机器人红外视觉系统光机设计

2018-09-25陈淑玲林利芬

现代制造技术与装备 2018年8期

关键词：热化镜筒热像仪

陈淑玲赵鑫林利芬

（武汉软件工程职业学院，武汉 430205）

由于机器人红外视觉具有可以24小时全天候监控，探测距离远，不易受电磁干扰等优点，在机器人视觉系统应用中越来越多。为降低机器人红外视觉系统的成本、减小体积和重量，机器人红外视觉系统多采用高性能的非制冷红外探测器。

1 设计方案

由于机器人红外视觉系统的使用要求，内部空间小，所以，要求机器人红外视觉系统小型化、轻量化，同时为保证较远的探测距离，还要求具备较大的通光口径，而且要能适应高温、低温、冲击、振动等各种环境。

1.1 光学系统设计分析

为保证机器人红外视觉系统较大的探测距离，光学系统本身采用五片镜透射式结构，可得到较高的光学透过率，光学像差可以得到更好的平衡，成像质量能得到显著提高；同时，通过优化光学系统参数（曲率、间距、材料等）可相互补偿高低温时产生的离焦、色散等问题，如图1所示。

图1 光学系统图

由于观瞄装备需适应高温、低温等各种环境下的使用要求，光学系统需考虑无热化设计，在一个较大温度范围内保持稳定的像面位置和稳定的像质，目前的无热化技术主要有两类：机电主动式、光学被动式。机电主动式是指先由传感器探测出变化的温度，再由处理器计算出该温度对应的像面位移，最后由电机推动透镜产生相应的轴向位移进行补偿，机电主动式所需空间较大，不适合小型机器人红外视觉系统使用，且在恶劣环境环境下可靠性较低，而一旦发生意外，将造成严重后果。光学被动式是指使用不同特性的光学材料的合理组合，利用光学材料热特性之间的差异进行精密的光学设计，在平衡像差的同时消除温度的影响，获得补偿；具有结构简单、尺寸小、重量轻、无需供电、可靠性好等优点，非常符合观瞄装备小型化、轻型化的要求，而且更适合在恶劣环境下应用。

本方案采用光学被动补偿方式，光学系统在常温和高低温时像质不会有太大变化，如图2、图3所示。

图2 -40℃时MTF

图3 60℃时MTF

1.2 光机结构设计

由于整机采用被动无热化设计，要求结构尺寸稳定性很高，第一片透镜到探测器焦平面最大距离为140mm，而镜片的安装精度为0.03mm，即结构件从-40℃到60℃尺寸变化不得大于0.03mm，要求选用的合金材料线膨胀系数小于2.14，且线膨胀系数要求较稳定，常用铝合金、钢线膨胀系数分别为27和10.2，不符合无热化设计的使用要求。

因此，镜筒等结构件采用优质低膨胀合金材料DP2，线膨胀系数为0.8，并且强度高，加上特殊结构设计使系统坚固结实，体积小，且整机采用化学氧化处理，保证整机结构能够适应战技指标要求的环境试验要求。

由图1可以看出，光学系统包括整流罩和四片透镜，热像仪需保证光学镜片间隔尺寸和同轴度、垂直度精度的同时，还必须保证热像仪和整流罩的旋转中心重合。镜筒在保证强度的前提下，采用了薄壁设计，尽量减小热像仪重量，同时镜筒内部设计成消光齿纹，减少杂光。

为保证镜片的装配精度，第一、二、三透镜与第四透镜分别安装在大小镜筒上，用中心偏装调保证同轴度、用高度计保证间隔尺寸在光学安装精度0.03mm内，最后将调试好的镜筒用销钉销牢后，固定在支架上，方便以后调整测试。为弥补因机加工及装配产生的误差，探测器可前后调整，测试红外热像仪NETD、MRTD指标，直至图像呈最佳效果。探测器采用加固及防震防冲措施，满足整机的环境与使用条件。