變倍機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 要：變倍機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用在光電探測(cè)設(shè)備中，作用是在伺服系統(tǒng)的控制下，實(shí)現(xiàn)寬窄視場(chǎng)的切換。本文主要介紹了一種變倍機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：光電探測(cè)設(shè)備；變倍機(jī)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

變倍功能是光學(xué)系統(tǒng)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(jī)構(gòu)[ 1 ]。變倍機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用在光電探測(cè)設(shè)備中，作用是在伺服系統(tǒng)的控制下，實(shí)現(xiàn)不同視場(chǎng)的切換，以滿足對(duì)不同距離目標(biāo)搜索和跟蹤。

1 變倍機(jī)構(gòu)的功能和工作原理

變倍機(jī)構(gòu)的功能主要是在伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)變倍鏡組切入切出光路中。實(shí)現(xiàn)不同視場(chǎng)之間的切換，從而改變光電系統(tǒng)的作用距離和成像的大小。一種變倍變倍機(jī)構(gòu)的構(gòu)型簡(jiǎn)圖見圖1。

變倍機(jī)構(gòu)的主要組成有：變倍支架、變倍鏡組、導(dǎo)向元件、驅(qū)動(dòng)軸系、電機(jī)、位置傳感器、定位及鎖緊裝置等。變倍鏡組通過(guò)轉(zhuǎn)接板固定在直線導(dǎo)軌和驅(qū)動(dòng)軸系上，通過(guò)力矩電機(jī)的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)鏡組的切入和切出功能，定位和鎖緊裝置實(shí)現(xiàn)切換到位后的定位和鎖緊功能。

2 變倍機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)和導(dǎo)向系統(tǒng)

2.1.1電機(jī)

變倍機(jī)構(gòu)為徑向切換式，只對(duì)變倍鏡組的到位精度有要求，對(duì)中間過(guò)程精度要求不高，電機(jī)可采用力矩電機(jī)和伺服電機(jī)。本處采用力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1） 電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)環(huán)節(jié)少，省去了齒輪、鏈條、減速箱等中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)緊湊；2）由于省去了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，提高了軸系傳動(dòng)的效率、可靠性和穩(wěn)定性；3） 力矩電機(jī)具有連續(xù)堵轉(zhuǎn)能力，抗瞬時(shí)過(guò)載能力強(qiáng)；[ 2 ]4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便。力矩電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和電刷組成。定子與變倍支架連接，轉(zhuǎn)子與回轉(zhuǎn)軸連接，結(jié)構(gòu)配置簡(jiǎn)單、裝卸方便，維修性好。[ 3 ]

2.1.2導(dǎo)向元件

可采用的導(dǎo)向元件主要有直線軸承或?qū)к壔瑝K。比較而言，導(dǎo)軌滑塊有以下特點(diǎn)：

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

綜合考慮，變倍機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)采用導(dǎo)軌滑塊結(jié)構(gòu)。

2.1.3傳動(dòng)零件

滾珠絲杠的運(yùn)動(dòng)精度好滑動(dòng)絲杠，且摩擦系數(shù)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(guān)，切入和切出的位置分別設(shè)置一個(gè)減速開關(guān)和到位開關(guān)，減速開關(guān)的的作用是當(dāng)變倍鏡組運(yùn)動(dòng)到一定的位置時(shí)進(jìn)行減速，到位開關(guān)的作用時(shí)當(dāng)運(yùn)動(dòng)到既定的位置時(shí)給出斷電信號(hào)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

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(shí)確定位置和鎖定變倍鏡組。本變倍機(jī)構(gòu)為徑向切換式，只需要保證到位精度即可，中間過(guò)程不需要保證。到位精度通過(guò)一個(gè)調(diào)整螺絲來(lái)保證，螺絲調(diào)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(jī)構(gòu)，到位鎖定機(jī)構(gòu)可以采用電機(jī)堵轉(zhuǎn)、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(lái)鎖定，特點(diǎn)是吸合力大、結(jié)構(gòu)緊湊。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

變倍機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有如下特點(diǎn) ：

1）結(jié)構(gòu)上采用輕量化設(shè)計(jì)，變倍支架、變倍鏡座、過(guò)渡支架等主要結(jié)構(gòu)件均采用硬鋁合金材料。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型均根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)型，選用結(jié)構(gòu)尺寸小、重量輕的元件。在主要的結(jié)構(gòu)零件上，設(shè)置了大量減重槽或加強(qiáng)筋，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的前提下，盡可能地減輕結(jié)構(gòu)重量[ 4 ]。

2）變倍支架、變倍鏡座、過(guò)渡支架均采用同一種材料，還可避免了高低溫時(shí)材料膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的導(dǎo)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(duì)預(yù)緊軸承，一端軸承雙向固定，一端軸承外圈游動(dòng)，避免了滾珠絲杠與變倍支架材料膨脹系數(shù)不一致導(dǎo)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(huán)境下軸系摩擦力矩基本不變 ；軸系配合采用過(guò)渡配合，較好地保證動(dòng)態(tài)剛度。

4）機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)：變倍機(jī)構(gòu)要長(zhǎng)期應(yīng)用在振動(dòng)環(huán)境下，因此還需要進(jìn)行合適的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)有兩個(gè)方面：一方面是保證振動(dòng)時(shí)正常切換，這就需要電機(jī)需要有足夠大的冗余度；另一方面是切換到位后由于振動(dòng)導(dǎo)致的光軸晃動(dòng)控制在一定的范圍之內(nèi)，這就需要導(dǎo)軌滑塊、滾珠絲杠和結(jié)構(gòu)零件、光學(xué)零件等有足夠的動(dòng)態(tài)剛度。

4 結(jié)語(yǔ)

變倍機(jī)構(gòu)是光電探測(cè)設(shè)備的重要部件。在目前軍事需求和軍事技術(shù)快速發(fā)展的背景下，對(duì)光電探測(cè)設(shè)備的探測(cè)距離和探測(cè)精度提出了越來(lái)越高的要求，對(duì)變倍的設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。變倍機(jī)構(gòu)不但應(yīng)有足夠快的切換時(shí)間，還應(yīng)有良好的動(dòng)態(tài)性能，這需要結(jié)合仿真和試驗(yàn)來(lái)確定最終的設(shè)計(jì)方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陶春堪.變焦距光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社.1988.

[2] 熊保健.一種掃描機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師，2012，248（2）：39～40.

[3] 倪濤.電機(jī)及電氣控制[M].北京：高等教育出版社，2008.

[4] 黃靖遠(yuǎn)，龔劍霞.機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

作者簡(jiǎn)介：贠亞軍（1973-），男，河南洛陽(yáng)人，高級(jí)工程師，主要從事光電探測(cè)光機(jī)設(shè)計(jì)與仿真研究。