一种三视场热像仪变倍装置的设计

2015-07-07唐跃峰

制造业自动化 2015年6期

万敏，唐跃峰

（中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，洛阳 471009）

0 引言

热像观瞄具在对活动目标进行搜索与瞄准时，希望能够同时提供高放大倍率的小视场图像和低放大倍率的大视场图像[1,2]。定焦系统难以满足需要，连续变倍系统是最佳选择，而红外连续变焦系统因受到光学材料、透过率、切换时间等方面的限制，且结构复杂，体积/质量偏大，其发展相对缓慢；目前国内对红外连续变焦光学系统的研究基本处于理论设计或试验阶段，对加工装调后的红外连续变焦镜头及其成像质量还很少有相关报导[3]。与连续变焦红外光学系统相比，多档变焦红外光学系统更加简洁而实用[4]，这也是国内外吊舱内所使用的热像观瞄具中经常采用的方式[5]。

针对于多档变倍红外光学系统，一般有两种变倍方式：镜组移入移出光路的切换式变倍和镜组沿光轴平行移动式变倍。后者因为通过沿光轴移动一组或多组透镜来实现变倍，其光学透过率、视场切换时间、视场定位精度以及运动机构的体积等方面均受到一定限制，国内相关研究主要将其应用于不太复杂的双视场光学系统中，如文献[4,6]中均是采用这种方式。为了更好的满足光电吊舱对活动目标进行搜索与瞄准，光电吊舱中的热像观瞄具大多采用3档变倍，甚至更多[5]。传统的多档变倍光学系统中沿光轴径向移入移出变倍镜组的变倍机构存在占用空间大、机构复杂、变倍时间长等缺点[7]。本文中设计了一种两光学镜组绕同一旋转轴旋转切入切出光路，利用直流微电机驱动，齿轮传动配合同轴双旋转运动实现热像观瞄具3个视场切换的装置。该装置具有结构简单紧凑，尤其是垂直于光轴方向尺寸小、切换速度快、定位可靠以及可重复性强、工作稳定等显著特点。

1 光学系统方案

本光学系统示意图如图1所示，通过切入、切出两组光学部件实现红外热像仪三个视场的切换功能。当一组透镜切入光路，另一组透镜切出光路时为红外热像仪的大视场，如图2(a)所示；当一组透镜切出光路，另一组透镜位于光路之中时为红外热像仪的中视场，如图2(b)所示；当两组透镜均切出光路时为红外热像仪的小视场，如图2(c)所示。

图1 光学系统示意图

图2 大视场、中视场和小视场光学示意图

2 机械构型

典型的光电吊舱外形如图3所示[5]。由于光电吊舱内体积有限，且吊舱内除安装红外传感器外一般还需要安装激光、电视(或称可见光)等传感器。典型的光电吊舱内部空间布局如图4(该吊舱为1995年由以色列Rafael军备研发局先后与德国、美国North rop Grumman联合开发的Litening Ⅲ目标瞄准与导航吊舱)所示[5]。因为受光电吊舱的球罩限制，且整个传感器平台需要在吊舱球罩内进行小幅度的内方位、内俯仰运动。因此，光电吊舱内提供给红外热像仪的外形包络空间通常有限。从图4中可见，垂直于红外传感器安装平面方向的尺寸较小，而热像仪在设计时为了达到尽可能长的焦距，会尽量增大第一块透镜的口径。而受系统空间限制，热像仪的第一块透镜在增大有效口径的同时，往往需要对透镜进行截边，如图4所示。为了保证光学系统通光量尽量大，要求位于第一块透镜之后的视场切换机构尽量不拦光，这就给变倍机构的设计增加了难度，尤其是在垂直于稳定平台方向的尺寸往往很难满足光电吊舱所提供的空间尺寸要求。

图3 FLIR系统海星SAFIREⅡ

图4 Litening舱内多传感器布置

针对双旋转视场切换方案，参考文献[2]中提出了一种采用直流微电机配合齿轮-锥齿轮以及凸轮运动的方式实现三视场的切换功能的方案，但该构型在旋转轴方向尺寸较大，且变倍透镜镜框悬臂较长，在过载以及振动环境下可能存在偏摆。本热像仪光学构型及机构传动方式均未采用该构型。参考文献[9]中提出了一种同轴旋转实现的三档变焦机构，其两个变倍组的转动示意图如图5所示[9]。从图中可见：1）该传动机构的中焦变倍组的固支端与短焦变倍组的固支端分别位于旋转轴两端，由于固支端轴承均为一对角轴承，厚度方向（即沿旋转轴方向）尺寸较大；2）旋转轴上的6个支撑轴承均沿旋转轴方向叠加安装，厚度尺寸较大；3）变倍镜框旋转轴上的传动齿轮独立设计，导致在旋转轴两端需要分别增加一个齿轮的厚度及锁紧螺母的厚度。根据光学系统方案及吊舱中提供给热像仪的包络空间，参考文献[9]中的设计方案无法满足设计要求，尤其是在垂直于光轴方向的尺寸无法满足要求。为了满足系统切换速度快、定位准确、质量小、运行稳定、可靠性高、空间紧凑等特点，同时，为有效减小变倍装置在垂直于红外传感器安装平面方向的尺寸，本设计方案中采用了利用齿轮传动的同轴双旋转视场切换装置。该装置通过两个直流微电机作为驱动元件，分别驱动一个视场部件绕同一旋转轴运动，并配合非接触式感应开关实现热像仪三个视场的切换功能，具体传动原理如图6、图7所示。

图5 某变倍机构中两个变倍组的转动二维图

图6 机械传动二维剖视图

图7 机械传动二维图

本构型的机构方案为：为了尽量减小变倍机构沿旋转轴方向的尺寸，1）大中视场固支端均设置在旋转轴的同一侧，避免两端安装时导致的在转轴两侧均需预留双轴承的安装空间；2）大中视场中的两种支撑轴承沿直径方向衬套安装，避免沿轴承厚度方向叠加安装时导致的沿旋转轴方向尺寸过大；3）旋转轴上的传动齿轮与变倍镜框一体设计，省去了额外增加的齿轮厚度及齿轮锁紧螺母厚度。中视场镜框通过上小轴与安装在固定芯轴内孔的小轴承内圈配合，大视场镜框通过安装在其内孔中的大轴承与固定芯轴的外圈配合，转轴游动端通过下支架辅助支撑。由此，本机构可实现大视场镜框随大轴承外圈绕固定芯轴旋转，从而实现热像仪的大视场切换；中视场镜框随小轴承内圈绕固定芯轴旋转，从而实现热像仪的中视场切换功能。

本构型的传动方案为：直流微电机分别通过小齿轮驱动大视场镜框、中视场镜框绕公共旋转轴运动，初始位置时，当大中视场镜框均位于主光路之外时，为光学系统的小视场状态；当直流微电机驱动中视场镜框旋转90°，使镜框两端的两片光学透镜切入光路，此时大视场镜框位于光路之外时，为光学系统的中视场状态；当同时驱动大视场镜框旋转90°切入光路，并让另一电机驱动中视场镜框旋转90°，使中视场镜框位于光路之外时，为光学系统的大视场状态。

为了满足该装置在振动、冲击等环境条件下的工作可靠性，本变倍装置在视场限位处选用了外径8mm，厚度3mm的永磁铁为限位装置。

3 设计选型

本变倍装置中涉及的主要设计计算为变倍镜框的配平（即：使大视场变倍部件、中视场变倍部件的重心均需处于变倍镜框的旋转中心轴上）和变倍装置中电机的选型。

变倍镜部件的配平主要是通过在变倍镜框上添加相应的配重块来实现，主要是为了使热像仪在进行视场切换时保证热像仪的重心不变，提高稳瞄精度，该项工作主要通过UG软件自带的质心分析工具来实现，其中具体计算不在此详述。

3.1 磁力矩的计算

变倍电机的选型：由于本装置定位主要依靠磁铁与紧密限位螺钉间的吸附力来实现。通过实验，本装置中所使用的直径为8mm，厚度为3mm的磁铁与M6的紧密限位螺钉间的吸力如表1所示。为了即能够满足调整余量的需求，又满足变倍装置有充分的磁力吸附，本装置中采用了定位螺钉与紧密吸附螺钉这样按功能区分的定位与限位装置，通过调节定位螺钉旋入的深度来调节定位的位置，通过调节紧密限位螺钉的位置来调整吸力大小。这样既能够满足变倍装置的精确定位，又能够满足紧密吸附的需求。初始设计状态时设定紧密吸附螺钉与磁铁间的距离为0.5mm，通过查表可得磁铁对变倍机构的吸力大小为3.6N，由于不同视场切换机构对于磁铁吸附点距离不同，取其中最大值81.3mm，因此磁铁限位产生的最大磁力矩为292.68mN·m。