趙建川 王鵬

摘要 傳統(tǒng)變焦距光學(xué)鏡頭的變焦機構(gòu)通過凸輪實現(xiàn)焦距的改變，凸輪的轉(zhuǎn)動帶動變倍組和補償組移動從而實現(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)只要求在兩個焦距位置成像，往往只需要移動一組鏡頭就能實現(xiàn)兩個焦距位置的切換，特別是在本論文所應(yīng)用的技術(shù)指標(biāo)要求下：兩檔變焦時可移動鏡頭的位移量為4. 62mm，切換時間不大于0.2秒。如果采用傳統(tǒng)的凸輪結(jié)構(gòu)無法實現(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電機傳動機構(gòu)，既保證了切換時間的要求又滿足了位移量的要求，同時又克服了傳動力方向與位移方向不同軸所帶來的卡滯現(xiàn)象。最終的實驗結(jié)果表明兩檔切換鏡頭的切換時間滿足指標(biāo)要求，同時在兩檔快速切換及溫度調(diào)焦時均未出現(xiàn)移動組卡滯現(xiàn)象，并且該直線步進電機傳動機構(gòu)控制兩檔位置的定位精度達到了0.006mm，保證了光學(xué)系統(tǒng)在兩個焦距位置時成像清晰。

【關(guān)鍵詞】變焦機構(gòu) 凸輪 直線步進電機 定位精度

傳統(tǒng)變焦距光學(xué)鏡頭的變焦機構(gòu)通過凸輪實現(xiàn)焦距的改變，凸輪的轉(zhuǎn)動帶動變倍組和補償組移動從而實現(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)只要求在兩個焦距位置成像，往往只需要移動一組鏡頭就能實現(xiàn)兩個焦距位置的切換，特別是在本論文所應(yīng)用的技術(shù)指標(biāo)要求下：兩檔變焦時可移動鏡頭的位移量為4.62mm，切換時間不大于0.2秒。如果采用傳統(tǒng)的凸輪結(jié)構(gòu)無法實現(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電機傳動機構(gòu)，既保證了切換時間的要求又滿足了位移量的要求，同時又克服了傳動力方向與位移方向不同軸所帶來的卡滯現(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;變倍組在變焦過程中多做線性運動，擔(dān)負著系統(tǒng)的焦距連續(xù)變化的作用;補償組則是補償焦距連續(xù)變化時像面位置不變的作用;后固定組擔(dān)負確定整個系統(tǒng)的焦距范圍。

1.2 傳統(tǒng)變焦距機械結(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。另一條是補償曲線槽，非線性的。在凸輪機構(gòu)中，有旋轉(zhuǎn)電機，凸輪，主鏡筒，導(dǎo)釘，移動鏡座。通過旋轉(zhuǎn)電機傳遞扭矩給凸輪，凸輪帶動導(dǎo)釘在特定的曲線槽內(nèi)運動，導(dǎo)釘又帶動移動鏡座在主鏡筒內(nèi)前后移動。移動鏡座在主鏡筒內(nèi)的移動方式主要有兩種，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)電機等組成。

滑架形式的特點結(jié)構(gòu)簡單，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，移動鏡座，直線導(dǎo)軌，導(dǎo)釘，直線軸承，滾珠，旋轉(zhuǎn)電機等組成。

直線導(dǎo)軌的特點是移動鏡座沿著固定在主鏡筒上直線導(dǎo)軌移動，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，在兩個焦距位置切換的時間滿足不了0.2秒的要求。因此，將直線步進電機傳動機構(gòu)引入到變焦的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，從而實現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)在兩個焦距位置的快速切換。

2 直線步進電機變焦結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計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)計結(jié)果，不但有變倍機構(gòu)，還有無熱化設(shè)計的溫度調(diào)焦機構(gòu)。而導(dǎo)彈飛行的時間僅為幾分鐘，這就要求變倍及溫度調(diào)焦時間要迅速，時間不大于0.2秒。系統(tǒng)采用了焦距為85mm、140mm兩檔變倍結(jié)構(gòu)，只要求在兩個焦距位置成像，所以光學(xué)系統(tǒng)的補償方式為光學(xué)補償，只需要移動一組鏡頭就能實現(xiàn)兩個焦距位置的切換。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果圖如圖l。

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

2.2 系統(tǒng)整體布局

從光學(xué)系統(tǒng)來看，無論是變倍還是溫度調(diào)焦，光學(xué)鏡片移動的距離的很小，因此我們選定了利用直線步進電機來驅(qū)動變倍和溫度調(diào)焦。步進電機選用的是海頓size8系列，步長0.00635mm，步進精度可以滿足系統(tǒng)的位置精度要求。其鏡組前后位置直接由電控系統(tǒng)控制步進電機脈沖數(shù)實現(xiàn)，能夠滿足時間不大于0.2s。由于國內(nèi)的直線步進電機體積較大，無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)致步進電機產(chǎn)生的作用力不能與滑架中心在同一軸線上。

2.3 直線步進電機傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計

當(dāng)直線步進電機啟動時，直線步進電機螺桿會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)方向上的一個力，使得滑架沿徑向方向有微小移動，與主鏡筒碰撞，產(chǎn)生卡滯現(xiàn)象。另一方面，由于步進電機產(chǎn)生的作用力不能與滑架中心在同一軸線上，會產(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，我們引用了一個圓柱形的軸作為導(dǎo)向桿。該結(jié)構(gòu)由直線步進電機，導(dǎo)桿，撥叉，導(dǎo)釘，主鏡筒，變倍鏡座等組成。當(dāng)直線步進電機通電時，因為導(dǎo)桿的存在，消除了撥叉的旋轉(zhuǎn)，帶動裝有螺母的撥叉做直線往復(fù)運動，撥叉帶動裝有導(dǎo)釘?shù)淖儽剁R座在主鏡筒里前后移動。

同理，無熱化設(shè)計溫度調(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，使移動架能夠平穩(wěn)的向前移動。

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

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

3 設(shè)計結(jié)果及實驗驗證

通過上述的設(shè)計與分析，我們成功地研制了利用直線步進電機傳動機構(gòu)作為焦距切換裝置的兩檔快速切換紅外鏡頭。

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

4 結(jié)論

直線步進電機在各類變焦距鏡頭中的應(yīng)用越來越廣泛，本文正是利用直線步進電機運動速度快的優(yōu)點設(shè)計了變焦系統(tǒng)中的傳動機構(gòu)，通過實驗，驗證了該結(jié)構(gòu)的可行性，證明了利用直線步進電機作為驅(qū)動部件的傳動機構(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，擴大了直線步進電機的應(yīng)用范圍。

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