一种空间光学双相机连续成像的匀速摆扫运动的装置

摘要

一种空间光学双相机连续成像的匀速摆扫运动的装置，属于空间光学成像技术领域中涉及的一种装置，要解决的技术问题是：提供一种空间光学双相机连续成像的匀速摆扫运动的装置。解决的技术方案包括摆扫驱动电机、蜗杆、蜗轮、换向弹簧、换向凸轮、换向电机、换向平台、五个转动轴、四个摆扫凸轮、两个摆扫弹簧、两个推杆、两台相机等。通过摆扫驱动电机驱动蜗轮、蜗杆转动，带动摆扫凸轮转动，摆扫凸轮转动通过推杆推动两台相机做等速反向的摆扫运动。该装置通过一台电机驱动两套摆扫凸轮实现了两台相机速度相等、方向相反的匀速、对称摆扫成像，既避免了电机正反转切换带来的干扰力矩影响，大大减少了对卫星平台的力矩干扰。

权利要求

1.一种空间光学双相机连续成像的匀速摆扫运动的装置，其特征在于包括摆扫驱动电机(1)、第一转动轴(2)、第一轴承座(3)、蜗杆(4)、蜗轮(5)、第二轴承座(6)、第二转动轴(7)、第三轴承座(8)、第一摆扫凸轮(9)、第二摆扫凸轮(10)、第四轴承座(11)、换向平台第一导向柱(12)、换向平台第一导向座(13)、换向弹簧(14)、第一摆扫弹簧(15)、第一推杆导向座(16)、第五轴承座(17)、第一推杆(18)、第一相机(19)、第六轴承座(20)、第三转动轴(21)、第二推杆导向座(22)、第二推杆(23)、第七轴承座(24)、第二相机(25)、第八轴承座(26)、第四转动轴(27)、第二摆扫弹簧(28)、换向平台第二导向柱(29)、换向平台第二导向座(30)、第九轴承座(31)、换向凸轮(32)、第十轴承座(33)、第五转动轴(34)、换向电机(35)、第十一轴承座(36)、第三摆扫凸轮(37)、第四摆扫凸轮(38)、第十二轴承座(39)、换向平台(40)、摆扫机构安装架(41)；换向平台(40)通过换向平台第一导向柱(12)和换向平台第二导向柱(29)分别穿过固定在摆扫机构安装架(41)上的换向平台第一导向座(13)和换向平台第二导向座(30)与摆扫机构安装架(41)连接；位于换向平台(40)的第一导向柱(12)的一侧的换向弹簧(14)的一端与换向平台(40)连接，另一端与摆扫机构安装架(41)连接，并且换向弹簧(14)始终处于压缩状态；换向电机(35)安装在换向平台(40)的第二导向柱(29)和第二导向座(30)同一侧的摆扫机构安装架(41)上，第九轴承座(31)和第十轴承座(33)安装在换向电机(35)的左侧，换向电机(35)的主轴与第五转动轴(34)同轴连接，第五转动轴(34)从右至左依次穿过第十轴承座(33)、换向凸轮(32)以及第九轴承座(31)的轴孔，并使换向凸轮(32)的边缘与换向平台(40)的边缘接触； 摆扫驱动电机（1）和第一轴承座（3）、第二轴承座（6）三者同轴安装在换向平台（40）的上下中间水平位置上，第一转动轴（2）与摆扫驱动电机（1）的主轴同轴连接，蜗杆（4）位于第一转动轴（2）的中部位置，并与第一转动轴（2）同轴连接，第一转动轴（2）的两端分别穿过第一轴承座（3）和第二轴承座（6）的轴孔；第三轴承座（8）、第四轴承座（11）、第十一轴承座（36）和第十二轴承座（39）四者竖直方向同轴安装在换向平台（40）的偏左部位，第二转动轴（7）穿过上述第三、第四、第十一、第十二轴承座四者的轴孔，第二转动轴（7）与第一转动轴（2）相互垂直，第二转动轴（7）穿过蜗轮（5）的轴心，蜗轮（5）与蜗杆（4）之间齿啮合；在第三轴承座（8）和第四轴承座（11）之间的第二转动轴（7）上装有两个靠在一起的第一摆扫凸轮（9）和第二摆扫凸轮（10），在第十一轴承座（36）和第十二轴承座（39）之间的第二转动轴（7）上装有两个靠在一起的第三摆扫凸轮（37）和第四摆扫凸轮（38）；在摆扫机构安装架（41）的偏左部位的竖直方向上装有第五轴承座（17）、第六轴承座（20）、第七轴承座（24）及第八轴承座（26），所述的第五、第六、第七和第八轴承座的轴心孔在同一条直线上；第三转动轴（21）上装有第一相机（19），第一相机（19）的光轴与第三转动轴（21）垂直，第一相机（19）位于第五、第六两个轴承座之间，第三转动轴（21）的两端分别通过第五轴承座（17）和第六轴承座（20）的轴心孔；在第四转动轴（27）上装有第二相机（25），第二相机（25）的光轴与第四转动轴（27）垂直，第二相机（25）位于第七和第八两个轴承座之间，第四转动轴（27）的两端分别通过第七轴承座（24）和第八轴承座（26）的轴心孔；第三转动轴（21）和第四转动轴（27）位于同一竖直轴线上，该竖直轴线与第二转动轴（7）平行，第一摆扫弹簧（15）的左端与第三转动轴（21）的上 端连接，右端与第二转动轴（7）的上端连接，第一摆扫弹簧（15）处于拉伸状态；第二摆扫弹簧（28）的左端与第四转动轴（27）的下端连接，右端与第二转动轴（7）的下端连接，第二摆扫弹簧（28）处于拉伸状态；第一推杆（18）与第一推杆导向座（16）之间滑动接触配合，第一推杆导向座（16）安装在第一相机（19）及换向平台（40）之间的摆扫机构安装架（41）上，第一推杆（18）的左端与第一相机（19）的表面接触配合，右端与第一摆扫凸轮（9）滑动接触配合，并在第一摆扫弹簧（15）的作用下与第一相机（19）及第一摆扫凸轮（9）始终接触，第二推杆（23）与第二推杆导向座（22）之间滑动接触配合，第二推杆导向座（22）安装在第二相机（25）及换向平台（40）之间的摆扫机构安装架（41）上，第二推杆（23）的左端与第二相机（25）的表面接触配合，右端与第三摆扫凸轮（37）滑动接触配合，并在第二摆扫弹簧（28）的作用下与第二相机（25）及第三摆扫凸轮（37）始终接触。

说明书

一种空间光学双相机连续成像的匀速摆扫运动的装置

技术领域：

[0001] 本发明属于空间光学成像技术领域中涉及的一种可实现双相机连续成像的匀速摆扫运动的装置。背景技术：

[0002] 光学相机从成像方式上可以分为摆扫成像和凝视成像两种，摆扫成像的相机采用时间积分延迟光电荷耦合器件（TDI CCD）延时积分的方式，将多次线阵曝光的图像叠加获得最终图像，摆扫成像机构是TDI CCD相机获取连续图像的前提，并可根据成像需要提供特殊的运动。

[0003] 当前，空间光学相机都是通过卫星与地球的相对运动实现相机沿轨方向的成像积分，相机的成像范围由光学系统的视场大小决定。在保持光学系统参数不变的情况下，为了增加成像范围，则必须增加摆扫机构实现相机光轴的运动。目前空间中采用的摆扫机构只能实现一种既定的转动要求，并且需要通过电机的正、反转实现转动方向的转换，同时由于机构的转动会给卫星平台带来较大的干扰力矩。

[0004] 通过查新检索，没有发现与本申请相同或者类似的装置。发明内容：

[0005] 本发明的目的在于通过摆扫运动机构推动双相机整体摆扫运动，增加视场范围，扩大成像区域，以获得更多的视场信息，特设计一种连续成像的匀速摆扫运动的装置。

[0006] 本发明要解决的技术问题是：提供一种空间光学双相机连续成 像的匀速摆扫运动的机构。解决技术问题的技术方案如图1所示，包括：摆扫驱动电机1、第一转动轴2、第一轴承座3、蜗杆4、蜗轮5、第第二轴承座6、第二转动轴7、第三轴承座8、第一摆扫凸轮9、第二摆扫凸轮10、第四轴承座11、换向平台第一导向柱12、换向平台第一导向座13、换向弹簧14、第一摆扫弹簧15、第一推杆导向座16、第五轴承座17、第一推杆18、第一相机19、第六轴承座20、第三转动轴21、第二推杆导向座22、第二推杆23、第七轴承座24、第二相机25、第八轴承座26、第四转动轴27、第二摆扫弹簧28、换向平台第二导向柱29、换向平台第二导向座30、第九轴承座31、换向凸轮32、第十轴承座33、第五转动轴34、换向电机35、第十一轴承座36、第三摆扫凸轮37、第四摆扫凸轮38、第十二轴承座39、换向平台40、摆扫机构安装架41。换向平台40通过换向平台第一导向柱12和换向平台第二导向柱29分别穿过固定在摆扫机构安装架41上的换向平台第一导向座13和换向平台第二导向座30与摆扫机构安装架41连接；位于换向平台40的第一导向柱12的一侧的换向弹簧14的一端与换向平台40连接，另一端与摆扫机构安装架41连接，并且换向弹簧14始终处于压缩状态；
换向电机35安装在换向平台40的第二导向柱29和第二导向座30同一侧的摆扫机构安装架41上，第九轴承座31和第十轴承座33安装在换向电机35的左侧，换向电机35的主轴与第五转动轴34同轴连接，第五转动轴34从右至左依次穿过第十轴承座33、换向凸轮32以及第九轴承座31的轴孔，并使换向凸轮32的边缘与换向平台40的边缘接触；摆扫驱动电机1和第一轴承座3、第二轴承座6三者同轴安装在换向平台40的上下中间水平位置上，第一转动轴2与摆扫驱动电机1的主轴同轴连接，蜗杆4位于第一转动轴2的中部位置，并与第一转动轴2同轴连接，第一转动轴2的两端分别穿过第一轴承座3和 第二轴承座6的轴孔；第三轴承座8、第四轴承座11、第十一轴承座36和第十二轴承座39四者竖直方向同轴安装在换向平台40的偏左部位，第二转动轴7穿过上述第三、第四、第十一、第十二轴承座四者的轴孔，第二转动轴7与第一转动轴2相互垂直，第二转动轴7穿过蜗轮5的轴心，蜗轮5与蜗杆4之间齿啮合；在第三轴承座8和第四轴承座11之间的第二转动轴7上装有两个靠在一起的第一摆扫凸轮9和第二摆扫凸轮10，在第十一轴承座36和第十二轴承座
39之间的第二转动轴7上装有两个靠在一起的第三摆扫凸轮37和第四摆扫凸轮38；在摆扫机构安装架41的偏左部位的竖直方向上装有第五轴承座17、第六轴承座20、第七轴承座
24及第八轴承座26，所述的第五、第六、第七和第八轴承座的轴心孔在同一条直线上；第三转动轴21上装有第一相机19，第一相机19的光轴与第三转动轴21垂直，第一相机19位于第五、第六两个轴承座之间，第三转动轴21的两端分别通过第五轴承座17和第六轴承座20的轴心孔；在第四转动轴27上装有第二相机25，第二相机25的光轴与第四转动轴27垂直，第二相机25位于第七和第八两个轴承座之间，第四转动轴27的两端分别通过第七轴承座
24和第八轴承座26的轴心孔；第三转动轴21和第四转动轴27位于同一竖直轴线上，该竖直轴线与第二转动轴7平行，第一摆扫弹簧15的左端与第三转动轴21的上端连接，右端与第二转动轴7的上端连接，第一摆扫弹簧15处于拉伸状态；第二摆扫弹簧28的左端与第四转动轴27的下端连接，右端与第二转动轴7的下端连接，第二摆扫弹簧28处于拉伸状态；
第一推杆18与第一推杆导向座16之间滑动接触配合，第一推杆导向座16安装在第一相机
19及换向平台40之间的摆扫机构安装架41上，第一推杆18的左端与第一相机19的表面接触配合，右端与第一摆扫凸轮9滑动接触配合，并在第一摆扫弹簧15的作用下与 第一相机19及第一摆扫凸轮9始终接触，第二推杆23与第二推杆导向座22之间滑动接触配合，第二推杆导向座22安装在第二相机25及换向平台40之间的摆扫机构安装架41上，第二推杆23的左端与第二相机25的表面接触配合，右端与第三摆扫凸轮37滑动接触配合，并在第二摆扫弹簧28的作用下与第二相机25及第三摆扫凸轮37始终接触。

[0007] 工作原理为：摆扫驱动电机1通过第一转动轴2带动蜗杆4转动，蜗杆4与蜗轮5齿啮合，当蜗杆4转动时蜗轮5通过第二转动轴7带动第一摆扫凸轮9、第二摆扫凸轮10、第三摆扫凸轮37、第四摆扫凸轮38转动，第一摆扫凸轮9旋转推动第一相机19绕第三转动轴21旋转，转动速度由第一摆扫凸轮9的轮廓线决定，第三摆扫凸轮37旋转推动第二相机25绕第四转动轴27旋转，转动速度由第三摆扫凸轮37的轮廓线决定，第一摆扫弹簧15始终拉紧第三转动轴21及第二转动轴7，以保证第一摆扫凸轮9紧贴第一推杆18推动第一相机19围绕第三转动轴21转动，第二摆扫弹簧28始终拉紧第四转动轴27及第二转动轴7，以保证第三摆扫凸轮37紧贴第二推杆23推动第二相机25围绕第四转动轴27转动，当第一摆扫凸轮9与第二摆扫凸轮10、第三摆扫凸轮37与第四摆扫凸轮38外径轮廓线在水平方向重合时，换向电机35通过第五转动轴34带动换向凸轮32转动，推动换向平台40及其平台上的机构在换向平台第一导向柱12及换向平台第二导向柱29上平移一定距离，完成摆扫凸轮的切换，即由第一摆扫凸轮9和第三摆扫凸轮37驱动相机转动到由第二摆扫凸轮10和第四摆扫凸轮38驱动相机转动，第一摆扫弹簧15和第二摆扫弹簧28始终处于拉伸状态，确保摆扫凸轮与推杆之间始终保持接触。换向弹簧14始终保持压缩状态，以确保换向凸轮32与换向平台40侧表面始终接触。第一摆扫凸轮9、第二摆扫凸 轮10、第三摆扫凸轮37、第四摆扫凸轮38的轮廓线为根据需求进行特殊设计，即凸轮曲线可实现相机绕转动轴匀速转动，并在一个旋转周期内完成相机的一次往返摆扫，在第一摆扫凸轮9、第二摆扫凸轮10的轮廓线在一段区域内曲线完全重合，第三摆扫凸轮37、第四摆扫凸轮38的轮廓线在一段区域内曲线完全重合。

[0008] 本发明的积极效果：该空间光学双相机连续成像的匀速摆扫运动的装置通过一台电机驱动特殊设计的摆扫凸轮实现了两台相机速度大小相等、方向相反的匀速、对称摆扫成像，避免了电机正反转切换带来的干扰力矩，大大减少了对卫星平台的力矩干扰；该摆扫运动机构通过另一台电机及换向凸轮的组合方式进行换挡控制，即可以通过采用不同组摆扫凸轮的组合方式满足对相机运动过程中不同速度的要求。附图说明：

[0009] 图1是本发明的结构示意图。具体实施方式：

[0010] 本发明按图1所示的技术方案实施。其中摆扫机构安装架41采用钛合金（TC4）铣削加工，并研磨安装在摆扫机构安装架41上的换向平台40、换向平台第一导向座13、第一推杆导向座16、第五轴承座17、第六轴承座20、第二推杆导向座22、第七轴承座24、第八轴承座26、换向平台第二导向座30、第九轴承座31及十轴承座33的安装面；换向平台40采用钛合金（TC4）铣削加工，并研磨安装在换向平台40上的第一轴承座3、第二轴承座6、第三轴承座8、第四轴承座11、第十一轴承座36及第十二轴承座39的安装面，配研与摆扫机构安装架41的接触面；摆扫驱动电机1采用两项混合式步进电机85-BYGH450B-06，其额定负载不小于6Nm；换向电机35采用两项混合式步进电机35HBD001-L，其步距角为0.9°，输出力 矩不小于0.22Nm；第一转动轴2、第二转动轴7、第三转动轴21、第四转动轴27及第五转动轴34采用合金钢（40Cr）车削加工，研磨与其它装置的安装端面，并保证每个转动轴的同轴度要求；第一轴承座3、第二轴承座6、第三轴承座8、第四轴承座11、第五轴承座17、第六轴承座20、第七轴承座24、第八轴承座26、第九轴承座31、第十轴承座33、第十一轴承座36及第十二轴承座39采用钛合金（TC4）铣削和车削加工，配研与摆扫机构安装架41及换向平台40的安装面，并保证第一轴承座3与第二轴承座6的同轴度、第3轴承座8、第四轴承座11、第十一轴承座36、第十二轴承座39的同轴度、第五轴承座17、第六轴承座20、第七轴承座24、第八轴承座26的同轴度及第九轴承座31与第十轴承座33的同轴度；蜗杆4选择阿基米德蜗杆(ZA型)，蜗杆材料选择45号钢淬火处理，蜗轮5材料选择ZCuSn10P1离心铸造，要求蜗杆传动机构的传动比为1:30，蜗杆4的导程角为2.545°；第一摆扫凸轮9、第二摆扫凸轮10、第三摆扫凸轮37、第四摆扫凸轮38采用45号钢进行渗碳淬火处理，在各摆扫凸轮与推杆之间采用固体二硫化钼（MoS2）润滑，并且保证第一摆扫凸轮9与第二摆扫凸轮10、第三摆扫凸轮37与第四摆扫凸轮38间可以顺畅切换；换向平台第一导向柱12、换向平台第二导向柱29采用合金钢（40Cr）车削加工，并研磨接触面；换向平台第一导向座13、换向平台第二导向座30、第一推杆导向座16、第二推杆导向座22采用钛合金（TC4）车削和铣削加工，配研与摆扫机构安装架41的接触面；换向弹簧14采用压缩弹簧，弹簧的刚度系数不小于20N/mm；第一摆扫弹簧15、第二摆扫弹簧28采用拉伸弹簧，弹簧刚度系数不小于
30N/mm；第一相机19、第二相机25为中科院长春光机所研制的完全相同型号的相机，它们可以绕各自的转动轴平滑转动，并且转动需要的力矩不大于35Nm，当转动需要的力矩变 大时摆扫驱动电机1的额定负载要相应的增大；第一推杆18、第二推杆23采用钛合金（TC4）加工，研磨与第一推杆导向座16、第二推杆导向座22的接触面，并保证第一推杆18、第二推杆23的同轴度要求；换向凸轮32采用采用45号钢进行渗碳淬火处理，并将凸轮廓线表面用固体润滑剂二硫化钼（MoS2）润滑处理。对满足技术要求的各个元器件，采用技术方案所述的连接安装方式实施，即可把本发明的摆扫运动装置制作出来。