变倍机构的结构设计

摘 要：变倍机构广泛应用在光电探测设备中，作用是在伺服系统的控制下，实现宽窄视场的切換。本文主要介绍了一种变倍机构的结构组成和设计要点。

关键词：光电探测设备；变倍机构；结构设计

变倍功能是光学系统中常用的一种功能，完成变倍功能的载体一般被称为变倍机构[ 1 ]。变倍机构广泛应用在光电探测设备中，作用是在伺服系统的控制下，实现不同视场的切换，以满足对不同距离目标搜索和跟踪。

1 变倍机构的功能和工作原理

变倍机构的功能主要是在伺服系统的驱动下，带动变倍镜组切入切出光路中。实现不同视场之间的切换，从而改变光电系统的作用距离和成像的大小。一种变倍变倍机构的构型简图见图1。

变倍机构的主要组成有：变倍支架、变倍镜组、导向元件、驱动轴系、电机、位置传感器、定位及锁紧装置等。变倍镜组通过转接板固定在直线导轨和驱动轴系上，通过力矩电机的驱动实现镜组的切入和切出功能，定位和锁紧装置实现切换到位后的定位和锁紧功能。

2 变倍机构的总体设计

2.1 驱动和导向系统

2.1.1电机

变倍机构为径向切换式，只对变倍镜组的到位精度有要求，对中间过程精度要求不高，电机可采用力矩电机和伺服电机。本处采用力矩电机驱动，具有以下优点：

1） 电机直接驱动，传动环节少，省去了齿轮、链条、减速箱等中间传动环节，结构紧凑；2）由于省去了中间传动环节，提高了轴系传动的效率、可靠性和稳定性；3） 力矩电机具有连续堵转能力，抗瞬时过载能力强；[ 2 ]4）结构简单，安装方便。力矩电机由定子、转子和电刷组成。定子与变倍支架连接，转子与回转轴连接，结构配置简单、装卸方便，维修性好。[ 3 ]

2.1.2导向元件

可采用的导向元件主要有直线轴承或导轨滑块。比较而言，导轨滑块有以下特点：

1）导轨滑块的导轨用多个螺钉固定，径向刚度好；直线导轨的为两端固定的简支梁结 构，变倍镜组切换到中间位置时刚好是工作状态，刚度较差，为保证动态变形量，需要采用直径较大的直线轴承；2）市售的导轨滑块的制造精度和到位重复性好于直线轴承。

综合考虑，变倍机构设计采用导轨滑块结构。

2.1.3传动零件

滚珠丝杠的运动精度好滑动丝杠，且摩擦系数小，本方案采用滚珠丝杠。

2.2 位置传感器

位置传感器采用霍尔开关，切入和切出的位置分别设置一个减速开关和到位开关，减速开关的的作用是当变倍镜组运动到一定的位置时进行减速，到位开关的作用时当运动到既定的位置时给出断电信号，电机停止转动。

2.3 到位和锁定装置

到位和锁定装置的作用在变倍镜组切入切出时确定位置和锁定变倍镜组。本变倍机构为径向切换式，只需要保证到位精度即可，中间过程不需要保证。到位精度通过一个调整螺丝来保证，螺丝调好后用螺母锁紧。

由于滚珠丝杠不具有自锁能力，需要采用到位锁定机构，到位锁定机构可以采用电机堵转、磁性原件吸合等方法。本方案采用永磁体制造的磁钢吸合来锁定，特点是吸合力大、结构紧凑。

3 结构设计特点

变倍机构结构设计有如下特点 ：

1）结构上采用轻量化设计，变倍支架、变倍镜座、过渡支架等主要结构件均采用硬铝合金材料。驱动电机的选型均根据结构构型，选用结构尺寸小、重量轻的元件。在主要的结构零件上，设置了大量减重槽或加强筋，在保证结构强度、刚度的前提下，尽可能地减轻结构重量[ 4 ]。

2）变倍支架、变倍镜座、过渡支架均采用同一种材料，还可避免了高低温时材料膨胀系数不匹配导致的导轨和丝杠受附加载荷、摩擦力矩增大的问题。

3）滚珠丝杠两端轴承均采用成对预紧轴承，一端轴承双向固定，一端轴承外圈游动，避免了滚珠丝杠与变倍支架材料膨胀系数不一致导致的高低温轴系卡死的问题；轴承安装部位铝合金基座上嵌入钛合金衬套，在重量增加不多的情况下保证了高低温环境下轴系摩擦力矩基本不变 ；轴系配合采用过渡配合，较好地保证动态刚度。

4）机构的动态设计：变倍机构要长期应用在振动环境下，因此还需要进行合适的动态设计。动态设计有两个方面：一方面是保证振动时正常切换，这就需要电机需要有足够大的冗余度；另一方面是切换到位后由于振动导致的光轴晃动控制在一定的范围之内，这就需要导轨滑块、滚珠丝杠和结构零件、光学零件等有足够的动态刚度。

4 结语

变倍机构是光电探测设备的重要部件。在目前军事需求和军事技术快速发展的背景下，对光电探测设备的探测距离和探测精度提出了越来越高的要求，对变倍的设计也提出了更高的要求。变倍机构不但应有足够快的切换时间，还应有良好的动态性能，这需要结合仿真和试验来确定最终的设计方案。

参考文献：

[1] 陶春堪.变焦距光学系统设计[M].北京：国防工业出版社.1988.

[2] 熊保健.一种扫描机构的结构设计[J].机械工程师，2012，248（2）：39～40.

[3] 倪涛.电机及电气控制[M].北京：高等教育出版社，2008.

[4] 黄靖远，龚剑霞.机械设计学[M].北京：机械工业出版社，1991.

作者简介：贠亚军（1973-），男，河南洛阳人，高级工程师，主要从事光电探测光机设计与仿真研究。