趙建川 王鵬

摘要 傳統(tǒng)變焦距光學(xué)鏡頭的變焦機(jī)構(gòu)通過(guò)凸輪實(shí)現(xiàn)焦距的改變，凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)變倍組和補(bǔ)償組移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)焦距的連續(xù)變化。但在兩檔切換的光學(xué)系統(tǒng)中，由于光學(xué)系統(tǒng)只要求在兩個(gè)焦距位置成像，往往只需要移動(dòng)一組鏡頭就能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)焦距位置的切換，特別是在本論文所應(yīng)用的技術(shù)指標(biāo)要求下：兩檔變焦時(shí)可移動(dòng)鏡頭的位移量為4. 62mm，切換時(shí)間不大于0.2秒。如果采用傳統(tǒng)的凸輪結(jié)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)上述的技術(shù)指標(biāo)要求，因此，本論文采用了一種新型的直線步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，既保證了切換時(shí)間的要求又滿足了位移量的要求，同時(shí)又克服了傳動(dòng)力方向與位移方向不同軸所帶來(lái)的卡滯現(xiàn)象。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩檔切換鏡頭的切換時(shí)間滿足指標(biāo)要求，同時(shí)在兩檔快速切換及溫度調(diào)焦時(shí)均未出現(xiàn)移動(dòng)組卡滯現(xiàn)象，并且該直線步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制兩檔位置的定位精度達(dá)到了0.006mm，保證了光學(xué)系統(tǒng)在兩個(gè)焦距位置時(shí)成像清晰。

【關(guān)鍵詞】變焦機(jī)構(gòu) 凸輪 直線步進(jìn)電機(jī) 定位精度

傳統(tǒng)變焦距光學(xué)鏡頭的變焦機(jī)構(gòu)通過(guò)凸輪實(shí)現(xiàn)焦距的改變，凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)變倍組和補(bǔ)償組移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)焦距的連續(xù)變化。但在兩檔切換的光學(xué)系統(tǒng)中，由于光學(xué)系統(tǒng)只要求在兩個(gè)焦距位置成像，往往只需要移動(dòng)一組鏡頭就能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)焦距位置的切換，特別是在本論文所應(yīng)用的技術(shù)指標(biāo)要求下：兩檔變焦時(shí)可移動(dòng)鏡頭的位移量為4.62mm，切換時(shí)間不大于0.2秒。如果采用傳統(tǒng)的凸輪結(jié)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)上述的技術(shù)指標(biāo)要求，因此，本論文采用了一種新型的直線步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，既保證了切換時(shí)間的要求又滿足了位移量的要求，同時(shí)又克服了傳動(dòng)力方向與位移方向不同軸所帶來(lái)的卡滯現(xiàn)象。

1 傳統(tǒng)變焦距結(jié)構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)變焦距光學(xué)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的變焦距光學(xué)系統(tǒng)往往由前固定組，變倍組，補(bǔ)償組，后固定組組成。

前固定組其作用是給系統(tǒng)提供固定的像;變倍組在變焦過(guò)程中多做線性運(yùn)動(dòng)，擔(dān)負(fù)著系統(tǒng)的焦距連續(xù)變化的作用;補(bǔ)償組則是補(bǔ)償焦距連續(xù)變化時(shí)像面位置不變的作用;后固定組擔(dān)負(fù)確定整個(gè)系統(tǒng)的焦距范圍。

1.2 傳統(tǒng)變焦距機(jī)械結(jié)構(gòu)形式

傳統(tǒng)變焦距的結(jié)構(gòu)形式主要是凸輪結(jié)構(gòu)形式。凸輪圓周上有兩組特定的曲線槽，一條是變倍曲線槽，往往是線性的。另一條是補(bǔ)償曲線槽，非線性的。在凸輪機(jī)構(gòu)中，有旋轉(zhuǎn)電機(jī)，凸輪，主鏡筒，導(dǎo)釘，移動(dòng)鏡座。通過(guò)旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳遞扭矩給凸輪，凸輪帶動(dòng)導(dǎo)釘在特定的曲線槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)釘又帶動(dòng)移動(dòng)鏡座在主鏡筒內(nèi)前后移動(dòng)。移動(dòng)鏡座在主鏡筒內(nèi)的移動(dòng)方式主要有兩種，一種是滑架結(jié)構(gòu)形式，一種是直線導(dǎo)軌形式。

1.2.1 滑架結(jié)構(gòu)形式

滑架結(jié)構(gòu)形式主要由凸輪，主鏡筒，變倍滑架，導(dǎo)釘，旋轉(zhuǎn)電機(jī)等組成。

滑架形式的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，高精度，但摩擦力大，滑架的剛度，與主鏡筒的配合間隙要保證很好，否則徑向晃動(dòng)量大。適合直徑在φ60以內(nèi)的凸輪。

1.2.2 直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式

直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式主要由凸輪，主鏡筒，移動(dòng)鏡座，直線導(dǎo)軌，導(dǎo)釘，直線軸承，滾珠，旋轉(zhuǎn)電機(jī)等組成。

直線導(dǎo)軌的特點(diǎn)是移動(dòng)鏡座沿著固定在主鏡筒上直線導(dǎo)軌移動(dòng)，精度高，摩擦力小，但重量大，適合直徑φ60以外的凸輪。

上述兩種結(jié)構(gòu)類型的變焦方式均不適用于論文所應(yīng)用的技術(shù)指標(biāo)要求，在兩個(gè)焦距位置切換的時(shí)間滿足不了0.2秒的要求。因此，將直線步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)引入到變焦的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，從而實(shí)現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)在兩個(gè)焦距位置的快速切換。

2 直線步進(jìn)電機(jī)變焦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的紅外變焦距鏡頭安裝在導(dǎo)引頭上，由于紅外熱像儀在本系統(tǒng)中起著探測(cè)目標(biāo)，跟蹤目標(biāo)并慣導(dǎo)、制導(dǎo)的作用，根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果，不但有變倍機(jī)構(gòu)，還有無(wú)熱化設(shè)計(jì)的溫度調(diào)焦機(jī)構(gòu)。而導(dǎo)彈飛行的時(shí)間僅為幾分鐘，這就要求變倍及溫度調(diào)焦時(shí)間要迅速，時(shí)間不大于0.2秒。系統(tǒng)采用了焦距為85mm、140mm兩檔變倍結(jié)構(gòu)，只要求在兩個(gè)焦距位置成像，所以光學(xué)系統(tǒng)的補(bǔ)償方式為光學(xué)補(bǔ)償，只需要移動(dòng)一組鏡頭就能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)焦距位置的切換。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果圖如圖l。

變倍組從85mm變到140mm時(shí)，移動(dòng)的距離為4.62mm;溫度變化從+20℃- +60℃時(shí)，溫度調(diào)焦組向前移動(dòng)的距離為0.3928mm，溫度變化從+20℃ - -45℃時(shí)，溫度調(diào)焦組向后移動(dòng)的距離為0.65mm。

2.2 系統(tǒng)整體布局

從光學(xué)系統(tǒng)來(lái)看，無(wú)論是變倍還是溫度調(diào)焦，光學(xué)鏡片移動(dòng)的距離的很小，因此我們選定了利用直線步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)變倍和溫度調(diào)焦。步進(jìn)電機(jī)選用的是海頓size8系列，步長(zhǎng)0.00635mm，步進(jìn)精度可以滿足系統(tǒng)的位置精度要求。其鏡組前后位置直接由電控系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)實(shí)現(xiàn)，能夠滿足時(shí)間不大于0.2s。由于國(guó)內(nèi)的直線步進(jìn)電機(jī)體積較大，無(wú)法放入到這微型的系統(tǒng)中，只能放置于光路外，并且與光路平行。導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的作用力不能與滑架中心在同一軸線上。

2.3 直線步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)直線步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，直線步進(jìn)電機(jī)螺桿會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)方向上的一個(gè)力，使得滑架沿徑向方向有微小移動(dòng)，與主鏡筒碰撞，產(chǎn)生卡滯現(xiàn)象。另一方面，由于步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的作用力不能與滑架中心在同一軸線上，會(huì)產(chǎn)生鏡座在鏡筒內(nèi)在軸向方向傾斜，即而產(chǎn)生卡滯。為了解決上述兩種現(xiàn)象，我們引用了一個(gè)圓柱形的軸作為導(dǎo)向桿。該結(jié)構(gòu)由直線步進(jìn)電機(jī)，導(dǎo)桿，撥叉，導(dǎo)釘，主鏡筒，變倍鏡座等組成。當(dāng)直線步進(jìn)電機(jī)通電時(shí)，因?yàn)閷?dǎo)桿的存在，消除了撥叉的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)裝有螺母的撥叉做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，撥叉帶動(dòng)裝有導(dǎo)釘?shù)淖儽剁R座在主鏡筒里前后移動(dòng)。

同理，無(wú)熱化設(shè)計(jì)溫度調(diào)焦組也采用了這種結(jié)構(gòu)。

該結(jié)構(gòu)需要嚴(yán)格控制三個(gè)配合間隙：撥叉與圓柱形導(dǎo)桿之間的間隙，撥叉與導(dǎo)釘之間的間隙，滑架與主鏡筒之間的間隙。

（1）撥叉與圓柱形導(dǎo)桿之間的間隙要比滑架與主鏡筒之間的間隙略大一些，它起著平衡力矩的作用，使移動(dòng)架能夠平穩(wěn)的向前移動(dòng)。

（2）移動(dòng)架與導(dǎo)釘之間的間隙，步進(jìn)電機(jī)與螺母之間的間隙，這兩個(gè)間隙如果過(guò)大，會(huì)影響像面的清晰。光學(xué)系統(tǒng)的離焦量為0.033mm，當(dāng)變倍組定位誤差超過(guò)0.015mm，調(diào)焦組定位誤差超過(guò)O.Olmm時(shí)，像面會(huì)不清晰。所以要嚴(yán)格控制這兩個(gè)間隙。如表l所示。

（3）主鏡筒與調(diào)焦鏡座之間的間隙，這個(gè)間隙影響到調(diào)焦過(guò)程中光軸的穩(wěn)定性。

3 設(shè)計(jì)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)上述的設(shè)計(jì)與分析，我們成功地研制了利用直線步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為焦距切換裝置的兩檔快速切換紅外鏡頭。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，光學(xué)系統(tǒng)焦距從85mm切換到140mm，時(shí)間為0.2秒，滿足指標(biāo)要求。同時(shí)，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)焦距為85mm和140mm時(shí)成像質(zhì)量清晰，可以看出移動(dòng)組的定位精度是滿足使用要求的。如圖2所示。

4 結(jié)論

直線步進(jìn)電機(jī)在各類變焦距鏡頭中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，本文正是利用直線步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度快的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)了變焦系統(tǒng)中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的可行性，證明了利用直線步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在變焦系統(tǒng)中具有快速響應(yīng)性，結(jié)構(gòu)緊湊，定位精度高的優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大了直線步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用范圍。

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