一种红外调焦与变倍共用导向机构的构型设计

务ｌ　一甸　似　种红外调焦与变倍共用导向机构的构型设计　付兴领，黄晓婧，兰卫华　ＦＵ　Ｘｉｎｇ—ｌｉｎｇ，ＨＵＡＮＧ　Ｘｉａｏ－ｊｉｎｇ，ＬＡＮ　Ｗｅｉ．ｈｕａ　（中航工业洛阳电光设备研究所，洛阳４７１０２３）　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｆｏｒｉｅｎｔｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｆｏｒ　ｆｏｃｕｓｉｎｇ＆ｚｏｏｍ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　摘要：根据光学系统的双视场要求，本文设计了一种调焦与变倍共用导向机构的构型，采用高精度滚　珠丝杠和直线导轨配合传动实现变倍。导轨安装零件接触面平面度小于２　ｍ，通过透镜定心　工艺及精密装配，同轴度满足不大于　０．０４ｍｍ。机构具有结构紧凑、运行平稳、位移精度好　等特点，变倍全程时间不大于２．５ｓ。试验证明该机构满足设计要求。　关键词；双视场；导向机构；直线导轨；滚珠丝杠传动　中田分类号：ＴＨ１１　２　文献标识码：Ａ　文章编号：１　００９—０１　３４（２０１　４）０２（下）一０１　２８—０３　Ｄｏｉ：１　０．３９６９／Ｊ．１ｓｓｎ．１　００９－０１　３４．２０１４．０２（下）．３６　０引言　红外传感器具有有穿透烟尘、昼夜成像等特　点。随着红外技术的日益成熟，红外传感器应用　越来越普遍Ⅲ。变视场系统既可以在大视场下对小　型运动目标的近距离捕获，又可以小视场下对目　标远距离捕获，是定焦距系统所不能替代的口】。　本文根据光学设计人员给出的某型红外变焦镜　头的光学要求，采用共用导向结构的方法，设计两　种调节结构来实现系统的变倍、调焦功能，这种新　固定物镜组　变倍镜组　ｉ！二　型机构能够保证高精度的光学同轴性及运动位置调　节控制，从而保证在像面上得到清晰的像。　图１非轴向变倍不意图　１机械结构选型　本文所涉及的光学系统为焦距分别为５０ｒａｍ、　３６０ｒａｔａ的双视场结构，其光学结构由大物镜，变　倍镜，调焦镜、后固定镜、聚焦镜组成。变倍和　调焦单独控制，变倍镜到位后，通过调整调焦镜　来实现清晰成像。　轴向变倍是指变倍镜组沿沿光轴同向移动，　从而实现变倍的构型形式。凸轮机构即是典型的　轴向变倍应用形式。凸轮机构是由凸轮，从动杆　和机架组成。凸轮套筒旋转，推动变倍组在固定　导向套中移动到指定位置，完成变焦　】。凸轮机构　具有刚性好、工作可靠、结构简单、紧凑、能够　实现具有复杂运动。凸轮机构可以保证变倍组沿　光轴同向移动，所以在轴向连续变倍系统中使用　较广。　１．１变倍组构型　１．１．１非轴向变倍构型　非轴向变倍是指运动透镜组移动方向不同于　１．２调焦结构形式　一光轴方向。常见的非轴向变倍构型包括切入式变　倍构型和旋转式变倍构型。　般来讲，调焦机构运动轨迹比较短，变倍　机构形式能直接或适当改造用在调焦结构形式　上。　切入式变倍是变倍镜组沿光轴切向移入移出　的变倍形式。旋转式变倍是将光路系统中的变倍　镜头组转入与转出，来改变光路，从而实现变倍功　能　Ｊ，如图１所示。　１．１．２轴向变倍构型　２主要机械结构设计　２．１导向机构　由于滚动直线导轨具有摩擦阻力较小、预压　收稿日期：２０１３—０９—２６　作者简介：付兴领（１９８５一），男，硕士，主要从事光机精密机械及总体设计技术研究。　［１２８］　第３６卷第２期２０１４—０２（下）　ｌ　訇　化　无间隙、驱动功率小、定位精度较高、维护保养　简便等特点　ｌ。本文采用精密双导轨，设计变倍　镜组和调焦镜组分别固定在各自滑块上，共用直　线导轨进行导向，如图２所示。共用导向机构既　可以顺畅快速移动，又可以使得镜面位置手里均　匀，精密晃动量得到较大改善，从而全面提高机　构运动的精度和重复度。满住高精度要求　Ｊ。　电机　图２共用导轨调焦变倍机构　２．２变倍、调焦机构　变倍机构采用滚珠丝杠和直线导轨配合传动　的结构形式。通过变倍电机带动滚珠丝杠，使连　接在丝杠螺母上的变倍镜组沿直线导轨往复运　动，从而达到变倍的目的。机构中，配合使用滚　珠丝杠与导轨，可以得到平稳和精度较高的传　动。将滚珠丝杠两端固定在大壳体上，要求研磨　导轨安装零件接触面平面度小于２　ｍ，通过精密　装配，保证传动轴、直线轴承导向轴和承载轴系　一致，使得三轴系有较高平行度，从而提高机构　的跳动度和直线度。　为了满足变倍镜组２．５ｓ完成视场切换的要求，　对丝杠和电机进行配对选型。根据变倍镜部件重　量、螺杆直径及２ｒａｍ导程、变倍总行程，可算得　所需转速等参数，如表１所示。　＾，　：（　＋　＋　）×　ＡＴ　ｘ８　１Ｖ２　其中：　ＴＭ为电机驱动力矩（Ｎ．ｍ）；　Ｔ　为轴向切削力矩（转换丝杠旋转运动为移动　镜组直线运动）；　Ｔｈ为支撑轴承、导轨之摩擦力矩；　Ｔ　为丝杠预压扭矩；　Ｎ　为电机齿轮齿数；　Ｎ：为丝杠齿轮齿数；　８为安全系数（取５）。　表１电机选型参考表　方案　电机　（电机：丝　齿数比　全程　时间　所需电机　乘以安全　转速　杠）　ｔ　输出力矩　系数８＝３　１　ｌ２００　１：　１　２．５５　２３　６９　２　１２０ｏ　１：２　５．１　１１．５　３４．５　３　１５００　ｌ：　１　２．０４　２３　６９　４　１５００　１：２　４．Ｏ８　ｌ１．５　３４．５　５　２０ｏ０　１：　ｌ　１．５３　２３　６９　６　２００００　ｌ：２　３．０６　ｌ１．５　３４．５　７　２５ｏｏ　１：　１　１．２３　２３　６９　８　２５００　１：　２　２．４６　ｌ１．５　３４．５　根据丝杠及系统指标要求，构型选择方案８相　关设计。　由于光学系统中调焦镜行程短，为　４ｍｍ－５ｍｍ，所以设计直线电机直接推动负载做直　线运动而不需要中间转换结构的传动装置，从而　速度很快地高精度定位到需要位置，清晰成像　。　２．３装调要点　调焦镜组、变倍镜组分别采用到位感应的霍　尔器件进行视场和调焦位置定位，并且为了防止　运动失效，设置了机械限位，从而保证了光学系　统的准确到位。　同时，考虑光轴一致性的高精度要求及装调　的有效性，调焦透镜和变倍透镜均采用定心车加　工的方法，即将通过车床导轨上的自准直显微镜　观察，使光学零件的光轴与精密车床主轴同轴。　最后车削组件金属镜筒外圆和端面，达到定中心　目的　】。在光学系统穿轴的时候，可以使用分化板　进行模拟替代。当通过调整导支撑面等调整环节　完成光学系统穿心后，将定心车镜组装配对应镜　筒中即完成整个机构的装调，如图３所示。　图３共用导轨构型装配剖面图　３装调结果及注意事项　经装调测试，此构型满足设计要求。同轴　【下转第１３７页】　第３６卷第２期２０１４—０２（下）　［１２０１　器，通过激光光源能否照射在一维ＰＳＤ上，判断纬　线的断裂情况。与光电式探纬器相比，基于一维　ＰＳＤ的探纬器采用直射的方式，不会受到光的漫反　射的影响；ＰＳＤ的工作特性使其不易受到背景杂散　作及应用［Ｊ］．棉纺织技术，２０１０，３８（６）：６３．６５．　【５】Ｆａｄｉ　ＪｕｎａｉｄＡｕｔｈｏｒ　Ｖｉｔａｅ，Ｐａｌｉｔｈａ　Ｂａｎｄａｒａ．Ｔｗｉｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｅｎｓｏｒ　ｂａｓｅｄ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｗｅｆｔ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｉｎ　ａｉｒ－ｊｅｔ　ｗｅａｖｉｎｇ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　Ａ：　Ｐｈｙｓｉｃａｌ，２０１３，１８９（１）：１５１—１６０．　【６】Ｈｏｓｓｅｉｎ　Ｇ．Ｌｉｎｅａｒｉｔｙ　ｉｎ　ｏｕｔｐｕｔ　ｓｉｇｎａｌ　ｏｆ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ】．Ｏｐｔｉｃｓ＆ｌａｓｅｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０００，３２（５）：３１１－３１６．　光的影响。此外，该探纬器还具有寿命长、灵敏　度高、响应速度快等优点，在纬线断裂情况的判　断上具有明显的优越性。　参考文献：　【１秦贞俊，梁峰．喷气织机的技术进步【Ｊ】．１】棉纺织技　术，２００２，３０（３）：３５—３８．　［７】曾超，李锋，徐向东．光电位置传感器ＰＳＤ特性及其应用　【Ｊ］．光学仪器，２００２，２４（８）：８２—８５．　［８】袁红星，王志兴，贺安之．ＰＳＤｔ￣线性修正的算法研究【Ｊ］．　仪器仪表学报，１９９９，２０（３）．　【９张晓芳，９］俞信，蒋诚志，王宝光．位置敏感探测器ＰＳＤ特性　的实验研究［Ｊ】．仪器仪表学报，２００３，２４（８）：２５０—２５２．　【２】陈潮峰．提高喷气织机效率的途径【Ｊ】．棉纺织技　术，２００５，３３（１　１）：６１－６２．　【３】郁有文，顾震雷，刘瑞清．光电式纬线探测器的研制［Ｊ】．传　感技术学报，１９９６，９（３）：５６－５８．　【４】马晓红，张高筱，王华．喷气织机反射式探纬器检测仪的制　■●●‘●　．　‘●．　．　矗●　蠡●　矗●　蠡●　【１０】郁有文．传感器原理及工程应用（第三版）【Ｍ】．西安：西　安电子科技大学出版社，２０１０：１３９．　，　生‘　蠡‘　囊‘　蠡●　矗‘ｊ童‘　蠡‘●鼻‘　童‘　重‘　囊‘　重‘　蠡‘　蠡●　【上接第１２９页】　度满足不大于　０．０４ｍｍ，并且变倍时间不大于　２．５Ｓ。在．４Ｏ℃￣６０℃高低温试验中，此机构能正常　工作，无卡滞。　本构型有三个方面需要注意：　１）滚珠丝杠的固定直线度保证，即要保证丝　杠的顺畅运动，又要保证丝杠的直线度稳定；　２）直线导轨的直线运动以及安装误差也会影　也可以作为连续变焦红外系统的设计基础进行进　一步改造。　参考文献：　［１】李辉．制冷型红外成像系统的设计与实现［Ｍ】．华中科技　大学．　【２】王一凡，薛育．一种大口径高精度凸轮变焦机构的设计　［Ｊ］．光学精密工程，２００７，１５（１　１）：１７５６－１７５９．　［３王守印，３］冷雪飞，等．超声电机驱动的旋转变倍机构［Ｊ】．光　学精密工程，２００９，１７（１　１）：２８１５—２８１９．　【４】石彰，杨春红．连续变焦光机系统凸轮轮廓设计［Ｊ］．激光　与红外，２０１０，４０（９）：１００６—１００９．　响系统的精度，需要对相关安装零件的接触面进　行高精度处理；　３）电机自身精度的影响。电机在运行过程　中的发热、隔磁、防护等问题对定位精度都有影　响，因此对直线电机的控制系统要求也很高ｎ叭。　［５】高飞，张葆，刘大禹．一种空间相机调焦机构的设计研究　［Ｊ】．长春理工大学学报（自然科学版），２００８，３１（４）：７４—７６．　【６昌剑，６］李志来，金光．微粒子观测相机调焦机构设计【Ｊ】．中　国光学与应用光学，２００９，２（４）：５１３－５１８．　［７】林为才，王晶．一种新型调焦机构设计［Ｊ］．长春理工大学　４结论　本文设计了一种调焦与变倍共用导向机构的　构型，采用高精度滚珠丝杠和直线导轨配合传动　学报（自然科学版），２００７，３０（４）：４６—４８．　［８】高飞，张葆，刘大禹．一种航天遥感器调焦机构试验研究　【Ｊ】．长春理工大学学报（自然科学版），２００８，３１（２）：３０—３２．　【９谭宇．９］变焦镜头的装调【Ｊ】．云光技术，１９９５，２７（６）：２６—２９．　［１０】林为才，王晶．一种高精度调焦机构设计［Ｊ】．长春理工大　学学报（自然科学版），２０１０，３３（４）：４０－４３．　实现变倍。通过实物装调及使用，证明了其具有　结构紧凑、运行平稳、可靠性高、位移精度好等　特点。此构型已成功应用在红外成像系统中，并　且可以作为单独模块为其他系统所借鉴或参考，　第３６卷第２期２０１４－０２（下）　１１３７１