目標(biāo)發(fā)生系統(tǒng)、自動調(diào)焦測量裝置、自動調(diào)焦控制系統(tǒng)。重點設(shè)計了自動調(diào)焦系統(tǒng)測量裝置，測量裝置主要由直線導(dǎo)軌、精密位移臺、檢測支架、CCD相機(jī)等構(gòu)成，實現(xiàn)CCD相機(jī)的三維精準(zhǔn)運動及圖像的采集與成像。完成測量裝置直線導(dǎo)軌、電控精密位移臺、手動精密位移臺等選型，分析零部件具體選型依據(jù)并獲得各部件的詳細(xì)參數(shù)，直線導(dǎo)軌長500mm，精

4、密電控位移臺量程為100mm，負(fù)載力矩為6Nmm，利用繪圖軟件對自動調(diào)焦系統(tǒng)測量裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行設(shè)計，確定了機(jī)械結(jié)構(gòu)的詳細(xì)尺寸參數(shù)，設(shè)計了自動調(diào)焦控制系統(tǒng)，并完成自動調(diào)焦系統(tǒng)的裝配工作。
　　其次，基于靜力學(xué)和動力學(xué)基本理論，建立自動調(diào)焦系統(tǒng)測量裝置三維模型，利用MSC.Patran& Nastran分析軟件對CCD支撐部件和被測星敏感器進(jìn)行靜力學(xué)分析及模態(tài)分析，靜態(tài)分析得到CCD支撐部件最大變形量為7.98×10-5mm，

5、CCD支撐部件所受最大應(yīng)力為2.9×10-2Pa，說明CCD支撐部件具有較好的靜態(tài)特性;通過動態(tài)分析得CCD支撐部件和星敏感器結(jié)構(gòu)前6階固有頻率及振型，CCD支撐部件一階固有頻率為892.89Hz，星敏感器一階固有頻率為1674Hz，動態(tài)分析結(jié)果表明CCD支撐部件和星敏感器基頻較高，動態(tài)性能較好。
　　再次，基于ISO230-2定位精度標(biāo)準(zhǔn)，完成自動調(diào)焦系統(tǒng)的定位精度試驗，測得自動調(diào)焦系統(tǒng)定位精度為±20.95μm，對影響自動調(diào)焦

6、系統(tǒng)精度的主要因素進(jìn)行誤差分析，影響因素主要包括CCD相機(jī)、直線導(dǎo)軌、精密電控位移臺、形位誤差和裝配誤差。通過誤差分析與控制可得直線導(dǎo)軌精度為±2μm，驅(qū)動電機(jī)精度為±6.75μm，絲杠精度為±5.28μm，形位精度為±2μm，裝配精度為±2μm，運用誤差耦合法得到自動調(diào)焦系統(tǒng)定位精度為±18.29μm;并基于PID算法在Labview開發(fā)環(huán)境下開發(fā)了系統(tǒng)的誤差補償軟件，對自動調(diào)焦系統(tǒng)進(jìn)行實時誤差補償，通過定位精度試驗測得誤差補償后系統(tǒng)