技术领域
[0001] 本
发明属于光学工程及机械结构分析领域，涉及到针对丝杠导轨式调焦平台的
有限元分析及动力学模态分析。
背景技术
[0002] 空间光学相机随着当今科学技术的发展在军事和民用领域得到了广泛应用。其工作任务是获取和提供清晰完整的图像，拍摄的目标区域必须准确的成像在CCD感光面上。调焦机构作为保证相机成像
质量的重要部件，能够补偿因各种复杂影响导致相机光学系统中参数的变化引起的焦面偏离。而丝杠导轨式调焦机构作为应用最为广泛的调焦机构形式，在相机中几乎是唯一的运动部件。因此，对其动力学特性的研究显得尤为重要，但同时由于该机构运动部件种类较多，力学环境复杂，使得调焦平台的动力学分析具有一定的难度。
[0003] 丝杠导轨式调焦平台作为空间调焦机构的主要组成部分。其结构包括调焦平台底座、
电机及减速机构、传动机构、导向机构以及
工作台。所述传动机构为滚珠丝杠，所述导向机构为滚动导轨，工作时，平台通过
联轴器将减速后的输入
信号传递给滚珠丝杠，利用丝杠将转动转化为平动，滚动导轨作为导向机构承载焦面组件
指定位移实现精确调焦。此系统具有很高的
接触非线性特征。因此，掌握此类调焦平台的模态特性显得尤为重要。使其能够保证焦面
载荷具有宽松的力学输入，并且具有较高的可靠性与
稳定性，同时为控制调焦
精度提供了重要依据。
[0004] 目前对于单一运动部件的动力学分析已有较为完善的研究成果，但针对空间相机调焦平台的动力学分析较为少见。而对于此类调焦平台，其工作条件较为复杂，物理环境较为多变。这对动力学的建模与分析提出了更高的要求。
发明内容
[0005] 本发明的目的是：提供一种针对丝杠导轨式空间相机调焦平台的动力学分析方法。
[0006] 为实现上述目的，需要考虑以下问题：如何对包含多种运动部件的调焦平台建模；如何对适用于空间应用的小型部件运动结合部的动力学建模；以及如何掌握调焦平台中多部件的动力学参数及其关系。这直接决定了空间调焦平台动力学分析的精确度与正确性。
[0007] 本发明的技术解决方案如下：
[0008] 一种针对丝杠导轨式空间调焦平台的动力学分析方法，包括以下步骤：
[0009] S1、建立调焦平台的有限元模型；
[0010] 将丝杠导轨式调焦平台中的电机及减速机构的输出端改为固定端，上述固定端固定在调焦平台底座上，且与联轴器固连；此处丝杠导轨式调焦平台可以为任一丝杠
螺母传动的像面移动式调焦平台；这类调焦平台基本包括结构
基座、电机及减速机构、传动机构、导向机构以及移动平台这几部分。
[0011] S2、建立导轨结合部的动力学模型；导轨结合部即导轨的滑
块与导轨之间的运动结合部，即
滚动体部分。
[0012] 采用
弹簧阻尼单元对导轨结合部中的每个滚珠进行建模；
[0013] S3、建立调焦平台的弹性系统模型；
[0014] 将调焦平台中各运动部件等效为独立的弹性系统；
[0015] S4、获取导轨结合部的动力学参数；
[0016] S41、获取导轨结合部在运动方向上的
刚度；
[0017] 根据步骤S3建立的调焦平台的弹性系统模型，结合弹性接触理论获取各弹性系统的刚度；基于各弹性系统的连接关系，将不同运动部件的刚度等效至导轨结合部在运动方向上的刚度；
[0018] S42、获取导轨结合部在非导轨运动方向上的刚度；
[0019] 根据步骤S2建立的动力学模型，结合弹性接触理论的解析公式获取导轨结合部在非导轨运动方向上的刚度；
[0020] S5、对有限元模型进行动力学仿真分析；
[0021] 将步骤S4获取到的动力学参数带入步骤S1建立的有限元模型中，通过有限元
软件即可实现调焦平台的动力学分析。
[0022] 进一步地，针对典型丝杠导轨式空间调焦平台，步骤S1中的调焦平台的有限元模型包括调焦平台底座、位于调焦平台底座上的固定端、联轴器、滚珠丝杠、滚动导轨及工作台；
[0023] 上述固定端与滚动导轨均固定调焦平台底座上；
[0024] 上述联轴器与固定端固连；
[0025] 上述滚珠丝杠一端与联轴器固连，另一端通过丝杠螺母与工作台固连；
[0026] 上述工作台通过导轨滑块设置在滚动导轨上。
[0027] 当然，也可以针对其他调焦平台，即上述所述的只要将丝杠导轨式调焦平台中的电机及减速机构的输出端改为固定端，上述固定端固定在调焦平台底座上，且与联轴器固连，即可。
[0028] 进一步地，步骤S2中，上述弹簧阻尼单元包括三对Bar单元(梁单元)与一个Point单元(点单元)；
[0030] 在整体
坐标系内，每个导轨滚珠在三个平动
自由度上各采用一对Bar单元进行等效，三对Bar单元共用同一个串联
节点；
[0031] Point单元位于该串联节点上；
[0032] 整体坐标系为空间直
角坐标系，三轴方向分别为导轨滑块运动方向，
水平垂直于导轨滑块运动的方向，以及垂直于调焦平台底座的方向。
[0033] 进一步地，上述Bar单元为赋1D Spring属性的Bar单元；
[0034] 上述Point单元为赋0D Ground Mass属性的(接地质量属性的)Point单元。
[0035] 本发明的优点在于：
[0036] 1、本发明的建模方法只针对导轨结合部进行动力学建模，这对于具有较多不同部件的调焦平台来说大大简化了动力学模型的建模难度和复杂度。
[0037] 2、由于调焦机构在成像期间电机是停止运转的，并且减速机构具有反向自
锁。考虑到研究目标及工作状态，本发明调焦平台的建模将减速机构的输出端改为固定端，隔离了减速箱与电机的影响，简化了有限元模型。
[0038] 3、本发明建立的导轨结合部动力学模型，不但利用Bar单元对导轨滚珠的弹性阻尼特性进行等效建模，还增加了Point单元用以等效建模导轨滚珠的质量，大大增加了模型的准确度和精度。
[0039] 4、本发明将不同部件的系统刚度等效至导轨结合部上，统一了动力学参数，方便模型分析，并实现了复杂问题简单化的目的。
[0040] 5、本发明建模与分析方法具有较好的普适性，对于此类调焦机构均可采用该建模与分析方法。
[0041] 6、本发明具有较高可靠性和精度，通过本发明得到的动力学模态分析的基频结果与实验结果的误差最大不超过3.7％。
附图说明
[0042] 图1为本发明针对丝杠导轨式空间调焦平台的动力学分析方法的
流程图；
[0043] 图2为
实施例中某典型丝杠导轨式空间调焦平台有限元模型的结构示意图；
[0044] 图3为实施例导轨结合部的建模示意图；
[0045] 图中附图标记为：1-调焦平台底座，2-固定端，3-联轴器，4-滚珠丝杠，5-滚动导轨，6-工作台，7-丝杠螺母，8-导轨滑块；
[0046] 11-Bar单元节点，12-X平动自由度Bar单元，13-Y平动自由度Bar单元，14-Z平动自由度Bar单元，15-Point单元，16-串联节点。
具体实施方式
[0047] 为了能够清晰说明本发明的技术特点，下面通过具体实施方式并结合其附图，对本发明进行详细阐述。需要注意的是，附图中所示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和公知技术的描述以避免不必要的限制本发明。
[0048] 下面结合附图对本实施例所提出的一种针对丝杠导轨式空间调焦平台的动力学分析方法进行详细说明。
[0049] 如图1所示，本实施例针对丝杠导轨式空间调焦平台的动力学分析方法，通过以下步骤实现：
[0050] (1)建立调焦平台的有限元模型；
[0051] 本发明的应用对象为丝杠导轨式空间调焦平台，由于调焦机构在成像期间电机是停止运转的，并且减速机构具有反向自锁特性。所以考虑到研究目标及工作状态，将减速机构的输出端改为固定端，固定联轴器。此处丝杠导轨式调焦平台可以为任一丝杠螺母传动的像面移动式调焦平台；这类调焦平台基本包括结构基座、电机及减速机构、传动机构、导向机构以及移动平台这几部分。针对典型的调焦平台其简化原理如图2所示，包括调焦平台底座1、固定端2、联轴器3、滚珠丝杠4、滚动导轨5及工作台6；固定端2与滚动导轨5均固定调焦平台底座1上；联轴器3与固定端2固连；滚珠丝杠4一端与联轴器3固连，另一端通过丝杠螺母7与工作台6固连；工作台6通过导轨滑块8设置在滚动导轨5上。
[0052] (2)建立导轨结合部的动力学模型；
[0053] 导轨结合部的建模很大程度上影响了整
体模型的准确性。在航空航天领域中，复杂多变的环境使其不能忽略导轨滚珠质量带来的影响。本发明采用优化的弹簧阻尼单元对导轨结合部中每个滚珠进行建模，每组优化的弹簧阻尼单元包括三对Bar单元与一个Point单元。两个Bar串联形成一对Bar单元，其中Bar单元赋予1D Spring属性，Point单元赋予0D Ground Mass属性，这样均能对滚珠的弹性阻尼特性和质量特性进行等效建模。并且三对Bar单元共用同一个串联节点16，在整体坐标系内，每个导轨滚珠在三个平动自由度上各采用一对串联的Bar单元进行等效，如图3中，X平动自由度弹簧单元12，Y平动自由度弹簧单元13，Z平动自由度弹簧单元14，Point单元15位于该串联节点上。每个滚珠均采用一组优化的弹簧阻尼单元进行等效建模，其建模原理如图3所示。
[0054] (3)建立调焦平台的弹性系统模型；
[0055] 调焦平台弹性系统的建立是将不同的运动部件等效为独立的弹性系统，弹性系统的个数和连接方式根据设计的不同而不同。
[0056] (4)获取导轨结合部的动力学参数；
[0057] 基于步骤(3)各弹性系统的关系，将不同运动部件的刚度等效至导轨结合部在运动方向上的刚度，以简化调焦平台的分析难度。根据步骤(2)建立的动力学模型，导轨结合部在非运动方向上的刚度通过导轨副基于弹性接触理论的解析公式获得。该步骤的计算过程均为
现有技术，此处不再详细描述。
[0058] (5)对有限元模型进行动力学仿真分析。
[0059] 将获取到的动力学参数带入步骤(1)建立的有限元模型中即实现了调焦平台的动力学分析。
[0060] 通过下述实验对本发明方法进行验证：
[0061] 首先通过本发明所述的分析方法对某型号调焦平台进行动力学模态分析，得到该调焦平台的模态基频的仿真数据。然后，对该调焦平台进行低量级正弦扫频实验，获取模态基频的实验数据。最后对比仿真数据与实验数据。通过多次实验可知，通过本发明得到的模态基频的仿真结果与实验结果的误差最大不超过3.7％。
