變倍機構的結構設計

摘 要：變倍機構廣泛應用在光電探測設備中，作用是在伺服系統的控制下，實現寬窄視場的切換。本文主要介紹了一種變倍機構的結構組成和設計要點。

關鍵詞：光電探測設備；變倍機構；結構設計

變倍功能是光學系統中常用的一種功能，完成變倍功能的載體一般被稱為變倍機構[ 1 ]。變倍機構廣泛應用在光電探測設備中，作用是在伺服系統的控制下，實現不同視場的切換，以滿足對不同距離目標搜索和跟蹤。

1 變倍機構的功能和工作原理

變倍機構的功能主要是在伺服系統的驅動下，帶動變倍鏡組切入切出光路中。實現不同視場之間的切換，從而改變光電系統的作用距離和成像的大小。一種變倍變倍機構的構型簡圖見圖1。

變倍機構的主要組成有：變倍支架、變倍鏡組、導向元件、驅動軸系、電機、位置傳感器、定位及鎖緊裝置等。變倍鏡組通過轉接板固定在直線導軌和驅動軸系上，通過力矩電機的驅動實現鏡組的切入和切出功能，定位和鎖緊裝置實現切換到位后的定位和鎖緊功能。

2 變倍機構的總體設計

2.1 驅動和導向系統

2.1.1電機

變倍機構為徑向切換式，只對變倍鏡組的到位精度有要求，對中間過程精度要求不高，電機可采用力矩電機和伺服電機。本處采用力矩電機驅動，具有以下優點：

1） 電機直接驅動，傳動環節少，省去了齒輪、鏈條、減速箱等中間傳動環節，結構緊湊；2）由于省去了中間傳動環節，提高了軸系傳動的效率、可靠性和穩定性；3） 力矩電機具有連續堵轉能力，抗瞬時過載能力強；[ 2 ]4）結構簡單，安裝方便。力矩電機由定子、轉子和電刷組成。定子與變倍支架連接，轉子與回轉軸連接，結構配置簡單、裝卸方便，維修性好。[ 3 ]

2.1.2導向元件

可采用的導向元件主要有直線軸承或導軌滑塊。比較而言，導軌滑塊有以下特點：

1）導軌滑塊的導軌用多個螺釘固定，徑向剛度好；直線導軌的為兩端固定的簡支梁結 構，變倍鏡組切換到中間位置時剛好是工作狀態，剛度較差，為保證動態變形量，需要采用直徑較大的直線軸承；2）市售的導軌滑塊的制造精度和到位重復性好于直線軸承。

綜合考慮，變倍機構設計采用導軌滑塊結構。

2.1.3傳動零件

滾珠絲杠的運動精度好滑動絲杠，且摩擦系數小，本方案采用滾珠絲杠。

2.2 位置傳感器

位置傳感器采用霍爾開關，切入和切出的位置分別設置一個減速開關和到位開關，減速開關的的作用是當變倍鏡組運動到一定的位置時進行減速，到位開關的作用時當運動到既定的位置時給出斷電信號，電機停止轉動。

2.3 到位和鎖定裝置

到位和鎖定裝置的作用在變倍鏡組切入切出時確定位置和鎖定變倍鏡組。本變倍機構為徑向切換式，只需要保證到位精度即可，中間過程不需要保證。到位精度通過一個調整螺絲來保證，螺絲調好后用螺母鎖緊。

由于滾珠絲杠不具有自鎖能力，需要采用到位鎖定機構，到位鎖定機構可以采用電機堵轉、磁性原件吸合等方法。本方案采用永磁體制造的磁鋼吸合來鎖定，特點是吸合力大、結構緊湊。

3 結構設計特點

變倍機構結構設計有如下特點 ：

1）結構上采用輕量化設計，變倍支架、變倍鏡座、過渡支架等主要結構件均采用硬鋁合金材料。驅動電機的選型均根據結構構型，選用結構尺寸小、重量輕的元件。在主要的結構零件上，設置了大量減重槽或加強筋，在保證結構強度、剛度的前提下，盡可能地減輕結構重量[ 4 ]。

2）變倍支架、變倍鏡座、過渡支架均采用同一種材料，還可避免了高低溫時材料膨脹系數不匹配導致的導軌和絲杠受附加載荷、摩擦力矩增大的問題。

3）滾珠絲杠兩端軸承均采用成對預緊軸承，一端軸承雙向固定，一端軸承外圈游動，避免了滾珠絲杠與變倍支架材料膨脹系數不一致導致的高低溫軸系卡死的問題；軸承安裝部位鋁合金基座上嵌入鈦合金襯套，在重量增加不多的情況下保證了高低溫環境下軸系摩擦力矩基本不變 ；軸系配合采用過渡配合，較好地保證動態剛度。

4）機構的動態設計：變倍機構要長期應用在振動環境下，因此還需要進行合適的動態設計。動態設計有兩個方面：一方面是保證振動時正常切換，這就需要電機需要有足夠大的冗余度；另一方面是切換到位后由于振動導致的光軸晃動控制在一定的范圍之內，這就需要導軌滑塊、滾珠絲杠和結構零件、光學零件等有足夠的動態剛度。

4 結語

變倍機構是光電探測設備的重要部件。在目前軍事需求和軍事技術快速發展的背景下，對光電探測設備的探測距離和探測精度提出了越來越高的要求，對變倍的設計也提出了更高的要求。變倍機構不但應有足夠快的切換時間，還應有良好的動態性能，這需要結合仿真和試驗來確定最終的設計方案。

參考文獻：

[1] 陶春堪.變焦距光學系統設計[M].北京：國防工業出版社.1988.

[2] 熊保健.一種掃描機構的結構設計[J].機械工程師，2012，248（2）：39～40.

[3] 倪濤.電機及電氣控制[M].北京：高等教育出版社，2008.

[4] 黃靖遠，龔劍霞.機械設計學[M].北京：機械工業出版社，1991.

作者簡介：贠亞軍（1973-），男，河南洛陽人，高級工程師，主要從事光電探測光機設計與仿真研究。