嫦娥空间相机结构设计【毕业论文+CAD图纸全套】

摘要 科学家利用相机获得的数字图像研究月球地质学结构，嫦娥卫星成了这个任务的担当者。嫦娥二号卫星使用的是二线阵立体测绘 谓 电荷耦合元件 ，该相机要在 100为配合如此精密的光学仪器，就必须有精明的光学系统结构，嫦娥相机结构的设计就显得尤为重要了。相机结构 设计、 加工和装配 ， 从材料选取 结 构 形式确定和性能分析等方面 论 述 了 测 绘 相机设计过 程，镜片光轴的调节装置，镜筒要精明加工。 定 位 阶 梯 内 圆 柱 面 同 轴 度 达到 筒装配要点是无变形安装固定透镜 精 确 控制空气间隔和高精度定 心。 在 50lp相机结构小，性能稳定，能够拍摄到清晰的照片，该相机和常规相机不同，它拍摄出的照片为一长条一长条的，接近长方形，把所有的长方形照片连接起来，就组成了月球的整个表面。月球基本上是一个灰体会，所以选择光学系统的工作波长范围为 450纳米到520纳米。相机的好差都要受到结构的限制，如此，对于此相机来说，结构的设计就显得更加重要了，而结构的设计主要在于控制相机的稳定性，能够准确的调好使得相机的光轴和机械轴尽可能在 一条直线上，这样才能保证机械的精确性，从而达到设计此结构的目的。 关键词： 相机结构；光轴调节 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 he to of e in of e II a of CD to a 00km m a we a e is of of of to be is no of 50 is to is it of a of is a so of 50 nm 20 nm a be to of of in of so s in a as as so as to of so as to of of 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 目录 摘要 . 0 . 1 1、绪论 . 3 2、材料的选择 . 5 3、嫦娥空间相机结构的整体整体分析 . 6 加工工序 . 8 筒上的沟槽的数控加工工艺 . 8 筒的装夹 . 9 筒、镜座壁厚和压圈宽度 . 10 3 5、镜片压圈 . 14 阑 . 15 座和镜片隔圈 . 16 筒安装支架的设计 . 17 调装置的设计 . 18 4、镜片的清洗与安装 . 19 5、结论 . 20 参考文献 . 21 致谢 . 22 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 1、绪论 该设计是嫦娥二号二线阵立体测绘 线从镜头的左端进入镜筒经过一系列的镜片，最后到达胶卷上成像，把月球的景物拍成照片，整个镜筒由镜筒 1和镜筒 2用螺纹连接而成，本设计的关键在于，如何能够精确控制镜片之间的距离，镜片之间的同轴，镜片之间的相对位置。这直接影响着相机的灵敏度。 由给出的资料知道，光学系统的主要参数， 确定系统的焦距为 视场角为42 ， 相对孔径为 F/9， 光谱范围为 450 520在 50lp/给出了嫦娥二号卫星 立体相机在 100 图像清晰 、 层次丰富 ， 表明该光学系统能满足任务要求 。 一个完整的光学系统机构需要考虑各方面的因素，一个好的光学系统，各方面的设计都是至关重要的。嫦娥空间相机结构的设计，关键在于如何控制好镜片之间的距离，以及如何调整镜片的轴心，从而保证嫦娥相机的精确度，才能达到相机的照片的精度要求，从而设计能能够满足需求的相机结构。 隔圈结构 类型比较多，它受前后透镜直径和通光孔径的大小差别影响较大，也受其它结构要素 本设计的隔圈用的是 镜筒结构大体可以分为两类：直筒式和台阶式。 本设计采用是直筒式和台阶式并用的，便于镜片的安装和定位。 压圈的结构形式包括外螺纹压圈和内螺纹压圈，在实际应用中大多采用 内 螺纹压圈，因此本文 采用的是内 螺纹压圈 。 为了方便合理地装配，在镜筒里还加了镜片镜座，从而进一步精确调整镜片的轴心，镜片的中心都在同一条直线上。镜座的调节是靠小螺钉来实现的，通过周围的三个螺钉共同调节，尽可能把相机的机械轴和光轴在同一条直线上，这样就能尽可能 地减小相机的误差。 仅以镜筒和压圈的结构形式组合 (暂考虑隔圈一种形式 )就可以把镜头结构分为如图 1示的 四 种形式。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 图 1头分类 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 2、材料的选择 相机镜头结构镜筒的材料主要有铝合金、钛合金、碳纤维复合材料等。 嫦娥空间相机是在月球拍照的，在月球的环境下，就必须考虑环境因素，月球上没有大气，处于一种高度的真空状态，连声音都无法传播。卫星在月球上空 100合各因素，可以选用钛钢。 钛钢是一种中等密度的的无磁材料经过合金和形变处理有很高的强度由于在其表面很容易产 生一层致密的氧化钛，所以具有耐腐蚀性，钛的热膨胀系数与多重冕牌光学玻璃兼容。因此，当环境温度变化较大时候，光学系统设计就选用钛钢材料作为镜座和镜筒。 %的铝和 4%的钒（按重量比），这些良好的性质包括可加工性和可铸造性，加工期间，道具磨损很快，经常使用铜焊连接，可以使用硬纤焊。钛钢材料中应力的释放与时间成指数关系。尤其是一个小时内，在温度 500 F、 700 F、900 100 0% 、 15%、 60%和 95%。安装实际的情况，在 1100 约要用两个小时应当 是足够的。热处理应当在真空炉中进行，当温度降低到 700 允许空气进入炉内完成最后的冷却。这种处理方法会是钛钢金属有良好的结构稳定性，同时，再提高温度也不会对这种材料的性质有大的变化。 世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。 20世纪 50 60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金， 70年代开发出一批耐蚀钛合金， 80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件 而镜片要有高的透明性，而且要好的透光性，这对于相机的性能很重要，镜片材料可以选用 22 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 3、嫦娥空间相机结构的整体整体分析 光学设计的基础建立在整个光学系统的一条旋转对称轴 光轴上，即各个起光学作用的表面的曲率中心都应位于这条光轴上光学镜筒的主要功能就是保证各个透镜的球面中心与光轴重合，并使各透镜相互间的间隔满足光学设计要求，要保证整个光学镜筒中每个光学折射面的定心精度必须减少定中心基准轴的环节，将整个光学镜筒的定中心环节放在镜筒最后的总装上其核心是通过精密研磨镜座以及 精密调整镜组在镜筒中的位置来保证各透镜间的间隔和同轴要求。因此在光学镜筒设计上要为总装留有充分 的调整环每块透镜都要有独立的镜座设计用；于支撑各独立镜座的薄壁壳体结构并要求壳体内所有定位阶梯内圆柱面同轴。 该系统是一个镜片成像系统，各镜片如下图所示： 图 3片示意图 由图可知道，该系统中有八块镜片，一片光阑。光线有由左端一次进入镜片，最后到屏幕上的胶卷，景物就在照片上拍了下来。镜片之间要用镜座或者镜筒固定。假设左边第一块为镜片 1，从左边数第八块镜片为镜片八，镜片 1 比较大，之间安装在镜筒中，镜片 2、镜片 3、镜片 4 尺寸比较接近，并且相隔较为接近，可以用一个镜座安装为一个整体，镜片 5、镜片 6、镜片 7 尺寸相近，并且相对位置很接近，也可以设计一个镜座，将镜片 5、镜片 6、镜片 7、安装在一个镜座中。镜片 8 直接安装在镜筒中，不单独为其设计镜座。镜片 1 和镜片 8 为单镜组，单镜组采用压圈固定法 :把光学零件装入带有内螺纹的镜座中 ,依靠光学零件外圆与镜座内孔的配合及端面轴向定位 ,买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 再利用带有外螺纹的压圈将光学零件压紧 装配方便 ,可以进行选配和修配 . 单镜组与薄壁壳体之间的装配也采用压圈轴向固定 法，如图所示： 图 3片间的装配 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 加工工序 镜片的加工分为多道工序； 第 1 道：铣磨 ,是去除镜片表面凹凸不平的气泡和杂质 ,(约 到成型 作用 . 第 2 道就是精磨工序 ,是将 铣磨出来的镜片将其的破坏层给消除掉 ,固定 R 值 . 第 3 道就是抛光工序 ,是将精磨镜片在一次抛光 ,这道工序主要是把外观做的更 好。 第 4 道就是清洗 ,是将抛光过后的镜片将起表面的抛光粉清洗干净 第 5 道就是磨边 ,是将原有镜片外径将其磨削到指定外径。 第 6 道就是镀膜 ,是将有需要镀膜镜片表面镀上一层或多层的有色膜或其他膜 第 7 道就是涂墨 ,是将有需要镜片防止反光在其外袁涂上一层黑墨 .。 第 8 道就是胶合 ,是将有 2 个 R 值相反大小和外径材质一样的镜片用胶将其联合 。 特殊工序 :多片加工 (成盘加工 )和小球面加工 (20 跟轴 )线切割 根据不同的生产工艺，工序也会稍有出入，如涂墨和胶合的先后次序。 玻璃镜片抛光工艺用抛光机和抛光粉或抛光液一起下进行抛光要设定抛光时间 ,压力等参数 . 抛光 后要立即进行清洗可浸泡 ,否则抛光粉会固化在玻璃上 ,会留有痕迹的 。 筒上的沟槽的数控加工工艺 由以上所知，镜筒的材料为钛钢。首先我们分析下零件图和技术要求。 镜筒的结构要求 :(1)壁厚 :2(3)圆度 : (4)孔槽角度 : 2。 (5)槽宽变化量 : (6)表面粗糙度 : (7)槽宽度 2 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 筒的装夹 由于镜筒壁非常薄，而且要在内表面和外表面加工螺纹及在内表面开槽，为了不使得工件变形，要合理设计夹具体，并且合理的选择合适的机床加工。首先 ,选择的机床是立式加工中心。此类镜筒零件 ,沟槽是均布在镜筒表面的 ,加工时需用到第四轴旋转轴加工 ,所以加工中心床台上需配备回转台 ,选择适合镜筒装夹好。 图 3筒的装夹 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 筒、镜座壁厚和压圈宽度 镜筒壁厚与它的直径有关。螺纹退刀槽处的镜筒壁厚一般是整个结构中的最薄之处。因此程序中以退刀槽处为壁厚基准，各种直径范围的壁厚选择由条件 所决定 。在台阶式结构中中间部分各处的壁厚都与退刀槽处的壁厚相等，而在直筒式结构中中间部分的壁厚要比退刀槽处的壁厚大一些。同理压圈宽度、螺距和起子槽的 大小也按直径范围的选择由条件语句完成。 薄壁壳体内表面设计光阑、压圈、镜座等。镜筒的设计还需要考虑如下几个方面。 薄壁壳体设计与相机支架的连接接口 ,采用孔配合和端面连接的固定方式。除此之外， 还应注意以下几个方面： 1、 薄壁壳体设计与相机支架的连接接口 ,采用孔配合和端面连接的固定方式 2、 嫦娥空间相机属于航天遥感器 ,光学设计按真空环境设计 ,在装调过程中会在透镜间遗留空气，空气的折射率会影响光路传播，还会在透镜内外形成气压差，造成透镜面形变化，严重地影响成像质量，在镜筒设计时必须考虑。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 图 3筒 1 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 图图 3筒 2 图 3座 1 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 图 3座 2 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 3 5、镜 片压圈 镜片压圈的作用是固定镜片，使镜片在镜筒中的位置固定，这里将外螺纹取这样就便于镜片压盖的加工，内孔的直径要保证能压住镜片边缘大于 上。镜片压盖要便于拆装，因此在它不用来压住镜片的一面要开两个 的槽，安装镜片时先将镜片放入镜筒中，再用专门的工具将镜片压盖旋紧。压圈压着镜片时候，不能压得太紧，以防压坏镜片，影响相机的功能。压圈于镜座或者镜筒的间隙比较小，安装的时候要格外小心。 图 3片隔圈 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 阑 光阑定义 ;限制光束通过光学系统的光孔。组成：透镜等光学零件边框或专门设置的带孔金属框。分类： 制轴上点成像光束的孔径角（有效光阑） 限制物面或像面上的物体成像范围。 掉成像质量差的光束，改善轴外物点和远轴。本设计采用的是孔径光阑，主要是用来改变通光孔径的，将光 束限制在一定的范围内。光阑的定位和安装，本设计采用的是一端利用镜筒上的轴肩定位，另一端利用衬套来使得光阑不能轴向移动。由于要调节通光孔径的大小，所以镜筒上要开一个槽，这样光阑的把手就可以左右移动从而调节通光量的大小。光阑可外购。本设计采用的是孔径光阑，因此可用一块光学玻璃片代替，也可以达到同样的效果。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 座和镜片隔圈 镜座的作用（ 1）用来定位镜片（ 2）安装和保护镜片 隔圈的作用：分隔两块相邻的镜片，保证两块镜片之间的焦距 镜座和隔圈的结构设计 图 3片与镜座之间的安装 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 筒安装支架的设计 由于镜筒的长度为 230右 ,长度较大，而且整体是靠螺纹连接的，如果不设计支架，螺纹承受了较大的力矩，时间长了可能会损坏镜头或者影响精度。本设计采用了一个支架套在镜筒的中间部分，将力转移到了支架上，支架的顶部设计了一 个紧定螺钉，当支架移动到合理的位置时便固定。支架的底部预留了 1 个螺纹孔，是用来连接到机架上的，设计了前后两个支架，本文就未作详细介绍。具体图示如下 : 图 3机支架 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 调装置的设计 本设计的思路是在镜筒的圆周上钻 3 个 螺纹孔，然后再将轴套安装在镜筒上。镜片和螺纹是垂直的是的，并且镜筒上先沉头，并与紧定螺钉的锥面相配合，这样可以防止导柱的旋转从而导致反射镜片与四分光镜不平行。导柱可以在轴套内上下移动，移动到合适的位置时，拧紧紧固螺钉，导柱就不会上下移动了。由于直接上下调节导柱的幅度太大，这里用的是螺旋机构，只要拧动下面那个阶梯螺母就可以实现导柱的上下微量移动了。微调装置的安装： 止导杆下滑， 套旋入镜筒中， 达合适的位置时再将紧固螺钉旋紧。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 4、镜片的清洗与安装 在镜片的安装和清洗过程中，任何一点粘物，甚至指甲印或油滴，都会使镜 片吸收率提高，降低使用寿命。所以，必须采用下面的预防措施： 1）千万不要用裸指安装镜片。应带上指套或橡胶手套。 2）不要用犀利器械以免引起镜片表面刮伤。 3）取镜片时不可接触到膜层，而是拿着镜片边缘。 4）镜片应放在干燥、整洁的地方来检测和清洗。一个好的工作台表面上应有数 层清洗纸巾或纸拭，并有数张清洗透镜绵纸。 5）使 用者应避免在镜片上方说话，并让食物、饮料和其他潜在的污染物远离工 作环境。 正确的清洗方法 清洗镜片的过程中，唯一的目的就是将镜片的污染物去除，并且不要对镜片 造成进一步的污染和损坏。 注意事项： 如果 镜片安装 不正确，激光系统将不能正常工作，甚至于会被损坏。 所有的二氧化碳激光器镜片应以某一方向安装。 所以使用者应正确认好镜片的正 确方向。例如，输出镜高反射面应对着腔内，高透面应对着腔外，如果反了，激光器将不产生激光或产生低能量的激光。最终的聚焦透镜的凸面应对着腔内，透 镜头的第二面要么是凹面，要么是平面，这一 面应对着工作。如果反了，将会导 致焦点变大，工作距离变化。在切割应用中，导致切缝变大，切割速度变慢。 反射镜是第三种常用镜片，它的安装也是非常关键的。当然，对于反射镜很容易辨别反射面。很明显，镀膜的一面对着激光 具体做法如下图所示： 图（ 11）镜片的安装清洗 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 20 5、结论 嫦娥空间相机光学镜筒的结构材料为钛合金，采取单镜组，即镜座、透镜和压圈独立装配形成组件，进而装入薄壁壳体中的结构形式，分析表明，此种结构能够满足单台测绘相机技术指标的要求。单镜组装调方便，可拆卸性强，薄壁壳体整体精度高，强度和 刚度性能好。有利于达到多透镜同心精度。光学镜筒外层结构薄壁壳体通过铸造和冷加工而成，薄壁壳体形位公差要求严格，尺寸链复杂，冷加工难度大 削过程中应注意刀具的选择装夹的对称性，车削速度，基准的精确和重复性等问题。 光学镜筒的装配分单镜组和整体装配两个过程。装配步骤简单，主要难度体现无变形安装固定、空气间隔精确控制和高精度定心等 3 个方面，须注意装配过程中测量的严格性和重复性。最后装配出的测绘相机单只镜头光学传递函数达到 50lp/满足测绘相机对镜头的精度要求。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 21 参考文献 1 成大先 机械