直線步進電機在微型變焦機構中的應用

2018-05-08 13:20:44趙建川王鵬

電子技術與軟件工程 2018年22期

趙建川王鵬

摘要傳統變焦距光學鏡頭的變焦機構通過凸輪實現焦距的改變，凸輪的轉動帶動變倍組和補償組移動從而實現焦距的連續變化。但在兩檔切換的光學系統中，由于光學系統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兩個焦距位置的切換，特別是在本論文所應用的技術指標要求下：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。如果采用傳統的凸輪結構無法實現上述的技術指標要求，因此，本論文采用了一種新型的直線步進電機傳動機構，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象。最終的實驗結果表明兩檔切換鏡頭的切換時間滿足指標要求，同時在兩檔快速切換及溫度調焦時均未出現移動組卡滯現象，并且該直線步進電機傳動機構控制兩檔位置的定位精度達到了0.006mm，保證了光學系統在兩個焦距位置時成像清晰。

【關鍵詞】變焦機構凸輪直線步進電機定位精度

傳統變焦距光學鏡頭的變焦機構通過凸輪實現焦距的改變，凸輪的轉動帶動變倍組和補償組移動從而實現焦距的連續變化。但在兩檔切換的光學系統中，由于光學系統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兩個焦距位置的切換，特別是在本論文所應用的技術指標要求下：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。如果采用傳統的凸輪結構無法實現上述的技術指標要求，因此，本論文采用了一種新型的直線步進電機傳動機構，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象。

1 傳統變焦距結構

1.1 傳統變焦距光學系統

傳統的變焦距光學系統往往由前固定組，變倍組，補償組，后固定組組成。

前固定組其作用是給系統提供固定的像;變倍組在變焦過程中多做線性運動，擔負著系統的焦距連續變化的作用;補償組則是補償焦距連續變化時像面位置不變的作用;后固定組擔負確定整個系統的焦距范圍。

1.2 傳統變焦距機械結構形式

傳統變焦距的結構形式主要是凸輪結構形式。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。在凸輪機構中，有旋轉電機，凸輪，主鏡筒，導釘，移動鏡座。通過旋轉電機傳遞扭矩給凸輪，凸輪帶動導釘在特定的曲線槽內運動，導釘又帶動移動鏡座在主鏡筒內前后移動。移動鏡座在主鏡筒內的移動方式主要有兩種，一種是滑架結構形式，一種是直線導軌形式。

1.2.1 滑架結構形式

滑架結構形式主要由凸輪，主鏡筒，變倍滑架，導釘，旋轉電機等組成。

滑架形式的特點結構簡單，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以內的凸輪。

1.2.2 直線導軌結構形式

直線導軌結構形式主要由凸輪，主鏡筒，移動鏡座，直線導軌，導釘，直線軸承，滾珠，旋轉電機等組成。

直線導軌的特點是移動鏡座沿著固定在主鏡筒上直線導軌移動，精度高，摩擦力小，但重量大，適合直徑φ60以外的凸輪。

上述兩種結構類型的變焦方式均不適用于論文所應用的技術指標要求，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引入到變焦的結構設計中，從而實現了光學系統在兩個焦距位置的快速切換。

2 直線步進電機變焦結構設計

2.1 光學系統結構

本文所設計的紅外變焦距鏡頭安裝在導引頭上，由于紅外熱像儀在本系統中起著探測目標，跟蹤目標并慣導、制導的作用，根據光學系統的設計結果，不但有變倍機構，還有無熱化設計的溫度調焦機構。而導彈飛行的時間僅為幾分鐘，這就要求變倍及溫度調焦時間要迅速，時間不大于0.2秒。系統采用了焦距為85mm、140mm兩檔變倍結構，只要求在兩個焦距位置成像，所以光學系統的補償方式為光學補償，只需要移動一組鏡頭就能實現兩個焦距位置的切換。光學系統設計結果圖如圖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，溫度調焦組向前移動的距離為0.3928mm，溫度變化從+20℃ - -45℃時，溫度調焦組向后移動的距離為0.65mm。

2.2 系統整體布局

從光學系統來看，無論是變倍還是溫度調焦，光學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動變倍和溫度調焦。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的位置精度要求。其鏡組前后位置直接由電控系統控制步進電機脈沖數實現，能夠滿足時間不大于0.2s。由于國內的直線步進電機體積較大，無法放入到這微型的系統中，只能放置于光路外，并且與光路平行。導致步進電機產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構設計

當直線步進電機啟動時，直線步進電機螺桿會產生旋轉方向上的一個力，使得滑架沿徑向方向有微小移動，與主鏡筒碰撞，產生卡滯現象。另一方面，由于步進電機產生的作用力不能與滑架中心在同一軸線上，會產生鏡座在鏡筒內在軸向方向傾斜，即而產生卡滯。為了解決上述兩種現象，我們引用了一個圓柱形的軸作為導向桿。該結構由直線步進電機，導桿，撥叉，導釘，主鏡筒，變倍鏡座等組成。當直線步進電機通電時，因為導桿的存在，消除了撥叉的旋轉，帶動裝有螺母的撥叉做直線往復運動，撥叉帶動裝有導釘的變倍鏡座在主鏡筒里前后移動。

同理，無熱化設計溫度調焦組也采用了這種結構。

該結構需要嚴格控制三個配合間隙：撥叉與圓柱形導桿之間的間隙，撥叉與導釘之間的間隙，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，使移動架能夠平穩的向前移動。

（2）移動架與導釘之間的間隙，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。光學系統的離焦量為0.033mm，當變倍組定位誤差超過0.015mm，調焦組定位誤差超過O.Olmm時，像面會不清晰。所以要嚴格控制這兩個間隙。如表l所示。

（3）主鏡筒與調焦鏡座之間的間隙，這個間隙影響到調焦過程中光軸的穩定性。

3 設計結果及實驗驗證

通過上述的設計與分析，我們成功地研制了利用直線步進電機傳動機構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，光學系統焦距從85mm切換到140mm，時間為0.2秒，滿足指標要求。同時，當光學系統焦距為85mm和140mm時成像質量清晰，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 結論

直線步進電機在各類變焦距鏡頭中的應用越來越廣泛，本文正是利用直線步進電機運動速度快的優點設計了變焦系統中的傳動機構，通過實驗，驗證了該結構的可行性，證明了利用直線步進電機作為驅動部件的傳動機構在變焦系統中具有快速響應性，結構緊湊，定位精度高的優勢，擴大了直線步進電機的應用范圍。

參考文獻

[1]張治中，李曉惕.變焦距鏡頭導向機構的類型[J].光學機械，1991 （05）：50-55.