红外连续变焦镜头中镜框的变形分析

王世恒 李茂忠 汪兴

摘要：针对红外连续变焦镜头中镜框的结构特点，通过设计和加工两方面对镜框变形的问题进行了分析和探讨，确定了设计方案，采取了一系列工艺措施，从而有效的解决了镜框在使用时变形的问题，为后续同类产品提供了参考。

Abstract： Based on the structural feature of infrared continuous zoom lens in the frame， through the two aspects of design and processing， the picture frame deformation are analyzed and discussed， the design scheme is determined， a series of technological measures are adopted， which effectively solves the problem of the deformation of frame and provides reference for subsequent similar products.

关键词：镜框；导钉；长径比；装夹

Key words： picture frame；guide pin；length to diameter ratio；the clamping

中图分类号：TH744 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）12-0127-02

0 引言

本论文来源于云南北方驰宏光电有限公司所负责的产品项目——KIRO-1244红外连续变焦镜头。在实际使用中，发现该镜头成像不理想，没有达到设计要求。经过拆开检查分析，发现在使用过程中，镜框同轴度过大，不宜保证零件的设计和加工精度，以及使用要求，存在变形，导致成像出现问题。为了提高镜框质量，本文针对镜框的结构特点、从设计和加工方面做了一些分析，从而探索出一套行之有效的方法，使上述问题得以顺利解决，并为同类产品提供了技术支持。

1 红外连续变焦镜头的结构特点

实际变焦过程中，由于镜框变形，导致镜片在运动过程中会发生不同程度的偏移与偏转，导致光轴的偏移，成像质量的下降，由此可见保证镜框在移动过程当中的平稳与流畅就变的十分重要。因此如何降低镜框在运动过程中偏移与偏转就成为变焦结构的设计重点问题，针对凸轮带动运动镜框滑动形式变焦结构，进行更进一步的研究以提升变焦过程的成像质量[1]。

2 导钉的位置

根据红外连续变焦镜头的结构特点，导钉带着镜框移动，所以导钉的安装位置在变焦过程中也会对镜片产生不同影响，因此针对导钉在镜框上的位置进行分析。按比例选取镜框五个点，分别以镜框全长0位置处、1/4处、1/2处、3/4处和1位置处这五个位置进行仿真分析。如图1所示。

将镜头的三维模型导入到有限元软件adams中进行动力学分析，变焦系统工作时，对镜框进行有限元仿真，如图2所示为镜框的变形云图。

结果分析如图3、图4所示。

由图3、图4可知，镜框运动主要对镜片Y轴的偏移与Z轴的偏转产生影响，其中当导钉位于镜框1/2位置处对镜片影响最小，导钉位于在0位置和1位置处的影响最大。

3 镜框长度的分析

并不能用简单的具体长度，来考量这个长度的镜框合适与否。

不同直径、 相同长度的鏡框，镜框运动时也会对镜片造成不同的偏移和偏转。因此对镜框长度的分析结果需要满足不同形式的镜框，所以要选取镜框的长度与直径比来分析[2]。满足安装条件的最短长径比为0.16：1，满足光学条件的最长长径比为1.2：1，所以运动镜框的长度与运动镜框直径比分别选取0.2：1、0.4：1、0.6：1、0.8：1、1：1、1.2：1。

根据以上分析，对不同长径比的镜框进行仿真分析，分析的结果如图5-图6所示。

当长径比小的时候，导钉带着镜框位移很大，当长径比很大的时候，导钉又带不动镜框。根据仿真数据可知，长径比在0.8：1左右比较合适。

4 加工变形分析

镜框加工要合理处理工艺系统中的机床刚度、夹具刚度、刀具刚度和工件刚度，该4项刚度对加工精度有着重要影响。实践证明，加工过程中，零件发生形变的直接原因就是力的作用，使得刀具与加工表面产生位置差，使加工零件的尺寸、形状发生变化，形成误差[3]。

5 装夹方案的改进

夹紧力的数量、位置和大小对装夹方案有着重要影响，其中任一因素变化都会引起镜框变形。装夹方案的优化措施如下。①优化夹紧力的数量。将集中夹紧改为均布夹紧，使得零件变形均匀。②优化夹紧力的放置位置。将夹紧力作用于刚度大的表面。③优化夹紧力的大小。在夹紧力的数量和位置都一定的情况下，如筒体装夹确保稳定，可采用尽可能小的夹紧力。

综上所述，零件在切削时是在三爪卡盘上装夹，只受3个爪的力，且夹紧力不均匀，从而使零件变形。本文在零件内孔两端配装可调支撑点，使其径向均布8处，M56调节螺钉支撑零件内壁，装夹时尽可能使夹紧点和支撑点对应，使其夹紧力作用于支撑上。

6 红外连续变焦镜头实验评价

经过设计仿真，确定优化镜框的长径比为0.8：1，导钉位置为1/2处，并用新的装夹方案生产、装配。

根据设计要求选取大于1.5km左右的物体进行观测，如图8所示为可见光拍摄观察区域。图中黑圈内的建筑物体，为本次测试的目标对象。使用本次所优化的红外连续变焦镜头对目标分别在30mm、60mm和90mm焦距情况下进行观测。

根据对该目标的观测可以发现，如图9所示，当镜头焦距在30mm的情况下，镜头成像效果良好，可观测区域也较为广阔；随着焦距的逐步增大，视场逐渐变窄，对观测目标也随之更为清晰，90mm焦距时目标物体最为清晰。在变焦过程当中，也可以发现光标的偏移量很小，说明变焦镜头在变焦过程中像漂现象很小，变焦过程平稳。

通过对红外连续变焦镜头不同焦距下对目标观测观察图可知道，每个焦距下镜头成像清晰，同时变焦过程中镜头镜框运动流畅，位置精准。

7 结语

经过实践，满足设计要求，并在实际使用中得到了良好的应用。因此，优化长径比、合理选择导钉位置、减小夹紧力是控制镜框变形的关键。

参考文献：

[1]李永刚，张葆，丁金伟.红外连续变焦镜头的结构设计[J].长春理工大学学报（自然科学版），2009，32（1）：60-63.

[2]倪绿汀.长波红外变焦系统的设计与研究[D].合肥工业大学，2013.

[3]杜广虎.红外连续变焦系统机械结构研究[D].长春理工大学，2013.