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星敏镜头参数化建模辅助设计

朱俊青 沙巍 方超 王永宪 王智

朱俊青, 沙巍, 方超, 王永宪, 王智. 星敏镜头参数化建模辅助设计[J]. 中国光学(中英文), 2021, 14(3): 615-624. doi: 10.37188/CO.2021-0029
引用本文: 朱俊青, 沙巍, 方超, 王永宪, 王智. 星敏镜头参数化建模辅助设计[J]. 中国光学(中英文), 2021, 14(3): 615-624. doi: 10.37188/CO.2021-0029
ZHU Jun-qing, SHA Wei, FANG Chao, WANG Yong-xian, WANG Zhi. Parametric modeling aided design for star sensor lens[J]. Chinese Optics, 2021, 14(3): 615-624. doi: 10.37188/CO.2021-0029
Citation: ZHU Jun-qing, SHA Wei, FANG Chao, WANG Yong-xian, WANG Zhi. Parametric modeling aided design for star sensor lens[J]. Chinese Optics, 2021, 14(3): 615-624. doi: 10.37188/CO.2021-0029

星敏镜头参数化建模辅助设计

doi: 10.37188/CO.2021-0029
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(No.11803036)
详细信息
    作者简介:

    朱俊青(1990—),男,河南周口人,博士,助理研究员,2011年于上海交通大学获得学士学位,2016年于中国科学院大学获得博士学位,主要研究方向为空间光学结构优化设计。E-mail:zhujq@ciomp.ac.cn

    沙 巍(1984—),男,天津人,博士,副研究员,2007年于上海交通大学获学士学位,2012年于中国科学院大学获得博士学位,主要研究方向为空间光机系统技术。E-mail:sha.phe@gmail.com

    方 超(1985—),男,安徽淮南人,博士,副研究员,2007年、2009年于天津大学分别获得学士、硕士学位,2018年于中国科学院大学获得理学博士学位,主要研究方向为激光干涉测量、光学系统设计等。E-mail:fangchao@ciomp.ac.cn

    王永宪(1975—),男,吉林长春人,博士,副研究员,主要从事空间光学仪器CAD/CAD研究。E-mail:wangyongxian@sina.com

    王 智(1978—),男,山东寿光人,博士,研究员,博士生导师,2003年于长春理工大学获得硕士学位,2006年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事空间引力波探测领域的研究。E-mail:wz070611@126.com

  • 中图分类号: V447.3; TH743

Parametric modeling aided design for star sensor lens

Funds: Supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 11803036)
More Information
  • 摘要: 为满足星敏镜头的标准化设计需求,建立了基于参数化建模的星敏镜头辅助设计系统,以缩短产品设计周期及提高镜头设计的工艺质量和可靠性。首先,梳理了光学定心取边工艺的星敏镜头结构设计参数及其相互关系,然后基于光学设计输入对镜片设计进行参数化建模,通过实时计算镜片的设计工艺性指标,辅助设计者合理调整透镜设计,将工艺保障落实到设计的全过程;对镜片结构部分进行基于尺寸链的回转体多段线参数化建模,对镜片组件的镜片安装方式、方位、结构尺寸等进行自动设计和图形呈现,替代了人工重复性的设计操作,通过装配图全局设计与镜片组件设计相结合,并实时反馈镜头重量等信息,辅助设计者合理设计空间布局、评估设计结果,从而快速迭代镜头设计。使用结果表明:9片透镜的星敏镜头的装配图设计用时从原来的约15小时降低到约3小时,极大地提高了设计效率,设计的工艺性和可靠性得到保障。本文设计方案满足星敏镜头的标准化设计需求,并为其他精密仪器的参数化建模提供思路。

     

  • 图 1  光学定心取边装调工艺示意图。(a)镜片安装在镜室内成组;(b)调整镜片组件光轴与车床主轴同轴;(c)镜片组件安装在镜筒内。

    Figure 1.  Framework of alignment turning process. (a) The mounted lens; (b) the mounted lens is positioned so that the optical axis corresponds to the rotation axis of the turning station; (c) the mounted lens is assembled in lens barrel.

    图 2  星敏镜头的结构组成

    Figure 2.  Structure components of star sensor lens

    图 3  透镜结构示意图

    Figure 3.  Schematic diagram of lens structure

    图 4  压圈法镜组示意图

    Figure 4.  Schematic diagram of thread retainer mounted lens

    图 5  辊边法镜组示意图

    Figure 5.  Schematic diagram of burnished edge mounted lens

    图 6  星敏镜头参数化建模辅助设计软件程序流程

    Figure 6.  Software program chart of parametric modeling aided design for star sensor lens

    图 7  星敏镜头参数化建模辅助设计软件界面

    Figure 7.  Parametric modeling aided design software interface of star sensor lens

    图 8  星敏镜头光学系统示意图

    Figure 8.  Schematic diagram of optical system of star sensor lens

    图 9  同一透镜不同参数设计图

    Figure 9.  The lens design with different parameters

    图 10  星敏镜头的详细设计装配图

    Figure 10.  Final assembly drafting of the star sensor lens

    图 11  星敏镜头实物

    Figure 11.  Star sensor lens

    表  1  光学零件的设计余量

    Table  1.   Design margin of optical parts (mm)

    通光口径外径最小厚度
    辊边安装压圈安装正透镜边缘负透镜中心
    3~6D+0.60.40.6
    >6~10D+0.8D+1.00.60.8
    >10~18D+1.0D+1.50.8~1.21.0~1.5
    >18~30D+1.5D+2.01.2~1.81.5~2.2
    >30~50D+2.0D+2.51.8~2.42.2~3.5
    >50~80D+2.5D+3.02.4~3.03.5~5.0
    >80~120D+3.53.0~4.05.0~8.0
    >120~150D+4.54.0~6.08.0~12.0
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    表  2  工艺性评价方法

    Table  2.   Process performance evaluation method

    名称工艺评价指标备注
    Z>0.56便于芯取
    球心距>2 mm同心镜难加工
    球面半径与外径比>0.7矢高>0.1 mm
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    表  3  压圈法尺寸参数

    Table  3.   Design parameters for threaded retainer mounted lens assembly

    名称尺寸描述备注
    压圈螺距压圈螺纹的螺距
    TR1压圈宽度≥4~5倍螺距
    TR2压圈壁厚由螺距和安装面尺寸决定
    压圈方向压圈旋入镜室的方向
    RL1透镜座长度
    RL2透镜座厚度由安装面尺寸决定
    LC1镜室内环的壁厚
    CR镜室内加强筋宽度
    LC2镜室外圆半径
    LC3镜室外圆厚度
    LC4镜室外圆宽度由系统布局决定
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    表  4  辊边法尺寸参数

    Table  4.   Design parameters for burnished edge mounted lens assembly

    名称尺寸描述备注
    BE1包边口边缘的厚度
    BE2包边口锥体总高
    包边方向透镜的包边方向
    RL1透镜座长度
    RL2透镜座厚度由安装面尺寸决定
    LC1镜室内环的壁厚
    CR镜室内加强筋宽度
    LC2镜室外圆半径
    LC3镜室外圆厚度
    LC4镜室外圆宽度由系统布局决定
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    表  5  包边口尺寸参考值

    Table  5.   Dimensions for burnished edge (mm)

    透镜直径BE1BE2
    ≤60.11.5
    >6~100.131.5
    >10~300.182
    >30~500.202
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-01-29
  • 修回日期:  2021-02-17
  • 网络出版日期:  2021-03-26
  • 刊出日期:  2021-05-01

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