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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. 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. doi: 10.37188/CO.2021-0029
ZHU Jun-qing, SHA Wei, FANG Chao, WANG Yong-xian, WANG Zhi. Star tracker lens mechanical automatic design system on parametric modeling[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2021-0029
Citation: ZHU Jun-qing, SHA Wei, FANG Chao, WANG Yong-xian, WANG Zhi. Star tracker lens mechanical automatic design system on parametric modeling[J]. Chinese Optics. 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: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所获得博士学位,主要研究方向为空间光机系统技术。E-mail:sha.phe@gmail.com

    方超:方 超(1985—),男,安徽淮南人,博士,副研究员,2007年和2009年在天津大学分别获得学士和硕士学位,2018年在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: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

Star tracker lens mechanical automatic design system on parametric modeling

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,缩短了产品设计周期并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,从原来的约15小时降低到约3小时,极大提高了设计效率,设计的工艺性和可靠性得到保障,满足了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.  Block Diaphragm of star tracker lens

    图  3  透镜参数示意图

    Figure  3.  Diaphragm of lens component

    图  4  压圈法镜组尺寸示意图

    Figure  4.  Diaphragm of thread retainer mounted lens

    图  5  辊边法镜组尺寸示意图

    Figure  5.  Dimensions 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.  Flow chart of star tracker lens mechanical automatic design system on parametric modeling

    图  7  星敏镜头参数化建模辅助设计软件界面

    Figure  7.  Diaphragm of star tracker lens aided design software

    图  8  星敏镜头光学系统示意图

    Figure  8.  Optical system of star tracker

    图  9  同一透镜不同参数设计示意图

    Figure  9.  Design experiment of same lens

    图  10  星敏镜头初步设计装配图

    Figure  10.  Primary assembly drafting of the star tracker lens

    图  11  星敏镜头的详细设计装配图

    Figure  11.  Final assembly drafting of the star tracker lens

    图  12  星敏镜头实物

    Figure  12.  Star tracker lens

    表  1  光学零件的设计余量

    Table  1.   Design guide for lens

    通光口径(mm)外径(mm)最小厚度(mm)
    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.   Design rules for lens

    名称工艺评价指标备注
    Z值>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.   Dimensions for threaded retainer lens assembly

    名称尺寸描述备注
    压圈螺距压圈螺纹的螺距
    TRL压圈宽度≥4~5倍螺距
    TRT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
    RL透镜座长度
    RLT透镜座厚度由安装面尺寸决定
    LCT镜室内环的壁厚
    CRT镜室内加强筋宽度
    LCOR镜室外圆半径
    LCOT镜室外圆厚度
    LCOL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 parameter for burnished edge lens assembly

    名称尺寸描述备注
    BEB包边口边缘的厚度
    BEE包边口锥体总高
    包边方向透镜的包边方向
    RL透镜座长度
    RLT透镜座厚度由安装面尺寸决定
    LCT镜室内环的壁厚
    CRT镜室内加强筋宽度
    LCOR镜室外圆半径
    LCOT镜室外圆厚度
    LCOL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

    透镜直径BEB(mm)BEE(mm)
    ≤60.11.5
    >6~100.131.5
    >10~300.182
    >30~500.202
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    表  6  透镜对象的主要数据

    Table  6.   Main data for lens object

    序号数据名称内容
    1Surface1透镜第一表面
    2Surface2透镜第二表面
    3LenOuterDiameter透镜外径
    4Glass透镜材料
    5Density透镜材料密度
    6OpenSurface开口边
    7MountType安装方式
    8Pitch螺距
    9StructMaterial结构材料
    10EdgeRef工艺最小厚度
    11Edge透镜最小厚度
    12ChamferRef工艺参考倒角
    13RatioZ透镜Z值
    14RatioC透镜同心度
    15LenCellThickness镜室内环壁厚
    16LenRetainerSize透镜座长度
    17ThreadedRetainerSize压圈宽度
    18LenCellOuterRadius镜室外圆半径
    19LenCellOuterThickness镜室外圆厚度
    20LenCellRibThickness镜室加强筋厚
    21LensPoly透镜结构信息
    22RetainerPoly压圈结构信息
    23LenCellPoly镜室结构信息
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    表  7  透镜对象的主要函数

    Table  7.   Main functions for lens object

    序号函数名称功能描述
    1minEdgeThicknessStandard根据透镜尺寸计算最小
    边厚度工艺标准
    2minCenterThicknessStandard根据透镜尺寸计算最小
    中心厚度工艺标准
    3minMountThicknessStandard根据透镜尺寸计算最小
    安装尺寸工艺标准
    4chamferStandard根据透镜尺寸计算倒角工艺标准
    5readLens读入镜头数据
    6plotLenDesign显示透镜组设计结果
    7lenPlotCal根据表面信息计算透镜
    轮廓曲线信息
    8flatSurfaceCal平面表面曲线节点计算
    9convexSurfaceCal凸面表面曲线节点计算
    10concaveSurfaceCal凹面表面曲线节点计算
    11lenStructPlotCal根据透镜和结构边界信息计算结构设计画出包含一系列
    经过点的合集
    12weightCal计算回转体重量
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  • [1] 金春水, 王占山, 曹健林. 软X射线投影光刻原理装置的设计[J]. 光学 精密工程,2000,8(1):66-70.

    JIN CH SH, WANG ZH SH, CAO J L. Development of elementary arrangement for soft X-ray projection lithography[J]. Optics and Precision Engineering, 2000, 8(1): 66-70. (in Chinese)
    [2] 马子轩, 李旭阳, 任志广, 等. 大视场超紧凑探测光学系统设计[J]. 光学 精密工程,2020,28(12):2581-2587. doi: 10.37188/OPE.20202812.2581

    MA Z X, LI X Y, REN ZH G, et al. Design of ultra-compact optical detection system with large field of view[J]. Optics and Precision Engineering, 2020, 28(12): 2581-2587. (in Chinese) doi: 10.37188/OPE.20202812.2581
    [3] 张刘, 张若曦, 雷景文, 等. 复合光学导航敏感器[J]. 光学 精密工程,2019,27(12):2534-2541. doi: 10.3788/OPE.20192712.2534

    ZHANG L, ZHANG R X, LEI J W, et al. Composite optical navigation sensor[J]. Optics and Precision Engineering, 2019, 27(12): 2534-2541. (in Chinese) doi: 10.3788/OPE.20192712.2534
    [4] 宿德志, 王玉良, 吴世永, 等. 基于相似三角形的星图识别[J]. 光学 精密工程,2019,27(11):2467-2473. doi: 10.3788/OPE.20192711.2467

    SU D ZH, WANG Y L, WU SH Y, et al. Star identification algorithm based on similar triangle principle[J]. Optics and Precision Engineering, 2019, 27(11): 2467-2473. (in Chinese) doi: 10.3788/OPE.20192711.2467
    [5] 王军, 何昕, 魏仲慧, 等. 基于多特征匹配的快速星图识别[J]. 光学 精密工程,2019,27(8):1870-1879. doi: 10.3788/OPE.20192708.1870

    WANG J, HE X, WEI ZH H, et al. Fast star identification algorithm based on multi-feature matching[J]. Optics and Precision Engineering, 2019, 27(8): 1870-1879. (in Chinese) doi: 10.3788/OPE.20192708.1870
    [6] 王军, 何昕, 魏仲慧, 等. 基于区域滤波的模糊星图复原方法[J]. 中国光学,2019,12(2):321-331. doi: 10.3788/co.20191202.0321

    WANG J, HE X, WEI ZH H, et al. Restoration method for blurred star images based on region filters[J]. Chinese Optics, 2019, 12(2): 321-331. (in Chinese) doi: 10.3788/co.20191202.0321
    [7] 张洪伟, 丁亚林, 马迎军, 等. 红外双波段双视场成像告警系统设计[J]. 光学 精密工程,2020,28(6):1283-1294. doi: 10.3788/OPE.20202806.1283

    ZHANG H W, DING Y L, MA Y J, et al. Design of infrared dual-band /dual-FOV imaging early warning system[J]. Optics and Precision Engineering, 2020, 28(6): 1283-1294. (in Chinese) doi: 10.3788/OPE.20202806.1283
    [8] 姜洋, 全向前, 杜杰, 等. 全海深大视场超高清光学系统设计[J]. 光学 精密工程,2019,27(11):2289-2295. doi: 10.3788/OPE.20192711.2289

    JIANG Y, QUAN X Q, DU J, et al. Design of deep-sea optical imaging system with wide field of view and ultra-high resolution[J]. Optics and Precision Engineering, 2019, 27(11): 2289-2295. (in Chinese) doi: 10.3788/OPE.20192711.2289
    [9] COHAN L E, MILLER D W. Integrated modeling for design of lightweight, active mirrors[J]. Optical Engineering, 2011, 50(6): 063003. doi: 10.1117/1.3592520
    [10] STAHL H P. Advanced ultraviolet, optical, and infrared mirror technology development for very large space telescopes[J]. Journal of Astronomical Telescopes,Instruments,and Systems, 2020, 6(2): 025001.
    [11] 杨劲松. 光学镜头机械结构参数化设计系统的开发[J]. 光学 精密工程,1999,7(6):6-9.

    YANG J S. A parameter design system for mechanical structure of optical lens[J]. Optics and Precision Engineering, 1999, 7(6): 6-9. (in Chinese)
    [12] 姜俊海, 石玉祥. 光学系统计算机辅助设计中镜头结构的特征描述[J]. 精密制造与自动化,2005(4):7-9. doi: 10.3969/j.issn.1009-962X.2005.04.002

    JIANG J H, SHI Y X. Characteristic description of lens structure in computer aided design of optical system[J]. Precise Manufacturing &Automation, 2005(4): 7-9. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1009-962X.2005.04.002
    [13] 任志文, 方俊永, 刘训生. 光学镜头基本结构计算机辅助设计[J]. 光学技术,1999(2):74-76. doi: 10.3321/j.issn:1002-1582.1999.02.009

    REN ZH W, FANG J Y, LIU X SH. Computer aided deign of lenses structure[J]. Optical Technology, 1999(2): 74-76. (in Chinese) doi: 10.3321/j.issn:1002-1582.1999.02.009
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